´ ESCUELA TECNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES Departamento de M´aquinas El´ectricas

˜ ´ DISENO, DESARROLLO Y CONSTRUCCION DE UNA MICRO-RED DE 5kVA CON ´ CARGAS DINAMICAS Y DESEQUILIBRIOS PROGRAMABLES.PARTE I: ESTRUCTURA DE MANIOBRA Y CONTROL DE CARGAS ACTIVAS REGULABLES

Trabajo Fin de Grado presentado por Javier Alcojor Gallego para obtener el Grado en Ingenier´ıa en Tecnolog´ıas Industriales

Tutor: D. Carlos Veganzones Nicol´as Madrid, Julio 2016

Agradecimientos

A todos aquellos de los cuales he recibido su apoyo , ayuda y experiencia os dedico este proyecto, por haberme permitido llevarlo a cabo, haciendo posible culminar parte de mi sue˜ no. En especial se lo dedico a mi familia, mis padres y mi hermano. Gracias a su constante apoyo y respaldo me han hecho llegar hasta este punto. Juntos cerramos esta puerta que da fin a una etapa, con la seguridad de que el camino que queda por recorrer sea igual de satisfactorio y motivador. Gracias por ense˜ narme a mantener la vista en el camino disfrutando de las adversidades como excelentes oportunidades para aprender, un camino que se aclara y vislumbra gracias a vuestro constante apoyo y respaldo. Me gustar´ıa agradecer a mi tutor Carlos por haber formado parte de dicho camino, aport´andome experiencias tanto en el plano personal y acad´emico. Su vitalidad y apoyo han sido la llave de motivaci´on y entusiasmo por mi proyecto. Es esa llave la que me llevo con el orgullo y seguridad de que con ella, muchas son las puertas que abrir. A Rodolfo, a quien no puedo olvidar mencionar por involucrarse y comprometerse en el proyecto. ´ A Alvaro, por emprender el proyecto como compa˜ neros en los inicios y amigos al final, en una aventura que desconoc´ıamos. Juntos el camino se hecho m´as liviano y divertido. Gracias a todos por haber formado parte de mi proyecto personal.

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Abreviaturas

MA: M´aquina As´ıncrona MR : Micro Red CDE: Carga din´amica equilibrada CDD: Carga din´amica desequilibrada CDDF: Carga din´amica desequilibrada con freno CDEF: Carga din´amica equilibrada con freno DAQ: Data Acquisition PWM: Pulse Width Modulation GD: Generaci´on Distribuida TI: Transformadores de Intensidad NI: National Instruments NA: Normalmente Abierto

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IV

Resumen

La transformaci´on social sufrida en las u ´ltimas d´ecadas posiciona la energ´ıa el´ectrica como necesidad primaria para el desarrollo de las actividades diarias. El alto grado de dependencia de la electricidad obliga a valorar las desventajas del sistema el´ectrico tradicional en la b´ usqueda de nuevas t´ecnicas que permitan hacer frente el incremento de la demanda de forma eficiente y sostenible. El sometimiento de las econom´ıas del mundo industrializado, junto con la problem´atica asociada a la generaci´on de las fuentes convencionales; inducen un fuerte efecto inflacionista a la par que se reduce la actividad econ´omica. Es por ello que ya desde el u ´ltimo cuarto del siglo XX se inicia la b´ usqueda de soluciones tecnol´ogicas para desvincular la econom´ıa mundial del empleo de combustibles f´osiles y sustituirlas por el uso de energ´ıas renovables. En ese sentido la idea m´as avanzada es tender a una estructura de explotaci´on de los sistemas el´ectricos distribuidos en numerosas c´elulas de generaci´on y consumo de mediana o peque˜ na potencia, que se gestiona de forma aut´onoma denominados “Micro-Redes” en los que se garantice una mayor penetraci´on de la generaci´on con energ´ıas renovables, a la par que calidad, estabilidad y eficiencia se ven incrementados. Numerosos avances se est´an consiguiendo en el ´ambito de las Micro-Redes motivado por la necesidad de “renovaci´on” del sistema el´ectrico ante el desarrollo de nuevas fuentes energ´eticas. En esa l´ınea se desarrollan las actividades cient´ıficas del departamento de ingenier´ıa el´ectrica a fin de ensayar y concluir posibles teor´ıas futuras. Ante dichos avances, el presente trabajo aborda el dise˜ no, desarrollo, construcci´on y operaci´on de una Micro-Red a escala de laboratorio. El fin u ´ltimo del mismo es el desarrollo de un sistema que permita ser utilizado en el laboratorio como herramienta para

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la realizaci´on de diversos ensayos sobre Micro-Redes. El objeto de la realizaci´on de dicho prototipo es el de reproducir a peque˜ nas escala, distintas situaciones que pudieren surgir durante el funcionamiento de las Micro-Redes. Se espera de dicha herramienta que sirva para ensayar nuevas estrategias de control para implementar en los sistemas de gesti´on activa de potencia de los que presumiblemente dispondr´an las micro-redes (aerogeneradores, cargas inteligentes,...) y analizar su comportamiento frente a los desequilibrios y distorsiones a causa de las variaciones esperadas en la demanda. Por tanto, el principal objetivo del presente trabajo consiste en el dise˜ no, desarrollo, montaje, construcci´on y operaci´on de un emulador que represente de manera fidedigna el comportamiento de las micro-redes, a peque˜ na escala. El proyecto se inicia con un per´ıodo de an´alisis de documentaci´on bibliogr´afica sobre estos nuevos sistemas, entendiendo el porqu´e y el c´omo de los mismos. Ello permite definir los requisitos del emulador de forma que se represente los m´as fielmente posible el comportamiento del sistema que se pretende emular. El emulador est´a constituido por tres partes bien diferenciadas: sistema de demanda, sistema de distribuci´on y protecci´on y sistema de control y gesti´ on. La actuaci´on conjunta y coordinada de los mismos permite generar las perturbaciones de las caracter´ısticas precisas para realizar estudios de desequilibrios y distorsiones acontecidos durante el funcionamiento de las micro-redes. El sistema de demanda integrado emula las diferentes situaciones posibles de las condiciones de carga de la micro-red. La clasificaci´on m´as general de la situaciones de carga en funci´on de su evoluci´on da lugar a dos tipos: cargas din´ amicas y cargas est´ aticas. Las primeras se caracterizan por una demanda de corriente y potencia variables en el per´ıodo de funcionamiento; mientras que las segundas demandan un consumo invariable durante el per´ıodo de funcionamiento. Las cargas presentes en nuestro sistema deben permitir generar el mayor grado adecuado de desequilibrio al que puede verse sometida la micro-red, para lo cual se lleva a cabo la integraci´on de las siguientes cargas:

Carga din´amica equilibrada: consistente en el empleo de una m´aquina de inducci´on alimentada desde un variador de velocidad, con un freno por polvos magn´eticos acoplado en su eje. Su integraci´on establece un sistema equilibrado.

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Carga din´amica desequilibrada: la generaci´on de desequilibrios pasa por la integraci´on de cargas variables diferentes a cada una de las fases. Para ello se realiza la conexi´on monof´asica de m´aquinas de inducci´on con freno acoplado en el eje. Debido al empleo de m´aquinas trif´asicas, resulta necesario reconfigurar su conexionado y la conveniente instalaci´on de condensadores. Carga est´atica: el empleo de resistencias monof´asicas en el sistema permite emular el comportamiento de cargas activas fijas, cuya demanda de corriente y potencia resulta invariante en el tiempo. La maniobra y el control de los diferentes componentes que conforman el sistema de demanda, permite al sistema reproducir las condiciones para realizar las validaciones y los estudios necesarios. El sistema de maniobra y protecci´ on selecciona y protege los elementos que establecen el flujo de energ´ıa, mediante la conexi´on, desconexi´on y regulaci´on de cargas el´ectricas. El empleo de contactores permite controlar de forma sencilla la conexi´on de las diferentes cargas de forma remota. En lo que respecta a las protecciones, se realiza la instalaci´on de interruptores tetrapolares, bipolares y monopolares tanto en el circuito de potencia como en el de control. El sistema desarrollado debe ser gestionado de forma remota por el usuario de modo que se permita la monitorizaci´on instant´anea de las variables presentes en el sistema. Por tanto, se desarrolla un sistema de control y gesti´ on localizando el conjunto de las acciones en una unidad de control centralizada. Ello implica la utilizaci´on de tarjetas de adquisici´on de datos y de una interfaz gr´afica, para interaccionar con el entorno, realizando la lectura, tratamiento y adaptaci´on de se˜ nales. Lo explicado permite afirmar el elevado car´acter pr´actico y experimental del proyecto, en el que las actividades y tareas realizadas en el laboratorio han supuesto aproximadamente el 75 % del trabajo, mientras que el 25 % restante se ha empleado en el desarrollo de modelos de simulaci´on del sistema que permiten contrastar lo obtenido de forma te´orica con lo experimental. El desarrollo del trabajo ha sido estructurado en dos TFG, donde pr´acticamente la totalidad de las tareas son realizadas cooperativamente y de forma complementaria por ambos alumnos. Ello permite definir una metodolog´ıa caracterizada por el trabajo en

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equipo y basada en el establecimiento y cumplimiento de hitos sucesivos. Ejemplos de los mismos son: el control por computador de cargas din´amicas alimentadas desde un variador de velocidad, el control por computador del freno o el desarrollo del algoritmo de control. El desarrollo del trabajo ha sido satisfactorio cumpliendo la totalidad de los objetivos planteados inicialmente. Como resultado final se obtiene un equipo de laboratorio que emula el funcionamiento de una micro-red de 5 kVA donde se puede definir diferentes escenarios de carga, perfectamente controlado desde un ordenador. Adicionalmente, se han realizado un conjunto de simulaciones a trav´es de las cuales comparar el comportamiento te´orico proporcionado por los modelos con los resultados obtenidos de forma experimental, permitiendo validar el equipo. La memoria ha sido estructurada de la forma m´as sencilla posible, intentando garantizar la comprensi´on de las actividades realizadas. Comienza con una descripci´on del estado en que se encuentra la integraci´on de las Micro-redes como alternativa de futuro. Posteriormente se detalla el proceso de dise˜ no, montaje y puesta en marcha de los elementos constituyentes de la micro-red que integran la parte del equipo que corresponde a este trabajo fin de grado. Para finalizar se describe el algoritmo de control desarrollado, el an´alisis de los resultados de la validaci´on del sistema, as´ı como el desarrollo de las simulaciones. Todo lo anterior se encuentra debidamente argumentado, explicado y llevado a cabo garantizando la funcionalidad del conjunto, lo que permite concluir que se han completado de forma satisfactoria los objetivos iniciales del proyecto.

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Cap´ıtulo 1 Objetivos y alcance del trabajo

1.1.

Antecedentes

En la actualidad, el sector energ´etico se encuentra sometido a diferentes an´alisis en la b´ usqueda por hacer del mismo uno m´as eficiente y respetuoso con el medio ambiente. En esa l´ınea se est´an desarrollando nuevas estructuras para sistemas de distribuci´on con integraci´on de numerosas micro-redes con fuerte implantaci´on de sistemas de autogeneraci´on, con el objetivo de crear sistemas abastecidos de energ´ıa limpia. As´ı, el presente proyecto nace como complemento a un proyecto previo realizado en el departamento de m´aquinas el´ectricas por D. David Mart´ın Gonz´alez, consistente en la creaci´on de una bancada de bajo coste para la emulaci´on de una turbina ´eolica a partir de la cual realizar ensayos de laboratorio. Como extensi´on al mismo aqu´ı se aborda la construcci´on de un micro sistema el´ectrico, en el que incorporar adem´as de dicho emulador otra serie de equipos capaces de emular la demanda y sus fluctuaciones. Las micro-redes son una buena soluci´on como base de estructura para el nuevo sistema el´ectrico por las m´ ultiples ventajas en el plano t´ecnico, econ´omico y medio ambiental. Pero para que esto sea efectivo dicha micro-red debe disponer de un sistema inteligente de control, permitiendo optimizar los flujos de potencia y elevar la eficiencia del conjunto

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reduciendo al m´aximo el impacto sobre la naturaleza.

1.2.

Objetivos y contribuci´ on

Este trabajo fin de grado supone una parte de un proyecto mucho m´as amplio (creado a peque˜ na escala en el laboratorio) que aborda en su totalidad lo explicado anteriormente. A su vez, el trabajo detallado representa una de las partes de un proyecto realizado de forma conjunta y paralela con otro compa˜ nero, cuyo objetivo es el dise˜ no, desarrollo, montaje y operaci´on de una micro-red de 5kVA a escala de laboratorio. Por tanto, el proyecto se encuentra dividido en dos trabajos. La parte I corresponde a la presente memoria, la cual es complementada por la parte II titulada accionamiento ´ din´amico regulable y red de distribuci´on, desarrollada por D. Alvaro Mart´ın Montero. Es importante destacar, que el proyecto ha sido realizado de forma conjunta y cooperativamente por ambos alumnos, lo que significa que existe una amplia base del mismo com´ un a ambos, separando de forma individual ciertas actividades que as´ı lo permit´ıan. Es por ello, que ambos alumnos conocen a la perfecci´on el proyecto en su totalidad. Los objetivos principales, abordados durante el desarrollo del trabajo son:

Dise˜ no, desarrollo, construcci´ on y operaci´ on de una micro-red de 5 kVA: tarea primordial que aborda el proyecto, consistente en la integraci´on en laboratorio de una micro-red de 5kVA con capacidad de programar y regular la demanda a trav´es cargas din´amicas y desequilibradas. Ello requiere considerar todo el ciclo del proyecto, desde el desarrollo del dise˜ no con sus correspondientes planos y esquemas, hasta su realizaci´on f´ısica a escala de laboratorio. El proceso parte de la concepci´on y definici´on de los requerimientos que se le van a exigir a la micro-red para su futuro empleo. Se trata de dotar al sistema de la posibilidad de producir desequilibrios, que permitan estudiar reg´ımenes transitorios y su efecto en las micro-redes. Control de la micro-red mediante el empleo de un microprocesador: es preciso establecer un sistema de control centralizado de todos los elementos desde un computador, que permita al usuario ejercer las acciones de control de forma remota y segura en funci´on de las condiciones deseadas en cada momento en el sistema. As´ı, es posible monitorizar todos los elementos desde una unidad de control, y permitir

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ejercer acciones de forma coordinada entre los diferentes elementos y crear nuevos protocolos de actuaci´on entre los diferentes agentes que conforman la micro-red. Simulaci´ on de todas las cargas que componen la micro-red: adicionalmente a los objetivos citados con anterioridad, se pretende llevar a cabo la realizaci´on de modelos de simulaci´on que permitan preveer el funcionamiento del sistema real llevado a la pr´actica, permitiendo contrastar los resultados te´oricos con los obtenidos de forma experimental, comprobando que el sistema desarrollado se comporta conforme a los objetivos planteados. En resumen, permiten detectar de forma prematura posibles errores que pudieren aparecer durante la operaci´on del sistema en el laboratorio. Realizar un breve estudio del sistema: una vez finalizado el dise˜ no, desarrollo, construcci´on y operaci´on del prototipo de laboratorio, alternativamente se propone la elaboraci´on de un protocolo de actuaci´on. Dicho protocolo describe la forma de emplear el equipo de forma segura, garantizando el funcionamiento y la integridad del sistema. Ello implica realizar sucesivas pruebas poniendo en pr´actica cierta capacidad de an´alisis para validar los resultados. En u ´ltimo lugar y tras la instalaci´on que resulte de este proyecto, debe dotar al conjunto del sistema de la flexibilidad precisa para realizar posibles modificaciones en el futuro, garantizado su factibilidad t´ecnica y econ´omica.

1.3.

Motivaci´ on

La necesidad de transformaci´on del sistema energ´etico tradicional es un proceso que ya se intu´ıa en d´ecadas pasadas. El concepto tradicional de red el´ectrica entiende como tal un conjunto de l´ıneas, transformadores e infraestructuras que permiten proveer de energ´ıa a los consumidores distanciados de los centros de generaci´on. La disposici´on geogr´afica del sistema el´ectrico tradicional se caracteriza por grandes p´erdidas en el transporte como consecuencia de las distancias entre los puntos de consumo y los centros de generaci´on. A ra´ız de las sucesivas crisis econ´omicas y financieras, con una mayor transcendencia la desatada en 2007, es necesario plantear nuevos patrones de crecimiento econ´omico y en el consecuente crecimiento de la demanda energ´etica. Es necesario facilitar la integraci´on

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de las energ´ıas renovables, mediante las cuales abastecer el incesante crecimiento de la demanda energ´etica de la forma m´as sostenible posible. Adem´as de los problemas mencionados anteriormente, existen otros muchos que refuerzan la necesidad de cambio, tales como:

El impacto ambiental del empleo de combustibles f´osiles que provocan el efecto invernadero. Actualmente no existen dispositivos adecuados que permiten llevar a cabo el almacenamiento de energ´ıa. Esto implica crear un “exceso” de energ´ıa que garantice los picos de demanda. Los consumidores carecen de la informaci´on necesaria para determinar el coste de la energ´ıa de forma instant´anea. Ciertas infraestructuras requieren realizar un elevado desembolso en inversiones como consecuencia de la antig¨ uedad de las mismas.

Todo lo citado anteriormente describe un entorno que justifica la evoluci´on que debe seguir el sistema actual hacia estructuras m´as eficientes y competitivas en la satisfacci´on de la demanda. Una transformaci´on basada en la fragmentizaci´on del sistema centralizado hacia la generaci´on distribuida, donde los usuarios finales pasen a ser agentes activos. Todo ello se ve reforzado por los objetivos fijados para el a˜ no 2020, momento en el cual se pretende: haber reducido el consumo de energ´ıa primaria en un 20 %, una disminuci´on de las emisiones de efecto invernadero del 20 % y alcanzar la cota del 20 % en lo que a generaci´on de energ´ıa renovable se refiere.

1.4.

Estructura de la memoria

En los pr´oximos cap´ıtulos se abordan diferentes temas, estructurados de forma espec´ıfica de modo que se facilite su seguimiento. La estructura es:

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Introducci´ on. Estado del arte: introduce las problem´atica del sistema actual, contextualizando y defendiendo el planteamiento del tema a abordar en los cap´ıtulos posteriores. Dise˜ no y construcci´ on de la micro-red: se describe las diferentes etapas y acciones llevadas a cabo desde el dise˜ no de la micro red hasta su construcci´on de forma f´ısica. Dise˜ no del equipo de cargas activas regulables: fundamentos te´oricos de los dispositivos empleados, as´ı como especificaciones de nuestro caso particular. Ensayos y parametrizaciones de los diferentes elementos que constituyen el equipo. Sistema de gesti´ on y control de la micro-red: se especifica el hardware y software utilizado para establecer un control completo mediante computador. Modelo de simulaci´ on del sistema implementado: explicaci´on de los diferentes modelos de simulaci´on implementados y an´alisis de los resultados obtenidos de forma experimental con los obtenidos de forma te´orica. Pruebas de incidencias de laboratorio: se describen las numerosas pruebas realizadas en el laboratorio, con el objetivo de garantizar la operatividad y seguridad de todos los equipos y del sistema global. Manual de usuario del equipo: documento que define el protocolo de funcionamiento a realizar para su utilizar adecuadamente el equipo en toda su funcionalidad adem´as de garantizar la seguridad e integridad del usuario y sistema durante su operaci´on. El objetivo del cap´ıtulo es definir ciertos pasos de manera que cualquier persona ajena al proyecto pueda operar con el mismo de forma satisfactoria. Conclusiones: se detallan las conclusiones generales, los objetivos alcanzados y posibles l´ıneas futuras de investigaci´on. ANEXOS: Planos: los diferentes planos realizados en el dise˜ no de la maqueta realizada, as´ı como de los diferentes esquemas el´ectricos que componen el conjunto de la micro-red est´an disponibles para facilitar su consulta. Gesti´ on de Compras: breve exposici´on de la gesti´on en la adquisici´on de los recursos necesarios en funci´on de ciertos criterios. Planificaci´ on temporal: realizaci´on de la EDT, diagrama de Gant y presupuesto.

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Referencias: descripci´on de la bibliograf´ıa empleada.

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´Indice general Agradecimientos

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Abreviaturas

III

Resumen 1. Objetivos y alcance del trabajo 1.1. Antecedentes . . . . . . . . . 1.2. Objetivos y contribuci´on . . . 1.3. Motivaci´on . . . . . . . . . . . 1.4. Estructura de la memoria . .

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2. Estado del arte 2.1. Introducci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Sistema el´ectrico tradicional . . . . . . . . . . . . . . . 2.3. Generaci´on distribuida (GD) . . . . . . . . . . . . . . . 2.4. Red de distribuci´on activa . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5. El concepto de las Micro-redes . . . . . . . . . . . . . . 2.6. Arquitectura de la micro-red . . . . . . . . . . . . . . . 2.7. Ventajas y desventajas de la integraci´on y desarrollo de 2.8. Gesti´on Operativa de una Micro-Red . . . . . . . . . . 2.9. Interacci´on de las Micro-Redes con la red el´ectrica . . . 2.10. Sumario y Conclusi´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Memoria

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3. Dise˜ no de una micro-red de 5KVA con cargas din´ amicas y desequilibrios programables. 15 3.1. Generalidades y requerimientos de la MR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

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3.1.1. Clasificaci´on de cargas en una MR . . . . . . . 3.1.2. Desequilibrios en una red el´ectrica trif´asica . . . 3.1.3. Esquema general de la MR . . . . . . . . . . . . 3.2. Elementos y dise˜ no de la micro-red . . . . . . . . . . . 3.2.1. Sistema de demanda . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2. Dise˜ no del sistema de distribuci´on y protecci´on 3.2.3. Dise˜ no de la estructura del equipo . . . . . . . . 3.2.4. Construcci´on del equipo . . . . . . . . . . . . . 3.2.5. Sistema de gesti´on y control . . . . . . . . . . . 3.3. Resultado final y conclusi´on . . . . . . . . . . . . . . .

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4. Cargas activas regulables 4.1. M´aquina As´ıncrona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.1. Teor´ıa y modelo de la m´aquina de inducci´on . . . . . . . . . . . . . 4.1.2. Fundamentos de funcionamiento de la m´aquina as´ıncrona . . . . . . 4.1.3. Establecimiento de rotaci´on en el eje . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.4. Elementos constructivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.5. Circuito equivalente el´ectrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.6. Curvas caracter´ısticas del motor de inducci´on . . . . . . . . . . . . 4.1.7. Regulaci´on de velocidad. Variador de velocidad . . . . . . . . . . . 4.1.8. Parametrizaci´on de la m´aquina de inducci´on . . . . . . . . . . . . . 4.2. Funcionamiento e integraci´on de motores as´ıncronos trif´asicos en redes monof´asicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1. Principio de funcionamiento de una m´aquina de inducci´on monof´asica 4.2.2. Caracter´ısticas de los motores as´ıncronos monof´asicos . . . . . . . . 4.2.3. Empleo de motores as´ıncronos trif´asicos en redes monof´asicas . . . . 4.2.4. Selecci´on del condensador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3. Freno por part´ıculas magn´eticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1. Introducci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.2. Fundamentos te´oricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.3. Caracter´ısticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.4. Unidad de control 14.422. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.5. Modos de operaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.6. Parametrizaci´on del freno de part´ıculas magn´eticas . . . . . . . . . 4.4. Accionamiento el´ectrico emulador de carga din´amica regulable . . . . . . . 4.4.1. Variador de velocidad. Altivar 66 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.2. M´aquina as´ıncrona y freno por part´ıculas magn´eticas . . . . . . . .

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16 17 18 22 23 28 35 38 42 46 49 50 50 51 52 53 54 57 58 61 66 67 68 72 73 75 75 76 78 80 81 83 87 88 93

4.4.3. Funcionamiento de la carga din´amica equilibrada regulable . . . . . 94 4.4.4. Funcionamiento de la carga din´amica desequilibrada regulable . . . 97 4.5. Resumen y conclusi´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 5. Cuadros el´ ectricos de baja tensi´ on 5.1. Componentes del sistema el´ectrico . . . . 5.2. Tipos de cuadros el´ectricos . . . . . . . . 5.3. Componentes en cuadros de baja tensi´on 5.4. Cuadro de maniobra de la MR . . . . . . 5.5. Montaje del cuadro de la MR . . . . . . 5.6. Resumen y conclusi´on . . . . . . . . . .

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6. Sistema de maniobra y control de la micro-red 6.1. Descripci´on del software de control: LabVIEW . 6.1.1. Caracter´ısticas . . . . . . . . . . . . . . 6.2. Desarrollo del equipo de maniobra y control . . 6.2.1. Adquisici´on de datos en LabVIEW . . . 6.3. Programaci´on en LabVIEW . . . . . . . . . . . 6.3.1. Tipos de datos . . . . . . . . . . . . . . 6.3.2. Gr´aficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.3. Estructuras . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.4. Arrays y Clusters . . . . . . . . . . . . . 6.3.5. Subinstrumentos Virtuales. subVI . . . . 6.3.6. DAQ Assistant . . . . . . . . . . . . . . 6.3.7. Flujo de datos . . . . . . . . . . . . . . . 6.4. Unidad de control centralizada de la MR . . . . 6.4.1. Adquisici´on y generaci´on de las se˜ nales . 6.4.2. Diagrama de Bloques . . . . . . . . . . . 6.4.3. Panel frontal . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.4. Subinstrumento Virtual. Freno.vi . . . . 6.5. Resumen y conclusi´on . . . . . . . . . . . . . .

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7. Modelo de Simulaci´ on de la micro-red 7.1. Conceptos generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2. Modelo de simulaci´on de la MA . . . . . . . . . . . . . . . 7.3. Modelo de simulaci´on del freno por part´ıculas magn´eticas . 7.3.1. Bloque correspondiente a las curvas parametrizadas

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111 . 111 . 112 . 113 . 114 . 121 . 123 . 124 . 125 . 126 . 128 . 129 . 132 . 133 . 133 . 134 . 135 . 138 . 141

. . . .

143 . 143 . 145 . 149 . 151

7.4. 7.5.

7.6. 7.7.

7.3.2. Bloque correspondiente al valor medio . . . . . . Modelo de carga din´amica equilibrada . . . . . . . . . . . Modelo de carga din´amica desequilibrada . . . . . . . . . 7.5.1. Modelo empleando MA monof´asica . . . . . . . . 7.5.2. Modelo empleando MA trif´asica con condensador Modelo de la micro-red en Simulink . . . . . . . . . . . . Resumen y conclusi´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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. . . . . . .

. . . . . . .

152 153 156 158 160 162 166

8. Validaci´ on del funcionamiento del equipo integrado 167 8.1. Protocolo de actuaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 8.1.1. Integraci´on del sistema de distribuci´on . . . . . . . . . . . . . . . . 168 8.1.2. Integraci´on de carga din´amica equilibrada en la micro-red . . . . . . 168 8.1.3. Integraci´on de carga din´amica desequilibrada en la micro-red . . . . 168 8.1.4. Integraci´on de cargas resistivas monof´asicas en la micro-red . . . . . 169 8.2. Estudio y an´alisis de diferentes modos de operaci´on en r´egimen permanente 169 9. Conclusiones y l´ıneas futuras 177 9.1. Conclusiones generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 9.2. Impacto social y ambiental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 9.3. L´ıneas futuras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180

II

Planificaci´ on

183

10.Planificaci´ on y programaci´ on de las actividades 185 10.1. Estructura de descomposici´on del proyecto. EDT . . . . . . . . . . . . . . 185 10.2. Distribuci´on temporal. Diagrama de Gantt . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 11.Presupuesto

III

193

Planos

197

12.Esquemas el´ ectricos y planos

IV

199

Anexos

213

A. Gesti´ on de compras 215 A.1. Analizador de red CVM-MINI-MC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215

XVIII

A.1.1. Transformadores de intensidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 A.2. M´odulo de Rel´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 B. Aplicaci´ on de condensadores en motores 219 B.1. C´odigos condensadores seg´ un DIN 40040 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 C. Curvas caracter´ısticas motores as´ıncronos

221

D. Optoacoplador

225

XIX

Cap´ıtulo 2 Estado del arte

2.1.

Introducci´ on

Dentro del contexto social actual, la energ´ıa el´ectrica se presenta como un recurso fundamental que posibilita desde el uso de maquinaria industrial hasta peque˜ nos electrodom´esticos en el hogar. Esa fuerte presencia en la mayor parte de las actividades y h´abitos de la vida cotidiana lleva asociada un fuerte incremento del consumo y, en consecuencia, de la generaci´on el´ectrica con la problematica . A ra´ız del incremento de los niveles de CO2 asociados al crecimiento de la demanda, junto con la crisis del petr´oleo, surge la necesidad de replantearse el modelo del sistema el´ectrico tradicional, tanto a medio como a largo plazo. Es a mediados de la d´ecada de los a˜ nos 70 cuando se a´ unan todos los esfuerzos en diversificar las fuentes energ´eticas, con la intenci´on de desvincular la econom´ıa mundial del empleo de combustibles f´osiles. Las fuentes energ´eticas de las que dispone el ser humano se clasifican en dos grandes grupos: renovables y no renovables. Es en el marco de las primeras en el que se ha intensificado su estudio con el objetivo de hacer frente a esa demanda energ´etica de la manera m´as ecol´ogica y eficiente para el medio ambiente. Su implantaci´on y desarrollo se sigue presentando como un largo camino en el que investigar y avanzar. En la b´ usqueda de satisfacer la creciente demanda y solventar toda la problem´atica asociada, es necesario concebir una transformaci´on del sistema el´ectrico actual. Un futuro marcado por la sustituci´on de las fuentes convencionales de generaci´on de energ´ıa hacia fuentes renovables,

1

CAP´ITULO 2. ESTADO DEL ARTE

alcanzando el mayor grado de eficiencia posible. Partiendo de dicha premisa juega un papel especial la generaci´on distribuida, present´andose como la mejor alternativa al permitir situar los grupos de generaci´on el´ectrica all´ı donde se encuentren las fuentes naturales. En iguales condiciones permite acercar la generaci´on hacia los puntos de consumo, reduciendo considerablemente las p´erdidas en el transporte a la par que dota de un alto grado de flexibilidad con respecto al sistema actual. Actualmente, gracias al fuerte desarrollo en fuentes renovables, junto con el aumento en la capacidad de almacenamiento a peque˜ na escala y el desarrollo de la electr´onica de potencia, ha propiciado una evoluci´on de la red el´ectrica, hacia el concepto de las Smart Grid o Redes Inteligentes. Sin embargo, en medio del camino hacia la creaci´on de redes con la capacidad de vincular de forma “inteligente”la generaci´on y el almacenamiento distribuido; se encuentran las micro-redes. Las Micro-Redes permiten aunar el uso de nuevas fuentes de generaci´on con sistemas de almacenamiento a peque˜ na escala, ofreciendo la posibilidad de ser tratado como una “unidad ficticia”frente a la red, e interactuar como un agente de mercado. El objetivo final reside en la posibilidad de construir un sistema el´ectrico formado por un conjunto de micro-redes, conectadas unas con otras, autoabastecidas y con la capacidad de operar en modo aislado cuando es requerido. Desde esta nueva perspectiva se puede entender como una fragmentaci´on del sistema el´ectrico tradicional, lo que ayuda a incrementar la seguridad de la red evitando la dependencia de ciertos nodos cr´ıticos.

2.2.

Sistema el´ ectrico tradicional

El sistema el´ectrico tradicional se caracteriza por poseer una estructura centralizada formada por los siguientes pilares fundamentales: sistemas de generaci´on, transporte, subestaciones, distribuci´on y consumo.

Generaci´on: Los sistemas el´ectricos centralizados implican la creaci´on de la energ´ıa a partir de una fuente primaria mediante la rotaci´on de una turbina acoplada a un alternador. Transporte: representa el mecanismo empleado como enlace entre las centrales de

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generaci´on con las zonas de consumo de energ´ıa el´ectrica. Con frecuencia el transporte de energ´ıa supone superar grandes distancias, lo que justifica el transporte en elevados valores de tensi´on. Subestaciones: definen las plantas transformadoras localizadas junto a las centrales generadoras o en las proximidades de los consumos, adaptando los niveles de tensi´on. Distribuci´on: canalizan la energ´ıa el´ectrica desde los puntos de conexi´on con la red de transporte hasta las zonas de consumo. Consumo: puntos del sistema el´ectrico de potencia en los cuales se absorbe la energ´ıa el´ectrica.

Figura 2.1: Sistema el´ectrico de potencia. Fuente: [2] El sistema cl´asico se ha caracterizado siempre por una generaci´on a gran escala donde los sistemas de generaci´on se localizan cerca de las fuentes de energ´ıa primarias, aprovechando los yacimientos de gas, petr´oleo o la topograf´ıa para producir energ´ıa a partir del agua. Como consecuencia grandes cantidades de energ´ıa son “desperdiciadas” a causa del transporte de energ´ıa desde los centros de generaci´on hasta el consumidor final. La transmisi´on masiva de la energ´ıa el´ectrica a grandes distancias define la propia naturaleza de los sistemas de energ´ıa el´ectrica como un monopolio natural. Esto es as´ı ya que resulta mucho m´as econ´omico y eficiente que la actividad sea desarrollada por una u ´nica empresa, al carecer de viabilidad econ´omica la duplicidad de redes. Motivados por los factores comentados anteriormente, nuevas opciones son planteadas con el fin de dotar al sistema de una mayor flexibilidad y eficiencia.

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3

CAP´ITULO 2. ESTADO DEL ARTE

2.3.

Generaci´ on distribuida (GD)

En las diferentes partes del mundo, el sistema convencional de energ´ıa el´ectrica debe hacer frente de manera gradual a diferentes problem´aticas como la disminuci´on en las reservas de combustibles f´osiles, el bajo ratio de eficiencia energ´etica o la contaminaci´on ambiental. En la b´ usqueda de nuevos m´etodos que subsanen dicha problem´atica aparece la generaci´on de energ´ıa el´ectrica local mediante el uso de fuentes de energ´ıa renovables como pueden ser: placas fotovoltaicas, aerogeneradores, microturbinas, biogas, etc. Este tipo de generaci´on es denominada “Generaci´ on Distribuida” . Dicho t´ermino define claramente la diferencia con respecto al concepto de generaci´on centralizada de los sistemas convencionales. Tras m´ ultiples estudios realizados en los a˜ nos 90 por diferentes grupos de investigaci´on, se definen en la actualidad ciertos criterios aceptados tales como:

No se encuentra centralizada por la compa˜ n´ıa el´ectrica. La generaci´on distribuida hace referencia a potencias inferiores a los 50 MW Los niveles de tensi´on en los que suelen trabajar las fuentes de generaci´on distribuida se corresponde a la distribuci´on actual.

El fuerte e incipiente desarrollo de la sociedad, obliga a los pa´ıses a ciertos compromisos que permitan satisfacer la creciente demanda de energ´ıa de la forma m´as sostenible y limpia para el medio ambiente, implantando fuentes de generaci´on renovables que hagan de la alternativa una realidad. M´ ultiples acuerdos como el protocolo de Kyoto muestran y plasman dichos intereses, obligando a dirimir el sistema el´ectrico actual en la b´ usqueda de una reducci´on del calentamiento global y de los niveles de contaminaci´on. Por tanto, se torna fundamental establecer el buen aprovechamiento de los recursos, requiriendo una mayor eficiencia de las plantas de generaci´on. Ejemplo de ello es el aprovechamiento del calor (que muchas ocasiones es desperdiciado) para aplicaciones dom´esticas, industriales y comerciales. La disminuci´on de las p´erdidas acontecidas en los conductores durante el transporte refuerza el incremento de la eficiencia, resultando por tanto beneficioso la localizaci´on

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pr´oxima entre generaci´on y consumos. Todos los hitos anteriores muestran c´omo son muchos los importantes factores que juegan un papel fundamental en el avance, desarrollo e implantaci´on de la generaci´on distribuida, fruto de m´ ultiples ventajas en los campos t´ecnico, econ´omico y ambiental.

Figura 2.2: Crecimiento de los te:https://sede.cne.gob.es/web/guest/circular-1/2011

puntos

de

GD.

Fuen-

Todo lo explicado anteriormente se ve potenciado por el empleo de dispositivos a trav´es de los cuales poder almacenar energ´ıa de diferentes formas para hacer uso de ella cuando se requiera. Estos sistemas reciben el nombre de Almacenamiento Distribuido, y se caracterizan por dotar al sistema de una mayor estabilidad. El empleo de bater´ıas o s´ uper condensadores suponen una tecnolog´ıa con un coste excesivo para el almacenamiento de peque˜ nos vol´ umenes de energ´ıa. Es por ello, que el almacenamiento distribuido representa uno de los retos y oportunidades a los cuales hacer frente en la transici´on hacia modelos de red m´as eficientes.

2.4.

Red de distribuci´ on activa

En el momento actual se est´a estudiando muy seriamente la transici´on de una estructura donde los sistemas el´ectricos de energ´ıa tienen un flujo de energ´ıa unidireccional, hacia aquellos otros dotados de bidireccionalidad. La inexistencia de generaci´on distribuida en el sistema tradicional obliga a que la energ´ıa sea suministrada por la compa˜ n´ıa hacia los

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CAP´ITULO 2. ESTADO DEL ARTE

clientes “alimentados” de ella. El hecho de a˜ nadir GD propicia una cierta bidireccionalidad en flujos de potencia al sistema. Con tal fin, las futuras redes de distribuci´ on activa han de incorporar la inteligencia como se˜ na de las mismas. Sin embargo, la integraci´on de dichas redes activas con control inteligente exige realizar una investigaci´on mucho m´as profunda. Una investigaci´on basada en:

Amplio ´area de control. T´ecnicas de control y protecci´on adaptativo. Gesti´on y operaci´on de los m´ ultiples dispositivos conectados a la red. Simulaci´on en tiempo real de la red. Uso de sensores y aparatos de medida avanzados. Establecer redes de comunicaci´on generalizada.

2.5.

El concepto de las Micro-redes

El CERTS define una micro-red (MR) como un conjunto o agregaci´ on de cargas y micro-generadores que opera como un sistema u ´nico, proveyendo energ´ıa el´ectrica y t´ermica. Es entendido como una red a peque˜ na escala de calor y potencia combinados, para suministrar electricidad y calor a una peque˜ na comunidad tales como: universidades, colegios, ´areas comerciales, ´areas industriales, una regi´on municipal o incluso un Estado. Es entendido como un sistema el´ectrico formado por un conjunto de generadores, sistemas de almacenamiento, cargas y elementos de interconexi´on que tiene la capacidad de operar de forma aislada o conectado a la red de suministro tradicional. Motivado por el alto grado de generaci´on distribuida y la conexi´on de demandas en tensiones correspondientes a la distribuci´on, las micro-redes son englobadas dentro de las redes de distribuci´on activas. Los principales elementos de los que consta una micro-red son:

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Sistemas de generaci´on: los generadores empleados en una Micro-red con asiduidad se desmarcan del uso de fuentes convencionales, integrando fuentes renovables. Estos u ´ltimos pueden ser de diversos tipos, tales como el empleo de c´elulas fotovoltaicas, aerogeneradores, generadores di´esel, etc. Cargas: dispositivos conectados a la Micro-red, los cuales requieren ser provistos de energ´ıa el´ectrica o calor´ıfica para su funcionamiento. Sistemas de almacenamiento de energ´ıa: dispositivos que ofrecen la posibilidad de almacenar la energ´ıa para hacer uso de esta cuando se requiera, dotando de una mayor estabilidad al sistema.

En t´erminos de operatibilidad, es necesario la integraci´on de electr´onica de potencia y control, para garantizar el funcionamiento del sistema como un agregado de dispositivos, manteniendo la potencia demandada con la calidad y flexibilidad requeridos. Este es el punto de convergencia entre las Micro-redes y las redes de distribuci´on activa. Las principales diferencias entre una Micro-red y el sistema convencional son:

La capacidad de los sistemas de generaci´on es mucho menor en comparaci´on con los enormes generadores instalados en las plantas del sistema convencional. La potencia generada puede ser distribuida directamente en valores de tensi´on correspondientes a la distribuci´on, sin necesidad de etapas transformadoras como son requeridas en el sistema convencional. Los sistemas de generaci´on se encuentran instalados cerca de los clientes, proveyendo electricidad o calor de manera satisfactoria, disminuyendo las p´erdidas.

2.6.

Arquitectura de la micro-red

Una micro-red est´a compuesta por tres pilares b´asicos que son: generaci´on distribuida, almacenamiento distribuido y consumo. Estos elementos que intervienen en la micro-red reciben el nombre de “agentes de la Micro-red”. Mediante el empleo de un microprocesador se consigue dotar a cada uno de los agentes de un cierto grado de inteligencia permitiendo

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CAP´ITULO 2. ESTADO DEL ARTE

establecer interacciones. Es decir, los diferentes agentes pueden establecer comunicaciones unos con otros para tomar decisiones. En la figura 2.3 se muestra la configuraci´on t´ıpica de una Micro-red. Ella consiste en un conjunto de cargas y fuentes de generaci´on el´ectrica conectadas entre s´ı a trav´es de la red de distribuci´on de baja tensi´on.

Figura 2.3: Estructura general de una Micro-Red. [21] La conexi´on de los grupos generadores del sistema puede llevarse a cabo de forma directa o mediante el empleo de convertidores electr´onicos. Ejemplos de los mismos son: la conexi´on directa a red de las m´aquina s´ıncronas en aplicaciones hidr´aulicas o el empleo de convertidores para el control de m´aquinas as´ıncronas presentes en los aerogeneradores. En lo concerniente a los sistemas de almacenamiento de energ´ıa, la instalaci´on de bater´ıas o s´ uper condensadores son empleados con el prop´osito de estabilizar la red ante posibles perturbaciones que pudieren surgir. De forma complementaria, contribuyen a restaurar el equilibrio en caso de desequilibrios.Sin embargo, su empleo se hace totalmente necesario en el caso de que la Micro-red se encuentre funcionando en modo aislado, es decir, de forma totalmente aut´onoma.

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Dise˜ no y construcci´on de una Micro-Red

2.7.

Ventajas y desventajas de la integraci´ on y desarrollo de las Micro-redes

El desarrollo e integraci´on de las Micro-redes presenta un futuro muy prometedor para la industria de la energ´ıa el´ectrica, motivado por m´ ultiples aspectos:

Mejora de la calidad de suministro: la tecnolog´ıa puesta en juego en la gesti´on y operaci´on ofrece m´ ultiples factores que garantizan una sustancial mejora en la calidad y estabilidad del suministro. Algunos de los mismos son la descentralizaci´on y desfragmentaci´on del suministro, la menor discrepancia entre la generaci´on y consumo o la mitigaci´on de los efectos producidos por las l´ıneas de transporte. Mejora operativa: el acercamiento f´ısico entre las fuentes de generaci´on y los consumos contribuye a una reducci´on de las p´erdidas en el transporte y distribuci´on. La fragmentaci´on que proporcionan las micro-redes garantiza una disminuci´on de las inversiones relacionadas con la expansi´on del sistema el´ectrico. Incremento de la eficiencia y del ahorro econ´ omico: la proximidad entre generaci´on y consumo permite desarrollar procesos a partir de los cuales aprovechar el “calor in´ util”, incrementando la eficiencia hasta valores cercanos al 80 % en comparaci´on con el 40 % de los sistemas convencionales. Ese fuerte incremento de la eficiencia ligado a la disminuci´on de inversi´on en transporte y distribuci´on propician una significante y notoria reducci´on en materia de costes. Disminuci´on del impacto ambiental: el desarrollo, gesti´on y operaci´on de las microredes lleva asociado consigo una disminuci´on del impacto ambiental en comparaci´on con el sistema convencional. La disminuci´on de procesos de combusti´on y su mayor control, implica de manera directa una disminuci´on de las emisiones gaseosas ayudando a combatir el calentamiento global. Todo ello, se ve reforzado por la preocupaci´on de los usuarios en hacer un uso responsable de la energ´ıa, al existir una proximidad f´ısica entre las fuentes de generaci´on y los clientes.

Sin embargo a pesar de los m´ ultiples beneficios comentados, el desarrollo e integraci´on de las micro-redes supone hacer frente a ciertos retos y barreras, tales como:

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CAP´ITULO 2. ESTADO DEL ARTE

Ausencia de regulaci´on: el incipiente desarrollo de las Micro-redes supone un a´rea demasiado inexplorado, por lo que no existe una regulaci´on estricta en materia de operaci´on y protecci´on. Es necesario aunar esfuerzos para la creaci´on de una norma que establezca protocolos a los cuales regirse. Impedimentos legales: la inserci´on de nuevas fuentes de generaci´on y la transformaci´on del sistema el´ectrico tradicional, supone un marco en el que gobiernos futuros deben hacer especial hincapi´e, pues muchos son los pa´ıses en los que existe un vac´ıo legal o incluso barreras legales impuestas por el monopolio el´ectrico. Elevado coste en GD: el principal inconveniente de la instalaci´on de las micro-redes es su elevado coste actual. Una lacra que puede ser mitigada por los compromisos planteados por la UE en materia de reducci´on de las emisiones de CO2 , lo que podr´ıa plantearse como un per´ıodo de transici´on. Dificultades t´ecnicas: La falta de experiencia t´ecnica en el control de un gran n´ umero de fuentes de generaci´on supone un punto d´ebil. Se debe desarrollar una infraestructura de telecomunicaciones que permita desarrollar aspectos como el control o la protecci´on.

2.8.

Gesti´ on Operativa de una Micro-Red

Existen ciertas cuestiones relacionadas con el funcionamiento y gesti´on de una Microred. La gesti´on debe garantizar la calidad de la energ´ıa, para lo cual debe existir un equilibrio entre la energ´ıa activa y reactiva a corto y largo plazo. Generaci´on, consumo y almacenamiento deben de estar convenientemente estimados y planificados con respecto al consumo, garantizando un balance a largo plazo. La falta de coincidencia temporal entre la generaci´on y el consumo debe ser solventada a trav´es de una previsi´on adecuada de la demanda. Como se ha explicado hasta el momento, una micro-red presenta dos modos de funcionamiento. El funcionamiento aislado debe darse en aquellas zonas donde el suministro el´ectrico no se encuentre disponible; si bien funcionar´a conectado a la red en el caso de la existencia de una red de distribuci´on m´as grande. En u ´ltimo lugar, los centros de control y adquisici´on de datos son los responsables de

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Dise˜ no y construcci´on de una Micro-Red

tomar previsiones para el diagn´ostico del estado del sistema. La seguridad del sistema debe ser mantenida a trav´es del an´alisis de contingencias, en funci´on de los cuales llevar a cabo una reprogramaci´on econ´omica de la generaci´on con el fin de mantener una tensi´on y frecuencia desde el punto de vista del consumidor. Para ello es necesario el empleo de adecuadas infraestructuras de telecomunicaciones y protocolos de comunicaci´on que permitan controlar, proteger y gestionar la energ´ıa de forma global. Los agentes de generaci´on, almacenamiento, y cargas tienen la posibilidad de operar de acuerdo a ciertos algoritmos donde en funci´on de determinados par´ametros, se aplican las medidas oportunas para garantizar unos valores de tensi´on y frecuencia fijos. Las acciones que se pueden llevar a cabo se clasifican en acciones coordinadas y acciones aut´ onomas. Se entiende como aut´onomas aquellas en las que cada agente opera de modo independiente sin establecer ninguna comunicaci´on con el resto de agentes, en funci´on de la informaci´on local de la que dispone. Entendemos como coordinadas, aquellas acciones en las cuales se establece comunicaci´on entre los distintos agentes. Dentro de las acciones coordinadas, se pueden dividir en:

Acciones coordinadas cooperativas: los agentes se coordinan para decidir que acciones desarrollar de forma que se maximicen los beneficios globales. Acciones coordinadas competitivas: los agentes buscan establecer su m´aximo beneficio econ´omico sin considerar los costos que pueden suponer para el resto de los agentes de la MR. Esto significa que si el agente es un almacenador su objetivo ser´a cargarse en per´ıodos de bajo coste de la energ´ıa, proporcionando dicha energ´ıa al mayor precio posible posteriormente. Sin embargo, desde el punto de vista de un generador procurar´a vender su energ´ıa en la hora de mayor precio.

2.9.

Interacci´ on de las Micro-Redes con la red el´ ectrica

En el contexto actual el tama˜ no que representan las Micro-redes es lo suficientemente peque˜ no como para no perjudicar la estabilidad de la red el´ectrica. Sin embargo, en un futuro pr´oximo en el que el desarrollo de este tipo de tecnolog´ıa sea mucho m´as extendido, con una mayor penetraci´on de las fuentes de generaci´on distribuida; cabe esperar que la

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CAP´ITULO 2. ESTADO DEL ARTE

estabilidad y seguridad de la red el´ectrica se vean afectadas de manera significativa. Es por ello que la materia relacionada con las interacciones entre las Micro-redes y la red el´ectrica es factor clave en la operaci´on de ambos sistemas. Las Micro-redes deben ser dise˜ nadas de la manera m´as adecuada valorando los posibles impactos en la red, de manera que el conjunto sea notoriamente mejorado.

2.10.

Sumario y Conclusi´ on

Llegados al final del presente cap´ıtulo se concluye que las Micro-Redes se revelan como una nueva alternativa al suministro de energ´ıa a nivel de distribuci´on, una alternativa que facilita la generaci´on y suministro de electricidad y calor a los clientes consumidores de los mismos. En l´ıneas anteriores se introdujo los diferentes problemas asociados a la conexi´on de numerosas fuentes de generaci´on el´ectrica desde el punto de vista de la red el´ectrica; problemas que pueden ser solventados mediante la implementaci´on de controladores inteligentes que doten al conjunto de estabilidad y seguridad. De igual manera se detall´o la posibilidad de que las Micro-Redes pudiesen trabajar de forma independiente en modo aislado. Normalmente operan conectadas a la red el´ectrica, present´andose la posibilidad de “aislarse” ante cualquier perturbaci´on en la red el´ectrica. Todo ello asegura estabilidad de cara a la satisfacci´on de los consumidores. Desde el punto de vista t´ecnico, las Micro-redes son definidas como un conjunto de fuentes de generaci´on y dispositivos de almacenamiento que son conectados y desconectados con la premisa de optimizar el beneficio de los clientes. Su arquitectura minimiza los posibles impactos en la red el´ectrica, respondiendo r´apido a los cambios en las cargas, disminuyendo la congesti´on, incrementando la estabilidad; siempre manteniendo una cierta calidad en el suministro. Concluyendo, las Micro-redes son entendidas como redes activas con un elevado potencial en relaci´on a los beneficios que pueden aportar a la red el´ectrica; incrementando la eficiencia, estabilidad y calidad del servicio. Para ello es necesario hacer frente a los numerosos retos tanto t´ecnicos como legales, lo que requiere de una proactividad por parte de los gobiernos, favoreciendo las investigaciones dentro de este a´rea.

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Parte I Memoria

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Cap´ıtulo 3 Dise˜ no de una micro-red de 5KVA con cargas din´ amicas y desequilibrios programables.

El presente cap´ıtulo aborda el dise˜ no, desarrollo, montaje y operaci´on de una Micro-Red (MR) a escala de laboratorio. Inicialmente se definen los requerimientos fundamentales para lograr los objetivos previstos. Por tanto el presente cap´ıtulo destaca todas los trabajos llevados a cabo para la construcci´on f´ısica del emulador. Se hace especial hincapi´e en el dise˜ no, desarrollo y montaje, de los elementos constitutivos de la MR, as´ı como de la instalaci´on de la aparamenta e instrumentaci´on el´ectrica necesaria para obtener la informaci´on deseada. En resumen, se ha construido un equipo para emular el funcionamiento de una MR, capaz de reproducir las posibles perturbaciones propiciadas por la conexi´on y variaci´on de cargas est´aticas y din´amicas. Para tal fin, se requieren una serie de elementos constitutivos ensamblados de forma adecuada.

15

˜ DE UNA MICRO-RED DE 5KVA CON CARGAS CAP´ITULO 3. DISENO ´ DINAMICAS Y DESEQUILIBRIOS PROGRAMABLES.

3.1.

Generalidades y requerimientos de la MR

Los distintos agentes que componen la MR se agrupan en tres grupos fundamentales, que son: generaci´on distribuida, almacenamiento distribuido y la carga de demanda. La creaci´on de un emulador a escala de laboratorio que represente de manera fidedigna el comportamiento de los mismos, as´ı como de los problemas asociados; requiere realizar la integraci´on de elementos con tales prop´ositos. La presente MR implementa la generaci´on distribuida mediante el empleo de un emulador de una turbina e´olica (fig: 3.1), desarrollado en un TFG previo al actual en el departamento de m´aquinas el´ectricas. Mediante su empleo es posible reproducir su uso acoplado a la MR, generando distintas situaciones que pueden suceder durante el funcionamiento del conjunto.

Figura 3.1: Bancada dise˜ nada para emular un aerogenerador. Por lo explicado, el trabajo a realizar en el laboratorio se reduce al dise˜ no, desarrollo, montaje y operaci´on de un equipo que represente de manera fiel los diferentes escenarios de la carga de demanda presente en una MR. Previo a ello, es necesario definir la concepci´on de los mismos en el presente trabajo.

3.1.1.

Clasificaci´ on de cargas en una MR

Para la implementaci´on de los consumos resulta totalmente necesario clarificar los diversos tipos de cargas que podemos encontrarnos en nuestro sistema. Las cargas presentes en una MR se pueden clasificar de forma general atendiendo a su evoluci´on temporal en:

Cargas est´aticas: este grupo representa aquellos elementos conectados a la MR que

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Dise˜ no y construcci´on de una Micro-Red

suponen un consumo constante de potencia, sin dependencia de otros factores. Su consumo de activa o reactiva desde el punto de vista de la MR depende exclusivamente de su conexi´on o desconexi´on de la misma. Cargas din´amicas: engloba todos los elementos conectados a la MR que demandan un consumo de potencia variable en funci´on de la evoluci´on temporal de la carga al que se encuentren sometidos. Su consumo de activa o reactiva desde el punto de vista de la MR depende del grado de carga y de las condiciones de funcionamiento.

De esta manera, se hace una diferenciaci´on en funci´on del modo de funcionamiento en r´egimen permanente. Los consumos pueden demandar aporte de energ´ıa activa o reactiva, lo que lleva a la necesidad de emular cargas activas est´aticas y cargas din´amicas cuyo consumo sea en t´erminos de potencia activa y reactiva. Su integraci´on dentro de la MR se realiza de manera sencilla mediante el empleo de resistencias en el caso de las cargas est´aticas o de motores cargados en el caso de las cargas din´amicas. La emulaci´on de las cargas din´amicas puede establecerse mediante la variaci´on de las condiciones de carga, o variaciones en las condiciones de funcionamiento mediante el empleo de variadores de velocidad. Finalmente, obtenemos un amplio espectro de posibilidades para definir diferentes escenarios de carga para nuestro sistema, produciendo los desequilibrios deseados.

3.1.2.

Desequilibrios en una red el´ ectrica trif´ asica

El incesante crecimiento tecnol´ogico en el marco social actual hace de la energ´ıa fuente vital para la mayor parte de las actividades presentes en la vida cotidiana. Es por ello que la calidad de la energ´ıa el´ectrica se posiciona como factor clave desde el punto de vista tecnol´ogico y econ´omico tanto para los operadores el´ectricos como para los consumidores. Una calidad de energ´ıa deficiente lleva asociado enormes p´erdidas econ´omica a la par que da˜ nos t´ecnicos a los agentes conectados. Con la intenci´on de probar y desarrollar nuevas teor´ıas se inicia la construcci´on de una MR a escala de laboratorio sustent´andose en la posibilidad de realizar estudios de cargas que permitan emular y determinar posibles desequilibrios que pudieren tener lugar durante el funcionamiento de la misma. Por esta v´ıa, se abre una l´ınea de investigaci´on

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˜ DE UNA MICRO-RED DE 5KVA CON CARGAS CAP´ITULO 3. DISENO ´ DINAMICAS Y DESEQUILIBRIOS PROGRAMABLES. para probar nuevas teor´ıas en un a´mbito nuevo a la exploraci´on y de gran recorrido. Entender que es lo que significa desequilibrio es fundamental previo al desarrollo de la MR, ya que definido el concepto es posible iniciar el camino en la b´ usqueda de los mismos. Existen m´ ultiples y variadas definiciones en funci´on del a´mbito de estudio. La definici´on normalizada IEV 603-02-19 dentro del a´mbito de la gesti´on y planificaci´on de sistemas de potencia, entiende que “el r´egimen desequilibrado de una red polif´ asica es el estado en el cual las tensiones y/o corrientes por fase no establecen un conjunto polif´ asico equilibrado”. En el ´area de la compatibilidad electromagn´etica la definici´on IEV-161-08-09 define el desequilibrio como un “estado en el cual los valores de tensi´ on entre conductores o las fases entre conductores, no son todos iguales”. El a´rea de la operaci´on en generaci´on, transmisi´on y distribuci´on de la electricidad aporta la definici´on IEV 604-01-29 la cual entiende por desequilibrio de tensi´on en un sistema trif´asico al “fen´omeno ocurrido como consecuencia de la desviaci´ on de la tensi´on en las fases debido a la circulaci´on de corrientes diferentes en cada fase o por asimetr´ıa geom´etrica en la l´ınea”. El trabajo con magnitudes el´ectricas obliga a representar las mismas en el campo complejo; entendiendo por sistema equilibrado aquel en el que los fasores de tensi´on presenten igualdad de m´odulos y a´ngulos de desfase igual a 120o . Entendido la necesidad de modificar tanto los m´odulos como los a´ngulos de desfase todas las tareas deben realizarse con tal fin. Es por ello, que la tarea requiere de acceso a cada una de las fases de manera independiente, donde la conexi´on y desconexi´on de cargas de diferente tipo propicia diferentes consumos, produciendo diferencias entre fases tanto en tensi´on como en corriente.

3.1.3.

Esquema general de la MR

Estudiada la clasificaci´on m´as general de los tipos de carga presentes en cualquier sistema el´ectrico, es necesario definir los requisitos esperados de la construcci´on de la

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MR. Es fundamental fijar los elementos necesarios con los que se espera trabajar y poder hacer frente estudios de desequilibrios. La figura 3.2 muestra el esquema m´as simple de una micro-red. Los esquemas iniciales de la MR planteaban el desarrollo de la misma con tres modos de funcionamiento:

MR conectada a la red el´ectrica p´ ublica a trav´es del punto de acoplamiento com´ un. MR conectada a la red p´ ublica y con generaci´on distribuida. El uso de generaci´on e´olica implica la necesidad de conexi´on con la red p´ ublica o sistemas de almacenamiento distribuido de forma que se garantice la estabilidad. MR en modo isla, donde la energ´ıa es producida a partir de sus propios centros de generaci´on distribuida eliminando cualquier dependencia con la red p´ ublica.

Figura 3.2: Esquema simplificado de una MR. Fuente propia. Sin embargo, el excesivo coste del empleo de bater´ıas o s´ uper condensadores torna imposible la realizaci´on de dos de las posibilidades anteriormente citadas. Motivo que obliga al desarrollo de la MR centrado en la creaci´on de un sistema el´ectrico con conexi´on permanente a la red el´ectrica; con posibilidad de incorporar la generaci´on e´olica como sistema de generaci´on distribuido. Definido lo concerniente a la alimentaci´on del sistema, es necesario determinar como se llevar´a a cabo la emulaci´on de los diferentes consumos. Atendiendo a la clasificaci´on realizada con anterioridad, se establecen dos tipos de cargas fundamentales a implementar:

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˜ DE UNA MICRO-RED DE 5KVA CON CARGAS CAP´ITULO 3. DISENO ´ DINAMICAS Y DESEQUILIBRIOS PROGRAMABLES. carga din´amicas y carga est´aticas. La emulaci´on de cargas din´amicas supone disponer de la posibilidad de modificar el punto de trabajo, o lo que es lo mismo, las condiciones de funcionamiento. Dicha premisa hace pensar r´apidamente en el empleo de m´aquinas el´ectricas. Mediante el empleo de m´aquinas de inducci´on trif´asicas es totalmente factible modificar las condiciones de carga de forma sencilla, modificando los consumos de potencia activa y reactiva. La modificaci´on del punto de funcionamiento (explicado de forma mucho m´as profunda en el cap´ıtulo 4) se consigue mediante el empleo de frenos y variadores de velocidad. La figura 3.3 muestra un esquematizaci´on del concepto a desarrollar en el laboratorio.

Figura 3.3: Esquema del sistema a desarrollar. Fuente propia.

La intenci´on es introducir dos tipos de cargas din´amicas en el sistema; las cuales reciben el nombre de carga din´amica equilibrada y carga din´amica desequilibrada. La carga din´ amica equilibrada es implementada mediante un m´aquina as´ıncrona trif´asica alimentada desde un variador. La presencia del variador posibilita la modificaci´on de las curvas caracter´ısticas. Acoplando de manera adicional un freno en su eje, es posible establecer una amplio abanico de posibilidades en lo referente al control de velocidad. La carga mencionada supone un consumo de corriente exactamente igual para las tres fases de alimentaci´on, lo que posibilita establecer un sistema completamente equilibrado en el que las variaciones o desequilibrios sean transitorios ocurridos fruto de variaciones bruscas en las condiciones de funcionamiento.

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La carga din´ amica desequilibrada es implementada mediante una m´aquina as´ıncrona trif´asica en conexi´on monof´asica directamente entre fase y neutro de la red con un freno acoplado en su eje. El t´ermino desequilibrado hace referencia a los desequilibrios introducidos en las distintas fases del sistema. Para ello es necesario conectar estos motores entre fase y neutro, como si de una red monof´asica se tratase. De esta forma es posible modificar las condiciones de funcionamiento afectando de manera independiente a cada una de las fases, produciendo las modificaciones en los fasores de corriente y tensi´on seg´ un se desee. Analizando dicho esquema observamos claramente la presencia de dos nudos PQ, lo que supone un flujo de potencia activa y reactiva. El nudo situado m´as a la izquierda recibe los distintos puntos de generaci´on de energ´ıa; la red el´ectrica y el aerogenerador en nuestro caso particular. Traslad´andonos del punto de acoplamiento com´ un, es necesario emular el efecto de las l´ıneas a´ereas de distribuci´on en nuestro sistema a peque˜ na escala. Los modelos te´oricos empleados son conocidos como “equivalentes Π”, los cuales representan los fen´omenos capacitivos e inductivos originados en los conductores en las l´ıneas a´ereas. El nudo situado a la derecha tiene conectados diferentes tipo de carga. Se dispone de tres elementos fundamentales para establecer distintos escenarios de carga: m´aquinas as´ıncronas de jaula de ardilla, frenos por part´ıculas magn´eticas y resistencias. La regulaci´on de los accionamientos con motores as´ıncronos explicados introducen cambios din´amicos en la red a voluntad del usuario. Sin embargo, en todo sistema el´ectrico existen ciertas cargas cuyo consumo puede considerarse constante en el tiempo. La representaci´on de las mismas es el objetivo de las resistencias, cuya conexi´on entre fase y neutro permite la posibilidad de crear un sistema equilibrado o desequilibrado evaluando todo tipo de transitorios. En resumen, el sistema a construir se caracteriza por:

Alimentaci´on desde la red del laboratorio. Posibilidad de integrar generaci´on distribuida mediante el acople de un emulador de turbina e´olica, desarrollado en un TFG previo al actual.

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˜ DE UNA MICRO-RED DE 5KVA CON CARGAS CAP´ITULO 3. DISENO ´ DINAMICAS Y DESEQUILIBRIOS PROGRAMABLES. Emulaci´on de carga din´amica equilibrada mediante Variador + MA + Freno. A partir de la misma se espera producir la misma carga en las tres fases del sistema. Emulaci´on de carga din´amica desequilibrada mediante MA + Freno. Conectando la MA entre fase y neutro como si de una red monof´asica se tratase, se introducen modificaciones en las tensiones y corrientes de cada fase. Implementaci´on de resistencias. Representan un consumo de potencia activa fijo en el tiempo. El valor o´hmico de las mismas es igual en cada una de las fase lo que ofrece la posibilidad de producir equilibrios o desequilibrios.

3.2.

Elementos y dise˜ no de la micro-red

Tras la descripci´on de los elementos b´asicos que emulan el comportamiento de la MR, se especifica y cuantifica la integraci´on de cargas en el emulador. Aprovechando y rescatando los recursos disponibles en el laboratorio, se fija la integraci´on de:

1 carga din´amica trif´asica equilibrada. 2 cargas din´amicas monof´asicas conectadas en fases diferentes. 3 resistencias conectadas en cada una de las fases respectivamente.

La figura 3.4 detalla el esquema final concebido del emulador a integrar en el laboratorio, donde se destacan los elementos principales que lo componen. Se dispone de tres motores as´ıncronos trif´asicos de iguales caracter´ısticas, uno de los mismos alimentado a frecuencia variable y los dos restantes conectados en monof´asico, lo que requiere hacer ciertas modificaciones que posibiliten su uso en redes monof´asicas. Acoplados a ellos, tres frenos por part´ıculas magn´eticas son los encargados de desarrollar el par antagonista. El conjunto de los elementos que conforma la MR deben subordinarse al control y gesti´on realizado por un sistema de adquisici´on de datos que posibilite la unificaci´on de la adquisici´on de datos y el desarrollo de acciones desde una unidad de control centralizada.

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Figura 3.4: Esquema de la MR a escala de laboratorio. Fuente propia. Cumplir con dichos requerimientos y premisas exige realizar un dise˜ no de la aparamenta el´ectrica que como sistema de distribuci´on y protecci´on garantice el correcto funcionamiento de la MR. A continuaci´on se explica y describe las diferentes etapas realizadas, as´ı como los elementos que conforman la MR. Para ello, se realiza una divisi´on de la MR en: sistema de demanda y sistema de distribuci´on y protecci´on.

3.2.1.

Sistema de demanda

A continuaci´on, se lleva a cabo una exposici´on del sistema de demanda implementado, entendido el mismo como los consumos o cargas conectadas y alimentadas desde la MR.

Carga Din´ amica Equilibrada (CDE)

Existen infinidad de consumos cuya demanda de potencia activa y reactiva se ve modificada en funci´on de las condiciones de carga instant´aneas. Con tal prop´osito, la emulaci´on de la CDE pasa por generar una herramienta que permita establecer un consumo equilibrado de corrientes y potencias. Para ello se dispone de un antiguo variador de velocidad

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˜ DE UNA MICRO-RED DE 5KVA CON CARGAS CAP´ITULO 3. DISENO ´ DINAMICAS Y DESEQUILIBRIOS PROGRAMABLES. (Altivar 66) que controla un motor de inducci´on de 750 W, el cual acopla en su eje un freno por part´ıculas magn´eticas. Gracias a los dos dispositivos ligados al motor de inducci´on es posible realizar diferentes controles de velocidad, ya sea modificando la curva caracter´ıstica o el par antagonista; pues el resultado lleva a variar el punto de funcionamiento. Acorde a los fundamentos te´oricos de la MA, el consumo que realiza la misma depende de las condiciones de funcionamiento, que como se ver´a posteriormente viene marcado por el deslizamiento. El trabajo con la CDE se inicia con la familiarizaci´on del variador de velocidad Altivar 66 y con el freno por part´ıculas magn´eticas. Es necesario adquirir una base s´olida del funcionamiento de los mismos, a partir de los cuales operar y definir las posibles soluciones. La figura 7.12 muestra el equipo de partida. Primero se realiza un estudio del manual comprendiendo los diferentes controles disponibles en el uso de un variador.

Figura 3.5: Variador de velocidad Como consecuencia del largo per´ıodo de inactividad; del variador surgen problemas inesperados como el incorrecto funcionamiento de la pantalla del terminal. Rescatando dos de los restantes variadores presentes en el laboratorio, la sustituci´on del terminal no conduce a ´exito alguno, presentando el mismo problema en la totalidad de los equipos. Como consecuencia de lo anterior y ante la imposibilidad de adquirir un nuevo terminal a causa de la obsolescencia, se dedica un amplio per´ıodo de tiempo a la manipulaci´on del mismo, con la u ´nica ayuda del manual prove´ıdo por el fabricante. Dado que el segundo de los requisitos requiere del control centralizado de todos los elementos, se procede a un control por computador. Esta tarea se torna especialmente compleja pues el equipo empleado en ning´ un caso fue dise˜ nado para los prop´ositos particulares, a lo que se suma la desinformaci´on fruto de un producto descatalogado. As´ı, inicialmente se piensa en la conexi´on del Altivar 66 mediante el empleo de un conector RS-232. Sin embargo, tras dos meses de estudio e intentos de conexi´on y programaci´on,

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son numerosos los indicios que dejan entrever la imposibilidad de dicha soluci´on. Finalmente , se realiza una consulta con el fabricante determinando los elementos necesarios para su control por computador y confirmando la imposibilidad de adquirir los mismos. Esta consulta aparece detallada expl´ıcitamente en la parte II del trabajo. Tras haber dedicado un largo per´ıodo del tiempo al mismo, entendiendo su funcionamiento y posibilidades se llega a un camino estrecho en el que solo es posible establecer un control de velocidad y lectura de ciertas se˜ nales por computador. Por tanto, fijados los par´ametros del mismo mediante el terminal, las acciones realizadas por ordenador se reducen al control de velocidad y giro, as´ı como la lectura de ciertas se˜ nales. De forma m´as profunda aparece detallado lo anterior en el cap´ıtulo 4 del presente documento. El motor de inducci´on empleado en el accionamiento se caracteriza por desarrollar una potencia nominal en eje de 750 W, consumiendo 2.05 A cuando se encuentra conectado en estrella a la tensi´on de alimentaci´on de 400 V. Al motor anterior se acopla en su eje un freno por part´ıculas magn´eticas, que opone el par antagonista para modificar el punto de funcionamiento. El freno empleado (fig: 3.6) se caracteriza por una capacidad de par de 10 Nm. Ha de recalcarse que el mismo debe ser conectado a la red del laboratorio, sin dependencia con la MR; pues ello supondr´ıa introducir la variable par al sistema cuando la misma viene impuesta del exterior. En es- Figura 3.6: Freno te apartado no se hace especial hincapi´e en el control del por part´ıculas freno, pues su explicaci´on aparece detallada en el cap´ıtulo magn´eticas 4.

Carga Din´ amica Desequilibrada (CDD)

M´as all´a del plano te´orico, la carga en una micro-red es en gran medida monof´asica por lo que habitualmente esta sujeto a desequilibrios. Ante las distorsiones producidas por los desequilibrios y el deseo de estudio de las mismas; se procede a la integraci´on de herramientas que generen desequilibrios en la MR. En base a ello, resulta de especial inter´es los desequilibrios inducidos por fase como consecuencia de variaciones en las condiciones de

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˜ DE UNA MICRO-RED DE 5KVA CON CARGAS CAP´ITULO 3. DISENO ´ DINAMICAS Y DESEQUILIBRIOS PROGRAMABLES. funcionamiento de los accionamientos conectados al sistema el´ectrico. Para ello y en base a lo explicado en el apartado anterior, la generaci´on de desequilibrios de forma din´amica por fase se realiza de igual manera mediante el empleo de un motor de inducci´on y un freno. El concepto inicial sustentaba la generaci´on de desequilibrios entre fases mediante la conexi´on de motores trif´asicos entre dos fases del sistema el´ectrico. Sin embargo, las caracter´ısticas de la m´aquina empleada torna imposible su uso en niveles de tensi´on de l´ınea, calificado como excesivo a soportar por los devanados del motor. Como alternativa, se procede al empleo de los motores trif´asicos mediante la conexi´on entre fase y neutro. Sin embargo, debido al car´acter trif´asico de los mismos, se exige la utilizaci´on de ciertas t´ecnicas que habiliten el uso de este tipo de motores en redes monof´asicas. En el cap´ıtulo 4 se describe los conceptos te´oricos del empleo de un condensador para el funcionamiento de motores trif´asicos en redes monof´asicas. A trav´es de dicha t´ecnica y mediante el uso de un condensador de 55µF se integra la capacidad de producir consumos variables en cada una de las fases. Finalmente, explicado lo concerniente a la emulaci´on de cargas din´amicas, la figura 3.7 muestra las tres cargas din´amicas del sistema, dos de las cuales trabajan en monof´asico mediante el decalado de la corriente gracias a la instalaci´on de un condensador.

Figura 3.7: Cargas din´ amicas del sistema.

Cargas activas

Hasta ahora se ha visto como se ha llevado a cabo la integraci´on de cargas din´amicas en el sistema. La emulaci´on de cargas activas fijas en el tiempo requiere del empleo de un banco de resistencia como el mostrado en la figura 3.8.

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Figura 3.8: Banco de resistencias emulador de carga activa La configuraci´on del banco de resistencias consiste en dos ramas de resistencias cuyo valor o´hmico es 50 Ω y una tercera de 80 Ω. Inicialmente el conexionado por defecto del banco obliga a su modificaci´on pues la configuraci´on entra en conflicto con lo deseado para la MR. As´ı, se decide conectar en serie las resistencias consiguiendo un valor de 180 Ω, correspondiente al calculado para garantizar la integridad de la MR. El c´alculo del valor o´hmico demandado viene impuesto por la m´axima corriente permisible por los equivalentes Π empleados. Considerando que la corriente m´axima a circular es de 7.5 A, debe imponerse como condici´on que la suma de corrientes entre CDE + CDD + Res < 7,5. As´ı, resulta:

2 + 3,55 + IR < 7,5 IR = 1,95A 230 ' 120Ω R= 1,95

Por tanto, se concluye que el valor ´ohmico instalado cumple de forma satisfactoria evitando cualquier tipo de perjuicio en el sistema de distribuci´on. La instalaci´on de las resistencias implica realizar un conexionado interno que permita disponer de los terminales en el exterior del bastidor. Para ello, se exige la utilizaci´on de cable antical´orico fruto de la disipaci´on de calor durante su funcionamiento. Para realizarlo con el m´ınimo coste posible, se decide sacar los extremos de las resistencia a ambos lados del bastidor mediante retales de cable antical´orico realizando el conexionado requerido exteriormente con hilo de 2.5 mm. Esta soluci´on es viable fruto de considerar los

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˜ DE UNA MICRO-RED DE 5KVA CON CARGAS CAP´ITULO 3. DISENO ´ DINAMICAS Y DESEQUILIBRIOS PROGRAMABLES. procesos convectivos de transimisi´on de calor en direcci´on ascendente, siendo minoritario su transmisi´on en direcciones laterales. En resumen, se utiliza cable antical´orico de tensi´on nominal 300/500V y temperatura m´axima de 200o para sacar al exterior los bornes de las resistencias. Posteriormente, se realiza el conexionado exterior mediante cable flexible de 2.5 mm dise˜ nado seg´ un la norma UNE 21031-3.

3.2.2.

Dise˜ no del sistema de distribuci´ on y protecci´ on

En p´arrafos anteriores se han explicado los equipos con los que se ha configurado las diferentes cargas que forman parte del sistema de demanda. La conexi´on de las diferentes cargas obliga a utilizar aparamenta el´ectrica homologada y emplazada en un cuadro de forma que se establezcan las conexiones de los distintos elementos de forma segura. En primer lugar, se definen las distintas herramientas el´ectricas que permiten la conexi´on de los dispositivos conforme a lo citado anteriormente. En segundo lugar, se hace un repaso de elementos adicionales necesarios a implementar en la construcci´on de la MR. La elecci´on de los diferentes automatismos que conforman el sistema el´ectrico a crear, son elegidos de acuerdo a una normalizaci´on establecida que define las reglas, directrices o caracter´ısticas necesarias para ciertas actividades. Las normas consultadas en el presente proyecto son:

UNE-EN 60947-1. Definiciones de los diferentes automatismos. UNE 61082-1. Define los requisitos generales para la preparaci´on de documentos electrot´ecnicos. UNE-EN 60617-2. Define la simbolog´ıa empleada para el dibujo de los esquemas el´ectricos de nuestra MR.

Autom´ atico. PIA.

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La alimentaci´on del sistema se realiza a trav´es de la red del laboratorio, mediante el empleo de un autotransformador. A la entrada de tensi´on de nuestro sistema es necesario integrar un interruptor autom´atico que corte el suministro aguas abajo y garantice la protecci´on de los circuitos contra cortocircuitos y soFigura 3.9: PIA brecargas. C60N Merlin Gerin El autom´atico elegido (fig 3.9) pertenece a la marca Merlin Gerin, con una capacidad de corte de 63 A. La curva caracter´ıstica elegida es de tipo C, lo que implica tener un margen de disparo entre cinco y diez veces la intensidad nominal. Dichas especificaciones resultan m´as que suficiente para los niveles de corriente esperados, pues la operaci´on de la futura MR exige la conexi´on secuencial y paulatina de los diferentes elementos. En t´erminos de seguridad cabe destacar la necesidad de integrar un diferencial como elemento fundamental de seguridad en cumplimiento de la normativa vigente, el cual desconecte el sistema en caso de existencia de una derivaci´on. Sin embargo, a consecuencia del presupuesto no queda m´as opci´on que prescindir de su uso confiando la seguridad del sistema en las protecciones del laboratorio, lo que exige tener en constante consideraci´on la peligrosidad cuando se trabaja con la MR.

Analizador de Red

El fin u ´ltimo de la MR reside en la posibilidad de estudio de diversas y complicadas situaciones que ocurren durante el funcionamiento de un sistema el´ectrico y los posibles desequilibrios que aparecen asociados a ´el. El estudio de los mismos exige dotar al sistema de elementos que permitan conocer la mayor cantidad posible de variables presentes en el sistema. Tal necesidad queda cubierta mediante el empleo de un analizador de red, espec´ıficamente mediante la adquisici´on del modelo CVM-MINI-MC con Figura 3.10: Analiconexi´on ethernet de CIRCUTOR (fig:3.10). Dos caracter´ısticas zador de red instalado. b´asicas se presentan fundamentales para la elecci´on del mismo, las cuales son: empleo de transformadores de intensidad eficientes y reducido tama˜ no y establecimiento de comunicaciones v´ıa ethernet.

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˜ DE UNA MICRO-RED DE 5KVA CON CARGAS CAP´ITULO 3. DISENO ´ DINAMICAS Y DESEQUILIBRIOS PROGRAMABLES. La instalaci´on f´ısica del analizador de red exige el empleo de fusibles que permitan interrumpir el suministro de corriente en caso de sobreintensidad por el mismo, o a deseo del usuario. Por ello, se hace empleo de un PIA bif´asico (F+N) en sustituci´on de los fusibles debido a la facilidad de rearme. Su uso se aprovecha para el control del circuito de maniobra de los contactores, dotando de mayor integridad al sistema como se muestra a continuaci´on.

L´ıneas de distribuci´ on a´ ereas

El sistema implementado debe emular todos los comportamientos que tienen lugar en los sistemas reales. Considerando la red del laboratorio de potencia infinita junto con el emulador e´olico del TFG previo al actual, dicho requisito se encuentra cubierto en lo referente a la alimentaci´on. En lo que concierne a los consumos se han explicado las soluciones adoptadas concluyendo su fidelidad con la realidad. Sin embargo, cabe cuestionarse Figura 3.11: Equivacomo afirmar lo mismo en lo relativo a los sistemas de transporlente PI te. Los modelos te´oricos empleados para el estudio de las l´ıneas de transmisi´on se conocen como “equivalentes Π” (fig 3.11). De acuerdo a dichos modelos la implementaci´on de los mismos pasa por introducir un cuadripolo que represente los fen´omenos capacitivos, inductivos y resistivos presentes en las l´ıneas el´ectricas, estableciendo una equivalencia entre los kilometros en las l´ıneas reales y los escasos metros presentes en nuestro sistema. De forma mucho m´as profunda aparece detallado lo concerniente a las l´ıneas a´ereas de transporte el la parte II del proyecto. En dicho documento se explica las distorsiones que introducen los equivalentes utilizados, los valores del circuito del equivalente Π y un estudio de cargas del sistema.

Estructura de Maniobra

De las partes funcionales de cualquier instalaci´on el´ectricas se han visto hasta el momento lo referente a la alimentaci´on, protecciones, transmisi´on y puntos de consumo. Llegados aqu´ı es momento de fijar los elementos que permiten actuar sobre el flujo de

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energ´ıa, mediante la conexi´on, desconexi´on y regulaci´on de cargas el´ectricas. El empleo de interruptores sencillos queda delimitado a ciertos valores de potencia por encima de los cuales es necesario emplear otros dispositivos, representados en la norma UNE-EN 60947-1. Entre ellos los contactores se definen como dispositivos de conexi´on capaces de establecer, soportar e interrumpir la corriente en un circuito en condiciones normales de funcionamiento. Adem´as; debe soportar las condiciones de sobrecarga de servicio, como el arranque de motores. La maniobra del contactor se realiza a distancia, donde una bobina es excitada provocando la apertura o cierre de los contactos. Los contactos principales en posici´on normalmente abierta son cerrados al excitar la bobina. As´ı se selecciona el empleo de contactores CL01 de General Electric para la conexi´on de las diferentes cargas. La elecci´on de los mismos es acorde a m´ ultiples criterios:

Tensi´on de control 230 V, lo que permite realizar la excitaci´on de los mismos de forma sencilla sin la necesidad de fuentes de alimentaci´on o transformadores. Permite conectar equipos con consumos de potencia hasta valores de 5.5kW. Corriente m´axima de trabajo de 12 A, cubriendo perfectamente a todas las cargas pues lo m´aximo requerido no exceder´a los 7,5 A. Disponibilidad inmediata de los mismos y reciclaje de material.

La excitaci´on de los contactores supone un punto de inflexi´on en el proyecto. Ante la premisa de establecer un control completo por ordenador se torna necesario el estudio de componentes electr´onicos que permitan producir la excitaci´on necesaria para el cierre de los contactos con aislaci´on galv´anica que garantice la seguridad de los equipos empleados. As´ı la electr´onica planteada pasa por el empleo de optoacopladores PLC-OSC de la marca Phoneix Contact (fig: 3.12) , soluci´on planteada debido a su validez previa en la sustituci´on de interruptores en el altivar 66. Sin embargo, las especificaciones t´ecnicas del mismo resultan inviables para su aplicaci´on al circuito de maniobra por disponer de un rango de entrada de 19.2 V a 28.8 V, lo que no cubre los 220 V necesarios. Alternativamente, se plantea el uso de optoacopladores

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˜ DE UNA MICRO-RED DE 5KVA CON CARGAS CAP´ITULO 3. DISENO ´ DINAMICAS Y DESEQUILIBRIOS PROGRAMABLES.

Figura 3.12: Optoacoplador PLC-OSC Phoenix Contact 4n25, sin embargo la escasa est´etica y funcionalidad como la elevada carga de trabajo supone una barrera para la aplicaci´on de los mismos. Finalmente se decide por aplicar m´odulos de rel´es con 8 canales de bajo activo (fig: 3.13). Estos se caracterizan por la integraci´on de un rel´e excitado mediante un optoacoplador.

Figura 3.13: Esquema interno bloque de rel´es. Fuente: Google Im´ agenes El circuito muestra el control de la excitaci´on de la bobina del rel´e a partir del optoacoplador, manteniendo una separaci´on galv´anica. Cuando se realiza la excitaci´on del foto transistor, este se polariza permitiendo el paso de la corriente. La alimentaci´on de la excitaci´on del rel´e genera un corriente que se cierra a trav´es del transistor, originando un campo magn´etico que a su paso que modifica la posici´on del rel´e. Por tanto, el bloque de rel´es (3.14) se presenta como la mejor alternativa al ser controlado mediante los 5 V de nuestra tarjeta de adquisici´on de datos, permitiendo conmutar el encendido y apagado de cualquier sistema el´ectrico. Las caracter´ısticas por las que el bloque de rel´es es seleccionado son:

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Figura 3.14: M´odulo de rel´es con 8 canales de bajo activo Conexi´on a la salida de tensiones hasta 230 V en alterna o 30 V en continua. Circulaci´on de corriente m´axima a la salida de 10 A.

A lo anterior ha de a˜ nadirse el empleo de interruptores monopolares que permiten interrumpir la excitaci´on de las bobinas de forma manual, incrementando el grado de seguridad. El empleo de dichos interruptores monopolares lleva asociado ciertas exigencias, tales como: ser capaces de establecer, soportar e interrumpir corrientes en las condiciones nominales del circuito, las condiciones espec´ıficas de sobrecarga en servicio o condiciones anormales durante cierto tiempo. Sin embargo, para el caso particular de aplicaci´on al circuito de maniobra no lleva asociado dichas exigencias ante los escasos amperios que circulan. Estudiados los diferentes componentes que intervienen en la MR, es posible dise˜ nar el esquema de maniobra de la misma. La figura 3.15 muestra el esquema dise˜ nado (disponible en el cap´ıtulo de planos y esquemas).

En resumen, la figura 3.15 muestra la presencia de los siguientes elementos.

Interruptor autom´atico tetrapolar. Interruptor autom´atico F + N. Su empleo conecta la maniobra y el analizador de red. Analizador de red. Ocho contactores. Ocho interruptores monopolares.

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Figura 3.15: Circuito de maniobra o funcional

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Dise˜ no y construcci´on de una Micro-Red

La conexi´on de las distintas cargas deben realizarse mediante elementos el´ectricos que garanticen la seguridad, lo que exige el empleo de bornas de conexi´on por tornillo. El empleo de las mismas permite ahorrar espacio en el dise˜ no y construcci´on de la maqueta y facilita el conexionado ofreciendo flexibilidad al permitir la entrada de conductores con puntas y cuellos aislantes.

Figura 3.16: Bornes de conexi´ on por tornillo UT

Especificados los diferentes elementos que componen la MR con su correspondiente sistema de distribuci´on y gesti´on, se define el circuito de potencia que gobierna la MR y en la cual debe basarse la construcci´on de la misma. La figura 3.17 muestra el correspondiente esquema el´ectrico del circuito de potencia a desarrollar.

3.2.3.

Dise˜ no de la estructura del equipo

Tras el dise˜ no de los esquemas el´ectricos a realizar, el paso siguiente prosigue en la l´ınea de generar una estructura como soporte de toda la aparamenta el´ectrica de la MR. El dise˜ no de la misma debe de realizarse siguiendo dos criterios fundamentales:

Rescatar el m´aximo posible de material disponible en el laboratorio. Optimizar el dise˜ no que garantice el aprovechamiento del espacio.

Inicialmente la soluci´on ideal pasa por emplazar todos los elementos en el interior de un armario el´ectrico. Dicha soluci´on se presenta como la mejor alternativa pues confiere un alto grado de integridad, permitiendo tratar el sistema como un conjunto. Sin embargo, el coste de los posibles armarios el´ectricos disponibles en el mercado dispara el precio del proyecto. Ante dicha barrera, se presentan diferentes alternativas que aunque presentan una mayor desintegraci´on de los elementos, son totalmente v´alidas para el resultado final

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˜ DE UNA MICRO-RED DE 5KVA CON CARGAS CAP´ITULO 3. DISENO ´ DINAMICAS Y DESEQUILIBRIOS PROGRAMABLES.

EQUIVALENTE PI N R

S

T

1

3

5

7

2

4

6

8

R

R

S

S

T

T

Q1 4x25A curva C

1

3

2

4

Q2 2x20A curva C

KM 1

AR

ANALIZADOR DE REDES

3 x EQ. PI

KM 2

KM 3

KM 4

KM 5

KM 6

KM 7

VARIADOR ALTIVAR 66

M1

RESERVA EQUIPADA

R1

M 3

KM 8

~

R2

R3

M2

M3 M F+N

A UNIDAD DE CONTROL 1 14.422 MAGNETA

M

~

A UNIDAD DE CONTROL 2 14.422 MAGNETA

F+N

~

A UNIDAD DE CONTROL 3 14.422 MAGNETA

PLANO:

PLANO Nº:

ESQUEMA DE POTENCIA PROYECTO:

TFG UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID

DISEÑO, DESARROLLO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA MICRORED DE 5 KVA CON CARGAS DINÁMICAS Y DESEQUILIBRIOS PROGRAMABLES ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES DPTO: INGENIERÍA ELÉCTRICA

3 REVISIÓN:

1 ESCALA:

FECHA:

25 - JUNIO - 2016

Figura 3.17: Circuito de potencia de la MR 36

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Dise˜ no y construcci´on de una Micro-Red

esperado. As´ı se construye un emulador de MR en el laboratorio de M´aquinas El´ectricas, emplazando todos los elementos encima y en los alrededores de una mesa. Para la instalaci´on de la aparamenta el´ectricas se dise˜ na y construye una maqueta en forma de T invertida, donde instalar en horizontal los diferentes elementos. En lo que respecta al dise˜ no del equipo, m´ ultiples han sido los bocetos realizados. El primero de los mismos se caracterizaba por la presencia de cajas el´ectricas estancas en cuyo interior establecer circuitos con conexiones al exterior mediante el empleo de bornas de seguridad. Sin embargo esto requerir´ıa numerosas unidades, lo que se reduce en costes; por lo que es modificado el dise˜ no haciendo el conexionado en las bornas mostradas en 3.16. As´ı, el dise˜ no de la maqueta final es el mostrado en la figura 3.18.

Figura 3.18: Dise˜ no de la maqueta en Solid Edge La figura 3.18 muestra un panel realizado a partir de perfil cuadrado de 30 x 30 mm. Usando dicho perfil se forma una estructura con forma de T en la que se dispone una chapa perforada amagn´etica hasta poco m´as de la mitad. En la zona superior se deja abierto un marco, en el cual integrar el sistema de distribuci´on de la MR. El dise˜ no del equipo prevee el montaje de cuatro l´ıneas de carril DIN debidamente

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˜ DE UNA MICRO-RED DE 5KVA CON CARGAS CAP´ITULO 3. DISENO ´ DINAMICAS Y DESEQUILIBRIOS PROGRAMABLES. espaciados, para el posterior montaje de toda la aparamenta el´ectrica. El cableado a realizar entre los diferentes elementos debe realizarse por el interior de la canaleta prevista a la izquierda de la maqueta. Dado el car´acter experimental del proyecto, la est´etica es relegada a un segundo papel frente a la funcionalidad y el coste. Es necesario crear cierto soporte que permita emplazar toda la circuiter´ıa del sistema de distribuci´on y protecci´on. Para ello, se hace uso de una tapa de pl´astico que garantiza el aislamiento de la electr´onica de potencia, evitando posibles cortocircuitos. Realizado el dise˜ no, y comprobado su resistencia a los esfuerzos esperados, se da el visto bueno procediendo a su construcci´on f´ısica.

3.2.4.

Construcci´ on del equipo

La estructura del equipo se ha realizado en perfiles de montaje en aluminio de 30 x 30 mm. Cortados los perfiles a las medidas del dise˜ no, se posicionan los travesa˜ nos perpendicularmente entre ellos mediante el empleo de escuadras de 45 x 45 mm. Con la estructura construida, se inserta chapa perforada a trav´es del carril disponible en el perfil. Llegados aqu´ı se dispone de una estructura vertical de alta estabilidad. Para el posicionamiento en horizontal de la aparamenta el´ectrica se instala carril DIN normalizado. La fijaci´on del mismo se realiza mediante remachado en fr´ıo contra la chapa perforada y taladrada con anterioridad. Fijados los carriles DIN se posiciona la aparamenta el´ectrica que compone el sistema de maniobra. Tal como muestra la figura 3.19 en ella se distinguen cuatro partes fundamentales.

1. Carril superior: recibe la entrada de alimentaci´on del sistema as´ı como los puntos de conexi´on del sistema de distribuci´on. 2. Carril intermedio: emplaza los diferentes interruptores del sistema, junto con el analizador de red. 3. Carril inferior: sit´ ua todos los contactores que gobiernan la conexi´on y desconexi´on

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del sistema de demanda. 4. Tapa de pl´astico: sirve de apoyo para fijar los m´odulos de rel´es y placas electr´onicas dotando de aislamiento.

Figura 3.19: Etapas iniciales de la construcci´ on de la MR. En el carril superior se identifican cuatro conjuntos de bornas. El primer grupo del extremo izquierdo recibe la alimentaci´on de la red del laboratorio o del emulador del aerogenerador disponible. El segundo grupo de bornas, supone el punto com´ un previo a la entrada de las fases en los cuadripolos emuladores de las lineas de distribuci´on. Desde dicho grupo de bornas se cablean tres equivalentes Π en paralelo llevando su salida al tercer grupo de bornas. El u ´ltimo grupo de bornas sirve de reserva, permitiendo conectar un grupo de generaci´on cl´asico previsto para un futuro. En el carril intermedio se localizan las m´ ultiples protecciones que conforman el sistema de protecci´on de la MR. A la izquierda se visualiza el autom´atico tetrapolar, seguido del PIA bif´asico. La posici´on del analizador de red es impuesta por la colocaci´on de los transformadores de intensidad sobre el PIA tetrapolar. Por u ´ltimo, se fijan un grupo de ocho interruptores monopolares. El carril inferior dispone de los 8 contactores necesarios para el control del flujo de

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˜ DE UNA MICRO-RED DE 5KVA CON CARGAS CAP´ITULO 3. DISENO ´ DINAMICAS Y DESEQUILIBRIOS PROGRAMABLES. energ´ıa hacia el sistema de demanda (ver detalle en fig 3.20). De esta forma se localiza claramente la salida del sistema, situ´andola lo m´as abajo posible. Adem´as, debido a la colocaci´on de las m´ ultiples cargas debajo de la mesa refuerza la necesidad de disponer de las salidas en la zona inferior. La salida de los contactores se lleva a bornas en las que realizar el conexionado de forma segura.

Figura 3.20: Carril inferior: Contactores. La misi´on de cada uno de los contactores de acuerdo al esquema de potencia de la MR es:

Contactor 1: permite el flujo de energ´ıa desde la alimentaci´on al resto de la MR. Contactor 2: realiza la conexi´on o desconexi´on de la CDE. Contactor 3: realiza la conexi´on o desconexi´on de R1. Contactor 4: realiza la conexi´on o desconexi´on de R2. Contactor 5: realiza la conexi´on o desconexi´on de R3. Contactor 6: realiza la conexi´on o desconexi´on de la CDD. Contactor 7: realiza la conexi´on o desconexi´on de la CDD. Contactor 8: se encuentra en vac´ıo como grupo de reserva.

Sobre la tapa de pl´astico se sit´ uan dos m´odulos de rel´es, los cuales se encargan de la excitaci´on de los contactores. Adem´as, se dispone de un conjunto de tres resistencias creado para la medici´on de ciertas variables del variador Altivar 66 (como se ver´a posteriormente). En u ´ltimo, lugar la tarjetas de adquisici´on de datos NI-USB 6009 son fijadas a la chapa perforada mediante el empleo de pegamento termofusible.

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Cableado de la MR

Habiendo dise˜ nado el circuito de maniobra y potencia de la MR, y con todos los elementos fijados se procede al cableado de ellos. A continuaci´on, se resume brevemente el conexionado realizado. En lo referente al circuito de potencia y seg´ un el plano de la figura 3.17, en primer lugar la alimentaci´on del sistema se hace pasar por el interruptor tetrapolar. La salida de este se lleva al contactor 1, que cuando es activado habilita el flujo de energ´ıa hacia las l´ıneas el´ectricas. La salida de las l´ıneas se lleva directamente hacia el contactor 2 para la alimentaci´on del variador de velocidad. A partir de aqu´ı, la conexi´on de los diferentes contactores se realiza mediante puentes con el contactor 2, debido a la influencia de cada uno de ellos en una sola fase. Esto se traduce en que a la entrada de los contactores 3,4,5,6,7 y 8 solo llega una u ´nica fase y el neutro. La salida del contactor 2 se conecta a la entrada del Altivar 66, consiguiendo establecer as´ı la conexi´on remota del mismo. El resto de salidas de los contactores se dispone de forma ordenada en bornes de conexi´on por tornillo. Para la conexi´on del circuito de maniobra, se sigue el plano de la fig 3.15 tomando una fase y el neutro a la entrada del interruptor bif´asico. A la fase de salida, se intercala la conexi´on de los ocho interruptores monopolares puenteados entre s´ı. La salida de los interruptores se conecta de forma directa con el m´odulo de rel´es, los cuales se encuentran en posici´on NA. Cuando estos se cierran, se produce la conexi´on f´ısica de las bobinas de los contactores entre fase y neutro. Los cuadripolos empleados para simular las l´ıneas de la red de distribuci´on y por tanto sus caracteres inductivos, capacitivos y resistivos limitan la circulaci´on de corriente por los mismos a 2.5 A. Estimado una circulaci´on por el sistema de m´as de 5 A, hace necesario sobredimensionar las l´ıneas para lo cual se emplean tres m´odulos conectados en paralelo (fig 3.21). Como se especific´o con anterioridad; el punto com´ un de la entrada se localiza en el segundo grupo de bornas, mientras que la salida finaliza en el tercer grupo de bornas. Las tareas de conexionado terminan con el cableado del analizador de red. Al mismo debe hacerse llegar la corriente del sistema adaptada al rango m´aximo permitido por el dispositivo. Ello implica el uso de transformadores de intensidad que emplean el hilo del sistema como primario, generando un salida adaptada en el secundario. La conexi´on

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˜ DE UNA MICRO-RED DE 5KVA CON CARGAS CAP´ITULO 3. DISENO ´ DINAMICAS Y DESEQUILIBRIOS PROGRAMABLES.

Figura 3.21: Sistema de distribuci´ on. convencional de los mismos se realiza atendiendo al esquema 3.22 dado por el fabricante.

Figura 3.22: Conexionado t´ıpico del analizador de red. Fuente: Manual CIRCUTOR La imagen 3.22 muestra el empleo de transformadores convencionales. Sin embargo, se realiza la instalaci´on de transformadores eficientes de menor tama˜ no, que permiten mejorar el aprovechamiento del espacio. Para ello, la conexi´on de los mismos se realiza seg´ un la figura 3.23. Tras la realizaci´on de las m´ ultiples etapas comentadas se obtiene finalmente la maqueta de ensayos que permitir´a realizar estudios de desequilibrios y distorsiones.

3.2.5.

Sistema de gesti´ on y control

El sistema de demanda junto con el sistema de maniobra y protecci´on deben subordinarse al control por computador, permitiendo al usuario modificar el estado del sistema de forma remota para crear los casos de estudio. La unidad de control centralizada debe unificar la adaptaci´on, lectura y muestreo de se˜ nales, junto con el desarrollo de las

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Figura 3.23: Conexionado TI eficiente. Fuente: Manual CIRCUTOR acciones de control. Con tales prop´ositos, inicialmente se plantea la aplicaci´on de un aut´omata o PLC industrial. Sin embargo, la soluci´on final adoptada consiste en el empleo de una tarjeta de adquisici´on y tratamiento de se˜ nales, producto de la compa˜ n´ıa National Instruments. Dicha opci´on ofrece la combinaci´on de hardware y software perfecta para la resoluci´on de los problemas ingenieriles, otorgando extrema sencillez para la consecuci´on de los objetivos planteados en este proyecto. As´ı, el hardware final empleado para la lectura, medici´on y generaci´on de se˜ nales consiste en la aplicaci´on de una tarjeta de adquisici´on de datos, concretamente el modelo NI USB-6009. La elecci´on del mismo radica en la disponibilidad inmediata del mismo, lo que permite amortizar dispositivos presentes en el laboratorio. Sin embargo, las caracter´ısticas de este modelo limita la generaci´on de se˜ nales anal´ogicas a dos canales por dispositivo DAQ. Ello obliga al empleo de dos tarjetas NI USB-6009 para controlar los distintos elementos que conforman la MR. El software desarrollado por National Instruments y aplicado a este proyecto se caracteriza por hacer uso del lenguaje gr´afico LabVIEW, el cual permite y posibilita de manera sencilla la integraci´on de tarjetas de adquisici´on de datos low-cost. La utilizaci´on del dicho lenguaje de programaci´on simplifica la tarea de forma que permite invertir una mayor parte del tiempo en la elaboraci´on de una interfaz gr´afica sencilla e intuitiva, pero no por ello menos compleja y funcional.

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Figura 3.24: Hardware sistema de gesti´ on y control Las tarjetas de adquisici´on de datos son fijadas con pegamento termofusible a la maqueta creada, estableciendo la conexi´on con el ordenador mediante conexi´on USB. La conexi´on de las se˜ nales anal´ogicas de la misma se realiza mediante el empleo de manguera apantallada de pares trenzados para el tratamiento de se˜ nales de tensi´on inferiores a los 10 V. La lectura de se˜ nales en corriente provenientes del altivar 66 exige realizar una transformaci´on de las mismas en se˜ nales de tensi´on. Para ello, se crea un peque˜ no circuito en el que se genera una ca´ıda de tensi´on medible mediante el empleo de resistencias de 400 Ω. La generaci´on de se˜ nales anal´ogicas en el rango de los 5 V permite establecer el control sobre la CDE y la CDD. Sin embargo, el control del circuito de maniobra del sistema exige la aplicaci´on de un m´odulo de rel´es controlado por microprocesador. El estado de la salida del rel´e es controlado mediante la aplicaci´on de se˜ nales digitales en su entrada. Esto permite controlar la excitaci´on de los contactores citados mediante la conexi´on de las excitaciones a un circuito a 220 V que se cierra a trav´es de las salidas del bloque de rel´es. Por u ´ltimo, ha de realizarse la configuraci´on y establecimiento de comunicaci´on con el analizador de red. El modelo instalado se caracteriza por establecer las comunicaciones mediante protocolo ethernet. Dicho protocolo est´a especialmente orientado para la creaci´on de redes locales en las que intercambiar el flujo de datos entre los diferentes dispositivos conectados a la misma. Sin embargo, en este proyecto se establece una red “punto a punto” entre el ordenador de control y el analizador de red. De esta forma se crea un canal de datos en el que ambos elementos se comunican como socios iguales,

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Dise˜ no y construcci´on de una Micro-Red

funcionando ambos como esclavos o maestros. La factibilidad de dicha soluci´on se basa en el menor costo dado que no necesita dispositivos de red. El establecimiento de una red punto a punto exige fijar las direcciones de los elementos que componen la misma. As´ı ha de fijarse la direcci´on IP del hadware ethernet del ordenador y la direcci´on IP del analizador de red. Para este u ´ltimo paso se hace uso del programa IPSETUP proporcionado por CIRCUTOR.

Figura 3.25: Ventana de configuraci´ on IPSETUP Los par´ametros con los que se completa la ventana mostrada en 3.25 a fin de comunicar correctamente con el analizador de red son:

Direcci´on IP Ordenador: 169.254.212.149 Direcci´on IP Circutor: 169.254.212.150 MAC: 14-A6-2C-00-39-8C M´ascara de red: 255.255.0.0

Finalmente, la consecuci´on de los diferentes pasos citados da lugar a la integraci´on de forma satisfactoria del analizador de red en el sistema de gesti´on y control. La programaci´on de las tarjetas de adquisici´on de datos explicado en cap´ıtulos posteriores, cohesiona el conjunto resultando en una unidad de control centralizada a partir de la cual gobernar la MR.

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˜ DE UNA MICRO-RED DE 5KVA CON CARGAS CAP´ITULO 3. DISENO ´ DINAMICAS Y DESEQUILIBRIOS PROGRAMABLES.

3.3.

Resultado final y conclusi´ on

La realizaci´on del dise˜ no, desarrollo y construcci´on f´ısica del emulador, da lugar a la obtenci´on de un equipo de laboratorio a trav´es del cual realizar estudios de desequilibrios producidos en las micro-redes. La uni´on de todos los elementos se configura como un puesto de trabajo alrededor de una mesa, en la que las distintas partes que conforman la micro-red se posicionan de la siguiente forma:

Las cargas din´amicas desequilibradas y la din´amica equilibrada se sit´ uan debajo de la mesa de trabajo. El banco de resistencias se sit´ ua al lado de la mesa de trabajo. La estructura de maniobra y protecci´on se posiciona encima de la mesa de trabajo. En la parte posterior de la estructura de maniobra y protecci´on se coloca el variador Altivar 66. Por u ´ltimo, se instala un PC en la mesa como unidad de control centralizada.

(a)

(b)

Figura 3.26: Puesto de control

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Dise˜ no y construcci´on de una Micro-Red

Por tanto, en este cap´ıtulo se concluye la creaci´on de una micro-red de 5 kva a escala de laboratorio, desde las primeras etapas a su construcci´on f´ısica tal y como se muestra en la figura 3.27. En cap´ıtulos posteriores se detalla el proceso de programaci´on de la unidad de control centralizada y la validaci´on del conjunto del sistema.

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˜ DE UNA MICRO-RED DE 5KVA CON CARGAS CAP´ITULO 3. DISENO ´ DINAMICAS Y DESEQUILIBRIOS PROGRAMABLES.

Figura 3.27: Micro-Red de 5 kva a escala de laboratorio

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Cap´ıtulo 4 Cargas activas regulables

La labor del sistema de demanda resulta factor clave para la correcta generaci´on de los desequilibrios deseados. Es por ello que el presente cap´ıtulo describe los fundamentos te´oricos de los distintos elementos que componen el sistema de demanda, entendiendo la forma de operaci´on de los mismos. La herramienta utilizada f´ısicamente para la emulaci´on de las cargas din´amicas se basa en el empleo de una m´aquina de inducci´on de jaula de ardilla. La evoluci´on temporal de la misma viene determinada en funci´on del punto de funcionamiento fijado, donde su variaci´on permite modificar la potencia demandada de la red. La posibilidad de modificar el punto de funcionamiento resulta factor clave para su aplicaci´on en el sistema. Como se ver´a en las siguientes l´ıneas se hace uso de frenos o variadores de frecuencia a partir de los cuales establecer un control de velocidad. La necesidad de disponer del mayor rango de desequilibrios posible, obliga a incorporar la emulaci´on de cargas din´amicas entre diferentes fases. Haciendo uso del empleo de motores se describen ciertas t´ecnicas existentes en la actualidad que posibilitan el funcionamiento de motores de inducci´on trif´asicos en redes monof´asicas; t´ecnicas que como se ver´a posteriormente posibilita la integraci´on de las cargas din´amicas mediante las cuales reproducir desequilibrios por fase din´amicamente. En este cap´ıtulo veremos los principios b´asicos de la tecnolog´ıa integrada para la con-

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CAP´ITULO 4. CARGAS ACTIVAS REGULABLES

secuci´on de los diferentes requerimientos, entendiendo la base te´orica que lo sustenta.

4.1.

M´ aquina As´ıncrona

Dentro del ´ambito de las m´aquinas el´ectricas, destaca la fuerte presencia en la industria de los motores as´ıncronos trif´asicos debido a su sencillez, precio y robustez. Aunque el uso de las mismas aparejaba problemas en lo referente al control de velocidad motivado por su dependencia con la frecuencia, gracias al incipiente desarrollo de la electr´onica de potencia se ha incrementado la aplicaci´on de controladores electr´onicos de frecuencia variable, a partir de los cuales controlar la velocidad.

4.1.1.

Teor´ıa y modelo de la m´ aquina de inducci´ on

Con asiduidad se hace empleo indistintamente del t´ermino inducci´on en lugar de as´ıncrono. El resultado es aceptar conceptualmente el error de considerar que el t´ermino m´aquina de inducci´on representa de igual manera a la m´aquina as´ıncrona. Sin embrago, cabe destacar que un motor de inducci´on si es una m´aquina as´ıncrona, no pudi´endose afirmar lo mismo en sentido contrario. El t´ermino inducci´on hace referencia al funcionamiento basado en fuerzas electromotrices y corrientes generadas en el rotor como consecuencias de inducciones debidas al campo magn´etico giratorio de la m´aquina. Por el contrario, el t´ermino as´ıncrono hace referencia a la distinta velocidad del rotor con respecto al campo magn´etico, lo que incluye el caso de la m´aquina alimentada tanto por el estator como por el rotor, donde las corrientes que circulan por el rotor no son exclusivamente de origen inducido. Lo que caracteriza a las m´aquinas as´ıncronas es su menor velocidad de rotaci´on del rotor en relaci´on con el campo magn´etico del estator, en funci´on del grado de carga. Sin embargo, sin olvidar lo explicado, en este documento se habla de la m´aquina de inducci´on o as´ıncrona indistintamente, entendiendo el mismo concepto. El principal uso al que se destinan este tipo de m´aquinas se centra en el empleo como motores ante su sencillez constructiva. Sin embargo, hasta el desarrollo de la electr´onica

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Dise˜ no y construcci´on de una Micro-Red

de potencia, entra˜ naba gran dificultad la regulaci´on de velocidad. Actualmente, gracias a dicho desarrollo es f´acil implementar diferentes controles, como la alimentaci´on de la m´aquina a frecuencia variable. Incluso, sistemas de control m´as sofisticados dan lugar al funcionamiento de estas m´aquinas en accionamientos el´ectricos de velocidad variable, gracias a microprocesadores y DSP’s.

4.1.2.

Fundamentos de funcionamiento de la m´ aquina as´ıncrona

Explicar el funcionamiento de la m´aquina as´ıncrona se vuelve sencillo entendiendo el funcionamiento de la misma como un compendio de fen´omenos que ocurren de manera secuencial. As´ı, la generaci´on de par a la salida pasa por:

1. Al conectar la m´aquina a un sistema trif´asico de tensiones en secuencia directa con las tres fases del devanado estat´orico de la m´aquina as´ıncrona, se genera un sistema trif´asico de corrientes senoidales por el mismo. La circulaci´on de dichas corrientes por bobinas diametrales generan un campo giratorio de amplitud fija y distribuci´on senoidal a lo largo del entrehierro. La velocidad angular del campo giratorio se puede determinar mediante: Ω=

2πf (rad/s) p

n=

60f (r.p.m) p

(4.1)

2. El movimiento del vector espacial asociado al campo magn´etico resultante genera un movimiento relativo en relaci´on a los devanados estat´oricos y rot´oricos, lo que da lugar a la inducci´on de una f.e.m en los bobinados por aplicaci´on directa de la ley de Lenz. Si se consideran que todas las barras poseen la misma impedancia de car´acter inductivo, se produce la circulaci´on de una corriente i de igual frecuencia a la f.e.m pero distinto a´ngulo de fase. 3. Al aplicar la ley de Laplace, la circulaci´on de corrientes por un conductor en el seno de un campo magn´etico origina una fuerza mec´anica, F. ~ × ~l) F~ = i · (B

(4.2)

4. La suma de todas y cada una de las fuerza que aparecen en cada una de las barras del rotor, originan un momento respecto al eje central que es el causante del giro

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CAP´ITULO 4. CARGAS ACTIVAS REGULABLES

del rotor. 5. Las corrientes que se inducen en el rotor generan de igual manera un campo magn´etico, lo que en adici´on al creado por el estator, define el campo total en la m´aquina. Adem´as, hay que considerar la inducci´on de corrientes adicionales en el rotor que buscan contrarrestar la f.e.m inducida por las corrientes del rotor en el estator.

4.1.3.

Establecimiento de rotaci´ on en el eje

A partir de los descrito con anterioridad, se concluye que la suma de un conjunto de fen´omenos f´ısicos conduce a la obtenci´on de un par electromagn´etico en el eje. El equilibrio se alcanza cuando al par generado por la m´aquina se oponga cierto par antagonista.

Te − Tc = J ·

dΩ +A·Ω dt

(4.3)

Los t´erminos que aparecen en la ecuaci´on (4.3) son:

Te : par electromagn´etico desarrollado por el motor. Tc : par antagonista provocado por la carga. J : inercia de todo el accionamiento. A: coeficiente que cuantifica las p´erdidas mec´anicas y de ventilaci´on.

El estudio de la ecuaci´on (4.3) permite concluir la existencia de dos posibles situaciones. El primero de ellos se produce en el momento de conexi´on a red, lo que da lugar a una aceleraci´on del accionamiento (Te > Tc ) al transferir energ´ıa a las partes m´oviles hasta alcanzar el r´egimen permanente (T e = T c). Como se explic´o con anterioridad, este tipo de m´aquinas se denomina as´ıncrona por el hecho de que la velocidad de campo, conocida como velocidad de sincronismo (Ωs ) y la del eje (Ωeje ) nunca llegan a igualarse. En caso de que se igualasen, la corriente inducida en el rotor ser´ıa nula y en consecuencia no aparecer´ıa el par electromagn´etico deseado.

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Dise˜ no y construcci´on de una Micro-Red

Es decir, existe una diferencia de velocidades, cuantificado por el deslizamiento ”s”, cuyo valor se obtiene de la siguiente forma: s=

Ωs − Ωeje Ωs

(4.4)

El posterior trabajo con modelos de simulaci´on deben concluir valores de deslizamiento en el rango de los 0.02 a 0.07 en r´egimen motor. Ello indica la existencia de cierto retraso del eje con respecto al campo magn´etico.

4.1.4.

Elementos constructivos

Dos son las partes principales que componen una m´aquina as´ıncrona: estator y rotor.

Estator: representa la parte fija de la m´aquina. Construido mediante el apilamiento de chapas se hace disponer de una serie de ranura en donde colocar el devanado trif´asico, el cual se conecta a un sistema trif´asico de tensiones como es la red p´ ublica. Rotor: define la parte giratoria de la m´aquina. Construido de igual manera al estator mediante el apilamiento de chapas, se dispone de un devanado en el interior de las ranuras.

En funci´on del tipo de rotor, las m´aquinas as´ıncronas se clasifican en:

M´ aquinas de rotor en jaula de ardilla: los conductores de cobre o aluminio son cortocircuitados en la base del cilindro que compone el rotor. M´ aquinas de rotor bobinado : los conductores son de cobre y forman un devanado trif´asico. En uno de los extremos se realiza la conexi´on con unos anillos montados sobre el eje y aislados entre s´ı; y por el otro extremos se conectan en estrella.

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CAP´ITULO 4. CARGAS ACTIVAS REGULABLES

4.1.5.

Circuito equivalente el´ ectrico

El an´alisis de la m´aquina as´ıncrona desde el punto de vista te´orico requiere de cierta herramienta que represente de manera fidedigna el comportamiento real. Para ello, se define un circuito el´ectrico totalmente equivalente que dota de enorme simplicidad y utilidad en el estudio del comportamiento de una m´aquina as´ıncrona en r´egimen permanente. El empleo de dicho circuito equivalente permite modelar y calcular el comportamiento del motor en diferentes situaciones de trabajo. En este caso particular, resulta de especial inter´es definir cada uno de los elementos pasivos que aparecen en el circuito equivalente pues a partir de los mismos se realizan diferentes ensayos y modelos de simulaci´on. El circuito equivalente debe reproducir de forma precisa la realidad, lo que requiere definir un conjunto de par´ametros que representen la totalidad de variables internas y fen´omenos f´ısicos ocurridos en la m´aquina durante el funcionamiento. La figura (4.1) muestra el circuito monof´asico de la m´aquina, referido al estator, donde todos los elementos que aparecen representan los diferentes fen´omenos f´ısicos que ocurren internamente en la m´aquina.

Figura 4.1: Circuito equivalente monof´ asico de la m´ aquina en r´egimen permanente. Fuente propia La figura 4.1 representa la totalidad de fen´omenos f´ısicos ocurridos en la m´aquina. La rama central com´ unmente llamada “rama paralelo” representa la magnetizaci´on de la m´aquina; es decir, la creaci´on de flujo magn´etico por el entrehierro. La rama situada a la izquierda de la rama paralelo representa el estator, mientra que la situada a la derecha

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define el comportamiento del rotor. R1 y R20 representan las resistencias, del estator y rotor respecto a la tensi´on del estator, respectivamente. Dichos valores suelen ser de escasa magnitud, motivado por el empleo de aluminio o cobre en la elaboraci´on de los conductores. X1 y X20 representan las reactancias de dispersi´on de estator y rotor, respectivamente. Su presencia modela las l´ıneas de flujo del estator que no concatenan el rotor y viceversa; es decir, lo que se denomina flujo disperso. Dado que el dise˜ no del circuito magn´etico debe de garantizar la mayor eficiencia posible, dichos par´ametros suelen ser de peque˜ na magnitud. Rf e define las p´erdidas causadas por la aparici´on de corrientes par´asitas e hist´eresis que tienen lugar en el rotor como consecuencia del campo giratorio. Las magnitudes de dicha resistencia suelen ser suficientemente elevadas como para ser suprimidas del circuito equivalente, permitiendo llevar a cabo estudios simplificados. El flujo que concatena al rotor y estator a trav´es del entrehierro se representa mediante Xµ , llamada reactancia de magnetizaci´on. Su presencia es la causante del consumo de potencia reactiva totalmente necesario para la magnetizaci´on de la m´aquina. La potencia mec´anica desarrollada por la m´aquina en el eje se representa en el modelo mediante la implementaci´on de una resistencia variable Rc0 , cuyo valor dependa del deslizamiento seg´ un la expresi´on: 1−s 0 R2 (4.5) Rc0 = s El resto de t´erminos que aparecen en el circuito equivalente se corresponden con:

V1 : tensi´on de alimentaci´on en bornes de la m´aquina, impuesta por la fuente. I1 : corriente que circula por el estator, la cual magnetiza la m´aquina y crea par. I0 : corriente de magnetizaci´on. Circula por la rama paralelo y su valor suele estar dentro del 20 o 40 % de I1 . E1 : fuerza electromotriz de la m´aquina que impone el campo en el entrehierro. Dicho valor es pr´acticamente igual a la de V1 , ya que las p´erdidas en el cobre y la dispersi´on del estator suele ser muy reducida como se dijo anteriormente.

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E2 : representa lo mismo que E1 y al estar referida al estator debe tener el mismo valor. I20 : corriente que circula por el rotor, referido al estator. A partir de esta, es posible determinar el par que ejerce la m´aquina.

El circuito mostrado hasta el momento representa de forma exacta el conjunto de fen´omenos que tienen lugar en la m´aquina. Sin embargo, es habitual hacer uso de un circuito simplificado que aporta mayor sencillez a los estudios te´oricos. La simplificaci´on del circuito debe garantizar que los resultado obtenidos difieran escasamente con respecto al modelo completo. As´ı, la simplificaci´on llevada a cabo considera despreciable la ca´ıda de tensi´on en el devanado estat´orico; permitiendo pasar los par´ametros del estator al rotor seg´ un:

V1 ≈

E1 → Rcc = R1

+

R20

(4.6)

ya que R1 es casi despreciable frente a Rf e . Adem´as se coloca Rcc en la rama del rotor.

Figura 4.2: Circuito equivalente monof´ asico simplificado de la m´ aquina. Fuente propia Finalmente se dispone de un circuito simplificado que habilita de forma correcta el estudio en r´egimen permanente de la m´aquina. En caso de querer realizar estudios transitorios es sabido que el presente modelo no conduce a resultados satisfactorios, lo que hace del mismo u ´til u ´nicamente para valorar tendencias. En tal caso, ha de introducirse la teor´ıa de los fasores espaciales.

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4.1.6.

Curvas caracter´ısticas del motor de inducci´ on

El uso de la m´aquina as´ıncrona en este proyecto exige el perfecto conocimiento de la curva caracter´ıstica pues representa una de las variables en el establecimiento del punto de funcionamiento. Conocida la curva caracter´ıstica es posible determinar el r´egimen de trabajo a partir del par antagonista en el eje, tal y como detallaba la ecuaci´on 4.3. Dos son las curvas que caracterizan una MA: la evoluci´on de la corriente y la evoluci´on del par. Haciendo uso del circuito equivalente explicado se determina la expresi´on general del la corriente que circula por el rotor en funci´on del deslizamiento.

V1 V1 =q I20 = p 0 2 2 R0 (RCC + RC ) + XCC 2 (R1 + s2 )2 + XCC

(4.7)

Considerando que la potencia se define como el producto del par por la velocidad, la evoluci´on del par se obtendr´a a partir de la potencia consumida en RC0 .

Me =

3 R20 · V12 · 0 s · Ωs (R1 + R2 )2 + X 2 CC s

(4.8)

La representaci´on gr´afica de ambas expresiones hasta deslizamientos iguales a la unidad permite definir de forma cualitativa y cuantitativa el r´egimen motor de la m´aquina as´ıncrona, tal y como se muestra al final del presente cap´ıtulo. La representaci´on de la evoluci´on del par en un motor as´ıncrono es com´ unmente conocida como curva par-velodidad, de aspecto similar al mostrado en la figura 4.3. La definici´on de un motor de inducci´on se realiza a partir de tres puntos caracter´ısticos de la curva par-velocidad asociada. Dichos puntos son:

Par de arranque: es la capacidad de par que presenta la m´aquina cuando se la conecta a un sistema trif´asico de tensiones. En este caso al ser el deslizamiento igual a la unidad, el valor del mismo corresponde u ´nicamente a par´ametros internos de la m´aquina.

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CAP´ITULO 4. CARGAS ACTIVAS REGULABLES

Figura 4.3: Curva Par-Velocidad. Fuente: ETSII-UPM Par m´aximo: representa la mayor capacidad posible de par ejercido por la m´aquina. Un r´egimen de trabajo localizado en dicho punto es inviable puesto que la circulaci´on de corriente es muy elevada, lo genera m´ ultiples problemas como consecuencia de los elevados perfiles de temperatura a los que son sometidos los devanados. Par nominal : representa la carga para la cual ha sido dise˜ nada dicha m´aquina. Por encima de dicho valor, no se garantiza la integridad de la MA.

4.1.7.

Regulaci´ on de velocidad. Variador de velocidad

El fuerte grado de desarrollo llevado a cabo en la electr´onica de potencia hace del empleo de convertidores electr´onicos herramientas econ´omicas para la obtenci´on de un sistema trif´asico de tensiones de amplitud y frecuencia regulables. Los sistemas de regulaci´on de velocidad actuales para los motores de jaula de ardilla son clasificados en dos grandes categor´ıas: sistemas de control escalar y sistemas de control vectorial. Los primeros posibilitan u ´nicamente el control sobre el valor “eficaz” de la variable de control, lo que implica la regulaci´on del valor medio del par desarrollado en un ciclo completo. Los segundos posibilitan el control de ciertas variables de forma instant´anea, regulando el par del accionamiento en cada instante. El equipo m´as extendido es aquel que incorpora un rectificador, etapa de filtrado e inversor. A partir del rectificador se convierte a continua la tensi´on alterna de la red, para posteriormente y tras una etapa de filtrado, controlar y disparar un puente inversor que inyecta corrientes senoidales de amplitud y frecuencias regulables. Por tanto, la generaci´on

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de la onda de tensi´on requerida se obtiene a partir del control del puente inversor.

Figura 4.4: Esquema componentes Variador de velocidad. Fuente: [4] La figura 4.4 muestra la presencia de un microprocesador que recibe cierta se˜ nal de consigna alrededor de la cual se desea el funcionamiento de la m´aquina. En funci´on de dicha consigna el microprocesador establece una se˜ nal de disparo del puente inversor para conseguir el objetivo planteado. El m´etodo m´as com´ unmente usado para el control del puente inversor es la “modulaci´on de ancho de pulso” o “PWM” (Pulse Width Modulation). Dicho m´etodo se basa en la comparaci´on de una onda triangular (portadora) con una se˜ nal senoidal (moduladora). Cuando la se˜ nal moduladora es mayor que la portadora, se ordena el disparo del IGBT superior conectando dicha fase del motor al polo positivo del bus de continua. Ocurre lo contrario en el caso de que la se˜ nal moduladora sea menor que la portadora, como se muestra en la figura 4.5. Este m´etodo es conocido como “control en tensi´on” del puente inversor. Es posible regular de forma directa las corrientes de alimentaci´on de la m´aquina mediante el “control por banda de hist´eresis” o “Bang-Bang”. El control del puente inversor en corrientes recibe una se˜ nal de referencia de corriente igual a la deseada en la alimentaci´on de la m´aquina, para regular el disparo de los IGBT’s superior o inferior de manera que la corriente se mantenga alrededor de la se˜ nal de referencia m´as una peque˜ na tolerancia. El modo b´asico de funcionamiento de este control consiste en conectar la fase al polo positivo del bus de continua cuando se desea que aumente la corriente y de forma contraria cuando se desea disminuir su valor.

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CAP´ITULO 4. CARGAS ACTIVAS REGULABLES

Figura 4.5: Generaci´on de un tren de pulso PWM para una rama del inversor. Fuente: ETSII-UPM.

Figura 4.6: Control de corriente por banda de hist´eresis. Fuente: ETSII-UPM.

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La figura 4.6 muestra como cuanto m´as estrecha sea la banda de hist´eresis m´as preciso ser´a el seguimiento de la referencia por la corriente real, en detrimento de una mayor frecuencia de conmutaci´on de los IGBT’s del inversor que se traduce en un aumento de las p´erdidas, con la consecuente disminuci´on de la eficiencia y aumento del coste durante el funcionamiento. La elecci´on del variador de velocidad supone una tarea de especial inter´es ante la inversi´on a realizar y los m´ ultiples factores a tener en cuenta. Se debe elegir en funci´on de las caracter´ısticas del motor, de la carga y de los requerimientos de velocidad necesarios. Es decir, es necesario determinar la capacidad de par que debe de aportar el motor en los diferentes reg´ımenes de funcionamiento. Aparte hay que considerar los posible problemas que pudieren surgir en los referente a su instalaci´on y operaci´on, as´ı como prever las tareas de mantenimiento a realizar. Finalmente, es necesario garantizar ciertas condiciones ambientales como son la temperatura de funcionamiento, la no presencia de atm´osferas corrosivas o el cumplimiento de la normativa EMC.

4.1.8.

Parametrizaci´ on de la m´ aquina de inducci´ on

Conocido perfectamente el circuito equivalente de la m´aquina as´ıncrona, se procede a realizar determinados ensayos para el caso particular de la m´aquina empleada en este proyecto, lo que permitir´a determinar la totalidad de los par´ametros. La placa de caracter´ısticas de la m´aquina de inducci´on muestra los siguientes valores nominales.

Tabla 4.1: Placa de caracter´ısticas. Los ensayos a realizar para la parametrizaci´on de una MA, son:

Ensayo de vac´ıo. Ensayo de cortocircuito.

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CAP´ITULO 4. CARGAS ACTIVAS REGULABLES

Medida de la resistencia del estator.

Medida de la resistencia del estator

Habiendo realizado los ensayos de vac´ıo y cortocircuito se procede a la medida de la resistencia del devanado estat´orico, cuyo dato permitir´a determinar R1 y R20 a partir de RCC . La t´ecnica general m´as habitual mediante el empleo de un mult´ımetro digital consiste en:

Figura 4.7: Montaje para la medida de la resistencia del estator. Fuente: ETSII-UPM. Seg´ un la figura 4.7 se realiza una conexi´on en serie de los tres devanados estat´oricos para medir con un mult´ımetro el valor ´ohmico. Alternativamente, es posible determinar la resistencia del estator Rs entre dos terminales cualesquiera, de forma sencilla y eficaz. Dado que el motor se encuentra conectado en Y, el valor de R1 es: R1 =

24,8 = 12,4Ω 2

(4.9)

Ensayo de vac´ıo de una m´ aquina as´ıncrona

El funcionamiento de un motor sin carga, teniendo como u ´nica carga en el eje la propia por rozamiento y fuerzas de ventilaci´on, da lugar a velocidades de giro muy pr´oximas a la de sincronismo. Considerando el modelo descrito en los fundamentos, se traduce en que la resistencia de carga del modelo (R2 /s) es muy alta debido al escaso deslizamiento, por lo que la corriente I20 es muy peque˜ na en comparaci´on con I0 . Por tanto, cuando el motor trabaja sin carga el circuito se simplifica a la presencia de la rama magnetizante u ´nicamente. Midiendo la tensi´on, corriente y potencia aplicada a la m´aquina se determina RF E y Xµ .

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En t´erminos de potencia, la potencia consumida en vac´ıo por la m´aquina ser´a la invertida en las perdidas en el hierro, las p´erdidas del devanado estat´orico, y las p´erdidas mec´anicas por rozamiento y ventilaci´on; despreciando las p´erdidas en el rotor. P0 = PF E + PCu1 + Pmec

(4.10)

PF E + Pmec = P0 − 3 · R1 · I02

(4.11)

Para su realizaci´on, se aplica tensi´on nominal a la m´aquina y se va reduciendo progresivamente, teniendo como u ´nica carga en el eje la propia por rozamiento y fuerzas de ventilaci´on. Adem´as, se consideran que las p´erdidas mec´anicas permanecen constantes en todo momento ya que se cuida de que la velocidad apenas var´ıe. Esto permite, que al representar P0 − PCu1 respecto a U 2 , puedan obtenerse las p´erdidas mec´anicas. Explicado el procedimiento, se muestran los datos y resultados para nuestro caso en particular.

Tabla 4.2: Datos del ensayo de vac´ıo El punto de corte con el eje de ordenadas representa las p´erdidas mec´anicas en nuestro ensayo. Conocidas estas y mediante la aplicaci´on de las ecuaciones correspondientes

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CAP´ITULO 4. CARGAS ACTIVAS REGULABLES

Figura 4.8: Resultado separaci´ on p´erdidas mec´ anicas podemos determinar los par´ametros de la rama de magnetizaci´on. Pmec = 4,19W PF E = P0 + PCU 1 − 3 · R1 · I02 − Pmec = 3 ·

U12 RF E

PF E = 3 · U1 · IF E = 3 · U1 · I0 · cosφ0 = cosφ0 = 0,147 φ0 = 81,546o U1 RF E = = 2403,8133Ω I0 · cosφ0 U1 Xµ = 2π · f · Lmu = = 167,98H I0 · sinφ0

Ensayo de cortocircuito de una m´ aquina as´ıncrona

La realizaci´on del ensayo de rotor bloqueado comienza alimentando a la m´aquina a tensi´on inferior a la nominal, a la par que se impide el giro del eje. Incrementando de forma gradual la tensi´on se compara la intensidad hasta que la misma alcanza el valor asignado de la corriente, momento en que se da por finalizado el ensayo. Al contrario de lo ocurrido anteriormente, durante la realizaci´on de este ensayo el deslizamiento es la unidad

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como consecuencia de bloquear el rotor. Ello se traduce en que el cociente R20 /s es igual a R20 . Como consecuencia se produce la circulaci´on de mayores corrientes por el rotor, lo que posibilita despreciar la rama magnetizante. La realizaci´on de este ensayo conduce a la obtenci´on de los par´ametros RCC y XCC . La figura 4.9 muestra el circuito equivalente de este ensayo.

Figura 4.9: Circuito equivalente simplificado en el ensayo de cortocirucito. Fuente propia.

En este modelo, aparecen la resistencia y reactancia de cortocircuito como consecuencia de agrupar las resistencias y reactancias de primario y secundario respectivamente. RCC = R1 + R20

(4.12)

XCC = X1 + X20

(4.13)

Los datos que se obtienen de forma experimental tras la realizaci´on del ensayo de cortocircuito aparecen recogidos en la siguiente tabla.

Tabla 4.3: Datos ensayo cortocircuito. Haciendo uso de los datos y el modelo actual de la m´aquina se determinan los valores de la rama serie seg´ un se muestra: RCC = R1 + R20 = QCC =

√

PCC = 21,35Ω 2 3 · ICC

2 3 · UCC · ICC · sin (arc cos φCC ) = 313,14V Ar = 3 · ICC · XCC

XCC = 12,418Ω

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(4.14) (4.15) (4.16)

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CAP´ITULO 4. CARGAS ACTIVAS REGULABLES

Par´ ametros finales

Tras las consecuci´on de los diferentes ensayos, se detallan los valores de todos los par´ametros que componen el modelo, datos que ser´an incorporados en la realizaci´on de los modelos de simulaci´on.

Tabla 4.4: Resultados de los ensayos. Nota: Para el c´alculo de las reactancias de dispersi´ on del primario y secundario, se ha asignado la mitad de RCC para ambas, ante la imposibilidad de determinarlo con exactitud.

4.2.

Funcionamiento e integraci´ on de motores as´ıncronos trif´ asicos en redes monof´ asicas

Como se ha explicado previamente, los motores as´ıncronos trif´asicos necesitan de una red trif´asica de alimentaci´on para su funcionamiento. Este hecho puede ser fuente de problemas en aquellos casos en los que disponemos de un motor como el anterior, pero la alimentaci´on disponible es monof´asica. Para ello se ha desarrollado un m´etodo que permite emplear un motor trif´asico en una red monof´asica, mediante la integraci´on de un condensador de forma permanente. Es evidente, que resulta imposible obtener las mismas condiciones de funcionamiento que las originales; sin embargo, permite ampliar el campo de uso de este tipo de m´aquinas. En este apartado se describe y justifica la constituci´on de algunas m´aquinas de induc-

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ci´on para que permitan arrancar y trabajar de forma eficiente, conectadas a una red de tensi´on alterna monof´asica.

4.2.1.

Principio de funcionamiento de una m´ aquina de inducci´ on monof´ asica

La circulaci´on de corriente monof´asica a trav´es de un devanado con distribuci´on senooidal en el epacio, origina la aparici´on de un campo en el entrehierro de distribuci´on senoidal Ho (α, t), cuya direcci´on permanece constante variando u ´nicamente su amplitud. Seg´ un aparece recogido en [4], la expresi´on que define dicho campo magn´etico en funci´on de las caracter´ısticas de la m´aquina es: N1 · 1 · i1 (t) · cos(α) 2·δ √ N1 · 1 H0 (α, t) = · (I1 · 2 · cos(ω · t) · cos(α) 2·δ H0 (α, t) =

Aplicando la t´ecnica de representaci´on en vectores espaciales, se corrobora lo citado hasta el momento mediante un vector que permanece fijo en direcci´on variando exclusivamente su m´odulo. Esto se traduce en la generaci´on de un campo no giratorio de eje fijo en el espacio, que supone la inmovilidad de la m´aquina. Sin embargo; si se realizan ciertas t´ecnicas matem´aticas es posible transformar la f´ormula obtenida para el campo en otra compuesta por dos t´erminos cosenoidales, que permite considerar la generaci´on del campo de “eje fijo” como el resultado de la composici´on de dos campos giratorios de mismo m´odulos pero con sentidos de giro contrarios. Esta u ´ltima descomposici´on se conoce como Teorema de Leblanc y da lugar a las siguientes expresiones: H0 (α, t) = H0max · cos(ω · t) · cos(α) H0max · (cos(ω · t − α) + cos(ω · t + α) H0 (α, t) = 2

Avanzando en la descomposici´on realizada en la cual se han generado dos campos giratorios, es posible dar un paso m´as interpretando los mismos como el resultado de

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CAP´ITULO 4. CARGAS ACTIVAS REGULABLES

dos m´aquinas trif´asicas id´enticas, conectadas en serie de modo que los campos giren en sentidos opuestos.

Figura 4.10: Representaci´on de un motor monof´ asico a partir de dos motores trif´ asicos. [4]

4.2.2.

Caracter´ısticas de los motores as´ıncronos monof´ asicos

Entender el funcionamiento de m´aquinas trif´asicas en redes monof´asicas exige entender la composici´on f´ısica de los motores monof´asicos, para poder establecer las relaciones oportunas entre ambas. Los motores as´ıncronos monof´asicos se caracterizan por poseer un u ´nico devanado en el estator, el cual es conocido como devanado inductor. El rango de potencias de este tipo de m´aquina oscila en valores cercanos a 1kW, valores que otorgan un papel fundamental en gran n´ umero de aplicaciones de la vida cotidiana de las personas, estando presente por ejemplo en electrodom´esticos, bombas o peque˜ nas m´aquinas. Los valores reducidos de potencia, se torna factor especialmente ventajoso debido a la menor amplitud de las corrientes demandadas en el arranque en comparaci´on con las m´aquinas trif´asicas. Esta peque˜ na diferencia, presenta enormes ventajas al poder efectuar arranques directos en este tipo de m´aquinas sin ning´ un problema, mediante la conexi´on de la misma entre una fase y neutro o entre dos fases. Sin embargo, a pesar de lo expuesto anteriormente presentan ciertos inconvenientes a comentar, tales como:

Las cargas monof´asicas absorben una potencia instant´anea pulsante de frecuencia el doble que la de la red de alimentaci´on. Esto se traduce en que aparecen vibraciones

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dentro de la m´aquina que aunque aparentemente funcione de manera “muy limpia”, a largo plazo producen un deterioro de la misma. Por su constituci´on f´ısica este tipo de m´aquina carece de par de arranque, lo que implica la necesidad de producir un desequilibro para producir el arranque. En la figura 4.11 se muestra la curva caracter´ısticas de estos motores, donde se puede apreciar el corte con el origen. La curva caracter´ıstica presenta en la zona de funcionamiento estable menor pendiente que un motor trif´asico. En consecuencia el deslizamiento en condiciones nominales ser´a mayor que un motor trif´asico resultando en un rendimiento menor que el de una m´aquina trif´asica de iguales caracter´ısticas.

Figura 4.11: Deducci´on de la curva caracter´ıstica par-velocidad. [4] Las puntos mencionados anteriormente justifican la incapacidad de este tipo de m´aquinas para desarrollar un funcionamiento aut´onomo ante la falta de par de arranque. Por tanto, es necesario modificar el dise˜ no de la m´aquina de forma que al ser alimentada mediante corrientes monof´asicas aparezca cierto par de arranque. En la actualidad, existen diferentes m´etodos que permiten producir el arranque. La figura 4.12 presenta el circuito equivalente de un motor de inducci´on monof´asico, basado en la equivalencia de dos motores trif´asicos conectados en serie; esquema totalmente necesario para entender la base te´orica de los diferentes m´etodos.

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CAP´ITULO 4. CARGAS ACTIVAS REGULABLES

Figura 4.12: Circuito equivalente de un motor de inducci´ on monof´ asico. [4] Arranque por condensador de motores monof´ asicos

Existen diferentes m´etodos que posibilitan el uso de motores monof´asicos mediante el empleo de ciertos componentes como resistencias, inductancias, o condensadores. En este apartado, se aborda de manera espec´ıfica el arranque y funcionamiento por condensador de motores monof´asicos. El empleo de esta t´ecnica implica transformar el motor monof´asico como si de uno bif´asico se tratase durante el arranque, o de forma permanente en ciertos casos. Para ello es necesario que los dos devanados emplazados en el inductor de la m´aquina se encuentren desplazados π/2p. Estos devanados son:

Devanado principal : recibe energ´ıa mientras este el motor funcionando. Devanado auxiliar : mismas caracter´ısticas que el anterior pero con un condensador en serie el cual produce el desfase temporal de π/2 radianes entre las corrientes del devanado principal y auxiliar, necesario para efectuar el arranque. Se le conoce como auxiliar debido que su empleo en la mayor´ıa de casos se reduce u ´nicamente al arranque, siendo desconectado posteriormente mediante el empleo de un interruptor centr´ıfugo. La figura 4.13 muestra la creaci´on de un campo en el entrehierro de amplitud constante y cuya posici´on gira en el tiempo. Las ecuaciones que muestran la evoluci´on

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Figura 4.13: Distribuci´on de intensidades deseadas con devanado auxiliar decalado a 90o . [4] temporal de la distribuci´on de campo en los devanados son: N1 · 1 · iaa0 (t) · cos(α) = Hmax · cos(ω · t) · cos(α) 2·δ N1 · 1 π Hbb0 (α, t) = · ibb0 (t) · cos(α − ) = −Hmax · sen(ω · t) · sen(α) 2·δ 2 Hmax Haa0 (α, t) = · (cos(ω · t − α) + cos(ω · t + α)) 2 −Hmax Hbb0 (α, t) = · (cos(ω · t − α) − cos(ω · t + α)) 2 H0 (α, t) = Haa0 (α, t) + Hbb0 (α, t) = Hmax · cos(ω · t + α) Haa0 (α, t) =

Se llega finalmente a una expresi´on del campo, igual a la correspondiente en una m´aquina de inducci´on trif´asica, y por tanto la curva caracter´ıstica tendr´a forma similar a la figura 4.14 . Generar las condiciones descritas anteriormente obligan a emplear un condensador a partir del cual generar el desfase de π2 en una de las intensidades. En la figura 4.15 se muestra el diagrama fasorial de tensiones y corrientes en cada uno de los devanados, fruto de la conexi´on de un condensador en serie con el devanado auxiliar.

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CAP´ITULO 4. CARGAS ACTIVAS REGULABLES

Figura 4.14: Caracter´ıstica par-velocidad de un motor de inducci´ on monof´ asico con devanado auxiliar decalado a 90o . [4]

Figura 4.15: Representaci´ on vectorial corrientes devanados. [4]

4.2.3.

Empleo de motores as´ıncronos trif´ asicos en redes monof´ asicas

En el presente apartado y teniendo en consideraci´on todo lo explicado hasta el momento, todos los esfuerzos deben ser dirigidos en l´ınea con la “construcci´on” de un motor monof´asico de arranque por condensador a partir del motor as´ıncrono trif´asico que se desea accionar. Para ello, el esquema necesario que conduce a tales resultados es el mostrado en la figura 4.16. Nota: el cambio de conexi´on del borne del condensador permite cambiar el sentido de

Figura 4.16: Esquema de conexi´ on

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giro del motor. El empleo de un condensador permite en este caso arrancar la m´aquina con las mismas caracter´ısticas que un motor monof´asico de arranque por condensador. Esto quiere decir que la din´amica con la que evoluciona la m´aquina trif´asica con condensador en red monof´asica es exactamente la misma que si de una monof´asica se tratase. Por aplicaci´on de la presente t´ecnica es posible implementar las cargas din´amicas desequilibradas en nuestro sistema, conect´andolas entre fase y neutro. Previo a la conexi´on, es necesario determinar que tipo de configuraci´on del motor se va a emplear. La figura 4.16 muestra que en el caso de configuraci´on estrella la tensi´on de alimentaci´on es aplicada sobre dos de los devanados; mientras que recae de forma directa sobre un u ´nico devanado en el caso de configuraci´on en tri´angulo. Es por ello, que previo a la conexi´on del condensador se realiza la configuraci´on en tri´angulo del motor con el prop´osito de obtener mejores resultados.

4.2.4.

Selecci´ on del condensador

Una vez fijada la configuraci´on del motor, se especifica el proceso seguido para la instalaci´on del condensador. El c´alculo que determina la capacidad del condensador a seleccionar se realiza teniendo en consideraci´on que dicho condensador debe de originar un a´ngulo entre las corrientes de estator m´aximo. Dicha reactancia se obtiene directamente seg´ un la expresi´on: Z (4.17) Xc = √ 2

donde Z representa la impedancia del motor.

Dada la generalizaci´on de esta t´ecnica y con dicho criterio como premisa fundamental observamos en la siguiente tabla los valores de la capacidad a aplicar en funci´on del caso (norma UNE48501). Dado que la corriente del condensador pasa a trav´es del devanado del motor, la tensi´on de trabajo es superior a la de la red. Por tanto, el condensador debe de ser elegido

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CAP´ITULO 4. CARGAS ACTIVAS REGULABLES

Tabla 4.5: Relaci´ on de condensadores. considerando las sobretensiones a las que suele estar sometido como consecuencia de los fen´omenos de resonancia; lo que supone una tensi´on de aproximadamente 1.25 la tensi´on de la red. Teniendo en cuenta todas las consideraciones previas, la soluci´on particular llevada a cabo en el laboratorio responde a la configuraci´on mostrada en la figura 4.17. La elecci´on de dicha soluci´on se justifica en los mejores resultados obtenidos, al disponer de mayor capacidad de par cuando el motor es conectado en tri´angulo. El c´alculo de la capacidad del condensador a instalar se realiza de acuerdo a la tabla 4.5. As´ı, para nuestro motor de inducci´on cuya potencia nominal en el eje es de 750W el condensador a aplicar resulta:

C = 70

µF · 0,75kW = 52,5µF kW

Figura 4.17: Esquema de la soluci´ on realizada. Con las especificaciones calculadas en lo relativo al condensador, el montaje final se realiza con un condensador de capacidad 55µF de acuerdo al material disponible en el laboratorio y las capacidades comerciales normalizadas en el mercado. El conexionado se

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realiza intentando representar los distintos nodos de igual manera que en el esquema, a fin de que en futuras aplicaciones se faciliten las labores. Seg´ un se muestra en la figura 4.18 la fase de alimentaci´on corresponde al cable marr´on. El condensador es conectado entre la borna sin alimentar y el neutro, forzando el giro del motor a derechas.

Figura 4.18: Montaje del condensador realizado en el laboratorio.

Rendimiento del motor

Resulta evidente; que al usar el m´etodo de conexi´on descrito anteriormente, el par disponible en la m´aquina en ning´ un caso ser´a el de condiciones nominales. Los valores aproximados de un motor trif´asico conectado a una red monof´asica mediante el decalado de la corriente por condensador son los siguientes:

Par de arranque: del 25 al 30 % del par nominal Potencia m´ axima: del 70 al 80 % de la potencia nominal

4.3. 4.3.1.

Freno por part´ıculas magn´ eticas Introducci´ on

Existen diferentes tipos de cargas cuya presencia es necesario emular dentro de nuestro sistema el´ectrico. Clasificando dichas cargas en funci´on de la estabilidad encontramos se definen dos grupos: din´amicas y est´aticas. En el marco de las primeras, la caracter´ıstica

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CAP´ITULO 4. CARGAS ACTIVAS REGULABLES

fundamental viene marcada por la variaci´on en el consumo de energ´ıa en funci´on de las condiciones de funcionamiento. Con la intenci´on de emular la din´amica introducida por dichas cargas surge la necesidad de implementar en nuestra MR ciertos dispositivos que emulen dichos comportamientos, para poder observar de forma detallada los cambios, desequilibrios y distorsiones que inducen en un sistema el´ectrico. Para ello, como se ver´a posteriormente se hace uso de un accionamiento formado por una m´aquina de inducci´on y un freno de part´ıculas magn´eticas, a partir del cual poder establecer un control de par. Dentro del marco definido en este apartado, se detalla de forma espec´ıfica lo inherente al freno por part´ıculas magn´eticas de forma que se asimile f´acilmente el modo de operaci´on y las caracter´ısticas de este tipo de frenos.

4.3.2.

Fundamentos te´ oricos

Dentro del campo de la ingenier´ıa encargada del dise˜ no y desarrollo de m´aquinas y accionamientos, ciertos dispositivos adquieren especial relevancia, como es el caso de los frenos o embragues. Su generalizaci´on y sencillez hace de los mismo herramientas presente en infinidad de m´aquinas, aparatos elevadores, autom´oviles, turbinas, etc. La finalidad con la que se hace uso de los frenos consiste: en la disminuci´on de la velocidad de un accionamiento, la implementaci´on de un control de velocidad o el alcanzar una posici´on de reposo. Para el caso concerniente al presente proyecto, su uso aparece ligado a un motor trif´asico as´ıncrono, acoplado axialmente, permitiendo establecer un control de par en la m´aquina. En la actualidad existe un amplia variedad de frenos, todos ellos regidos bajo las mismas pautas en lo que respecta a su dise˜ no. La metodolog´ıa b´asica empleada es la siguiente: Determinar la distribuci´on del campo de presiones sobre las superficies de fricci´on. B´ usqueda de una correlaci´on entre la presi´on m´axima y m´ınima. Aplicaci´on de condiciones de equilibrio est´atico, que permiten determinar las fuerzas y reacciones en los apoyos.

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Para el presente caso, el freno utilizado para emular la presencia de cargas din´amicas es un freno por part´ıculas magn´ eticas. El funcionamiento de este tipo de frenos se basa en la disposici´on de un polvo ferromagn´etico totalmente “libre” en un compartimento estanco de reducidas dimensiones, compartimento que separa dos partes: un disco que gira libremente y una parte fija donde se encuentra alojada la bobina que crea el campo magn´etico. Al energizar la bobina mediante el empleo de corriente continua, se produce una magnetizaci´on de la bobina creando unas l´ıneas de flujo magn´etico como se muestra en la figura 4.19. El par se transmite a trav´es de las part´ıculas de hierro resistentes al desgaste, las cuales forma cadenas de part´ıculas en funci´on de la intensidad del campo electromagn´etico, formando un aglutinamiento que transmite el par al dificultar el movimiento relativo entre el disco y la carcasa. La intensidad del campo establece de forma lineal la rigidez de las cadenas y en consecuencia la cantidad de par transferible. Resulta evidente que a mayor intensidad circulando por la bobina, mayor ser´a la fuerza ejercida independientemente de las revoluciones a las que gire el eje. Por tanto, la inexistencia de fricci´on o contacto directo entre el disco y la carcasa en los frenos de part´ıculas magn´eticas se torna beneficioso al no producir desgastes ni reglaje alguno, lo que repercute en una mayor vida, buena estabilidad con alto grado de repetitividad y un funcionamiento completamente silencioso. El uso que se le da en este proyecto, exige al freno de part´ıculas magn´eticas trabajar en modo de deslizamiento permanente, siempre que la cantidad de calor que tenga que ser disipado no sea excesiva. En dicho modo de deslizamiento, las part´ıculas magn´eticas trabajan sometidas a un bajo r´egimen de desgaste. Sin embargo, puede ocurrir que el par caiga por debajo de los requerimientos necesarios, obligando a reemplazar dichas part´ıculas por unas nuevas. Por tanto, es evidente que la vida u ´til del freno depender´a de las condiciones de operaci´on. Las ventajas que presenta utilizar un freno como el expuesto anteriormente son:

Permiten establecer un control del par de forma precisa, mediante la corriente de excitaci´on. Din´amica r´apida.

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Mayores tiempos de vida ante la inexistencia de fricciones en lo referente al acoplamiento mec´anico. Bajo ruido.

Figura 4.19: Freno de part´ıculas magn´eticas. [13]

4.3.3.

Caracter´ısticas

La consecuci´on de los objetivos del sistema a construir requiere el empleo de un freno por part´ıculas magn´eticas. Espec´ıficamente, el modelo empleado es el 14.512.01.22 de la marca Lenze. El mismo, se caracteriza por disponer de una capacidad de par de 10 Nm, con un consumo de potencia de 11 W alimentado a 24 V en continua. Previo a su uso es necesario determinar las caracter´ısticas que definen dicho freno. Las mismas permiten obtener una visi´on global del dispositivo entendiendo el modo de operaci´on del mismo. A partir del cat´alogo del fabricante podemos obtener una aproximaci´on de las curvas caracter´ısticas del freno.

Figura 4.20: Curvas caracter´ısticas. [13] El estudio de las curvas representadas en la figura 4.20 muestra claramente la relaci´on lineal entre la corriente de excitaci´on y el par ejercido independientemente de la velocidad

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a la que se encuentre girando el rotor. Es decir, a partir de las din´amicas de las curvas aportadas por el fabricante se corrobora lo explicado hasta el momento al existir una cierta cohesi´on. Observando la figura 4.20 se llegan a ciertas conclusiones que tendr´an relevancia en el control de par buscado. Par ajustable de forma lineal mediante la corriente de excitaci´on. Posibilidad de mantener el par independientemente de la velocidad. Posibilidad de trabajar en modo de deslizamiento permanente. De los puntos citados anteriormente es posible extraer ciertas conclusiones que justifican el empleo de este tipo de freno para nuestro caso en particular. El ajuste del par mediante la corriente de alimentaci´on permite llevar a cabo una regulaci´on de la velocidad de forma precisa, lo que facilita el estudio de los desequilibrios y distorsiones inducidos en el sistema. La independencia del par con la velocidad abre un amplio espectro de posibilidades a la hora de realizar futuros estudios pues permite producir desequilibrios manteniendo el par constante y variando u ´nicamente la curva caracter´ıstica del motor de inducci´on. En aquellos casos en los que se hace un uso del freno por polvos magn´eticos en modo de deslizamiento permanente es necesario tener en consideraci´on las elevadas temperaturas que se puedan alcanzar. Las curvas de la figura 4.21 facilitan la cuantificaci´on de dicho calor mediante la siguiente f´ormula. P V = PV ∞ ·

tB + t0 tB

(4.18)

donde tB es el tiempo de operaci´ on y t0 el tiempo de inactividad. Este u ´ltimo punto es de especial relevancia en lo que respecta a la integridad del equipo. En el presente proyecto, no se ha realizado un uso excesivo del freno, pues la tarea principal consiste en el montaje de un conjunto garantizando su correcto funcionamiento. Sin embargo, en futuras aplicaciones de la maqueta construida es realmente importante considerar la potencia m´axima a disipar pues la durabilidad de las part´ıculas depende de la misma.

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Figura 4.21: Variaci´on del calor disipado en funci´ on de la velocidad del rotor. [13]

4.3.4.

Unidad de control 14.422.

A causa de los elevados perfiles de temperatura a los que se encuentra sometida la bobina de excitaci´on, es posible observar una disminuci´on del par con el aumento de la temperatura. Es por ello que a lo explicado con anterioridad ha de a˜ nadirse una unidad de control como dispositivo elemental del freno. La unidad de control 14.422 es empleada para generar el campo magn´etico deseado realizando un control adaptativo que mantenga el par ejercido ante las variaciones de temperatura de la bobina o el desgaste de las part´ıculas. La fuente de alimentaci´on incorporada garantiza la circulaci´on de un determinado nivel de corriente mediante el empleo de reguladores que se adapten a la temperatura de la bobina. Recurriendo al uso de un potenci´ometro o mediante un control por tensi´on, se consigue un control total sobre la corriente de excitaci´on. En las siguientes l´ıneas se resume las caracter´ısticas b´asicas para su empleo dentro de la micro-red. Se detallan los aspectos fundamentales a partir de los cuales conocer como establecer el control de forma adecuada.

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Figura 4.22: Elementos y conexionado de la unidad de control. [14]

4.3.5.

Modos de operaci´ on

La unidad de control 14.422 ofrece la posibilidad de controlar la intensidad del campo magn´etico mediante: control por corriente o control por tensi´on.

Control por corriente

En este caso el par deseado se fija a partir del uso de un potenci´ometro, el cual establece las corrientes m´aximas y m´ınimas. En funci´on del nivel de corriente aportado por el poteci´ometro, la unidad de control proporcionar´a una tensi´on a la salida alimentando directamente la excitaci´on del freno. En el caso de querer establecer un control por intensidad es necesario tener en cuenta que la posici´on del interruptor de la figura 4.22 debe corresponder a:

S1

ON

S2

OFF

El potenci´ometro se encuentra instalado entre los puertos 5, 6 y 7 de la unidad de control. Esta es la configuraci´on por defecto del freno montado en el accionamiento de la

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figura 4.25. Dado que se requiere un control remoto por ordenador de todos los elementos presentes en la MR, resulta evidente la necesidad de sustituci´on del mismo. Sin embargo, el control por corriente resulta beneficioso durante la primera etapa del proyecto, permitiendo una familiarizaci´on con el mismo. Inicialmente se requiere un estudio del montaje realizado por defecto, estableciendo las relaciones oportunas con el esquema de conexiones. Para ello se desmonta el potenci´ometro de la carcasa a la que se encuentra acoplado. Tal y como se muestra en el esquema de conexiones el potenci´ometro presenta tres pines a los que se encuentran soldados tres cables: rojo, amarillo y verde seg´ un muestra la imagen 4.23. Dicho conexionado produce cierta confusi´on ante el primer contacto con el montaje, debido al empleo de una cable rojo que se encuentra al aire. Sin embargo, tras el an´alisis resulta sencillo concluir que el cable rojo y marr´on son unidos mediante el empleo de un tornillo, de modo que a partir de ahora el cable rojo y marr´on representan exactamente el mismo punto. De esta manera el cable marr´on es conectado al puerto 7 de la unidad de control, mientras que el amarillo y verde son conectados al 6 y 5, respectivamente. Es f´acil comprobar que cuando toda la resistencia del potenci´ometro se encuentra entre los pines 7 y 6, la resistencia entre 6 y 5 toma valor nulo.

Figura 4.23: Potenci´ ometro empleado inicialmente

Control por tensi´ on

El fin u ´ltimo del conjunto exige al mismo un control desde ordenador. Ante dicho requisito la u ´nica alternativa de control del freno pasa por ejercer un control en tensi´on. Para ello, la unidad de control permite realizar dicha demanda sin m´as que tener en cuenta que en este caso la posici´on del interruptor de la figura 4.22 debe de ser:

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S1

OFF

S2

ON

La se˜ nal de tensi´on que controla la corriente de alimentaci´on del freno debe ser aplicada entre los terminales 6(+) y 5(-), aceptando una tensi´on en el rango de 0 a 5V, o de 0 a 100V.

Figura 4.24: Control por tensi´ on. [14] El rango de tensi´on a aplicar es configurado y modificado mediante el ajuste de la posici´on del Vmaster. En nuestro caso particular, este es ajustado para recibir una se˜ nal de entrada en el rango de los 0 a 5 V.

4.3.6.

Parametrizaci´ on del freno de part´ıculas magn´ eticas

Una vez descrito la base te´orica en lo concerniente a los frenos por part´ıculas magn´eticas y conocidas la forma de las curvas caracter´ısticas de estos; se procede a realizar un ensayo en el laboratorio que permita parametrizarlo. El objetivo del ensayo reside en obtener de forma experimental el valor exacto de las curvas de nuestro freno, de manera que sea posible implementar, tanto en LabVIEW como en MatLab, un algoritmo de control que represente lo m´as fielmente posible su comportamiento. Es fundamental partir de la concepci´on de que el par ejercido por este tipo de frenos aumenta linealmente con la intensidad de excitaci´on de la bobina, as´ı como es independiente de la velocidad del rotor. Por tanto es esperado la obtenci´on de un conjunto de curvas que determinar´an el par ejercido por el freno en funci´on de la velocidad del rotor acoplado axialmente y de la corriente de excitaci´on del freno. El proceso realizado dista de lo que ser´ıa una regresi´on lineal como consecuencia de la escasa toma de datos durante el

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CAP´ITULO 4. CARGAS ACTIVAS REGULABLES

ensayo, lo que hace prever a priori la obtenci´on de rectas de escasa pendiente en contraste con lo especificado por el fabricante.

Realizaci´ on del ensayo.

Previo al desarrollo del ensayo es necesario fijar los resultado buscados. As´ı se define la obtenci´on de un conjunto de curvas que representen el par desarrollado por el freno a distintas velocidades, fijada la intensidad que circula por la bobina de excitaci´on del freno. Inicialmente se parte del accionamiento MA + Freno, donde tal y como se puede observar en la figura 4.25 se dispone de un control por corriente mediante potenci´ometro. Al ser una de las primeras actividades realizadas en las fases iniciales del proyecto, se acepta la realizaci´on del ensayo mediante el empleo de un potenci´ometro ante la imposibilidad de realizar un control por tensi´on.

Figura 4.25: Accionamiento MA + Freno. Sin embargo como consecuencia de la inexactitud lograda fruto del escaso control en lo que a regulaci´on de corriente se refiere, el ensayo inicial es considerado no v´alido, retrasando su realizaci´on hasta etapas finales del proyecto en los que el control por tensi´on sea una realidad. Establecido un control por tensi´on mediante computador se procede a realizar el ensayo con el mayor grado de precisi´on posible. Es importante fijar una serie de pasos a realizar de forma secuencial que garanticen la consecuci´on del mismo de forma satisfactoria. Teniendo en consideraci´on el circuito equivalente 4.2, es necesario realizar ciertas medidas:

Medida de la tensi´on de alimentaci´on del motor.

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Medida de la corriente de alimentaci´on del motor. Medida de la potencia consumida por el motor durante el ensayo. Medida del factor de potencia. Medida de la velocidad del rotor mediante el empleo de un tac´ometro port´atil.

Mediante el empleo de los equipos de medida mostrados en la figura 4.26, se consigue medir con cierta precisi´on todas las magnitudes necesarias.

Figura 4.26: Equipos de medida empleados

Con la toma de medidas oportunas, se procede a la realizaci´on del ensayo. Teniendo en consideraci´on el circuito equivalente simplificado, es posible determinar las siguientes magnitudes. ~ U (4.19) I~0 = Rf e ·jXµ Rf e +jXµ

I~2 = I~1 − I~0 Pmi = Pelec − 3R1 I12 − 3R20 I22 − M=

Pmi Ω

(4.20) U2 − Pmec Rf e

(4.21) (4.22)

A partir de todo lo explicado se construye la siguiente tabla en la cual se realizan los c´alculos especificados.

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Tabla 4.6: Ensayo de parametrizaci´ on del freno Se analiza cr´ıticamente que los datos obtenidos son coherentes con los conceptos te´oricos. Dado que la parametrizaci´on del freno es imposible realizarla desde el punto de vista de este, se procede a realizarla visto desde el motor. As´ı, el punto de funcionamiento del motor vendr´a marcado por el equilibrio entre el par resistente ejercido por el freno y el par desarrollado por el motor. La coherencia de los valores obtenidos de deslizamiento y rendimiento, junto con la aumento del par a mayor corriente de excitaci´on del freno, permiten concluir que los resultados son razonablemente v´alidos. A partir de dicho ensayo, se elabora una tabla que muestra la dependencia del par con la intensidad y velocidad del rotor, lo que permite la implementaci´on del freno en el algoritmo de control y en los modelos de simulaci´on, mediante la obtenci´on de las curvas caracter´ısticas.

Tabla 4.7: Relaci´ on par con intensidad y velocidad A partir de la figura 4.8 se observa como la pendiente es m´ınima en las diferentes curvas

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Tabla 4.8: Curvas caracter´ısticas freno polvos magn´eticos obtenidas. Los peque˜ nos valores de pendiente obtenidos son fruto de la escasa precisi´on de ciertos equipos de medida, as´ı como de los pocos casos de estudio planteados. La raz´on que motiva no plantear m´as casos de estudio lo que favorecer´ıa la calidad de las curvas obtenidas, se sustenta en garantizar la integridad del freno, ya que como se coment´o en los fundamentos existe un cierto margen de temperaturas a partir del cual entra en peligro la funcionalidad del freno. De esta forma se corrobora la independencia del par con la velocidad, obteniendo unas curvas con una precisi´on considerada v´alida para nuestro caso de aplicaci´on.

4.4.

Accionamiento el´ ectrico emulador de carga din´ amica regulable

Existen diferentes tipos de cargas dentro de un sistema el´ectrico. De todas ellas las cargas din´amicas representan un especial inter´es debido a las variaciones que introducen como consecuencia de su dependencia con las condiciones de carga. Hasta el momento se han explicado los fundamentos te´oricos de diferentes elementos presentes en la MR, motivado por la necesidad de emular el comportamiento de las cargas din´amicas. La emulaci´on de una carga din´amica exige variar el punto de funcionamiento de forma

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CAP´ITULO 4. CARGAS ACTIVAS REGULABLES

arbitraria seg´ un condiciones externas, lo que permitir´a perturbar el sistema introduciendo desequilibrios de especial inter´es en su estudio. La teor´ıa de la m´aquina as´ıncrona determinaba el punto de funcionamiento de la misma en la intersecci´on entre la curva caracter´ıstica y el par de carga. Claramente se ve que existe la posibilidad de modificar dicho punto de funcionamiento, o bien variando el par de carga o modificando la curva caracter´ıstica. Por tanto, tener la posibilidad de realizar dichas modificaciones permitir´ıa emular cargas din´amicas a la perfecci´on. La variaci´on de la curva caracter´ıstica se realiza estableciendo una alimentaci´on de la m´aquina variable, lo que se consigue mediante el empleo de una variador de frecuencia. Dicho variador de frecuencia determina las corrientes de alimentaci´on de la m´aquina en funci´on de la consigna exterior designada, la cual designa la velocidad de giro deseada para el motor. La variaci´on del par de carga se emula mediante el empleo de un freno por polvos magn´eticos, a trav´es de la corriente de excitaci´on con la que se orientan las part´ıculas magn´eticas. Mediante la integraci´on de ambas soluciones se consigue un amplio abanico de posibilidades. Por tanto, la soluci´on f´ısica llevada a cabo para la integraci´on de la carga trif´asica din´amica equilibrada en nuestro sistema se compone del empleo de:

Variador de velocidad. Modelo Altivar 66. M´aquina trif´asica as´ıncrona. Freno por polvos magn´eticos.

4.4.1.

Variador de velocidad. Altivar 66

El variador de velocidad es un conjunto de dispositivos el´ectricos y electr´onicos empleados en el control de velocidad en accionamientos. Partiendo de alimentaci´on senoidal a su entrada, se rectifica obteniendo una tensi´on continua pura. Dicha tensi´on continua se trocea consiguiendo una alimentaci´on variable en la salida. La figura 4.27 muestra la maqueta de variaci´on de velocidad empleada en la que se observa la presencia del variador Altivar 66.

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Figura 4.27: Maqueta de variaci´ on de velocidad. Altivar 66. [23] En ella se aprecian diferentes partes, enumeradas como sigue: (1) Disyuntor magn´etico, (2) Pulsador de Marcha/Paro, (3) Resistencia de frenado, (4) Bornes de conexi´on al motor, (5) Variador de velocidad altivar 66, (6) Bornes para el testeo de se˜ nales, (7) Rel´es, (8) Entradas an´alogicas, (9) Salidas anal´ogicas, (10) Salidas l´ogicas, (11) Entradas l´ogicas. En el presente documento se explica exclusivamente ciertos conceptos relacionados con las entradas anal´ogicas a trav´es de las cuales se indica al altivar 66 la referencia de velocidad deseada. Lo concerniente a las entradas l´ogicas a partir de las cuales se asignan o´rdenes al variador tales como marcha, sentido de giro, velocidades preseleccionadas, etc... mediante la detecci´on de 24 V (equivalente a un 1 l´ogico), aparece detallado en profundidad en la parte II del proyecto. De igual manera ocurre con las salidas anal´ogicas. El Altivar 66 dispone de dos entradas anal´ogicas a partir de las cuales especificar la referencia de velocidad deseada. As´ı, se distingue:

AI1: entrada anal´ogica que recibe la consigna de velocidad en bucle de tensi´on. El rango de tensiones es de 0 a 10 V. AI2: entrada anal´ogica que recibe la consigna de velocidad en bucle de corriente. El rango de intensidades es de 4-20 mA.

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CAP´ITULO 4. CARGAS ACTIVAS REGULABLES

Aprovechando ambas posibilidades, la maqueta es configurada por defecto para recibir la consigna de velocidad por ambas v´ıas mediante el empleo de potenci´ometros. El empleo de los mismos facilita y permite la familiarizaci´on con el equipo durante las primeras fases del proyecto, consiguiendo una base s´olida en cuanto a la operatividad de la misma. El deseo de establecer un control de todos los elementos por ordenador, hace necesario la sustituci´on de los potenci´ometros por alternativas que permitan determinar la consigna de velocidad de forma precisa. El estudio del manual del fabricante dilucida como y donde deben aplicarse las se˜ nales con tal prop´osito. Como se describe posteriormente, es necesario emplear un “microprocesador” que permita generar las se˜ nales de tensi´on o corrientes fijadas por el usuario. Aprovechando los recursos disponibles en el laboratorio, se hace empleo de dispositivos de adquisici´on de datos como son las tarjetas NI USB-6009 programadas en el lenguaje de programaci´on gr´afico LabVIEW. Como resulta habitual en los microprocesadores electr´onicos, la tarjeta de adquisici´on de datos u ´nicamente permite generar tensiones anal´ogicas a la salida, lo que imposibilita especificar la consigna de control del Altivar en bucle de corriente. Por tanto, la u ´nica alternativa existente para poder realizar el control de velocidad es en bucle de tensi´on. Sin embargo, al problema resuelto se suma el escaso rango de tensiones generado por la tarjeta de adquisici´on de datos. Esta habilita la posibilidad de disponer en su salida de tensiones anal´ogicas en el rango de los 0 a 5 V. Evidentemente, dichas cifras no abarcan el espectro de tensiones a aplicar en la entrada AI1 del Altivar, pues se recuerda que el rango de tensiones a aplicar en bucle de tensi´on oscilaba entre los 0 y los 10 V. Ante la falta de alternativas, se plantea el uso de la electr´onica necesaria que solvente los problemas actuales. Ejemplos de las mismas son: la amplificaci´on de se˜ nales, la generaci´on de se˜ nales “anal´ogicas” mediante suma de digitales, el empleo de fuentes de tensi´on controladas, etc. Sin embargo, antes de dar cabida a dichas soluciones, se opta por la exploraci´on de la alimentaci´on en corriente. Es decir, se realiza una investigaci´on que comprende la transformaci´on de se˜ nales en tensi´on en se˜ nales en corriente. Haciendo un estudio de la configuraci´on interna del Altivar, la posible alternativa requiere del empleo de la entrada anal´ogica AI2 en lugar de AI1. Las caracter´ısticas que

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Figura 4.28: Esquema de conexi´ on Altivar 66. [1] definen la entrada AI2 son: impedancia de 250 Ω e intensidad de 4 - 20 mA. Analizando los datos anteriores, se observa que la tensiones tratadas en el bucle de corriente oscilan entre los 0 a 5 V. Estos valores presentan la alternativa en corriente como una posibilidad al problema al coincidir con el rango suministrado por la tarjeta de adquisici´on de datos. Sin embargo, antes de embarcarse en esta v´ıa es necesario determinar como aplicar la se˜ nal de forma que la integridad del variador no se vea perjudicada. Haciendo una investigaci´on mucho m´as profunda del manual suministrado por el fabricante se concluye la necesidad de llevar a cabo una reasignaci´on de las entradas y salidas del altivar. El altivar 66 dispone de entradas y salidas modificables, entre las cuales se encuentra la entrada en corriente AI2. Esta entrada puede ser configurada para recibir se˜ nales de 0-20 mA, 4-20 mA, 20-4 mA, o de X-20 mA. Adem´as existe la posibilidad de modificar dicha entrada para realizar un control en bucle de tensi´on. Aprovechando esta u ´ltima posibilidad se consigue controlar la velocidad del motor mediante la aplicaci´on de una consigna de tensi´on de 0-5 V, sin necesidad de adquirir nuevos equipos. La transformaci´on de AI2 en entrada de tensi´on exige realizar la modificaci´on en la

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CAP´ITULO 4. CARGAS ACTIVAS REGULABLES

posici´on de un conmutador, seg´ un aparece detallado en el manual. La posici´on de dicho conmutador se sit´ ua a la izquierda del bornero J13. La figura 4.29 muestra el panel frontal de Altivar 66, el cual es necesario remover en busca del conmutador.

Figura 4.29: Panel frontal del altivar 66 a remover. Una vez se ha removido el panel frontal, la u ´nica tarea a realizar consiste en cambiar la posici´on del conmutador.

Figura 4.30: Conmutador del altivar 66. Modificada la posici´on del conmutador, se debe de reasignar la entrada AI2 en la configuraci´on del Altivar 66. As´ı, se selecciona la misma en el rango de los 0-20 mA, pues fuera del mismo la modificaci´on realizada no presenta validez.

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Se concluye que la soluci´on adoptada para la asignaci´on de la referencia de velocidad del Altivar 66 se basa en la aplicaci´on de una tensi´on en el rango de los 0 a 5 V, lo que requiere de la modificaci´on de la entrada AI2 del Altivar 66. De esta manera, se adapta el variador de velocidad al rango de la tarjeta de adquisici´on de datos.

4.4.2.

M´ aquina as´ıncrona y freno por part´ıculas magn´ eticas

En secciones previas se ha explicado de forma detallada los fundamentos te´oricos de la m´aquina as´ıncrona y del freno por polvos magn´eticos. Se han explicado los dispositivos empleados para nuestro caso en particular, describiendo de igual manera el control a realizar. As´ı el motor de jaula de ardilla del que se dispone para la emulaci´on de la carga din´amica se caracteriza por una potencia de 0.75kW y 2,05A, cuando se alimenta a su tensi´on nominal de 400 V con configuraci´on en estrella. La curva par-velocidad que caracteriza a este motor, se muestra en la figura 4.31. De la misma se obtienen los siguientes puntos caracter´ısticos que definen el motor empleado.

Par de arranque: aproximadamente 8 N.m. Par m´aximo: 11.5 N.m. Par nominal: 5 N.m.

Figura 4.31: Curva caracter´ıstica motor inducci´ on 0.75 kW. El freno empleado corresponde con el modelo 14.512.01.22 de la marca Lenze. Este freno se alimenta a tensi´on continua de 24 V con una potencia absorbida de 11 W. Se

Javier Alcojor Gallego

93

CAP´ITULO 4. CARGAS ACTIVAS REGULABLES

caracteriza por disponer de “radiador disipador” y capacidad de frenado de 10 Nm. Su control se realiza conforme a lo explicado anteriormente mediante el empleo de la unidad 14.422. Dado que el par m´aximo a desarrollar por la m´aquina de inducci´on es pr´oximo al realizado por el freno, el r´egimen de trabajo a plena carga (m´aximo par antagonista creado por el freno) es inviable pues el mismo someter´ıa a los devanados de la m´aquina a fuertes ciclos t´ermicos como consecuencia de los elevados valores de las corriente que circulan. Como consecuencia, dentro del rango de los 0 a 10 V del que dispone la unidad de control 14.422 como consigna de frenado, se aplica u ´nicamente se˜ nales en tensi´on en el rango de los 0 a 5 V. De esta forma se asegura la integridad de la MA durante la emulaci´on de las diferentes cargas presentes en el sistema. La uni´on de los diferentes equipos (Altivar 66, m´aquina de inducci´on, freno por part´ıculas magn´eticas) conforman diversos accionamientos que emulan el comportamiento de las cargas din´amicas. Cargas en las que las condiciones de alimentaci´on var´ıan en funci´on de las condiciones de funcionamiento, lo que representa m´ ultiples accionamientos disponibles en la vida real como ascensores, bombas, ventiladores, etc.

4.4.3.

Funcionamiento de la carga din´ amica equilibrada regulable

Entendiendo carga din´amica como aquella en la que el consumo generado depende del grado de carga, la emulaci´on de las mismas exige introducir en la MR equipos a partir de los cuales generar variaciones en la demanda de corrientes y potencias. El empleo de la MA trif´asica, alimentada mediante un variador de velocidad y con un freno acoplado en su eje, establece un sistema equilibrado en el que la evoluci´on requerida se obtiene mediante la modificaci´on de las condiciones de funcionamiento. Generar dicha evoluci´on es posible por dos v´ıas: modificando la curva caracter´ıstica del motor o modificando el par antagonista ejercido por el freno. La superposici´on de la curva caracter´ıstica del motor de inducci´on con las curvas parametrizadas para el freno por polvos magn´eticos establece los diferentes reg´ımenes de funcionamiento en la intersecci´on de las mismas, de acuerdo a la ecuaci´on 4.3. Consi-

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Dise˜ no y construcci´on de una Micro-Red

Figura 4.32: Esquema de la carga din´ amica equilibrada. Fuente propia. derando la conexi´on de la MA a un sistema trif´asico de tensiones de valor eficaz 400 V y frecuencia 50 Hz, la figura 4.33 establece cuatro principales puntos de funcionamiento marcados por el equilibrio entre el par desarrollado por el motor y el antagonista creado por el freno.

Figura 4.33: Reg´ımenes de funcionamiento carga din´ amica equilibrada a 50 Hz. El control del par ejercido por el freno por part´ıculas magn´eticas permite establecer m´ ultiples condiciones de funcionamiento, exigiendo una mayor demanda de potencia conforme se incrementa el par ejercido por el freno. De esta forma se consigue realizar la regulaci´on de velocidad del motor en funci´on de condiciones externas a la MA, desplazando el punto de funcionamiento a lo largo de la misma curva caracter´ıstica del motor. Alternativamente el empleo del variador de frecuencia como t´ecnica de regulaci´on de velocidad permite situar el punto de funcionamiento par-velocidad de forma que se garantice el mejor rendimiento posible. Las t´ecnicas de control del variador de frecuencia basado en la teor´ıa de los fasores espaciales permite disponer de flujo pleno en la m´aquina,

Javier Alcojor Gallego

95

CAP´ITULO 4. CARGAS ACTIVAS REGULABLES

lo que se traduce en obtener en todo instante la m´axima capacidad de par en el motor. Es por ello, que las curvas caracter´ısticas obtenidas por esta v´ıa presentan paralelismo y valor m´aximo constante. La figura 4.34 muestra el amplio rango de puntos que se pueden alcanzar, generando las consecuentes modificaciones en la evoluci´on de las variables el´ectricas en el sistema.

Figura 4.34: Reg´ımenes de funcionamiento carga din´ amica equilibrada. Dichas curvas y puntos de funcionamiento se logran de la siguiente forma:

En lo respectivo a las curvas caracter´ısticas del motor, las mismas se logran mediante el control del altivar 66 en bucle de tensi´on, asignando la velocidad de referencia a trav´es de una se˜ nal en el rango de los 0 a 5 V. El par antagonista creado por el freno se determina a partir de una se˜ nal de 0 a 5 V a la unidad de control 14.422, encargada de determinar la corriente a circular por la bobina de excitaci´on del freno.

96

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Dise˜ no y construcci´on de una Micro-Red

4.4.4.

Funcionamiento de la carga din´ amica desequilibrada regulable

El establecimiento de sistemas din´amicos desequilibrados se emula mediante el empleo de motores de inducci´on trif´asicos funcionando como monof´asicos al ser conectados entre fase y neutro mediante el empleo de un condensador. La regulaci´on en la demanda de potencias y corrientes se establece en funci´on de la resistencia ejercida por el freno acoplado en su eje, de acuerdo al esquema mostrado en la figura 4.35.

Figura 4.35: Esquema de la carga din´ amica desequilibrada. Fuente propia. En este caso la generaci´on de desequilibrios se realiza u ´nicamente modificando las curvas del freno, de forma similar a los mostrado por la figura 4.33. Ha de apuntarse que existe una peque˜ na discrepancia con la curva mostrada, pues en este caso la soluci´on llevada a cabo implica la uni´on f´ısica de dos de los devanados con un condensador.

4.5.

Resumen y conclusi´ on

En el cap´ıtulo actual se han descrito a groso modo los fundamentos te´oricos de los distintos componentes empleados para la emulaci´on de las cargas din´amica. A trav´es de empleo de motores de inducci´on trif´asicos se consiguen generar desequilibrios tanto trif´asicos como monof´asicos, describiendo la teor´ıa necesaria para ello. La generaci´on de los desequilibrios se establece a partir de la variaci´on del punto de funcionamiento de la m´aquina as´ıncrona. Mediante el empleo de variadores de velocidad se consigue modificar la curva caracter´ıstica del motor. Alternativamente, mediante el empleo de un freno por part´ıculas magn´eticas es posible modificar el punto de funcionamiento

Javier Alcojor Gallego

97

CAP´ITULO 4. CARGAS ACTIVAS REGULABLES

con la misma eficacia. Al final del cap´ıtulo se comprende el porqu´e de los distintos elementos, y el amplio ab´anico de posibilidades que ofrecen en lo que a generaci´on de desequilibrios se refiere. Por u ´ltimo, se describen los elementos de una forma m´as espec´ıfica para nuestro caso en particular, mostrando ensayos y t´ecnicas de operaci´on. Concluyendo, en el presente cap´ıtulo se han descrito:

Fundamentos te´oricos de las m´aquinas de inducci´on trif´asicas y monof´asicas. Regulaci´on de velocidad mediante variador de velocidad. Funcionamiento de los frenos por part´ıculas magn´eticas. Emulaci´on de la carga din´amica.

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Cap´ıtulo 5 Cuadros el´ ectricos de baja tensi´ on

El dise˜ no del sistema descrito establece diversos nodos en los que el flujo de energ´ıa se bifurca para portar la energ´ıa a los distintos elementos conectados. En este cap´ıtulo se describe los elementos necesarios para realizar de forma correcta el control del flujo de energ´ıa, a trav´es de la conexi´on y desconexi´on de los diferentes agentes conectados a la micro-red.

5.1.

Componentes del sistema el´ ectrico

La clasificaci´on m´as general de los distintos elementos conectados a la MR atiende a:

Elementos activos: comprende como tales los elementos de un circuito el´ectrico encargados de generar, suministrar, o producir potencia. Ejemplos de los mismos son las fuentes de intensidad o tensi´on. Elementos pasivos: enmarcan el conjunto de los elementos que requieren de energ´ıa para su funcionamiento. Desde el punto de vista de la MR son vistos como los receptores del flujo de energ´ıa. Entre ellos se encuentran los motores de inducci´on, las resistencias, el variador de velocidad,... Conductores: establecen la conexi´on f´ısica entre los distintos elementos, portando el flujo de energ´ıa al sistema de demanda.

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´ ´ CAP´ITULO 5. CUADROS ELECTRICOS DE BAJA TENSION

Elementos de protecci´on: su instalaci´on asegura la integridad del sistema frente a posibles subidas en la tensi´on o corriente. Elementos de maniobra: establecen la conexi´on o desconexi´on de los diferentes agentes conectados a la MR, a voluntad del usuario. Ejemplos de los mismos son los interruptores, contactores, rel´es, tarjetas de adquisici´on de datos ...

5.2.

Tipos de cuadros el´ ectricos

La clasificaci´on de los cuadros el´ectricos responde a diversas tipolog´ıas: construcci´on, dise˜ no exterior, condiciones externas, o funcionalidad. Seg´ un la funcionalidad de los mismos, se subdividen en:

Cuadro de potencia: la finalidad del mismo consiste en la distribuci´on del flujo de energ´ıa a los diferentes equipos conectados al circuito el´ectrico. Cuadro de maniobra y control: engloba los elementos necesarios para la consecuci´on de diversas acciones en el sistema. La misi´on del mismo es la conexi´on, desconexi´on o regulaci´on de los distintos elementos conectados al circuito el´ectrico. Adem´as, dispone de elementos de medida para la cuantifiaci´on de las variables internas del sistema, permitiendo definir m´ ultiples estados del mismo.

5.3.

Componentes en cuadros de baja tensi´ on

Los componentes presentes en los cuadros el´ectricos se enmarcan y engloban en un campo diverso en el que la presencia y elecci´on de los mismos depende de la funci´on del cuadro. En las siguientes l´ıneas se focaliza la atenci´on en aquellos elementos empleados e instalados para el correcto funcionamiento de la MR, describiendo funciones y caracter´ısticas m´as habituales de los mismos. El dise˜ no e instalaci´on de los diferentes cuadros que componen un sistema el´ectrico obliga a emplazar los distintos elementos en zonas de trabajo acondicionadas que ga-

100

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Dise˜ no y construcci´on de una Micro-Red

ranticen la seguridad del usuario e integridad de los equipos. Ante tales premisas, con asiduidad se hace uso de armarios el´ectricos, dise˜ nados r´ıgidamente para soportar los esfuerzos mec´anicos generados por el peso de la aparamenta instalada.

(a) Cuadros

(b) Armario

Figura 5.1: Ejemplo cuadro el´ectrico baja tensi´ on. La instalaci´on de la aparamenta el´ectrica se realiza sobre perfil r´ıgido de acero inoxidable austen´ıtico, lo que confiere la amagneticidad necesaria con alto grado de resistencia a la corrosi´on. Es posible encontrar diferentes geometr´ıas disponibles en el mercado, todas ellas sujetas a distintas normas estandarizadas como la DIN 46277. La aparamenta el´ectrica m´as com´ unmente empleada para efectuar funciones prescindiendo de la intervenci´on directa del hombre se reduce a: Interruptor autom´atico

Contactores

Interruptor magnetot´ermico

Rel´es

Interruptor diferencial

Detectores inductivos y capacitivos

Fusibles

Indicadores

Entre los aparatos de medida encargados de definir el estado del sistema, la actividades realizadas por volt´ımetros, amper´ımetros, vat´ımetros, o fas´ımetros son incorporadas en dispositivos conocidos como Analizadores de Redes. Los mismos se encargan de vigilar distintas variables del sistema cuantificando y registrando las mismas, definiendo de forma instant´anea el estado del sistema. La conexi´on de los diferentes equipos que conforman el sistema el´ectricos se unen por

Javier Alcojor Gallego

101

´ ´ CAP´ITULO 5. CUADROS ELECTRICOS DE BAJA TENSION

embarrado y/o mediante cables de conexi´on, en funci´on de la potencia del sistema. Para valores de potencia reducidos (como el caso del equipo construido) el transporte de la potencia se realiza mediante cableado, eligiendo el cable a emplear en funci´on de la corriente. La conexi´on de los extremos de los conductores se puede realizar de forma desnuda, aunque es recomendado el empleo de terminales prensados al mismo que garanticen la fijaci´on y seguridad de la uni´on evitando posibles cortocircuitos indeseados. La conexi´on de los diferentes agentes que conforman la MR obliga a disponer de ciertos elementos en el cuadro como puntos de salida del mismo. Garantizar la seguridad requiere el empleo de bornas recubiertas de material aislante, con una peque˜ na zona met´alica. Como resultado de la conexi´on f´ısica de los distintos elementos que componen el sistema el´ectrico, es necesario hacer discurrir los cables por ciertos “canales” que agrupen los mismos en su interior evitando posibles accidentes ante tirones o contactos con los mismos. El pl´astico es el principal material empleado en las canalizaciones. Finalmente la integraci´on de los aparatos de medida en el cuadro obliga al empleo de transformadores de tensi´on e intensidad que modifiquen las variables del circuito al rango de medida determinado por los equipos de medida.

5.4.

Cuadro de maniobra de la MR

Comentados ciertos fundamentos te´oricos en los concerniente al dise˜ no, construcci´on y montaje de los cuadros el´ectricos de baja tensi´on, se procede al dise˜ no, desarrollo y construcci´on del cuadro correspondiente a la MR. Tras la descripci´on detallada en el cap´ıtulo 3 acerca de la estructura de potencia y maniobra de la MR, en las siguientes l´ıneas se complementa la informaci´on ya explicada de forma m´as espec´ıfica. Previo al desarrollo del sistema el´ectrico emulador de la MR, se conceptualiza los distintos elementos que la componen, as´ı como las interconexiones entre los mismos. Como resultado se describe el esquema de potencia del sistema, cuya operatividad depende del dise˜ no e instalaci´on del correspondiente circuito de maniobra y control. La definici´on sin ambig¨ uedades de las necesidades permite definir e interpretar los diferentes automatismos que intervienen para la realizaci´on de los correspondientes esquemas de potencia y mando.

102

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Dise˜ no y construcci´on de una Micro-Red

El circuito de potencia representa el circuito encargado de la alimentaci´on de los receptores de gran consumo. El mismo se compone de: elementos que abren o cierran el circuito de potencia, elementos de protecci´on, y receptores. El gran consumo de la MR lo establecen la conexi´on de los distintos motores que componen las cargas din´amicas y las resistencias. La conexi´on de estos receptores se realiza mediante ciertos automatismos industriales, concretamente mediante el empleo de contactores. El accionamiento de los mismos mediante electroimanes, permite controlar de forma externa la conexi´on del circuito de potencia. El modelo de contactores elegidos para la instalaci´on en el cuadro de la MR es el CL01 (General Electric).

(a) CL01

(b) Esquema el´ectrico

Figura 5.2: Contactor principal instalado El mismo se caracteriza por soportar una corriente m´axima de 12 A en sus contactos cuando la bobina del electroim´an es excitada a la tensi´on de 230 V. Finalmente, el circuito de potencia se completa con la instalaci´on de interruptores autom´aticos de protecci´on magnetot´ermicos. Estos desconectan la alimentaci´on del sistema el´ectrico en caso de cortocircuito a trav´es de una bobina que desplaza un contacto m´ovil cuando la intensidad atraviesa su intensidad nominal. As´ı la elecci´on del mismo debe corresponderse con el valor de corriente esperado por la l´ınea. Definidos todos los elementos que conforman el sistema de potencia de la MR, se procede a la realizaci´on de los esquemas que muestren con claridad la conexi´on de todos los elementos de la instalaci´on. Tras m´ ultiples bocetos realizados el esquema final realizado se corresponde con el mostrado en la figura 5.3. El esquema de potencia de la MR permite realizar un estudio al partir del cual deter-

Javier Alcojor Gallego

103

´ ´ CAP´ITULO 5. CUADROS ELECTRICOS DE BAJA TENSION

EQUIVALENTE PI N R

S

T

1

3

5

7

2

4

6

8

R

R

S

S

T

T

Q1 4x25A curva C

1

3

2

4

Q2 2x20A curva C

KM 1

AR

ANALIZADOR DE REDES

3 x EQ. PI

KM 2

KM 3

KM 4

KM 5

KM 6

KM 7

VARIADOR ALTIVAR 66

M1

RESERVA EQUIPADA

R1

M 3

KM 8

~

R2

R3

M2

M3 M F+N

A UNIDAD DE CONTROL 1 14.422 MAGNETA

M

~

A UNIDAD DE CONTROL 2 14.422 MAGNETA

F+N

~

A UNIDAD DE CONTROL 3 14.422 MAGNETA

PLANO:

PLANO Nº:

ESQUEMA DE POTENCIA PROYECTO:

TFG UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID

DISEÑO, DESARROLLO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA MICRORED DE 5 KVA CON CARGAS DINÁMICAS Y DESEQUILIBRIOS PROGRAMABLES ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES DPTO: INGENIERÍA ELÉCTRICA

3 REVISIÓN:

1 ESCALA:

FECHA:

25 - JUNIO - 2016

Figura 5.3: Cuadro de potencia de la MR 104

Escuela T´ecnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM)

Dise˜ no y construcci´on de una Micro-Red

minar las condiciones m´as exigentes, lo que se traduce en la mayor demanda de corrientes esperada. Considerando que la corriente m´axima a circular en el cuadro de potencia es en todo caso inferior a 7,5 A se hace uso de cable flexible de 2,5 mm, el cual es dise˜ nado para soportar corrientes de 16 A cubriendo holgadamente los requerimientos del equipo emulador de la MR. El dibujo del esquema de potencia se realiza bajo la norma UNE 61082-1 que establece la simbolog´ıa gr´afica y alfanum´erica a aplicar para la correcta identificaci´on de los aparatos. Ante el reducido tama˜ no del sistema el´ectrico construido, la representaci´on esquem´atica del mismo se realiza en un u ´nico esquema el´ectrico. En lo que respecta al circuito de maniobra define el circuito auxiliar encargado de realizar la gesti´on y control de la MR. Las tensiones empleadas para la maniobra son de valor reducido, con corrientes muy inferiores a las del circuito de potencia, lo que se traduce en una considerable reducci´on en la secci´on de los conductores empleados con respecto a los utilizados en el circuito de potencia. En consecuencia el conexionado del cuadro de maniobra se realiza mediante el empleo de cable flexible de 1.5 mm para la excitaci´on de los contactores y manguera apantallada de pares trenzados para el resto de se˜ nales. En consideraci´on a los elementos citados en el circuito de potencia y el esquema 5.3, el circuito de maniobra simplifica sus acciones a la conexi´on y desconexi´on de los contactores. El deseo de automatizaci´on del sistema obliga al empleo de componentes electr´onicos que permitan establecer el control del circuito de potencia de forma remota y segura mediante el empleo de un PC. Para ello se hace empleo de tarjetas de adquisici´on de datos pertenecientes a National Instruments, donde a partir de salidas anal´ogicas y digitales se dota de control total por ordenador. La conexi´on o desconexi´on de los contactores implica establecer cierta cercan´ıa entre los circuitos de potencia y maniobra, lo que supone ciertos riesgos de seguridad en los equipos empleados. La intenci´on de dotar de total seguridad a los equipos de control obliga a establecer una separaci´on galv´anica entre los circuitos de potencia y maniobra. Para ello, inicialmente se plantea el uso de optoacopladores o rel´es, dando paso como soluci´on final a la integraci´on conjunta de ambos. As´ı se establece un circuito en el que mediante el empleo de un optoacoplador se controla la excitaci´on de la bobina del rel´e, consiguiendo un aislamiento total de acuerdo al esquema mostrado en la figura 5.4.

Javier Alcojor Gallego

105

´ ´ CAP´ITULO 5. CUADROS ELECTRICOS DE BAJA TENSION

Figura 5.4: Esquema m´ odulo de rel´es. Fuente: www.prometec.net El esquema se corresponde con la soluci´on final adoptada consistente en el empleo de un m´odulo de rel´es comercial. El mismo es dise˜ nado para ser controlado mediante los 5 V provenientes de la tarjeta de adquisici´on de datos, permitiendo conmutar la conexi´on y desconexi´on de los contactores. Los m´odulos de rel´es adquiridos para su instalaci´on en la MR poseen un jumper con dos posibles posiciones: JD-VCC o VCC GND.

Figura 5.5: Jumper del m´ odulo de rel´es. Fuente: www.prometec.net La posici´on por defecto JD-VCC emplea la alimentaci´on del micropocesador empleado, tanto para la alimentaci´on del optoacoplador como para la alimentaci´on del rel´e. Aunque esta soluci´on dota de gran funcionalidad, lleva asociado un menor grado de seguridad pues en caso de problemas a la salida del rel´e existe posibilidad de propagaci´on al resto del circuito de control. Alternativamente, la conexi´on del jumper en VCC-GND se establece un aislamiento total, lo que obliga al empleo de alimentaci´on externa. Con las consideraciones previas, se realiza la instalaci´on de los m´odulos de rel´es seg´ un la primera de las alternativas ante los reducidos niveles de corrientes con lo que se controla el circuito de maniobra, aprovechando las m´ ultiples ventajas que ofrece. La instalaci´on de los m´odulos de rel´es junto con las tarjetas de adquisici´on de datos NI

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Dise˜ no y construcci´on de una Micro-Red

USB-6009 completa el dise˜ no del circuito de maniobra seg´ un se muestra en la figura 5.6.

5.5.

Montaje del cuadro de la MR

Finalizados los esquemas el´ectricos que definen el cuadro el´ectrico a montar, el proceso de instalaci´on se sucede de m´ ultiples etapas.

1. Dado el car´acter investigador del equipo a realizar, la instalaci´on del cuadro de la MR en un armario el´ectrico implica aumentar el coste injustificadamente. Es por ello que se dise˜ na una maqueta en la que distribuir la aparamenta descrita, realizando el montaje seg´ un lo explicado en el cap´ıtulo 3. 2. Se realiza el mecanizado de aquellos elementos destinados al soporte de todos y cada uno de los constituyentes de la MR. 3. Se disponen las canalizaciones correspondientes. 4. Se colocan todos los elementos en los perfiles atornillados conforme a la distribuci´on planteada inicialmente. La misma establece cierto consenso entre la est´etica y funcionalidad, para lo cual divide el cuadro en tres partes fundamentales: a) La parte superior se destina a la entrada de alimentaci´on del sistema. b) La parte central de la maqueta emplaza el circuito de maniobra y control de la MR. c) En la parte inferior se localiza la salida del circuito de potencia. 5. Se realizan las conexiones necesarias de todos los elementos. La realizaci´on de dicha tarea se realiza en base a ciertos aspectos: a) Procurar asignar longitudes adecuadas en el cableado. b) Utilizar la misma secci´on en todo el circuito de potencia y la correspondiente para el circuito de maniobra. c) Asegurar todas la conexiones evitando posibles cortocircuitos.

Javier Alcojor Gallego

107

´ ´ CAP´ITULO 5. CUADROS ELECTRICOS DE BAJA TENSION

NIUSB6009_1 SALIDAS VDC 0...5V

GND

P07

P06

KA 1

220V AC

P05

KA 2

P04

KA 3

P03

KA 4

P02

KA 5

P01

KA 6

P00

KA 7

KA 8

F N

1

3

2

4

Q2 2x20A curva C

01

S1

1

01

S2

1

KA 1 2

01

S3

1

KA 2 2

01

S4

1

KA 3 2

01

S5

1

KA 4 2

01

S6

1

KA 5 2

01

S7

1

KA 6 2

01

S8

1

KA 7 2

KA 8

AR

2

ANALIZADOR DE RED CVM-MINI-MC A1

A1

KM 1 A2

A1

KM 2 A2

A1

KM 3 A2

A1

KM 4 A2

A1

KM 5 A2

A1

KM 6 A2

A1

KM 7 A2

KM 8 A2

PLANO:

PLANO Nº:

ESQUEMA DE MANIOBRA PROYECTO:

TFG UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID

DISEÑO, DESARROLLO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA MICRORED DE 5 KVA CON CARGAS DINÁMICAS Y DESEQUILIBRIOS PROGRAMABLES ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES DPTO: INGENIERÍA ELÉCTRICA

2 REVISIÓN:

1 ESCALA:

FECHA:

7 - JUNIO - 2016

Figura 5.6: Cuadro de maniobra de la MR

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Dise˜ no y construcci´on de una Micro-Red

6. Por u ´ltimo se realiza la comprobaci´on del sistema instalado. Inicialmente se mide la continuidad entre los distintos nodos del sistema. En segundo lugar se alimenta el sistema y mediante el empleo de volt´ımetros se comprueban la totalidad de las conexiones, validando la maqueta para su uso posterior.

5.6.

Resumen y conclusi´ on

El presente cap´ıtulo explica los aspectos fundamentales en el dise˜ no y desarrollo de cuadros el´ectricos de baja tensi´on, aunque de forma m´as espec´ıfica para el caso del equipo emulador de MR construido. Tras las sucesivas secciones se ha detallado los diferentes elementos que componen el cuadro de la MR, determinando el porqu´e del mimo. El resultado final conduce a la obtenci´on del cuadro que gobierna y transmite el flujo de potencia hacia los distintos agentes que intervienen en la MR. Concluyendo, este cap´ıtulo aborda:

Aspectos fundamentales de los cuadros de baja tensi´on. Introducci´on de los elementos y protecciones del sistema. Aparamenta comercial empleada.

Javier Alcojor Gallego

109

´ ´ CAP´ITULO 5. CUADROS ELECTRICOS DE BAJA TENSION

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Cap´ıtulo 6 Sistema de maniobra y control de la micro-red

Este cap´ıtulo describe tanto el hardware, software y el algoritmo de control empleados para controlar el conjunto de la Micro-red mediante ordenador. El objetivo radica en poder ejecutar acciones de forma remota a partir de las consignas determinadas por el usuario, las cuales son especificadas en cada momento en funci´on de como se encuentre el sistema en un determinado instante y lo que se quiere evaluar exactamente. Es por ello que las tareas que se observar´an a continuaci´on abordan desde la lectura de se˜ nales, adaptaci´on e interpretaci´on de las mismas, desarrollo de una interfaz gr´afica, establecimiento de comunicaciones con elementos externos,etc.

6.1.

Descripci´ on del software de control: LabVIEW

A causa del incipiente crecimiento de procesos automatizados y del desarrollo del control por ordenador, actualmente existe una amplia gama de dispositivos en el mercado tales como PLC’s o microprocesadores, a partir de los cuales automatizar un proceso o interactuar con el entorno. En esa l´ınea, se est´a haciendo un mayor esfuerzo por desarrollar herramientas que faciliten estas labores y las hagan m´as accesibles a todos los usuarios, ofreciendo unas caracter´ısticas excepcionales. En particular, la empresa Natio-

111

CAP´ITULO 6. SISTEMA DE MANIOBRA Y CONTROL DE LA MICRO-RED

nal Instruments, ha desarrollado un revolucionario sistema de programaci´on conocido como LabVIEW. LabVIEW es un entorno y plataforma para llevar a cabo el dise˜ no de sistemas de manera muy sencilla, a partir de un lenguaje gr´afico.

Figura 6.1: Logotipo Labview Acostumbrados a utilizar lenguajes textuales para llevar a cabo las acciones de programaci´on, LabVIEW emplea una simbolog´ıa gr´afica. Las ventajas que ofrece son m´ ultiples:

Reduce el tiempo de desarrollo de aplicaciones dado que es muy intuitivo. Ofrece la posibilidad al usuario de crear soluciones completas y complejas, integrando en un u ´nico sistema de desarrollo la adquisici´on, tratamiento y presentaci´on de datos. Posee un compilador gr´afico a partir del cual logra una r´apida velocidad de ejecuci´on. Dota de flexibilidad al sistema, permitiendo realizar cambios y actualizaciones en lo referente al hardware y software. Es compatible con otros lenguajes de programaci´on.

El empleo de dicho lenguaje de programaci´on se lleva a cabo para la realizaci´on de nuestro proyecto en base a las m´ ultiples ventajas que ofrece, as´ı como por la disponibilidad inmediata en el laboratorio de los equipos necesarios para su implementaci´on. Describir el algoritmo realizado requiere explicar ciertas caracter´ısticas en lo referente a la programaci´on, especificando el porqu´e de los bloques empleados.

6.1.1.

Caracter´ısticas

Los programas creados por Labview reciben el nombre de instrumentos virtuales(VIs). Estos aparecen al abrir un fichero con extensi´on .vi. Estos instrumentos virtuales basan su

112

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Dise˜ no y construcci´on de una Micro-Red

funcionamiento en unos iconos, los cuales, mediante un conexionado gr´afico representan las sintaxis textual de los lenguajes de programaci´on. La programaci´on gr´afica mediante el “dibujo” de los programas, permite reducir los tiempos de trabajo y centrarse m´as en el desarrollo de una interfaz para el usuario final. Cada VI se compone de dos partes principales:

Panel frontal: permite al usuario interaccionar con el programa, de la misma forma que si operase con los mandos de un instrumento. En la figura 6.25 observamos el aspecto de la ventana de panel frontal, as´ı como la barra de herramientas que permite realizar diversas operaciones dentro del panel. Diagrama de bloques: contiene el c´odigo fuente con aspecto gr´afico del programa. Para llevar a cabo la programaci´on disponemos de una serie de librer´ıas con funciones variadas, que abarcan desde operaciones sencillas a operaciones muy complejas.

Figura 6.2: Panel Frontal

6.2.

Figura 6.3: Diagrama

Desarrollo del equipo de maniobra y control

Se describe la tecnolog´ıa y el algoritmo de control empleados para llevar a cabo el control del sistema. Las tareas realizadas abarcan la lectura o escritura de se˜ nales, adaptaci´on,interpretaci´on, programaci´on del algoritmo de control, desarrollo de una interfaz gr´afica, protocolos de comunicaci´on, etc.

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6.2.1.

Adquisici´ on de datos en LabVIEW

La automatizaci´on y control de procesos industriales exige la interacci´on de los sistemas con el entorno. Para ello diferentes dispositivos permiten adquirir datos asociados a ciertas variables f´ısicas. A grosso modo, los componentes de un sistema de adquisici´on de datos son: sensores, dispositivos DAQ y un ordenador.

Figura 6.4: Sistema de Adquisici´ on de datos. Fuente: National Instruments La funci´on de los sensores es la generaci´on de una se˜ nal el´ectrica medible que represente y cuantifique un fen´omeno f´ısico. Ejemplos de los mismos son los aceler´ometros, termopares, foto sensores, encoder ´optico, etc... En gran medida la se˜ nal generada por los sensores implicar acondicionar las mismas eliminando el ruido o adapt´andolas previo a su lectura e interpretaci´on. El empleo de ciertos dispositivos de adquisici´on de datos incorporan en su hardware la electr´onica necesaria para el acondicionamiento integrado de las se˜ nales a medir. La conexi´on f´ısica de los dispositivos de adquisici´on de datos con el PC, permite a este u ´ltimo controlar las acciones realizadas, a la par que procesar, visualizar y almacenar datos de medida. Motivado por este u ´ltimo aspecto, LabVIEW dispone de NI-DAQmx como plataforma de control del hardware de adquisici´on de datos. Por u ´ltimo, la elecci´on del sistema de adquisici´on de datos adecuado en funci´on del caso de aplicaci´on debe responder a ciertos criterio, tales como:

La frecuencia de muestreo debe adecuarse a las condiciones, para lo cual se aconseja que su valor sea al menos dos veces la frecuencia de la se˜ nal a medir. El hardware empleado debe disponer de la electr´onica necesaria para el acondicionamiento apropiado de las se˜ nales. Resoluci´on apropiada para el problema a resolver.

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Empleo del bus correcto para la transmisi´on de datos. Desarrollo de t´ecnicas adecuadas para la correcta calibraci´on interna.

T´ erminos relacionados con la adquisici´ on de datos.

El hecho de describir las acciones llevadas a cabo tanto en el hardware como en el software, exige definir ciertos conceptos que ser´an usados con asiduidad. El empleo de convetidores anal´ogicos-digitales permiten la transformaci´on de se˜ nales anal´ogicas en digitales an´alogas. El empleo en las tarjetas de adquisici´on de datos se torna la piedra angular, permitiendo muestrear las se˜ nales. En direcci´on contraria, los convertidores digitales-anal´ogicos habilitan en la mayor´ıa de dispositivos de adquisici´on de datos para la generaci´on de se˜ nales anal´ogicas. Cuando se habla de Digital Input/Output se hace referencia a un tipo de se˜ nal de adquisici´on de datos en la que solo son posibles dos estados discretos, encendido (1) o apagado (0). Los sistemas de adquisici´on de datos actuales ofrecen distintos modos en la lectura de se˜ nales. As´ı, Entrada simple se caracteriza porque cada entrada anal´ogica dispone de una conexi´on u ´nica, compartiendo todos los canales la conexi´on a tierra. Por el contrario Entrada diferencial hace referencia a aquellas conexiones con un terminal positivo y negativo para cada canal. Por tanto, los sistemas de adquisici´on de datos o bien disponen de entradas simples o diferenciales, aceptando ambas configuraciones en muchos casos. Por u ´ltimo, el t´ermino General Purpose Interface Bus (GPIB) define el b´ us est´andar empleado para establecer conexi´on con instrumentos electr´onicos por ordenador.

Hardware para la adquisici´ on y tratamiento de datos

Existen en el mercado diferentes hardwares mediante los cuales poder implementar un modelo integrado de la microred, a partir del cual realizar medidas y establecer acciones oportunas en el sistema. De las diferentes alternativas se elige la tarjera NI USB-6009 de

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National Instrumets.

NI-USB 6009

En particular para la realizaci´on de este proyecto se hace uso de la tarjeta NI USB-6009. Como sistema de adquisici´on de datos, el objetivo de dicha tarjeta es proporcionar las herramientas necesarias para el tratamiento de las se˜ nales f´ısicas, convirti´endolas en datos a procesar y mostrar. Para ello las se˜ nales provenientes del sistema se representan mediante un nivel de tensi´on proporcional al fen´omeno f´ısico de inter´es, teniendo en cuenta que es necesario maximizar la precisi´on y exactitud a la par que se minimiza el Figura ruido. Esto significa, que a partir de un hardware y un software, NIUSB6009 podemos interactuar con el mundo real.

6.5:

Mendiante la DAQ, podemos enviar y recibir datos, los cuales, procesaremos empleando el software LabView. Las caracter´ısticas de la DAQ recogidas del manual son:

8 entradas anal´ogicas (14 bits, 48 KS/s) 2 salidas anal´ogicas est´aticas (12 bits); 12 E/S digitales; contador de 32 bits. Alimentado por bus para facilitar su movilidad, conectividad de se˜ nal integrada. Compatible con LabView, LabWindows/CVI y Measurement Studio para Visual Studio. NET

La figura 6.6 muestra los principales bloques de los que consta la tarjeta NI-USB 6009, donde el n´ umero de entradas y salidas se torna la mayor limitaci´on t´ecnica de este tipo de dispositivos haciendo necesario en nuestro caso el empleo de dos DAQ para el control de las se˜ nales de la MR. La tarjeta se compone de tres elementos, el bloque central de adquisici´on de datos y dos grupos de borneras, como se observa a continuaci´on en 6.7.

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Figura 6.6: Componentes de la NI USB 6009. [7]

Figura 6.7: Componentes de la NI USB 6009. [7]

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De las dos borneras disponibles en la DAQ, una de las mismas corresponde a se˜ nales anal´ogicas y la otra a se˜ nales digitales, tal y como se muestra en la figura 6.8.

Figura 6.8: Borneras de la DAQ. [7]

Descripci´ on de se˜ nales y borneros

A continuaci´on se explican los tipos de se˜ nales que se corresponden con los borneros utilizados en el control de la MR. El repaso de los mismos supone un resumen extra´ıdo del manual, para facilitar el trabajo en futuras aplicaciones.

GND: es definido como el punto de referencia para m´ ultiples se˜ nales de la tarjeta de adquisici´on de datos. Entre las mismas se encuentran: las se˜ nales digitales, la fuente de alimentaci´on de +5V, las tensiones de salida y las se˜ nales anal´ogicas de simple nodo. +5 V: La tarjeta N USB-6009 dispone de una fuente de alimentaci´on de 5 V con respecto al punto GND, con una circulaci´on m´axima de corriente de 200 mA. +2.5 V: referencia externa de 2.5 V para la realizaci´on de pruebas de realimentaci´on. AO0: proporciona una tensi´on de salida anal´ogica para el canal 0, con respecto a la referencia GND.

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AO1: proporciona una tensi´on de salida anal´ogica para el canal 1, con respecto a la referencia GND. AI < 0..,7 > : representan las se˜ nales de entrada anal´ogicas cuya lectura se realiza en tensi´on. P1 < 0..,3 > y P0 < 0..,7 > : puertos digitales configurables para operar como salidas o entradas en funci´on de la aplicaci´on.

Conocidos los diferentes tipos de puertos presentes en el dispositivo, es necesario especificar los diferentes modos de operaci´on que permiten hacer uso de los mismos.

Modos de entradas anal´ ogicas

Las entradas anal´ogicas pueden ser configuradas para tomar medidas en modo simple o diferencial. La decisi´on de una u otra opci´on depender´a de las caracter´ısticas de la se˜ nal de entrada, para lo cual es necesario conocer las limitaciones de cada uno de los dos modos.

Modo diferencial (6.9): la conexi´on se realiza insertando el pin positivo de la se˜ nal al terminal AI+ y el pin negativo al terminal AI-. Este modo posibilita la adquisici´on de se˜ nales con un rango de ±20V , aunque la m´axima tensi´on soportada por pin es de ±10V con respecto a tierra.

Figura 6.9: Conexi´ on de una se˜ nal de tensi´ on. [7] El empleo de este modo resulta de especial inter´es en aquellos casos en los que se demande cierta precisi´on en condiciones de ruido externo y con valores de tensi´on diferentes a 10 V.

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Modo simple (6.10): cualquier se˜ nal que se desee tratar con respecto a la referencia de la tarjeta implica la conexi´on del terminal positivo con AI y la tierra con el GND.

Figura 6.10: Conexi´on de una se˜ nal con referencia de nodo simple. [7]

Como consecuencia de las diferencias entre la ida y el retorno de la se˜ nal, los muestreos realizados por este modo son m´as sensibles a ruidos externos. Su uso se recomienda a se˜ nales de m´as de 1 V, en casos en los que se puedan unir los puntos de referencia entre se˜ nales.

Salidas Anal´ ogicas

La tarjeta NI USB 6009 dispone de dos canales de salidas anal´ogicas que permiten generar una salida de tensi´on en el rango de 0 a 5 V. La conexi´on de cargas a la tarjeta se realiza insertando el pin positivo al terminal AO deseado y conectando la tierra de la carga a la tierra de la tarjeta, como se ilustra en la figura 6.11.

Figura 6.11: Conexionado de cargas. [7]

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Entradas y salidas digitales

En lo que respecta a las se˜ nales digitales, la tarjeta dispone de dos puertos digitales: uno de ellos denominado PO dispone de 8 pines y otro denominado PI, que dispone de la mitad de pines con respecto al anterior. La configuraci´on de los canales permiten que sean establecidos como entradas o como salidas, seg´ un se especific´o con anterioridad. El punto GND define la referencia de las se˜ nales digitales.

Protecci´ on de la Tarjeta de Adquisici´ on durante la operaci´ on

Para futuras aplicaciones con el hardware presente en la micro-red, es necesario considerar ciertas precauciones impuestas por el fabricante en condiciones de elevada tensi´on, bajadas de tensi´on o sobreintensidades. Las directrices marcadas en el manual, plasmadas en el presente documento a tener como factores clave son:

Si se configura una de las l´ıneas DIO como salida hay que tener precauci´on de no conectar a la salida una fuente externa, se˜ nal de tierra o fuente de potencia. Si se configura una de las l´ıneas DIO como salida hay que tener en consideraci´on no superar el m´aximo de corriente permitido por el hardware. En aplicaciones en las que se configure una de las l´ıneas DIO como entrada hay que recordar no exceder los rangos de tensi´on de dise˜ no. La tarjeta de adquisici´on de datos debe ser tratada sensiblemente en consideraci´on de los posibles problemas que pudiesen surgir debido a cargas est´aticas. No olvidar conectar a tierra los equipos antes de cualquier manipulaci´on.

6.3.

Programaci´ on en LabVIEW

Para la implementaci´on del algoritmo de control se ha usado la versi´on de evaluaci´on LabVIEW 2015 proporcionada de forma gratuita por cortes´ıa de National Instruments para la realizaci´on del proyecto. Mediante el empleo de dicho software se ha desarrollado

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una interfaz gr´afica que permite controlar de manera sencilla todas las acciones ejercidas sobre la MR, adquiriendo se˜ nales y datos de relevancia los cuales son mostrados por pantalla. El algoritmo de control debe ser programado teniendo en consideraci´on la automatizaci´on completa de la MR. El objetivo del programa es el control completo de las acciones a ejercer en la MR, permitiendo valorar los cambios producidos en la misma. As´ı se espera obtener un punto de control que permita realizar estudios a partir de la monitorizaci´on del m´aximo de informaci´on posible. Previo al desarrollo argumentativo del algoritmo creado para el control de la MR, se hace un repaso sencillo de los conceptos previos necesarios estableciendo su relaci´on con nuestro caso en particular. Los programas creados mediante LabVIEW reciben el nombre de instrumentos virtuales. Estos se caracterizan por poseer unas entradas generadas por controles y unas salidas mostradas en indicadores. La utilizaci´on de dichos controles o indicadores en el panel frontal lleva asociado su terminal correspondiente en el diagrama de bloques. Por tanto, la programaci´on se realiza atendiendo tanto al panel frontal como al diagrama de bloques.

Figura 6.12: Ejemplo de programaci´ on en LabVIEW La figura 6.12 muestra el panel frontal y el diagrama de bloques de un ejemplo cualquiera. En el panel frontal se observa c´omo los controles generan las entradas que “fluyen” hacia las salidas plasmado en los indicadores. El diagrama de bloques complementa y acompa˜ na al panel frontal, donde los distintos terminales o componentes son “cableados” entre s´ı.

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Existen diferentes tipos de instrumentos virtuales clasificados como sigue:

Vls est´andar: son m´odulos de instrumentos virtuales que representan los instrumentos m´as generales los cuales se pueden personalizar mediante cableado. Vls Expreso: instrumentos virtuales con ventana propia de di´alogo para la configuraci´on del mismo. Funciones: se definen como tales los elementos m´as b´asicos de LabVIEW, es decir, los elementos fundamentales de operaci´on en lo cuales no hay panel frontal o diagrama de bloque.

La creaci´on de un instrumento virtual (VI) es de relativa sencillez y de enorme funcionalidad. Partiendo de una panel frontal y diagrama de bloques, cuando se crea un objeto en el panel frontal, aparece al mismo tiempo un terminal en el diagrama de bloques. Estos terminales contienen informaci´on de relevancia en lo referente al objeto asociado, lo que como se ver´a posteriormente se representa mediante un c´odigo de colores. Las ventajas del empleo de un instrumento virtual son m´ ultiples entre las cuales cabe destacar la flexibilidad, reutilizaci´on, reconfiguraci´on y definici´on por el usuario; frente a la funcionalidad fija basada en hardware de los instrumentos tradicionales.

6.3.1.

Tipos de datos

LabVIEW posee la capacidad de operar con distintos tipos de datos. Todos los controles e indicadores est´an asociados con un tipo de datos. Entre los diferentes tipos de datos se encuentran: num´ericos, din´amicos, booleanos y cadenas de caracteres. Los datos de tipo booleano representan 0 o 1, o lo que es lo mismo True o False. Por tanto, representan datos de tipo digital, simulando la acci´on mec´anica de un interruptor al comprender u ´nicamente valores discretos. Los datos de tipo string o cadena de caracteres se emplean para la creaci´on de texto simple. La creaci´on de di´alogos permite al usuario interactuar con el software, aportando gran valor a˜ nadido al control de instrumentos.

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Figura 6.13: Tipos de datos y c´ odigo de colores. Fuente: National Instruments Los datos de tipo “num´erico” engloban tanto a los n´ umeros enteros, con decimales o aquellos tratados en el campo complejo.

6.3.2.

Gr´ aficos

El objetivo a cumplir por el algoritmo de control es la monitorizaci´on y control por computador del sistema el´ectrico creado a escala de laboratorio. La recopilaci´on de variables del sistema por parte del algoritmo adquiere especial relevancia cuando se emplea la maqueta como zona de ensayos. Teniendo en cuenta tales consideraciones resulta de gran utilidad ciertas herramientas que permitan graficar los datos, permitiendo establecer conclusiones de forma sencilla. LabVIEW ofrece distintos procedimientos a partir de los cuales generar gr´aficos. Mediante el empleo de gr´aficos se desea reproducir todos los datos facilitando el an´alisis y conceptualizaci´on por parte del usuario, dotando de herramientas que permitan probar nuevas teor´ıas de forma visual. Entre las distintas herramientas disponibles para plasmar datos en dos dimensiones se encuentran: waveform chart, waveform graph, XY Graph, digital waveform graph. Para el caso que nos concierne se hace uso exclusivamente de gr´aficos waveform graph, resumiendo los puntos que motivan a ello.

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Waveform Graph

El dise˜ no de este tipo de gr´aficos est´a especialmente dirigido a la representaci´on de se˜ nales muestreadas, refiriendo los datos al eje X de manera continua. Dado que nuestro objetivo es la visualizaci´on de datos como corriente, velocidad o potencia en el tiempo, el empleo de las mismas es entendido como simples gr´aficas. As´ı se trabaja con un vector de una u ´nica dimensi´on, el cual es representado en funci´on del tiempo de forma instant´anea.

6.3.3.

Estructuras

La realizaci´on del programa de control en LabVIEW requiere de los recursos necesarios que permitan crear ciertas secuencias o ciclos. Esto se traduce en la necesidad de realizar ciertos controles en el flujo de datos. Para ello LabVIEW dispone de varios tipos de estructuras: Sequence, Case, For Loop, While Loop, Formula Node. De todas ellas en las siguientes l´ıneas u ´nicamente se aborda la explicaci´on de dos de las mismas, pues se requiere de ellas para su integraci´on en el algoritmo de control.

While Loop

La estructura While Loop consiste en un ciclo que repite el diagrama que contiene en su interior hasta que se cumple una determinada condici´on. La configuraci´on por defecto

Figura 6.14: Estructura “While Loop”. [11] de la estructura While Loop lleva a cabo la repetici´on de las instrucciones contenidas en el ciclo hasta que la condici´on se torna falsa. Esto puede ser modificado haciendo click derecho en el terminal y seleccionando la opci´on Stop If True. En este u ´ltimo caso el comportamiento es contrario al descrito anteriormente.

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Es importante relacionar su equivalente con los lenguajes de programaci´on textuales, pues como se ver´a posteriormente su empleo en la MR es equivalente al WHILE usado en C.

Case

La estructura Case habilita m´ ultiples opciones denominados casos. A partir de cierta condici´on de entrada solo se ejecuta uno de los mismos, desarrollando el diagrama presente en su interior.

Figura 6.15: Estructura “ Case”. [11]

El paralelismo con los lenguajes de programaci´on tradicionales lleva al empleo de las estructuras case como si de un IF o SWITCH se tratase. En aquellos en los que la condici´on que llega al terminal de selecci´on sea un booleano se comporta como un IF, teniendo los casos FALSE y TRUE. En nuestro caso particular las condiciones impuestas son de tipo booleanas para todos los casos. Esto permite el empleo de botoneras virtuales que habilitan un subdiagrama cuando cumplen con la condici´on de entrada.

6.3.4.

Arrays y Clusters

El gran volumen de variables a controlar y operar durante la ejecuci´on del programa, pueden ser agrupadas en “paquetes” permitiendo su localizaci´on de forma sencilla. A continuaci´on se describe los arrays y clusters, como herramientas utilizadas en el programa de control de la MR que facilitan y simplifican el algoritmo de control.

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Arrays

Se entiende por array a la agrupaci´on de forma ordenada de variables del mismo tipo. La capacidad de almacenamiento en el interior de un array alcanza 231 − 1 elementos por dimensi´on, siendo posible el almacenamiento en varias dimensiones. La utilizaci´on de arrays en el programa de control permite simplificar el diagrama de bloques haci´endolo mucho m´as sencillo y ´optimo. La creaci´on de una array requiere realizar ciertos pasos, tal y como se muestra en la figura :

1. Situamos un array en el panel de control. 2. Insertamos cualquier tipo de dato deseado en el interior del array.

Figura 6.16: Creaci´ on de un array. [11] En la esquina superior izquierda del array aparece un control num´erico que permite determinar qu´e elemento del array aparece primero. En nuestro caso en particular, observaremos la eliminaci´on de dicho indicador puesto que en todo caso aparecen los datos en orden creciente. LabVIEW dispone de m´ ultiples herramientas que son utilizadas en el programa de control para operar con los arrays. El uso de las mismas depende de la necesidad particular de cada caso.

Clusters

A diferencia de los arrays, los clusters permiten la agrupaci´on de forma ordenada de variables de diversos tipos. La creaci´on de los mismos se realiza de igual manera a lo explicado con los arrays, entendiendo los mismos como “cajones” en los que almacenar

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cualquier cosa. Las principales funciones empleadas en el algoritmo de control en lo relativo a los clusters son Unbundle y Bundle. Unbundle es empleado para disociar cada una de las variables y poder utilizarlas de forma independiente. Por el contrario bundle confiere la posibilidad de crear un cluster partiendo de componentes independientes.

6.3.5.

Subinstrumentos Virtuales. subVI

La necesidad de representar el comportamiento de dispositivos como el freno por polvos magn´eticos, obliga a generar subrutinas. Para ello, LabVIEW dispone de subinstrumentos virtuales utilizados dentro de otro instrumento virtual, teniendo por tanto sus propios conectores de entrada y salida de datos. Su equivalente con los lenguajes de programaci´on textuales convencionales se conoce como subrutinas, permitiendo la fragmentaci´on de tareas complejas en m´ ultiples sencillas. Los distintos instrumentos virtuales se identifican mediante un icono en la parte superior derecha del panel frontal. Este puede ser redefinido a gusto del usuario, a trav´es del di´alogo mostrado en la figura 6.17 correspondiente al instrumento creado para definir el comportamiento del freno.

Figura 6.17: Edici´ on SubVI En nuestro caso particular se observa la utilizaci´on de un patr´on de dos entradas (frecuencia e intensidad) con una u ´nica salida (par antagonista). Su empleo permitir´a conocer

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el par antagonista aplicado a las m´aquinas el´ectricas a partir del ensayo de parametrizaci´on del freno. La adici´on de un subVI en un diagrama m´as amplio, exige realizar ciertos pasos.

1. Abriendo la paleta de funciones se hace click sobre la opci´on Select a VI 2. Se abre una ventana que permite localizar donde se encuentra el subVI a insertar. 3. Localizado y seleccionado se pulsa abrir. 4. Por u ´ltimo, se posiciona el subVI en la zona deseada por el usuario.

Como se mostrar´a posteriormente mediante la realizaci´on de los diferentes pasos se consigue implementar en el control de la MR el subVI del freno, dotando de mayor informaci´on al sistema.

6.3.6.

DAQ Assistant

La adquisici´on de variables del entorno puede ser una ardua tarea en lo referente al software empleado. Para ello LabVIEW incluye una plataforma gr´afica a trav´es de la cual configurar, testar y adquirir medidas del entorno de forma interactiva y sencilla. Esto se traduce en que con la simplicidad de un click se genera el c´odigo necesario de acuerdo a la configuraci´on establecida por el usuario, haciendo extremadamente sencillo el desarrollo de operaciones complejas. El grado de sencillez incrementa al mismo tiempo la seguridad al disminuir la posibilidad de generar errores durante la programaci´on, adquiriendo el conjunto una mayor robustez. Para establecer la comunicaci´on con el hardware de forma satisfactoria es preciso realizar la instalaci´on del driver NI-DAQmx, que aporta las herramientas necesarias para el completo control del hardware empleado en nuestro caso. Haciendo click sobre el bot´on DAQAssistant, se abre el asistente mostrado en la figura 6.19.

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Figura 6.18: Herramientas del asistente DAQmx

Figura 6.19: Asistente de adquisici´ on de datos

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Seleccionando una entrada en tensi´on, se nos pide determinar los diferentes puertos a configurar (figura 6.20).

Figura 6.20: Asistente de adquisici´ on de datos

Por u ´ltimo se configura el rango de tensiones a medir, as´ı como se selecciona el modo de adquisici´on en 1 sample (On demand).. (Figura 6.22)

Figura 6.21: Asistente de adquisici´ on de datos Finalmente y tras realizar los distintos pasos se obtiene el terminal correspondiente, el cual nos proveer´a de la informaci´on requerida. De igual manera a lo explicado anteriormente es posible realizar la generaci´on de se˜ nales de tensi´on en el rango de los 0 a 5 V, obteniendo el terminal correspondiente.

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Figura 6.22: Terminal de adquisici´ on de datos Como se ver´a posteriormente, el diagrama de control de la MR implementado incorpora m´ ultiples terminales DAQ configurados conforme a lo explicado con anterioridad. A partir de los mismos se obtiene informaci´on sobre las variables en juego en nuestro sistema.

6.3.7.

Flujo de datos

Los lenguajes de programaci´on textuales convencionales se caracterizan por la ejecuci´on “paso a paso” de cada una de las l´ıneas presentes en el c´odigo, avanzando de arriba a abajo. LabVIEW presenta una alternativa innovadora al definirse como un lenguaje de programaci´on gr´afico, lo que permite afrontar la creaci´on de instrumentos virtuales con un escaso conocimiento. Bas´andose en un diagrama de bloques LabVIEW opera con la informaci´on como si de un flujo de datos se tratase. La conexi´on entre los diferentes nodos que componen un determinado programa se realiza mediante “cables” a trav´es de los cuales fluye la informaci´on de un nodo a otro.

Figura 6.23: Ejemplo flujo de datos en LabVIEW. Fuente: National Instruments.

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6.4.

Unidad de control centralizada de la MR

Una vez descrito la configuraci´on del hardware y la utilizaci´on que se hace del software para cumplir con los objetivos marcados, se explica de forma m´as profunda tanto el conexionado realizado para la obtenci´on de las se˜ nales como el programa de control con el que gobernar la MR.

6.4.1.

Adquisici´ on y generaci´ on de las se˜ nales

El control del sistema pasa por la adquisici´on y generaci´on de m´ ultiples se˜ nales anal´ogicas y digitales. El n´ umero de puertos disponibles en el hardware usado, supone una limitaci´on t´ecnica que implica la duplicidad de las tarjetas de adquisici´on. Es por ello que se dispones de dos tarjetas de adquisici´on de datos: NI USB-6009 1 y NI USB-6009 2. A continuaci´on se detalla y explica el conexionado realizado en cada una de las placas conforme al tipo de se˜ nal requerido. De esa forma se consigue el total control de los elementos que conforman la MR. La NI USB-6009 1 es la encargada de generar la consigna de velocidad del altivar 66 y de la generaci´on de par correspondiente a la carga din´amica equilibrada, para lo cual se necesita establecer una se˜ nal anal´ogica en el rango de los 0 a 5 V. As´ı mismo, aprovechando las entradas anal´ogicas se hace una estimaci´on de velocidad, intensidad y potencia de la carga din´amica equilibrada mediante bucles en corriente medibles en tensi´on gracias a la ca´ıda de tensi´on que se produce cuando las mismas circulan por resistencias de aproximadamente 400 Ω. El empleo de las mismas permite medir tensiones en el rango de 0 a 8 V cuando se conectan en modo simple, totalmente factible seg´ un caracter´ısticas de la tarjeta de adquisici´on de datos. Aprovechando los puertos digitales de la NI-USB 6009 se realiza la sustituci´on de interruptores f´ısicos del altivar, mediante la apertura y cierre de rel´es gobernados por se˜ nales booleanas. La NI-USB 6009 2 es destinada al control del circuito de maniobra de la MR. La misma controla la salida de las placas aisladoras mediante la generaci´on de se˜ nales digitales, produciendo la excitaci´on de los contactores. El esquema correspondiente a las conexiones realizadas en la placa aisladora que gobierna el circuito de maniobra puede encontrarse en la parte correspondiente a los esquemas realizados de la MR.

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Tabla 6.1: Conexionado NI-USB 6009 1

Tabla 6.2: Conexionado NI-USB 6009 2

6.4.2.

Diagrama de Bloques

Conocidos los diferentes elementos que conforman el algoritmo de control, es posible entrar en la descripci´on del algoritmo implementado (fig:6.24). El diagrama de bloques creado posee dos clusters principales, uno dedicado a los controles del accionamiento regulable (control de velocidad, control del par resistente y pulsadores que permiten activar el variador), y otro dedicado al control del par resistente aplicado a las cargas monof´asicas. Existen cinco funciones DAQ Assistant, de las cuales cuatro de ellas son dedicadas al control de salidas y la restante es empleada como entrada. Particularmente la DAQ Assistant 1 es configurada como salida digital, donde llega un array de 8 datos booleanos que habilitan y deshabilitan el circuito de maniobra de los contactores del sistema. Por otra parte, las DAQ Assistant 2 y 3 se encuentran configuradas como salidas anal´ogicas, la cuales reciben como entradas las consignas de velocidad y de par resistente que se aplican

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a la carga din´amica. Para el control por ordenador de los pulsadores del Altivar 66, la DAQ Assistant 4 es configurada como salida digital controlando el disparo de las placas aisladoras que sustituyen las entradas l´ogicas del altivar. La DAQ Assistant 5 recoge las se˜ nales anal´ogicas provenientes del variador de velocidad para la medida aproximada de la velocidad, corriente y potencia del motor. La representaci´on de dichas variables f´ısicas se hace mediante se˜ nales de tensi´on anal´ogicas en el rango de los 0 a 8 V. A fin de obtener los valores reales de velocidad, corriente y potencia, se multiplican dichas se˜ nales por coeficientes calculados previamente y comprobado que existe una dependencia lineal para las tres magnitudes. La necesidad de garantizar que la corriente del motor no supere valores que pudieren poner en riesgo su integridad, obliga al uso de la estructura “case” la cual detiene la alimentaci´on del accionamiento din´amico regulable en el caso de que la corriente alcance los 3 A. Existen 3 estructuras “case” adicionales, cuya relevancia es de reducido inter´es para la ejecuci´on del sistema pues su u ´nica funci´on recae en la posibilidad de activar o desactivar las gr´aficas. Atendiendo a los desequilibrios deseados en estudios futuros, resulta de gran utilidad la posibilidad de poder disponer de gr´aficos que permitan observar de forma instant´anea los valores de velocidad, corriente y potencia en la carga din´amica equilibrada. Para ello se hace uso de 3 Waveform Graph. En ultimo lugar, la implementaci´on del comportamiento del freno por polvos magn´eticos exige la necesidad de construir un subinstrumento virtual, llamado Freno.vi que determina el valor del par resistente en las cargas din´amicas a partir de la consigna de frecuencia y la corriente de alimentaci´on del freno. Dicho instrumento es generado en base al ensayo de parametrizaci´on del freno.

6.4.3.

Panel frontal

En lo referente al panel frontal del sistema de control desarrollado, su sencillez y funcionalidad permiten que cualquier usuario ajeno al proyecto pueda operar con el mismo de forma segura en poco tiempo. Con esta u ´ltima idea como premisa fundamental se ha dividido el panel frontal en diversos bloques correspondientes a cada uno de los elementos de la MR.

Javier Alcojor Gallego

135

CAP´ITULO 6. SISTEMA DE MANIOBRA Y CONTROL DE LA MICRO-RED

Intensidad freno 1

True

24

True

I

50

10

Freno.vi

Par resistente 1

Intensidad freno 2 11

True

0

0

50

11

Ring 2

Mot.mono

24

0

DAQ Assistant data

Par resistente 2

DAQ Assistant3 data

10

Velocidad

0

Ring

Freno.vi

v

Velocidad

DAQ Assistant2

Intensidad

True

3

data

DAQ Assistant4

0,52 DAQ Assistant5 data error out

task out device name

number of samples rate

error in

number of samples rate

Select Signals Signals Signal Out

error out error in (no error) Selector Input

data

Intensidad

f

102560

370

Frecuencia

Freno.vi

3410 11

stop (T)

timeout (s)

Accionamiento

24

10

Par resistente

Intensidad freno

0

Velocidad

Freno 0

1

R

520

Potencia

Marcha

ON

P

Potencia stop 2

Figura 6.24: Diagrama de bloques del puesto de control

136

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Dise˜ no y construcci´on de una Micro-Red

En la parte derecha se encuentran la totalidad de los controles, indicadores y gr´aficos de lo referente a la carga din´amica equilibrada. En la zona superior derecha destaca un indicador que plasma la intensidad con la que se alimenta al freno por part´ıculas magn´eticas, as´ı como el par desarrollado por el mismo. Situado en la zona central superior se encuentran dos controles de tensi´on en el rango de los 0 a 5 V, uno de los cuales es empleado para especificar la consigna de velocidad, mientras que el otro fija la consigna de alimentaci´on del freno. Es evidente que las se˜ nales anteriores no son aplicadas de forma directa. En lo concerniente a la velocidad, la tensi´on es aplicada en los bornes adecuados del altivar 66; mientras que en lo respectivo al freno la tensi´on es aplicada a la placa de control 14.422, actuando esta u ´ltima de forma directa sobre el freno. El bot´on L1 se encarga de habilitar la marcha del motor, mientras que el L2 determina el sentido de giro del motor (en nuestro caso a derechas). En la parte inferior a ambos botones, tres gr´aficas representan, muestran y registran la intensidad, velocidad y potencia de la carga din´amica equilibrada. En la parte superior izquierda se encuentra emplazado el circuito de maniobra del sistema. A trav´es de una botonera es posible controlar el disparo de 8 contactores, que de acuerdo al esquema representado activan o desactivan las diferentes cargas de nuestro sistema. La funci´on de cada uno de los botones se puede resumir en:

Bot´on 1 dispara contactor 1. Controla la conexi´on del sistema a la red del laboratorio. Bot´on 2 dispara contactor 2. Controla la conexi´on de la carga din´amica equilibrada. Botones 3, 4 y 5 disparan los contactores respectivos. Controlan la conexi´on de las resistencia fijas. Botones 6 y 7 disparan los contactores 6 y 7, respectivamente. Controlan la conexi´on de los motores monof´asicos. Bot´on 8 controla el disparo del contactor de reserva, abaratando la posibilidad de ampliaciones futuras.

En la parte inferior izquierda nos encontramos con el control asociado a los frenos de las cargas din´amicas monof´asicas. Para ello se dispone de dos controles de tensi´on en el

Javier Alcojor Gallego

137

CAP´ITULO 6. SISTEMA DE MANIOBRA Y CONTROL DE LA MICRO-RED Evaluation Microgrid2.1 (4).vi rango de los 0 a 5V. Por u ´ltimo dos indicadores C:\Users\PC\Desktop\TFG JAVI ALVARO\Microgrid2.1 (4).vi Last modified as´ onı23/06/2016 8:58 los frenos, como su atcorriente de alimentaci´on. Printed on 23/06/2016 at 9:00

Page 1

muestran el par resistente ejercido por

STOP

CONTACTORES

FRENO

ACCIONAMIENTO ELÉCTRICO

Par resistente 0

N.m

0

A

Intensidad freno CONTROLES VELOCIDAD

0

1

0,5

FRENO

2 2,5

1,5

3 3,5

4

4,5

0

2

1,5

5

2,5

3

1

0,5

CONTACTORES

L1

0

3,5 4

0

5

4,5

L2

INDICADORES 1

2

3

4

5

6

7

8

MOTORES ALIMENTACIÓN MONOFÁSICA

Intensidad 3

A

0

4000

2,5

1,5

2

2,5

3

1

0,5

3,5

0

4

0

5

4,5

1,5

2

2,5

1

0,5

3

1

3,5

0

4

0

5

2000

1,5

FRENO 2

0,5 0,2

1000

0,2

0

0,4

4,5

Potencia

3000

0

Time

0,6

W

0,8

rate

Voltage_2

Intensidad freno 1

Intensidad freno 2

0

0

0,4

Time

0,6

0,8

1

number of samples

1000

1000

1000

ON

500 -50

0,2

0

1500

Par resistente 2

0

Frecuencia

2000

0

-40

1

2500

Par resistente 1

Voltage_1

3000

2

FRENO 1

rpm

0

Velocidad

Voltage_0

0

0,2

0,4

Time

0,6

0,8

Velocidad

Marcha

Freno

1

0

Corriente

Velocidad

Potencia

Figura 6.25: Panel frontal del puesto de control

6.4.4.

Subinstrumento Virtual. Freno.vi

El panel frontal creado dispone de m´ ultiples indicadores que proporcionan informaci´on de gran cantidad de variables en juego en nuestro sistema de control. Entre ellos, destacan los indicadores de par que determinan el punto de funcionamiento de los motores, el cual viene impuesto por el par resistente creado por el freno de part´ıculas magn´eticas. Por tanto, es necesario crear un subinstrumento virtual que permita determinar las condiciones del freno real, proporcionando al usuario la posibilidad de conocer en todo

138

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Dise˜ no y construcci´on de una Micro-Red

momento el punto de funcionamiento en el que se encuentra trabajando, valorando la capacidad de carga a soportar. Realizado el ensayo de parametrizaci´on del freno, en el cual se obtuvieron cuatro rectas que determinaban el par desarrollado en funci´on de la velocidad e intensidad de alimentaci´on del freno, es posible determinar cualquier estado.

Intensidad 0,09 0,14 0,17 0,21

Curva Caracter´ıstica y = 0,0039*f y = 0,021*f+1,1508 y = 0,0229*f+2,1356 y = 0,0151*f +3,2858

La figura 6.26 muestra el algoritmo implementado en el cual observamos dos patrones de estructuras claramente diferenciadas. Las cuatro inferiores calculan el par resistente de acuerdo a las rectas tabuladas, siempre y cuando se cumpla la condici´on impuesta a la entrada. Es decir, siempre que la intensidad corresponda con uno de los valores tabulados se efectuar´a el c´alculo de par en uno de los cuatro bloques inferiores. En aquellos casos en los que la intensidad no corresponda con ninguno de los casos anteriores, el par se obtiene como media entre los dos valores m´as pr´oximos. Es decir, considerando las curvas parametrizadas rectas y paralelas, se calcula el par superior e inferior y se realiza el valor medio. En funci´on de la corriente del freno se determina cual de los tres bloques es el que debe realizar el c´alculo de par. En lo respectivo al c´alculo de par, el algoritmo implementado destaca por su extrema sencillez en favor de obtener una buena rapidez de ejecuci´on. Para ello se hace uso de funciones algebraicas sencillas con una baja exigencia computacional. Recibiendo a la entrada la consigna intensidad y frecuencia se calcula el par, donde solo un bloque ser´a el que “haga fluir los datos hacia la salida”

Javier Alcojor Gallego

139

CAP´ITULO 6. SISTEMA DE MANIOBRA Y CONTROL DE LA MICRO-RED

Velocidad

Ifreno

Mc

Pendiente

0,0039

Pendiente

0,09

0,021

Pendiente

0,021

Pendiente

Ifreno

0,0229

0,14

Pendiente

0,0229

0,17

Pendiente

0,21

0,0151

True

Ordenada

0

Ordenada

1,1508

True

Ordenada

1,1508

Ordenada

2,1356

0,21

0,0151

Case Structure

0,17

Pendiente

0,0229

Pendiente

0,14

0,021

Pendiente

0,09

0,0039

2

True

Ordenada

2,1356

Ordenada

3,2858

Velocidad

Pendiente

2

2

True

Ordenada

3,2858

True

Ordenada

Mc

2,1356

True

Ordenada

1,1508

True

Ordenada

0

Figura 6.26: Diagrama de bloques SubVI Freno 140

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Dise˜ no y construcci´on de una Micro-Red

6.5.

Resumen y conclusi´ on

El cap´ıtulo al que se da fin describe el software y el hardware empleado para la creaci´on de un sistema de control de la MR. La utilizaci´on de las tarjetas de adquisici´on de datos NI USB-6009 en LabVIEW permite interactuar con el entorno conociendo se˜ nales presentes en el sistema y actuando sobre los dispositivos conectados a la red. Para la utilizaci´on de los dispositivos de adquisici´on de datos se resumen los conceptos fundamentales que permiten realizar el conexionado de las se˜ nales de forma correcta. El software desarrollado para la gesti´on de los dispositivos conectados a la MR permite el desarrollo de una interfaz gr´afica sencilla e intuitiva; lo que se convierte en factor fundamental para usar LabVIEW al facilitar el trabajo en futuras aplicaciones. Al final del cap´ıtulo se espera la asimilaci´on de todos los conceptos relacionados con el control de la MR, de manera que cualquier usuario ajeno al mismo pueda trabajar en pocos minutos. Concluyendo, este cap´ıtulo aborda:

Fundamentos de programaci´on de LabVIEW empleados en el algoritmo de control de la MR. Conexi´on de las diferentes se˜ nales anal´ogicas y digitales. Diagrama bloques y panel frontal del equipo de control del laboratorio. Programaci´on del subVI del freno por part´ıculas magn´eticas.

Javier Alcojor Gallego

141

CAP´ITULO 6. SISTEMA DE MANIOBRA Y CONTROL DE LA MICRO-RED

142

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Cap´ıtulo 7 Modelo de Simulaci´ on de la micro-red

De forma paralela a la construcci´on f´ısica del proyecto, se han desarrollado un conjunto de modelos de simulaci´on que simulan el comportamiento de los elementos que componen la micro-red, as´ı como el conjunto de la misma. La raz´on de ser de dichas simulaciones es la posibilidad de hacer un estudio m´as exhaustivo, permitiendo predecir como se comporta el sistema y comparar los modelos te´oricos con los resultados obtenidos de forma experimental. A trav´es de los mismos se espera reproducir los desequilibrios y distorsiones arm´onicas desde una perspectiva te´orica. Como resultado se obtiene una amplia perspectiva de las soluciones llevadas a cabo experimentalmente, sin olvidar la base te´orica que soporta el proyecto.

7.1.

Conceptos generales

Ante los nuevos retos que se presentan, ingenieros y cient´ıficos utilizan herramientas inform´aticas como MATLAB, para analizar y dise˜ nar los sistemas y productos que transforman nuestro mundo. MATLAB es una plataforma optimizada para resolver problemas de ingenier´ıa y cient´ıficos, mediante el empleo de lenguaje de alto nivel. Integra herramientas de c´alculo junto con otras de visualizaci´on, aglomerado en un entorno de programaci´on de relativa sencillez. Adicionalmente MATLAB pone a disposici´on un conjunto de herra-

143

´ DE LA MICRO-RED CAP´ITULO 7. MODELO DE SIMULACION

mientas, de entre las cuales Simulink adquiere una especial relevancia en el desarrollo de este proyecto. Simulink es un entorno de diagramas de bloque para la simulaci´on y an´alisis de modelos y sistemas din´amicos. Su uso se ha intensificado en el ´ambito de la ingenier´ıa facilitando el dise˜ no de accionamientos, permitiendo identificar errores prematuramente con la m´axima sencillez posible. Simulink soporta tanto sistemas lineales como no lineales, ya sean en tiempo continuo, muestreados, h´ıbridos o sistemas multifrecuencia. En el presente proyecto su uso ha facilitado el estudio de viabilidad de las soluciones aportadas, previo al desarrollo f´ısico de las mismas. As´ı mismo, el empleo de los resultados te´oricos aportados por dicho software permiten corroborar que los resultados experimentales son v´alidos; dotando de la mayor coherencia y cohesi´on posibles al desarrollo del proyecto. Previo al desarrollo argumentativo de las simulaciones llevadas a cabo, es necesario detallar ciertos aspectos que adquieren una especial relevancia. Es importante hacer constar que las simulaciones complementan el objetivo principal del proyecto; para lo cual se ha aprovechado la potencia de las librer´ıas que ofrece Simulink. Esto significa que como se ver´a posteriormente, se han implementado bloques de la librer´ıa SimPowerSystem evitando modelar cada uno de los elementos que componen la micro-red. De esta forma se busca simplificar en la medida de lo posible las simulaciones, con el compromiso de no alcanzar tiempos de simulaci´on excesivos. Es con la intenci´on de reducir al m´aximo el tiempo de simulaci´on, obteniendo unos resultados igual de v´alidos; por lo que a continuaci´on se explican unas nociones b´asicas en lo relativo a la configuraci´on. Los par´ametros que se pueden modificar en lo referente a los m´etodos de resoluci´on de los modelos son:

M´ etodo de integraci´ on: existen dos grupos de m´etodos de integraci´on: los de paso fijo y los de paso variable. Los de paso fijo se caracterizan porque mantienen un tama˜ no de muestreo fijo para la resoluci´on de las ecuaciones durante la simulaci´on. Los de paso variable se caracterizan porque var´ıan el tama˜ no de muestreo seg´ un detecte variaciones en los resultados, es decir, si detecta que los resultados se mantienen constantes aumenta el muestreo y si por el contrario hay muchas variaciones reduce el muestreo. Es por ello que dependiendo de la din´amica del problema

144

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Dise˜ no y construcci´on de una Micro-Red

que se pretenda simular, los resultados que se obtienen de las simulaciones pueden variar en funci´on del m´etodo de integraci´on que haya sido seleccionado. Por tanto la elecci´on de uno u otro es de suma importancia en funci´on de lo que se busque. Mientras que los de paso fijo nos permiten tener un control del muestreo, presenta como inconveniente el incremento del tiempo que se tarda en obtener los resultados. Consecuentemente y en la medida de lo posible, siempre se ha optado por los m´etodos de integraci´on de paso variable para obtener los resultados de forma m´as r´apida. Sin embargo , esto implica emplear una capacidad de an´alisis para evitar aceptar errores en la simulaci´on como consecuencia de mezclar din´amicas lentas y r´apidas. Intervalo de muestreo: El intervalo de muestreo es otro par´ametro con el que se puede jugar sin perder de vista que una mala elecci´on de este puede provocar que no se simule adecuadamente la din´amica de los sistemas en estudio.

Fruto del conjunto de elementos a simular, se realiza una primera investigaci´on acerca de como reducir los tiempos de simulaci´on. Es de suponer que fruto de modificar la resoluci´on de las ecuaciones, los resultados obtenidos sean diferentes. Por ello, se dedica un cierto tiempo a determinar el mejor m´etodo a aplicar; siendo esta la raz´on de lo explicado anteriormente. Finalmente, se puede concluir que en la mayor parte de las simulaciones se ha optado por el empleo del m´etodo de integraci´on de paso variable, sin detrimento de los resultados finales.

7.2.

Modelo de simulaci´ on de la MA

La base de mayor importancia de las simulaciones se sustenta en el modelo de la MA. Fruto de ello, se realiza un exhaustivo modelo de simulaci´on de la MA que proporciona la mayor cantidad posible de variables e informaci´on relacionadas con la misma. Previo al desarrollo del modelo es necesario determinar los par´ametros del circuito equivalente fijando las caracter´ısticas de la m´aquina de trabajo. Se realizan el ensayo de vac´ıo y cortocircuito de la MA en el laboratorio, obteniendo ciertos par´ametros directamente empleados en el bloque de MA disponible en Simulink. As´ı dicho bloque es configurado para recibir a su entrada el par antagonista en su eje junto con el sistema trif´asico de tensiones.

Javier Alcojor Gallego

145

´ DE LA MICRO-RED CAP´ITULO 7. MODELO DE SIMULACION

Figura 7.1: Par´ ametros del bloque MA Implementado el modelo es necesario realizar ciertas pruebas que den validez a lo realizado. Con tal prop´osito, se somete al modelo a dos reg´ımenes de funcionamiento perfectamente conocidos como son el ensayo de vac´ıo y el r´egimen de funcionamiento en condiciones nominales.

R´ egimen Motor: A partir de los datos consultados en la placa caracter´ıstica es posible determinar el par en condiciones nominales. En dichas condiciones se somete a la m´aquina a su par nominal de 5,11N · m, calculado a partir de la expresi´on: P n = Tn · Ω

A la vista de la figura 7.2 se observa que los datos arrojados por el modelo son de gran similitud a los detallados en la placa de caracter´ısticas de la m´aquina (disponible en el cap´ıtulo 4). Contrastando los resultados, en naranja se observa que las corrientes de alimentaci´on de la m´aquina alcanzan aproximadamente los 2 A, tal y como se especifica

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Figura 7.2: Modelo MA como motor en condiciones nominales. en la placa de caracter´ısticas. El empleo de dicho modelo implica cargar al sistema con consumos equilibrados lo que se refleja de forma correcta mediante la igualdad en los valores de la corriente. El c´alculo de la potencia consumida por la m´aquina, as´ı como la empleada de forma u ´til en su eje son realizadas considerando el circuito equivalente. As´ı, la potencia mec´anica que desarrolla el modelo es aproximadamente 750 W, lo que implica un rendimiento del 74 %. Para el funcionamiento del modelo conforme a lo descrito, es fundamental definir de forma correcta dos par´ametros: la inercia y el factor de fricci´on. El primero de ellos engloba la inercia de la MA, considerando la energ´ıa consumida en la partes m´oviles. El segundo considera las p´erdidas por fricci´on y ventilaci´on. Por u ´ltimo es necesario analizar las condiciones alcanzadas por la m´aquina en r´egimen permanente. Se comprueba que el modelo alcanza el punto de funcionamiento establecido por el corte entre la curva caracter´ıstica de la m´aquina y el par resistente, con un des-

Javier Alcojor Gallego

147

´ DE LA MICRO-RED CAP´ITULO 7. MODELO DE SIMULACION

lizamiento igual a 0.068. Por tanto, se puede concluir que el modelo representa bien las condiciones nominales de la m´aquina.

R´ egimen Vac´ıo: Empleando la misma metodolog´ıa que en el caso anterior, se realiza la simulaci´on del ensayo de vac´ıo. El funcionamiento correcto del mismo, permite concluir su validez con un grado m´as de seguridad, a la par que corroborar que los ensayos realizados en el laboratorio han sido correctamente ejecutados.

Figura 7.3: Modelo MA.Ensayo de vac´ıo. De la figura 7.3 se corrobora que el modelo aporta datos muy similares a los tomados de forma experimental. En este caso la corriente y potencia consumidas por la m´aquina son de reducido valor como consecuencia de existir u ´nicamente p´erdidas en el hierro, en el cobre del estator y la correspondiente a fricciones. Como resultado de las fuerzas de fricci´on y ventilaci´on aparece cierto par antagonista a superar, forzando a la m´aquina a trabajar en condiciones cercanas a la de sincronismo, sin llegar a alcanzar las 1500 rpm en ning´ un caso.

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Realizado el an´alisis del comportamiento del modelo en dos reg´ımenes de funcionamiento perfectamente conocidos, se afirma que el modelo de la m´aquina as´ıncrona creado es perfectamente v´alido para la implantaci´on de la misma en el modelo global de la MR. Su uso aparece aparejado al modelo de simulaci´on de la carga din´amica equilibrada y al modelo de simulaci´on de la carga din´amica desequilibrada como se explica a continuaci´on.

7.3.

Modelo de simulaci´ on del freno por part´ıculas magn´ eticas

Las cargas din´amicas implementadas en el sistema se componen de la presencia de una MA m´as un freno por part´ıculas magn´eticas a partir del cual se consigue modificar el punto de funcionamiento. El par al que debe hacer frente la MA corresponde al resistente creado por el freno. Por tanto, es necesario el desarrollo de un modelo de simulaci´on del freno por polvos magn´eticos, el cual asigne un determinado par a la MA en funci´on de las variables de control del freno. La implementaci´on del modelo de simulaci´on del freno se obtiene a partir del ensayo de parametrizaci´on del mismo. En ´el se obtuvo un total de cuatro curvas caracter´ısticas que reflejaban el par resistente en funci´on de la corriente de alimentaci´on del freno y la velocidad del rotor. Todos los esfuerzos deben plasmar dicho comportamiento de la forma m´as simplificada posible. El modelo desarrollado determina el par ejercido a trav´es de las consigna de frecuencia a la que se solicita al variador que alimenta la m´aquina, junto con la intensidad del freno; realizando operaciones aritm´eticas lo m´as simplificadas posibles a fin de disminuir el tiempo de c´alculo. La figura 7.4 muestra una primera vista global del modelo implementado, donde aparece lo explicado hasta el momento. El algoritmo utilizado se basa en el uso de las ecuaciones que representan las curvas caracter´ısticas. Considerando una relaci´on lineal entre la velocidad, intensidad y par, el modelo mostrado en la figura 7.5 considera en cual de las diferentes rectas posibles nos encontramos. As´ı se dan cuatro casos principales correspondientes a las intensidades de: 0.009 A, 0.14 A, 0.17 A, 0.21 A.

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149

´ DE LA MICRO-RED CAP´ITULO 7. MODELO DE SIMULACION

Figura 7.4: Modelo del freno por part´ıculas magn´eticas Intensidad

Curva Caracter´ıstica

0,09 0,14 0,17 0,21

y = 0,0039*f y = 0,021*f+1,1508 y = 0,0229*f+2,1356 y = 0,0151*f +3,2858

En los casos citados anteriormente resulta sencillo obtener el par desarrollado sin m´as que sustituir la consigna de frecuencia que se da exteriormente al variador de frecuencia. Por el contrario, en los casos en los que la intensidad de alimentaci´on del freno no corresponda con ninguno de los casos tabulados, es necesario hacer una aproximaci´on matem´atica entre las curvas situadas m´as pr´oximas. As´ı, considerando la similitud entre las diferentes rectas y su independencia con la velocidad se opta por determinar el par como la media de los dos m´as pr´oximos perfectamente conocidos. Esta t´ecnica permite determinar cualquier par para una intensidad no tabulada, en funci´on de dos puntos pr´oximos. A partir de un ejemplo, se ve r´apidamente que suponiendo una intensidad de alimentaci´on de 0.19 A, ser´a necesario calcularse el par para las intensidades de 0.17A y 0.21A con el fin de determinar el punto requerido. El par que desarrolla el freno para la intensidad de 0.19 A resulta finalmente: M0,19A =

M0,17A + M0,21A 2

Por tanto, a la hora de determinar el par podremos encontrarnos ante dos posibles casos: aquellos en los que la intensidad se encuentra tabulada (bloque azul) o aquellos en los que es necesario realizar una media a partir de los datos tabulados m´as pr´oximos (bloque naranja). La figura 7.5 muestra los dos casos citados mediante dos tipo de bloques

150

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Figura 7.5: Modelo interior del freno por part´ıculas magn´eticas implementados. Brevemente se explica el funcionamiento de cada uno de los bloques.

7.3.1.

Bloque correspondiente a las curvas parametrizadas

Para los casos en los que la corriente de alimentaci´on del freno se encuentra tabulada, los bloques azules proporcionan el par que genera el freno en funci´on de la intensidad con la que se alimenta y de la velocidad de giro del rotor. El algoritmo empleado en la figura 7.6 recibe la frecuencia la cual es multiplicada por la pendiente de la recta correspondiente, a lo que se suma la ordenada en el origen.

Figura 7.6: Bloque de rectas parametrizadas. Caso I=0.09 A Obtenido el par para los diferentes casos, es necesario comprobar que efectivamente

Javier Alcojor Gallego

151

´ DE LA MICRO-RED CAP´ITULO 7. MODELO DE SIMULACION

la corriente de entrada se corresponde a uno de los cuatro casos ensayados. Para ello se realiza una comparaci´on de la intensidad de entrada con los diferentes casos, de modo que cuando se produzca la igualdad, el par ser´a enviado a la salida. En caso contrario, el algoritmo realizar´a el c´alculo del par pero al no existir igualdad el par no ser´a enviado a la salida. De esta forma se asegura que cuando las condiciones no corresponden con ninguno de los casos tabulados, los bloques azules generan a su salida un cero sin afectar a la suma.

7.3.2.

Bloque correspondiente al valor medio

En aquellos en los que la intensidad de alimentaci´on del freno no corresponda con ninguno de los casos tabulados, el par debe de ser obtenido a partir de los dos m´as pr´oximos. Supongamos el caso de que la intensidad de alimentaci´on se encuentra entre 0.09 A y 0.14 A. El algoritmo de este bloque recibe el par calculado para ambas intensidades. Posteriormente se comprueba “entre” que rectas se encuentras las condiciones de alimentaci´on. Localizado el a´rea de operaci´on, se procede a calcular el par de la siguiente forma:

Mc =

Msuperior + Minf erior 2

Figura 7.7: Bloque de interpolaci´ on Los bloques de interpolaci´on generan un par nulo cuando las condiciones no corresponden con ninguno de los mismos.

152

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Conclusi´ on

La implementaci´on del algoritmo del freno representa con bastante exactitud el comportamiento del freno, desde una perspectiva sencilla al integrar operaciones aritm´eticas simples que no requieren de un excesivo esfuerzo de c´alculo por parte del microprocesador. La sencillez con la que se realiza el modelo permite calcular de forma r´apida el par en los 7 casos posibles, enviando u ´nicamente a la salida aquel que cumple las condiciones de alimentaci´on. Gracias al escaso tiempo requerido para la resoluci´on de las ecuaciones internas del modelo, su integraci´on dentro del modelo global se realiza de forma satisfactoria sin perjuicio en la calidad y tiempo de los resultados obtenidos.

7.4.

Modelo de carga din´ amica equilibrada

De entre los diferentes consumos que deben aparecer en los modelos de simulaci´on desarrollados se encuentra el modelo de la carga din´amica equilibrada. Se recuerda que la misma se compone del empleo de una MA regulada en velocidad mediante un variador de velocidad y con un freno por polvos magn´eticos acoplado en su eje. Hasta ahora han sido explicados los modelos de la MA y del freno por part´ıculas magn´eticas. Sin embargo, la simulaci´on de la CDE requiere dar un paso m´as, realizando la simulaci´on del variador de velocidad Altivar 66. La simulaci´on del variador de velocidad pasa por integrar un modelo que est´e compuesto por una etapa rectificadora, un bus de continua y un puente inversor. La conversi´on de la electricidad de continua a alterna permite controlar la tensi´on de alimentaci´on de la m´aquina as´ıncrona mediante el control del puente inversor. Por tanto, la complejidad del modelo del variador reside en definir el control del puente inversor. En la actualidad existen diferentes t´ecnicas para establecer el control del puente inversor. Entre ellas se definen tres grupos:

Convertidor funcionando como fuente de intensidad.

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Convertidor actuando como fuente de tensi´on. Control mixto, actuando como fuente de intensidad para velocidades inferiores a la asignada y como fuente de tensi´on para velocidades superiores a la asignada.

Ante la imposibilidad de definir que tipo de control es realizado por el variador Altivar 66 empleado, se opta por realizar un control del puente inversor actuando como fuente de intensidad, considerando peque˜ nas las discrepancias en los resultados obtenidos por cualquiera de las alternativas. As´ı se lleva a cabo la realizaci´on de un control directo con alimentaci´on en fuente de corriente que permite controlar el error de velocidad, par y flujo a partir de las medidas de velocidad e intensidad presentes en la m´aquina. El modelo de simulaci´on del control directo en corriente realizado por el variador de velocidad determina el sistema trif´asico de tensiones a aplicar en la m´aquina en cada momento a fin de “seguir” a la consigna. La figura 7.8 muestra el esquema implementado.

Figura 7.8: Control directo con alimentaci´ on en fuente de corriente. Fuente: ETSII-UPM El modelo implementado (facilitado por el profesor D. Jaime Rodr´ıguez Arribas) define el sistema trif´asico de tensiones a aplicar a la m´aquina en cada momento a fin de “seguir” a la consigna. Sin embargo, existe un desacople entre el puente inversor y el resto de la MR que hace imposible su integraci´on en la misma. Es necesario crear cierta herramienta que permita simular el consumo de la carga din´amica equilibrada, realizando al mismo tiempo un control de velocidad.

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El consumo que demanda la carga din´amica de la red supone un flujo de potencia activa y reactiva; por tanto se debe crear cierta herramienta que permita generar un consumo de la red igual al que se consume en la m´aquina controlada con el variador. Como primera soluci´on al problema se considera que debido a la etapa de continua en el variador, existe u ´nicamente un flujo de activa desde la red hasta la m´aquina. Esto significa, que es el convertidor el que se encarga de generar la potencia reactiva. La figura 7.9 muestra la creaci´on de dicha herramienta en la que mediante el empleo de una resistencia variable en funci´on del consumo realizado por la MA es posible influir sobre la MR.

Figura 7.9: Herramienta simuladora del inversor Altivar 66 En este punto, el problema surge ante la imposibilidad de crear una resistencia variable en Simulink que represente el consumo de activa demandado por el motor. Ello implica dar un giro, entendiendo la resistencia como una relaci´on entre la tensi´on e intensidad. Entendiendo la resistencia como tal relaci´on, la simulaci´on de la resistencia variable en Simulink pasa por generar un fuente de intensidad variable que inyecte la corriente calculada en cada momento. As´ı la soluci´on final planteada a la problem´atica global aparece en la figura 7.10.

Figura 7.10: Modelo inicial variador de velocidad Finalizado el modelo de simulaci´on, entra en cuesti´on la hip´otesis inicial de partida.

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Anteriormente, bas´andonos en que no existe transferencia de potencia reactiva a trav´es del bus de continua se concluy´o que la carga din´amica equilibrada solo demanda potencia activa de la MR. Sin embargo, aunque dicha afirmaci´on es cierta, la realidad es que la demanda de reactiva produce una modificaci´on en los arm´onicos de la corriente, induciendo un desfase que inutiliza la herramienta creada. Por tanto, es necesario utilizar otro m´etodo que permita ejercer el consumo de potencia activa y reactiva demandado por la MA. Investigando en ello, finalmente se hace uso de la carga din´amica presente en la librer´ıa SimPowerSystem. En dicho bloque, u ´nicamente debemos aportar como entrada la potencia activa y reactiva que debe consumir. A trav´es del empleo del mismo, es posible integrar el control de velocidad desarrollado en la MR.

Figura 7.11: Carga din´ amica de SimPowerSystem Previo a su integraci´on en el modelo de simulaci´on global de la MR, es necesario comprobar que las corrientes demandadas por el bloque din´amico de SympowerSystem son de igual magnitud y fase a las demandadas por el modelo de la MA mostrado en la figura 7.2. Se observa como realizando la alimentaci´on de la carga din´amica a 400 V, la misma demanda unas corrientes de igual fase y magnitud a las requeridas por la MA para cumplir con las especificaciones de potencia activa y reactiva demandadas. Los resultados obtenidos confirman lo supuesto, pues al definir la activa y reactiva a demandar por la carga din´amica queda definido impl´ıcitamente el factor de potencia, determinando correctamente el desfase entre la corriente y la tensi´on.

7.5.

Modelo de carga din´ amica desequilibrada

La implementaci´on de la MA trabajando en red monof´asica supone un reto en la elaboraci´on del modelo de simulaci´on. Atendiendo a la teor´ıa descrita en el cap´ıtulo 4, y teniendo en consideraci´on el circuito equivalente de un motor monof´asico a partir de dos motores trif´asicos, se opta por simular dos alternativas: modelo de simulaci´ on mediante

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Figura 7.12: Herramienta para la integraci´ on de la CDE en la MR. el empleo de una m´aquina de inducci´ on monof´ asica y modelo de simulaci´ on mediante el empleo de una m´aquina de inducci´on trif´ asica con condensador. Mediante dichos modelos se espera comprobar las conclusiones citadas en el cap´ıtulo 4 en lo concerniente al empleo de motores trif´asicos en redes monof´asicas. En dicho cap´ıtulo, se explicaba el empleo de un condensador para habilitar el uso de motores trif´asicos en redes monof´asicas fundamentado en la base te´orica de los motores monof´asicos. Se desea comprobar que la din´amica de los resultados obtenidos es similar al empleo de una m´aquina monof´asica, puesto que se parte de los mismos conceptos te´oricos. Sin embargo, es de esperar ciertas discrepancias entre ambos modelos dado que los circuitos equivalentes no son exactamente los mismos. Finalmente comprobado el comportamiento correcto de las simulaciones al emplear una MA con condensador, se procede a su integraci´on en el modelo global de las simulaciones.

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7.5.1.

Modelo empleando MA monof´ asica

Con el fin de establecer desequilibrios din´amicos por fase, se procede a la instalaci´on de motores de inducci´on con condensador entre fase y neutro, regulando y modificando el punto de funcionamiento mediante el empleo del freno comentado. Inicialmente y ante la duda de si ser´a posible la implementaci´on de dicha soluci´on en los modelos, se opta por emplear una m´aquina de inducci´on monof´asica puesto que los fundamentos te´oricos concernientes a ambas son similares. Es evidente, que dicha soluci´on no es la ideal pues no representa de manera fiel la realidad como se ver´a a continuaci´on, aunque se encuentra a medio camino de la soluci´on final llevada a cabo. La primera etapa parte de la familiarizaci´on con el modelo existente en Simulink. En el se observa que de igual manera a lo que ocurr´ıa en una m´aquina trif´asica debemos asignar el par resistente, el cual viene determinado por el freno. La figura 7.13 muestra el modelo desarrollado, donde se toman medidas de las variables de la m´aquina.

Figura 7.13: Modelo MA monof´ asica. El par introducido inicialmente es nulo lo que implica el funcionamiento de la m´aquina en vac´ıo, corrobor´andose con la nulidad de la eficiencia pues no existe par alguno en la salida. Analizando los resultados, es evidente que al no existir par alguno la m´aquina debe alcanzar una velocidad muy pr´oxima a la de sincronismo, comprob´andose que en valor

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medio se alcanzan las 1500 rpm. En lo referente al par desarrollado por la m´aquina, este debe ser creciente durante el arranque, como consecuencia del inicio del movimiento en las partes m´oviles. Sin embargo, dado que posteriormente no se introduce ning´ un par exterior, el par en el eje debe ser nulo superando u ´nicamente las p´erdidas por fricci´on y ventilaci´on.

Figura 7.14: Operaci´ on en vac´ıo. A priori, llama la atenci´on los rizados presentes tanto en el gr´afico correspondiente a la velocidad como en el correspondiente al par. Se observa que en su valor medio, efectivamente los resultados entran dentro de los esperado confirmando las consideraciones realizadas. Sin embargo, cabe preguntarse el porqu´e del rizado. La respuesta se alcanza r´apidamente al recordar la curva caracter´ıstica explicada en el cap´ıtulo 4 en lo concerniente a los motores monof´asicos. En dicho cap´ıtulo, se afirm´o que la curva caracter´ıstica de los motores monof´asicos es el resultado de la suma de dos curvas: una en la zona de pares positivos y otra antisim´etrica en la zona de pares negativos. Ello explica el rizado surgido, fruto de la evoluci´on siguiendo alternativamente ambas curvas. Por u ´ltimo, motivado por el par a hacer frente en las primeras etapas de funcionamiento de la m´aquina se observa como existe un mayor pico de corriente en lo inicios, estabiliz´andose en r´egimen permanente. De los resultados mostrados en la figura 7.14 es importante prestar especialmente atenci´on a la din´amica, pues el modelo de m´aquina trif´asica con condensador deber responder

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´ DE LA MICRO-RED CAP´ITULO 7. MODELO DE SIMULACION

de igual manera. Es decir, el modelo real implementado debe mostrar las mismas oscilaciones que las acontecidas hasta el momento y con mayor demanda de par y corriente en los inicios.

7.5.2.

Modelo empleando MA trif´ asica con condensador

Visto el modelo de simulaci´on que soporta la base te´orica del actual, se procede a implementar el modelo de simulaci´on correspondiente a la m´aquina trif´asica con condensador. El presente modelo representa fielmente la soluci´on f´ısica llevada a cabo en el laboratorio, por lo que su realizaci´on de forma satisfactoria dota de enorme coherencia a los modelos de simulaci´on. Simulando las condiciones de vac´ıo, la figura 7.15 muestra que al igual a lo citado en el caso anterior la eficiencia de la m´aquina es nula, con un consumo de corriente m´ınimo necesario para superar el par de fricci´on y ventilaci´on. La alimentaci´on se realiza de forma directa a una red de potencia infinita a 400 V, conectando entre fase y neutro.

Figura 7.15: Modelo MA trif´ asica con condensador.

Como se ha explicado en cap´ıtulos anteriores al actual, la conexi´on de los motores monof´asicos se realiza mediante configuraci´on en triangulo, puesto que los resultados

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obtenidos son m´as positivos en lo que respecta a capacidad de par, ya que en este caso la tensi´on de alimentaci´on recae sobre uno de los bobinados, en vez de en dos como corresponder´ıa al caso en estrella. La conexi´on en triangulo debe ser realizada en Simulink, para lo cual los par´ametros introducidos en el modelo deben de corresponder seg´ un la regla: ZY Z∆ = 3 Introduciendo los par´ametros obtenidos de la MA divididos entre tres, se obtienen los siguientes resultados mostrados en la figura 7.16. A priori, se observa que la din´amica de los resultados es similar a la del apartado previo, mostrando el mismo comportamiento. La velocidad alcanzada es de aproximadamente 1498 rpm, lo que resulta coherente con el ensayo de vac´ıo en relaci´on a las p´erdidas de fricci´on y ventilaci´on. El par electromagn´etico se hace de valor medio nulo, con un consumo de corriente m´ınimo necesario para la magnetizaci´on de la m´aquina.

Figura 7.16: Modelo MA trif´ asica en vac´ıo. Estudiados ambos casos en las condiciones de vac´ıo, se plantea el estudio y an´alisis de diferentes casos testando que el conjunto evoluciona correctamente. Tras realizar diversas comprobaciones con los resultados obtenidos de forma experimental en el laboratorio, se concluye que el modelo que mejor representa la realidad es el que usa una MA trif´ asica con condensador. Se plasma un ejemplo para 0.21 A de corriente de alimentaci´on del freno, introducido

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a los 1.5 segundos desde el inicio de arranque de la m´aquina en vac´ıo. El par ejercido es de 4 Nm, con un consumo de corriente de 3.5 A. La evoluci´on de las variables principales responde a lo mostrado en la figura 7.17.

Figura 7.17: Modelo MA trif´ asica en carga con 4 Nm. Hasta t= 0.8 s la m´aquina arranca en vac´ıo superando cierto par antagonista al transferir energ´ıa a las partes m´oviles desde parado. Al llegar a r´egimen estable se introduce un par de 4 Nm a partir de t=1.5s. A partir de este momento se observa como la velocidad disminuye de acuerdo a un primer orden, al mismo tiempo que el par aumenta y se desplaza situando su valor medio en 4 Nm.

7.6.

Modelo de la micro-red en Simulink

El siguiente modelo de simulaci´on pretende representar el sistema de distribuci´on y demanda del emulador real de micro-red construido. La finalidad de este modelo es contrastar los resultados experimentales con el modelo te´orico que a priori representa la realidad. Se observar´a cierta discrepancia entre magnitudes te´oricas y pr´acticas (cap´ıtulo 8, Validaci´ on y funcionamiento del equipo integrado); sin embargo, la tendencia, evoluci´on y orden de magnitud son similares. Por tanto, se puede concluir que pese a las discrepancias se ha conseguido construir un modelo que representa de forma satisfactoria el funcionamiento de la micro-red construida.

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A continuaci´on se simulan algunas de las condiciones de funcionamiento recogidas en el cap´ıtulo 8, Validaci´on y funcionamiento del equipo integrado. El primero de los casos (fig: 7.18) eval´ ua la integraci´on de las cargas resistivas monof´asicas ligado al sistema de distribuci´on.

Figura 7.18: Uni´on de las resistencias con el modelo global. Se observa un consumo de corriente de 1.26 A, valor inferior al l´ımite fijado a las mismas de 1.95 A durante el dise˜ no de la micro-red. Como es de esperar, el flujo de potencia reactiva a las mismas es nulo, mientras que el correspondiente a la potencia activa es coherente con el valor de las resistencias. Se produce una ca´ıda de 4 V en las l´ıneas y unas p´erdidas de 15 W y 40.5 Var. El segundo de los casos (fig: 7.19) eval´ ua la integraci´on de unas de las CDD presentes en el sistema. La alimentaci´on de la MA en r´egimen de funcionamiento monof´asico entre una de las fases y el neutro provoca una circulaci´on de corriente por una u ´nica fase. Como consecuencia del condensador conectado a la m´aquina as´ıncrona se genera un flujo de reactiva desde la carga hacia la l´ınea. Ello motiva el incremento del valor eficaz de la tensi´on a la salida de la l´ınea, entendi´endose salida como la parte de la l´ınea conectada a la carga. Se producen unas p´erdidas de 3 W y 9 Var.

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´ DE LA MICRO-RED CAP´ITULO 7. MODELO DE SIMULACION

Figura 7.19: Integraci´ on de la CDD en el modelo global. En tercer lugar (fig: 7.20) se eval´ ua la integraci´on de la CDE, cuyo par antagonista viene marcado por el freno comentado. Impuesta como condiciones de funcionamiento de la CDE la frecuencia de alimentaci´on de 50 Hz y par de carga igual a 5 N.m se observa un consumo de 2.14 A. En este punto ha de resaltarse que el modelo de CDE representa la demanda potencia de la MA cuando se le imponen unas condiciones de par y velocidad mediante el empleo del freno y del variador de velocidad. Sin embargo, ha de destacarse que la corriente demandada por el modelo de CDE no se corresponde con el caso experimental, pues no se tiene en cuenta la presencia del variador Altivar 66 para poder reducir los tiempos requeridos en la simulaci´on. La p´erdidas generadas en este caso ascienden a 15 W y 132 Var y la tensi´on disminuye en 20 V. En el cuarto caso (fig: 7.21) se eval´ ua la integraci´on de todas las cargas del sistema.

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Figura 7.20: Integraci´ on de la CDE en el modelo global.

Figura 7.21: Modelo global de simulaci´ on.

Como se observa en la figura 7.21 existe una demanda de corrientes y potencias desiguales por cada fase, pues a ninguna de las mismas se le ha conectado la misma impedancia. La fase R presenta menor corriente y potencia como consecuencia de la conexi´on de la CDE y las resistencias (estas u ´ltimas entre fase y neutro). La fase S presenta las condiciones m´as exigentes de carga pues a la misma se ha conectado las CDD, la CDE y las

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´ DE LA MICRO-RED CAP´ITULO 7. MODELO DE SIMULACION

resistencias. Finalmente, la fase T presenta menor demanda de potencia con respecto a la S pues la carga CDD no tiene par antagonista. La presencia de las l´ıneas provoca variaciones en los flujos de potencia y en el valor de las tensiones. Dado que experimentalmente no es posible comprobar dicho efecto y la simulaci´on requiere de tiempos excesivos, es complicado cuantificar la variaci´on de la tensi´on en cada fase ni los flujos de potencia. Seg´ un los c´alculos experimentales (cap´ıtulo 8, Validaci´on del funcionamiento equipo integrado) se produce una ca´ıda de 3 V.

7.7.

Resumen y conclusi´ on

El cap´ıtulo al que se da fin en las siguientes l´ıneas detalla los modelos empleados para la simulaci´on del comportamiento del equipo de laboratorio construido f´ısicamente. Partiendo de modelos sencillos de cada uno de los ramales que conforman los agentes de la MR, se llega a un modelo global del que se ha comprobado su representaci´on fidedigna del equipo experimental. La metodolog´ıa aplicada se basa en la simulaci´on de unidades independientes lo m´as sencillas posibles, adquiriendo una mayor complejidad en la uni´on de los mismos. El an´alisis de los resultados proporcionados por los mismos, permite la cohesi´on del conjunto global de la MR. Por tanto se concluye que los modelos de simulaci´on creados cumplen los objetivos inicialmente establecidos, permitiendo corroborar los datos obtenidos experimentalmente con los arrojados por los modelos te´oricos.

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Cap´ıtulo 8 Validaci´ on del funcionamiento del equipo integrado

8.1.

Protocolo de actuaci´ on

Previo a la operaci´on de la MR es necesario seguir ciertas pautas a partir de las cuales se pueda garantizar la integridad y seguridad del sistema. La no correcta manipulaci´on del emulador de red construido puede desembocar en m´ ultiples perjuicios para los agentes conectados a la misma como para el usuario. Por tanto, al final del presente cap´ıtulo el lector ser´a capaz de manejar el emulador bajo el conocimiento de todos los aspectos t´ecnicos.

1. Inicialmente ha de comprobarse que todos los interruptores del sistema deben encontrarse en posici´on OFF. 2. La alimentaci´on del sistema debe realizarse mediante el empleo de un autotransformador a 400 V. 3. Alcanzada la tensi´on de alimentaci´on se arma el PIA principal. 4. Armado el PIA principal se procede al arme del interruptor que gobierna el sistema de maniobra y control de la MR. 5. Por u ´ltimo, se arman los interruptores monopolares.

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´ DEL FUNCIONAMIENTO DEL EQUIPO CAP´ITULO 8. VALIDACION INTEGRADO

8.1.1.

Integraci´ on del sistema de distribuci´ on

Realizados los pasos anteriormente citados, se procede a incorporar el sistema de distribuci´on al mismo. Haciendo uso de la unidad de control centralizada, se procede a la activaci´on del contactor 1. A partir de este momento se dispone de una MR con l´ıneas el´ectricas integradas en vac´ıo.

8.1.2.

Integraci´ on de carga din´ amica equilibrada en la micro-red

Establecido un sistema de alimentaci´on y transporte, el u ´ltimo de los pasos es la integraci´on de los consumos. En lo que respecta a la integraci´on de la carga din´amica equilibrada se llevar´an a cabo las siguientes acciones:

1. Haciendo uso de la unidad de control centralizada se activa el contactor 2. 2. Energizado el variador de velocidad altivar 66, es necesario apretar el pulsador de marcha. 3. A continuaci´on es necesario activar LI1 y LI2 en la unidad de control a fin de habilitar la marcha y sentido de giro de la m´aquina el´ectrica. 4. Es importante no olvida realizar la conexi´on del freno a la red del laboratorio, de forma que se habilite su funcionamiento. Cabe resaltar su independencia con la red, lo que exige que bajo ning´ un concepto se integre dentro de la MR pues ello conllevar´ıa influencias en el sistema. 5. Llegados a este punto se puede modificar la velocidad y el par resistente en el eje haciendo uso de los mandos incorporados en la interfaz gr´afica creada.

8.1.3.

Integraci´ on de carga din´ amica desequilibrada en la microred

La conexi´on de la carga din´amica monof´asica pasa por realizar los siguientes puntos:

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1. Se activa el contactor 6 y/o 7 (si se requiere una unidad o ambas). 2. Se puede modificar el par resistente ejercidos por sus correspondientes frenos a partir de los mandos de la interfaz gr´afica nombrados como Freno 1 y Freno 2.

8.1.4.

Integraci´ on de cargas resistivas monof´ asicas en la microred

Para la conexi´on de las resistencias en las tres fases se deben activar los contactores 3, 4 y/o 5 en funci´on de la fase que se desea cargar.

8.2.

Estudio y an´ alisis de diferentes modos de operaci´ on en r´ egimen permanente

Para la validaci´on del equipo desarrollado y construido se han llevado a cabo once casos de estudio de los cuales se han analizado diferentes variables el´ectricas con el fin de comprobar el correcto funcionamiento. En la tabla 8.1 se recogen los datos medidos en los ensayos realizados. Como se puede observar, en las condiciones de funcionamiento como sistema trif´asico equilibrado la corriente y la potencia por cada una de las fase es similar. Estos casos se corresponden a: CDE, CDE + Freno, CDE variable + Freno y resistencias. El freno en la carga din´amica equilibrada se traduce en un mayor consumo de potencia activa y reactiva ante la necesidad de hacer frente a la mayor demanda de par, lo que requiere elevar la magnetizaci´on de la m´aquina. De igual manera se observa el incremento producido en las corrientes demandadas a la MR. Por otro lado, la disminuci´on de la velocidad en la carga din´amica equilibrada aplicando el mismo par resistente en el eje, provoca una reducci´on de potencia activa. La potencia que demandan las resistencias se supone constante en todo caso, debido a a la imposibilidad de modificar su valor o´hmico.

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Tabla 8.1: Ensayo de validaci´ on.

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En lo que se refiere a las condiciones de funcionamiento como sistema trif´asico desequilibrado ( CDD, CDD + Freno, CDE + CDD, CDE + CDDF, CDE + CDDF + Res, CDEF + CDDF +Res, TODO) se observa un desequilibrio en las corrientes y potencias en cada una de las fases. Para el caso CDE +CDD, se observa una diferencia entre las corrientes y potencias de las fases R y S con respecto a la fase T. Ello dota de cohesi´on, como consecuencia de que la CDD se encuentra conectada entre la fase T y neutro. La aplicaci´on de los frenos y/o resistencias contribuyen a que estas corrientes y potencias sean mayores con mayor grado de desequilibrio. Es importante resaltar que los emuladores de l´ıneas utilizados no est´an dise˜ nados para trabajar en sistemas trif´asicos desequilibrados. Como consecuencia los resultados obtenidos difieren al comportamiento real de las l´ıneas que se pretenden emular. La conexi´on f´ısica de los condensadores del cuadripolo empleado deber´ıa ser suprimida para alcanzar un comportamiento m´as fidedigno de la realidad. Con el objetivo de representar gr´aficamente el funcionamiento del emulador de la MR construida, se llevan a cabo un conjunto de operaciones secuenciales en las que queden reflejadas las variaciones de las magnitudes el´ectricas involucradas. En los siguientes gr´aficos se puede visualizar la variaci´on de la tensi´on, potencia, corriente y corriente que circula por el neutro; en un intervalo de tiempo de diez minutos en los que se han modificado las condiciones de consumo de la siguiente forma:

1. En los tres primeros minutos u ´nicamente se encuentra activada la CDE. 2. Durante los posteriores tres minutos, a la carga din´amica equilibrada se le aplica cierto par antagonista. 3. En el siguiente minuto se lleva a acabo la conexi´on de una de las CDDs. 4. En los dos minutos siguientes se elimina el par antagonista ejercido por la CDE. 5. En el u ´ltimo minuto del ensayo realizado, se aplica un cierto par antagonista a la CDD.

NOTA: Los siguientes gr´aficos muestran el estudio realizado siguiendo los anteriores pasos. Como se ha mencionado los emuladores de la red no est´ an dise˜ nados para trabajar

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´ DEL FUNCIONAMIENTO DEL EQUIPO CAP´ITULO 8. VALIDACION INTEGRADO en sistemas desequilibrados y por lo tanto los valores de corriente y potencia tomados por el analizador de red no se corresponden de forma exacta con los que se obtendr´ıan en la realidad. En lo referente a la tensi´on al suponer que la MR se encuentra conectada a un sistema el´ectrico de potencia infinita es de esperar que la variaci´on en valor eficaz sea m´ınima. En el correspondiente gr´afico de tensiones, se observa una escasa reducci´on de 2 V debido a la imprecisi´on del muestreo realizado. La realidad es que el valor eficaz de la tensi´on permanece oscilando entre 219 y 222 V. En cuanto a la potencia activa, se observa en l´ıneas generales una demanda creciente conforme se aumenta el n´ umero de cargas conectadas y el par antagonista de las mismas. As´ı en el primero de los tramos se observa un consumo equilibrado de potencia por las tres fases. En el segundo tramo dicha potencia se ve incrementada como consecuencia del par antagonista, observando de igual manera un consumo equilibrado. Es en el tercero de los tramos donde se observa un variaci´on de una de las fases con respecto a la potencia de las otras dos; diferencia debida a la aplicaci´on de la carga CDD que impone una mayor demanda de potencia por la fase a la que se encuentra conectada. Posteriormente se observa una ca´ıda de la potencia al eliminar el par de carga antagonista de la CDE, sin embargo al seguir conectada la CDD la din´amica es la misma. Por u ´ltimo, al aplicar un par antagonista en la CDD el aumento de potencia solo repercute sobre una de las fases. Estudiada la potencia activa cabe esperar que la din´amica de la potencia reactiva sea similar. Sin embargo, su valor es muy inferior y la precisi´on de las medidas que se registran es de 0.1 kvar, raz´on por la que se registran valores de reactiva nulos y no se observa el incremento de reactiva en el u ´ltimo tramo. En lo que se refiere a las corrientes, la din´amica es exactamente igual a la de potencias analizadas, validando lo anteriormente dicho para el caso actual. Por u ´ltimo, resulta interesante analizar el valor de la corriente que circula por el neutro. Su valor es nulo (´o pr´acticamente nulo pues realmente no se puede lograr un sistema trif´asico equilibrado por completo), cuando conectada exclusivamente la CDE se produce igualdad en las corrientes demandadas. Es en el tramo tercero cuando al conectar la CDD se observa circulaci´on de corriente por el neutro, consecuencia del desequilibrio generado. Desequilibrio que resulta m´as acusado al imponer un par antagonista en la CDD.

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Cap´ıtulo 9 Conclusiones y l´ıneas futuras

9.1.

Conclusiones generales

El actual trabajo realizado defin´ıa como fin u ´ltimo el dise˜ no, desarrollo, montaje y operaci´on de una MR a escala de laboratorio gestionada mediante un sistema de control y gesti´on centralizado. Esto se traduce en la elaboraci´on de una maqueta donde fijar toda la aparamenta el´ectrica, la cual es utilizada para la conexi´on remota de los diferentes equipos conectados a la misma. El dise˜ no y elaboraci´on del sistema de demanda adquiere especial relevancia en las tareas realizadas para la integraci´on de los diferentes consumos en el sistema el´ectrico. Dicho sistema de demanda basa se basa en la aplicaci´on de la MA, donde la integraci´on de la misma alimentada en frecuencia variable mediante el empleo de un variador de velocidad o su conexi´on a red monof´asica, supone factor clave para la generaci´on de los desequilibrios y distorsiones deseados. A lo anterior ha de a˜ nadirse el exhaustivo estudio realizado en materia de freno por polvos magn´eticos, lo que ha permitido el acople de los mismos axialmente al eje de la MA para la modificaci´on del punto de funcionamiento. La aplicaci´on de los diferentes dispositivos dan como resultado final la creaci´on de una MR, en la que ciertos dispositivos emulan dos tipos de cargas presentes en el sistema:

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CAP´ITULO 9. CONCLUSIONES Y L´INEAS FUTURAS

din´amicas y est´aticas. El empleo y conexi´on de las mismas aparece ligado a un circuito de maniobra y potencia fijado en una maqueta. La implementaci´on del sistema de control ha forzado al empleo de lenguaje de programaci´on gr´afico, el cual, oblig´o a realizar una etapa de estudio ante los nulos conocimientos sobre el mismo. Finalmente, mediante el empleo de tarjetas de adquisici´on de datos y dicho software ha dado lugar a un puesto de control con interfaz de f´acil manejo, donde se representan la mayor cantidad posible de variables. Paralelamente, se han realizados modelos de simulaci´on del sistema creado aportando enorme utilidad al proyecto, al permitir comprender y razonar las soluciones aportadas sin peligro alguno. Su uso final permite corroborar los datos obtenidos de forma experimental con los aportados por los modelos te´oricos, dotando de mayor cohesi´on al conjunto. Lejos de los objetivos alcanzados y conclusiones realizadas, es importante reflexionar sobres las competencias transversales y experiencias que han sido experimentadas durante la consecuci´on de las diferentes tareas. Los dos tercios del trabajo corresponden a tareas realizadas de forma experimental y pr´actica en el laboratorio. Tras la realizaci´on de las mismas, se concluye que la realidad adquiere un mayor grado de dificultad con respecto a lo te´orico. As´ı, procesos que en un principio se vislumbraban simples y r´apidos se han convertido en tareas muy tediosas, requiriendo invertir largos tiempos de laboratorio. En l´ıneas generales, el trabajo con equipos desconocidos previo al desarrollo del proyecto ha reforzado la proactividad en la toma de decisiones. Por tanto, se puede concluir que el trabajo lejos de mostrar las competencias adquiridos durante los a˜ nos del grado, se ha convertido fundamental en la formaci´on personal al desarrollar diversas habilidades relacionadas con la gesti´on de proyectos. El desarrollo de la capacidad creativa es considerado aspecto clave en el trabajo. Aparte de trasladar los conocimientos y ecuaciones te´oricos a la construcci´on del sistema f´ısico, es necesario plantear posibles alternativas de bajo coste a trav´es del ingenio. Las m´ ultiples adversidades que aparecen durante la realizaci´on del trabajo, obliga a redefinir el proyecto conservando los objetivos, para mostrar al final la soluci´on llevada a cabo. Indirectamente la realizaci´on de trabajos pr´acticos en su mayor´ıa a fomentado el desarrollo de la paciencia. Ha obligado a entender que tareas que parecen f´aciles, su realizaci´on f´ısica se torna m´as compleja. Adem´as, el trabajo realizado aglutina gran cantidad de co-

178

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Dise˜ no y construcci´on de una Micro-Red

nocimientos adquiridos durante el grado, aunque centra el foco en el aspecto el´ectrico. En adici´on a lo explicado anteriormente, no debe olvidarse citar la importancia del trabajo en equipo aplicado en el presente proyecto. La realizaci´on de las tareas de forma complementaria, aportando y enriqueciendo de conocimientos mutuamente es un factor de gran valor a˜ nadido. La barrera que supone abordar un proyecto como el realizado se muestra m´as d´ebil simplemente por el hecho de implicarse conjuntamente hacia un mismo fin, aunando los esfuerzos en la misma direcci´on. Es por ello, que al final del proyecto se puede afirmar que la realizaci´on de tareas en equipo hace que el trabajo sea m´as liviano, divertido y enriquecedor.

9.2.

Impacto social y ambiental

A pesar del amplio car´acter t´ecnico del presente trabajo, es posible remarcar su car´acter social entendiendo como tal las posibles investigaciones a realizar a trav´es de su empleo y aprovechamiento. La necesidad de cambio en el sistema el´ectrico tradicional obliga a la fragmentaci´on en micro sistemas que reciben el nombre de Micro Redes. Ante tal necesidad el trabajo se ha enfocado en la creaci´on de un sistema a escala de laboratorio, que permita realizar estudios futuros en el a´mbito a explorar. La transformaci´on del sistema el´ectrico tradicional requiere realizar inversiones elevadas por parte de los gobiernos, as´ı como adaptar la normativa ante la necesidad y retos a los que hacer frente. Se debe producir un cambio en la mentalidad de la sociedad actual de forma que se supere el elevado coste de la GD, ante los compromisos en materia de reducci´on de las emisiones de CO2 . La introducci´on de este tipo de sistemas trae aparejados ciertos beneficios medioambientales con respecto al sistema convencional, al reforzar la presencia de las fuentes de generaci´on renovables y hacer part´ıcipes del sistema al usuario final, lo que contribuye a hacer un uso m´as responsable de la energ´ıa. En particular y en lo concerniente a las tareas realizadas en el laboratorio, la mayor parte del sistema creado ha sido elaborado a partir de material inutilizado en el laboratorio, reciclando y dando salida a material obsoleto. De igual manera, se han llevado a

Javier Alcojor Gallego

179

CAP´ITULO 9. CONCLUSIONES Y L´INEAS FUTURAS

cabo an´alisis de las empresas que han prove´ıdo del material necesario, considerando la responsabilidad medioambiental como factor clave. Por todo ello, se puede concluir que el trabajo realizado representa un nulo impacto ambiental, a la par que otorga una buena herramienta para la realizaci´on de estudios hacia sistemas m´as sostenibles. Se concluye que el trabajo realizado supone abrir una l´ınea de investigaci´on que intenta contribuir al futuro de los sistemas el´ectricos, un futuro al que pr´oximas generaciones deben hacer frente en lo que se supone un corto plazo.

9.3.

L´ıneas futuras

A pesar de que el trabajo realizado ha cubierto holgadamente los objetivos planteados existen tareas a realizar en futuros trabajos que por falta de tiempo ha sido imposible llevar a cabo. Tareas como el dise˜ no, desarrollo y montaje de la MR y su posterior validaci´on han sido completadas con ´exito. Sin embargo queda camino por recorrer como el realizar estudios de desequilibrios de forma m´as profunda, la uni´on de la generaci´on distribuida con la MR o mejoras en el dise˜ no realizado. En las fases iniciales del dise˜ no de la MR se baraj´o la posibilidad de emplear un armario en cuyo interior guardar los motores, el variador de velocidad y aparamenta. Sin embargo, por problemas de presupuesto fue imposible su realizaci´on quedando como posible mejora en un futuro al dotar al sistema de mayor integridad. El an´alisis del sistema realizado por el analizador de red permite realizar estudios en r´egimen permanente de los desequilibrios y distorsiones producidos. Sin embargo, el estudio de transitorios obliga al uso de electr´onica de mayor rapidez y precisi´on. Es por ello que se plantean como alternativas de futuro: la programaci´on en LabVIEW del subVI asociado al analizador de red que permite recibir los datos y muestrearlos a gran frecuencia o el empleo de sensores que generan se˜ nales interpretadas por tarjetas DAQ. Es necesario valorar cual de las dos v´ıas supone un menor reto tecnol´ogico y econ´omico para el estudio de reg´ımenes transitorios. De forma adicional se plantean otras posibles acciones, tales como:

180

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Dise˜ no y construcci´on de una Micro-Red

Mejorar el dise˜ no y programaci´on del algoritmo de control empleado por la unidad de control centralizada con la esperanza de dotar al sistema de mayor grado de inteligencia, lo que supone la automatizaci´on de las tareas. Realizar posibles modificaciones en el sistema de demanda. Integrar el almacenamiento distribuido mediante el bater´ıas u otros elementos. Incorporar nuevos grupos de generaci´on como sistemas de generaci´on distribuido. Integrar transformadores en el sistema. Analizar el comportamiento de la Micro-Red con grupo de generaci´on e´olico. Analizar el comportamiento de la Micro-Red en funcionamiento en isla.

Por tanto, se concluye que el trabajo abre una amplia l´ınea de trabajo sirviendo de gran utilidad, en la que el buen aprovechamiento del mismo puede conducir a resultados beneficiosos al poner en pr´actica nuevas teor´ıas en el ´ambito de las MR.

Javier Alcojor Gallego

181

CAP´ITULO 9. CONCLUSIONES Y L´INEAS FUTURAS

182

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Parte II Planificaci´ on

183

Cap´ıtulo 10 Planificaci´ on y programaci´ on de las actividades

10.1.

Estructura de descomposici´ on del proyecto. EDT

En lo relativo a la gesti´on del proyecto es necesario definir, planificar y programar las diferentes tareas a realizar. Con tal fin se elabora la EDT correspondiente, consistente en una descomposici´on funcional de las diferentes tareas, plasmadas en un diagrama de ´arbol. A trav´es de la misma se identifican claramente las diversas tareas con un alto grado de detalle. Los diferentes niveles presentes en la EDT son jerarquizados en tres grupos fundamentales: integraci´on de la MR, sistema de maniobra y control, y modelos de simulaci´on. Dentro de los objetivos, se defin´ıa como prioritario el dise˜ no, desarrollo, montaje y operaci´on de la MR. Objetivo que se ve ampliado por la realizaci´on de los modelos de simulaci´on. En consecuencia, es de esperar que la mayor parte de las tareas recaigan de forma directa sobre la construcci´on de la MR, suponiendo un 75 % del tiempo total empleado en la realizaci´on del proyecto. As´ı se observa en el diagrama un mayor n´ umero de tareas en dicho a´mbito en comparaci´on con el algoritmo de control y las simulaciones.

185

´ Y PROGRAMACION ´ DE LAS ACTIVIDADES CAP´ITULO 10. PLANIFICACION

0 01

02

D1

011 0111

0112

03

D2

012 0121

0122

021

D3

022

031

032

0211

0221

0311

0321

01111 01121 01211 01221 0212

0222

0312

0322

033

01112 01122 01212 01222 01113 01123 01114 01115

0: TFG 01: Integración de la MR  011: Selección de componentes o 0111: Gestión de compras  01111: Analizador de red CIRCUTOR  01112: Trafos de intensidad  01113: Placas aisladoras  01114: PIA  01115: Cables o 0112: Ensayos  01121: Ensayo de parametrización del freno  01122: Ensayo de parametrización de los motores  01123: Estudio y operación del Altivar 66  012: Construcción física o 0121: Diseño  01211: Planos de montaje  01212: Esquemas eléctricos

186

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Dise˜ no y construcci´on de una Micro-Red

o

0122: Ensamblaje  01221: Conexionado de las cargas  01222: Conexionado de los elementos de la micro-red. Implementación de la maqueta.

02: Sistema de Maniobra y Control  021: Software de control o 0211: DAQ Assistant. Implementación NI USB-6009 o 0212: Arquitectura del sistema de control  022: Interfaz gráfica o 0221: Optimización del algoritmo de control o 0222: Diseño gráfico 03: Modelos de simulación  031: Simulación I o 0311: Carga dinámica equilibrada: MA trifásica + Freno o 0312: Carga dinámica desequilibrada: MA monofásica + Freno  032: Simulación II o 0321: Líneas de distribución o 0322: Variador de velocidad: Control FOC.  033: Simulación grupo de generación eólico D1: Documentación de lo concerniente al concepto de las Micro-redes. Características técnicas de los diversos elementos. D2: Aprendizaje lenguaje de programación LabVIEW y características del hardware asociado. D3: Familiarización con el entorno SimPowerSystem.

Javier Alcojor Gallego

187

´ Y PROGRAMACION ´ DE LAS ACTIVIDADES CAP´ITULO 10. PLANIFICACION

10.2.

Distribuci´ on temporal. Diagrama de Gantt

En el presente apartado se describe como se han planificado y programado las diferentes tareas a lo largo del todo el curso lectivo 2015/2016, visualizado a trav´es del diagrama de Gantt. En ´el se representa la duraci´on en tiempo de cada una de las tareas llevadas a cabo para la consecuci´on del proyecto. Debido a la realizaci´on del TFG durante el transcurso de las diferentes asignaturas de grado, se observa dos temporadas de inactividad correspondientes a los per´ıodos de ex´amenes. Teniendo en cuenta que el proyecto se ha realizado de forma conjunta con otro compa˜ nero y que gran parte de las labores se han realizado mediante trabajo en equipo, a continuaci´on se muestran dos diagramas de Gantt. El primero de ellos (10.2) muestra el conjunto total de actividades realizadas por ambos alumnos para realizar el total del proyecto.

Figura 10.1: Agrupaci´ on de actividades Sin embargo; de todas las actividades desglosadas anteriormente, existe un reparto de las mismas en ciertas tareas de modo que el diagrama de Gantt correspondiente u ´nicamente a la parte I es el mostrado en la figura 10.3. Finalmente, se concluye que las horas dedicadas al proyecto para la consecuci´on de la parte I asciende a la suma de 620,90 h, considerando una dedicaci´on diaria de 1,3 h; excepto la redacci´on del documento del que se ha supuesto una dedicaci´on de 4 h por d´ıa. En total el n´ umero de actividades realizadas para la consecuci´on del proyecto es de 20, de las cuales 10 se corresponden a tareas exclusivas de la parte I.

188

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Dise˜ no y construcci´on de una Micro-Red

Tabla 10.1: Desglose de actividades

Javier Alcojor Gallego

189

´ Y PROGRAMACION ´ DE LAS ACTIVIDADES CAP´ITULO 10. PLANIFICACION

Figura 10.2: Diagrama de Gant

190

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Dise˜ no y construcci´on de una Micro-Red

Tabla 10.2: Desglose de actividades. Parte I

Javier Alcojor Gallego

191

´ Y PROGRAMACION ´ DE LAS ACTIVIDADES CAP´ITULO 10. PLANIFICACION

Figura 10.3: Diagrama de Gant. Parte I

192

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Cap´ıtulo 11 Presupuesto

En el presente cap´ıtulo se detallan los aspectos econ´omico relacionados con el desarrollo del proyecto. En ´el se desglosa de forma clara y concisa todos los costes que inciden de manera directa sobre el dise˜ no, desarrollo y montaje. Es importante recalcar que desde el punto de vista econ´omico, el proyecto se ha realizado siempre con la intenci´on de aprovechar todos los recursos ya disponibles en el laboratorio, adaptando el ingenio con el fin de minimizar el coste como premisa fundamental. Ejemplos de ello es la adaptaci´on de equipos con decenas de a˜ nos de antig¨ uedad o ciertas soluciones ingeniosas como las explicadas en el cap´ıtulo 3. Considerando que el actual proyecto es de car´acter totalmente experimental, no se ha considerado amortizaci´on a efectos de c´alculos en el presupuesto. Es decir, al ser un proyecto que desarrolla una maqueta con fines experimentales es imposible determinar un per´ıodo de amortizaci´on de la misma. En lo concerniente a los salarios, se ha asignado de manera aproximada un precio determinado en funci´on de los precios medios del mercado, aunque dichas retribuciones no se hayan hecho efectivas. En u ´ltima instancia, se muestra el presupuesto de forma detallada, desglosando el coste asociado a cada uno de los elementos presentes a lo largo del proyecto. Los costes se han dividido de manera natural en cuatro grupos: personal, elementos que conforman la micro-red, equipos inform´aticos y equipos del laboratorio.

193

CAP´ITULO 11. PRESUPUESTO

Tabla 11.1: Coste asociado al personal activo en el proyecto.

Tabla 11.2: Coste de la aparamenta integrada.

Tabla 11.3: Coste de los equipos inform´ aticos empleados.

194

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Dise˜ no y construcci´on de una Micro-Red

Tabla 11.4: Coste de los u ´tiles empleados para la realizaci´ on de los trabajos.

Tabla 11.5: Coste global del proyecto. Desglosados los diferentes costes, la suma del computo global del proyecto asciende a la cifra de 25.727,49e. Una cifra que a priori se presenta elevada fruto de considerar la compra de todos los elementos. Aunque es cierto que todos los elementos son necesarios y como tal deben aparecer en el presupuesto, es necesario hacer constar que se han utilizado equipos de elevada antig¨ uedad adapt´andolos para nuestro caso en particular. A trav´es de dicha v´ıa, se ha conseguido reducir el desembolso efectuado en el presente proyecto mediante la adaptaci´on de equipos inutilizados, mostrando la concienciaci´on con el medio ambiente durante el desarrollo de las actividades ingenieriles.

Javier Alcojor Gallego

195

CAP´ITULO 11. PRESUPUESTO

196

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Parte III Planos

197

Cap´ıtulo 12 Esquemas el´ ectricos y planos

En este cap´ıtulo se proporcionan los diferentes planos y esquemas el´ectricos que componen la micro-red. Se pueden distinguir dos grandes grupos de planos: aquellos referentes a la estructura de la maqueta y esquemas el´ectricos. ´Indice de planos:

Plano 1: Esquema de conexi´on de optoacopladores 4n25 para la sustituci´on de los interruptores del Altivaar 66. Plano 2: Plano de maniobra. Define el esquema de los circuitos de maniobra de la MR. Se identifica la relaci´on con las tarjetas de adquisici´on de datos. Plano 3: Plano de potencia. Define el esquema general de la MR, identificando los distintos elementos que componen la misma. Resto de planos: Diferentes vistas de la maqueta dise˜ nada y construida en el laboratorio como soporte para la aparamenta el´ectrica.

199

OPTOACOPLADOR 5DC / 24DC--220AC

5V DC

24V DC de Altivar 66

R1 360Ω 1

6 5

2

4 4N25

R1 3k7

PLANO:

PLANO Nº:

OPTOACOPLADOR PROYECTO:

TFG UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID

DISEÑO, DESARROLLO Y CONSTRUCCION DE UNA MICRORED DE 5 KVA CON CARGAS DINAMICAS Y DESEQUILIBRIOS PROGRAMABLES ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES DPTO: INGENIERÍA ELECTRICA

1 REVISIÓN:

ESCALA:

FECHA:

2 - MAYO - 2016

NIUSB6009_1 SALIDAS VDC 0...5V

GND

P07

P06

KA 1

220V AC

P05

KA 2

P04

KA 3

P03

KA 4

P02

KA 5

P01

KA 6

P00

KA 7

KA 8

F N

1

3

2

4

Q2 2x20A curva C

01

S1

1

01

S2

1

KA 1 2

01

S3

1

KA 2 2

01

S4

1

KA 3 2

01

S5

1

KA 4 2

01

S6

1

KA 5 2

01

S7

1

KA 6 2

01

S8

1

KA 7 2

KA 8

AR

2

ANALIZADOR DE RED CVM-MINI-MC A1

A1

KM 1 A2

A1

KM 2 A2

A1

KM 3 A2

A1

KM 4 A2

A1

KM 5 A2

A1

KM 6 A2

A1

KM 7 A2

KM 8 A2

PLANO:

PLANO Nº:

ESQUEMA DE MANIOBRA PROYECTO:

TFG UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID

DISEÑO, DESARROLLO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA MICRORED DE 5 KVA CON CARGAS DINÁMICAS Y DESEQUILIBRIOS PROGRAMABLES ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES DPTO: INGENIERÍA ELÉCTRICA

2 REVISIÓN:

1 ESCALA:

FECHA:

7 - JUNIO - 2016

EQUIVALENTE PI N R

1

S

3

2

T

5

4

R

R

S

S

T

T

7

6

8

Q1 4x25A curva C

1

2

3

4

Q2 2x20A curva C

KM 1

AR

ANALIZADOR DE REDES

3 x EQ. PI

KM 2

KM 3

KM 4

KM 5

KM 6

KM 7

VARIADOR ALTIVAR 66

M1 3

RESERVA EQUIPADA

R1

M

KM 8

~

R2

R3

M2

M3 M F+N

A UNIDAD DE CONTROL 1 14.422 MAGNETA

M

~

A UNIDAD DE CONTROL 2 14.422 MAGNETA

F+N

~

A UNIDAD DE CONTROL 3 14.422 MAGNETA

PLANO:

PLANO Nº:

ESQUEMA DE POTENCIA PROYECTO:

TFG UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID

DISEÑO, DESARROLLO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA MICRORED DE 5 KVA CON CARGAS DINÁMICAS Y DESEQUILIBRIOS PROGRAMABLES ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES DPTO: INGENIERÍA ELÉCTRICA

3 REVISIÓN:

1 ESCALA:

FECHA:

25 - JUNIO - 2016

30

4

DETALLE A

549

900

930

320

13

45

A

165 510 Fecha Dibujado

5/05/16

UGS SOLID EDGE SIEMENS UGS PLM Software

Alvaro Martin y Javier Alcojor

Salvo indicación contraria cotas en milímetros ángulos en grados tolerancias ±0,5 y ±1º

Maqueta (1)

Rev

A4 ETSII-UPM

Archivo: Pieza1.dft Escala 1:10

Hoja 1 de 1

30

4

10

690 52

380

30

196 44

178

DETALLE A

930

900

80

R5

O

95

550

190

80

200

0 O1

25

240

20

100

160

80

40

O

O

20

4

260

293

20

151

A

750

Fecha Dibujado

5/05/16

UGS SOLID EDGE SIEMENS UGS PLM Software

Alvaro Martín y Javier Alcojor Título

Salvo indicación contraria cotas en milímetros ángulos en grados tolerancias ±0,5 y ±1º

Maqueta(2)

Rev

A4 ESTII-UPM

Archivo: Pieza2.dft Escala 1:10

Hoja 1 de 1

DETALLE A A

Fecha Dibujado

5/05/16

UGS SOLID EDGE SIEMENS UGS PLM Software

Alvaro Martín y Javier Alcojor Título

Salvo indicación contraria cotas en milímetros ángulos en grados tolerancias ±0,5 y ±1º

Maqueta(3)

Rev

A4 ETSII-UPM

Archivo: Pieza3.dft Escala 1:6

Hoja 1 de 1

Fecha Dibujado

5/05/16

UGS SOLID EDGE SIEMENS UGS PLM Software

Alvaro Martín y Javier Alcojor Título

Salvo indicación contraria cotas en milímetros ángulos en grados tolerancias ±0,5 y ±1º

Maqueta (4)

Rev

A4 ETSII-UPM

Archivo: Pieza4.dft Escala 1:6

Hoja 1 de 1

315

45

510

15 30 226 750

82

Fecha Dibujado

5/05/16

UGS SOLID EDGE SIEMENS UGS PLM Software

Alvaro Martín y Javier Alcojor Título

Salvo indicación contraria cotas en milímetros ángulos en grados tolerancias ±0,5 y ±1º

Maqueta(5)

Rev

A4 ETSII-UPM

Archivo: Pieza5.dft Escala 1:6

Hoja 1 de 1

´Indice de figuras 2.1. Sistema el´ectrico de potencia. Fuente: [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2.2. Crecimiento de los puntos de GD. Fuente:https://sede.cne.gob.es/web/guest/circular1/2011 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.3. Estructura general de una Micro-Red. [21] . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 3.1. Bancada dise˜ nada para emular un aerogenerador. . . . . . . . . . . . . 3.2. Esquema simplificado de una MR. Fuente propia. . . . . . . . . . . . . 3.3. Esquema del sistema a desarrollar. Fuente propia. . . . . . . . . . . . . 3.4. Esquema de la MR a escala de laboratorio. Fuente propia. . . . . . . . 3.5. Variador de velocidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6. Freno por part´ıculas magn´eticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.7. Cargas din´amicas del sistema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.8. Banco de resistencias emulador de carga activa . . . . . . . . . . . . . . 3.9. PIA C60N Merlin Gerin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.10. Analizador de red instalado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.11. Equivalente PI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.12. Optoacoplador PLC-OSC Phoenix Contact . . . . . . . . . . . . . . . . 3.13. Esquema interno bloque de rel´es. Fuente: Google Im´ agenes . . . . . . . 3.14. M´odulo de rel´es con 8 canales de bajo activo . . . . . . . . . . . . . . . 3.15. Circuito de maniobra o funcional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.16. Bornes de conexi´on por tornillo UT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.17. Circuito de potencia de la MR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.18. Dise˜ no de la maqueta en Solid Edge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.19. Etapas iniciales de la construcci´on de la MR. . . . . . . . . . . . . . . 3.20. Carril inferior: Contactores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.21. Sistema de distribuci´on. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.22. Conexionado t´ıpico del analizador de red. Fuente: Manual CIRCUTOR 3.23. Conexionado TI eficiente. Fuente: Manual CIRCUTOR . . . . . . . . . 3.24. Hardware sistema de gesti´on y control . . . . . . . . . . . . . . . . . .

208

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16 19 20 23 24 25 26 27 29 29 30 32 32 33 34 35 36 37 39 40 42 42 43 44

Dise˜ no y construcci´on de una Micro-Red

3.25. Ventana de configuraci´on IPSETUP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.26. Puesto de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3.27. Micro-Red de 5 kva a escala de laboratorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 4.1. Circuito equivalente monof´asico de la m´aquina en r´egimen permanente. Fuente propia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2. Circuito equivalente monof´asico simplificado de la m´aquina. Fuente propia 4.3. Curva Par-Velocidad. Fuente: ETSII-UPM . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4. Esquema componentes Variador de velocidad. Fuente: [4] . . . . . . . . . . 4.5. Generaci´on de un tren de pulso PWM para una rama del inversor. Fuente: ETSII-UPM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6. Control de corriente por banda de hist´eresis. Fuente: ETSII-UPM. . . . . . 4.7. Montaje para la medida de la resistencia del estator. Fuente: ETSII-UPM. 4.8. Resultado separaci´on p´erdidas mec´anicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.9. Circuito equivalente simplificado en el ensayo de cortocirucito. Fuente propia. 4.10. Representaci´on de un motor monof´asico a partir de dos motores trif´asicos. [4] 4.11. Deducci´on de la curva caracter´ıstica par-velocidad. [4] . . . . . . . . . . . 4.12. Circuito equivalente de un motor de inducci´on monof´asico. [4] . . . . . . . 4.13. Distribuci´on de intensidades deseadas con devanado auxiliar decalado a 90o . [4] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.14. Caracter´ıstica par-velocidad de un motor de inducci´on monof´asico con devanado auxiliar decalado a 90o . [4] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.15. Representaci´on vectorial corrientes devanados. [4] . . . . . . . . . . . . . . 4.16. Esquema de conexi´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.17. Esquema de la soluci´on realizada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.18. Montaje del condensador realizado en el laboratorio. . . . . . . . . . . . . . 4.19. Freno de part´ıculas magn´eticas. [13] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.20. Curvas caracter´ısticas. [13] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.21. Variaci´on del calor disipado en funci´on de la velocidad del rotor. [13] . . . 4.22. Elementos y conexionado de la unidad de control. [14] . . . . . . . . . . . . 4.23. Potenci´ometro empleado inicialmente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.24. Control por tensi´on. [14] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.25. Accionamiento MA + Freno. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.26. Equipos de medida empleados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.27. Maqueta de variaci´on de velocidad. Altivar 66. [23] . . . . . . . . . . . . . 4.28. Esquema de conexi´on Altivar 66. [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.29. Panel frontal del altivar 66 a remover. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Javier Alcojor Gallego

54 56 58 59 60 60 62 64 65 68 69 70 71 72 72 72 74 75 78 78 80 81 82 83 84 85 89 91 92

209

´INDICE DE FIGURAS

4.30. Conmutador del altivar 66. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.31. Curva caracter´ıstica motor inducci´on 0.75 kW. . . . . . . . . . . . 4.32. Esquema de la carga din´amica equilibrada. Fuente propia. . . . . 4.33. Reg´ımenes de funcionamiento carga din´amica equilibrada a 50 Hz. 4.34. Reg´ımenes de funcionamiento carga din´amica equilibrada. . . . . 4.35. Esquema de la carga din´amica desequilibrada. Fuente propia. . . .

. . . . . .

. . . . . .

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. . . . . .

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92 93 95 95 96 97

5.1. 5.2. 5.3. 5.4. 5.5. 5.6.

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

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101 103 104 106 106 108

6.1. Logotipo Labview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2. Panel Frontal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3. Diagrama . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4. Sistema de Adquisici´on de datos. Fuente: National Instruments . . . 6.5. NIUSB6009 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.6. Componentes de la NI USB 6009. [7] . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.7. Componentes de la NI USB 6009. [7] . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.8. Borneras de la DAQ. [7] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.9. Conexi´on de una se˜ nal de tensi´on. [7] . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.10. Conexi´on de una se˜ nal con referencia de nodo simple. [7] . . . . . . 6.11. Conexionado de cargas. [7] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.12. Ejemplo de programaci´on en LabVIEW . . . . . . . . . . . . . . . . 6.13. Tipos de datos y c´odigo de colores. Fuente: National Instruments . 6.14. Estructura “While Loop”. [11] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.15. Estructura “ Case”. [11] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.16. Creaci´on de un array. [11] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.17. Edici´on SubVI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.18. Herramientas del asistente DAQmx . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.19. Asistente de adquisici´on de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.20. Asistente de adquisici´on de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.21. Asistente de adquisici´on de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.22. Terminal de adquisici´on de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.23. Ejemplo flujo de datos en LabVIEW. Fuente: National Instruments.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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112 113 113 114 116 117 117 118 119 120 120 122 124 125 126 127 128 130 130 131 131 132 132

210

Ejemplo cuadro el´ectrico baja tensi´on. . . . . . . . . . Contactor principal instalado . . . . . . . . . . . . . . Cuadro de potencia de la MR . . . . . . . . . . . . . . Esquema m´odulo de rel´es. Fuente: www.prometec.net . Jumper del m´odulo de rel´es. Fuente: www.prometec.net Cuadro de maniobra de la MR . . . . . . . . . . . . . .

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Escuela T´ecnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM)

Dise˜ no y construcci´on de una Micro-Red

6.24. Diagrama de bloques del puesto de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 6.25. Panel frontal del puesto de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 6.26. Diagrama de bloques SubVI Freno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 7.1. 7.2. 7.3. 7.4. 7.5. 7.6. 7.7. 7.8.

Par´ametros del bloque MA . . . . . . . . . . . . . . . . . Modelo MA como motor en condiciones nominales. . . . Modelo MA.Ensayo de vac´ıo. . . . . . . . . . . . . . . . . Modelo del freno por part´ıculas magn´eticas . . . . . . . . Modelo interior del freno por part´ıculas magn´eticas . . . Bloque de rectas parametrizadas. Caso I=0.09 A . . . . . Bloque de interpolaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Control directo con alimentaci´on en fuente de corriente. UPM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.9. Herramienta simuladora del inversor Altivar 66 . . . . . . 7.10. Modelo inicial variador de velocidad . . . . . . . . . . . . 7.11. Carga din´amica de SimPowerSystem . . . . . . . . . . . 7.12. Herramienta para la integraci´on de la CDE en la MR. . . 7.13. Modelo MA monof´asica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.14. Operaci´on en vac´ıo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.15. Modelo MA trif´asica con condensador. . . . . . . . . . . 7.16. Modelo MA trif´asica en vac´ıo. . . . . . . . . . . . . . . . 7.17. Modelo MA trif´asica en carga con 4 Nm. . . . . . . . . . 7.18. Uni´on de las resistencias con el modelo global. . . . . . . 7.19. Integraci´on de la CDD en el modelo global. . . . . . . . . 7.20. Integraci´on de la CDE en el modelo global. . . . . . . . . 7.21. Modelo global de simulaci´on. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fuente: ETSII. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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146 147 148 150 151 151 152

. . . . . . . . . . . . . .

154 155 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 165

10.1. Agrupaci´on de actividades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 10.2. Diagrama de Gant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 10.3. Diagrama de Gant. Parte I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 A.1. Analizador CVM-MINI-ITF-ETH-C2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 A.2. TI MC3-63 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 A.3. M´odulo de rel´es. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 C.1. Curva caracter´ıstica Par-Velocidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 C.2. Evoluci´on de la intensidad por el rotor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223

Javier Alcojor Gallego

211

D.1. Esquema interno de un optoacoplador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226

´Indice de tablas 4.1. 4.2. 4.3. 4.4. 4.5. 4.6. 4.7. 4.8.

Placa de caracter´ısticas. . . . . . . . . . . . . Datos del ensayo de vac´ıo . . . . . . . . . . . Datos ensayo cortocircuito. . . . . . . . . . . . Resultados de los ensayos. . . . . . . . . . . . Relaci´on de condensadores. . . . . . . . . . . . Ensayo de parametrizaci´on del freno . . . . . . Relaci´on par con intensidad y velocidad . . . . Curvas caracter´ısticas freno polvos magn´eticos

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61 63 65 66 74 86 86 87

6.1. Conexionado NI-USB 6009 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 6.2. Conexionado NI-USB 6009 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 8.1. Ensayo de validaci´on. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 10.1. Desglose de actividades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 10.2. Desglose de actividades. Parte I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 11.1. Coste 11.2. Coste 11.3. Coste 11.4. Coste 11.5. Coste

asociado al personal activo en el proyecto. . . . . . . . . . de la aparamenta integrada. . . . . . . . . . . . . . . . . . de los equipos inform´aticos empleados. . . . . . . . . . . . de los u ´tiles empleados para la realizaci´on de los trabajos. global del proyecto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

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194 194 194 195 195

A.1. Tabla toma de decisi´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 B.1. Codificaci´on de los condensadores. [12] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219

212

Parte IV Anexos

213

Ap´ endice A Gesti´ on de compras

En este cap´ıtulo se detallan las diferentes acciones realizadas durante el proceso de gesti´on llevado a cabo en la compra de ciertos elementos instalados en la MR. De forma simplificada se justifica la elecci´on de dichos elementos conforme a la disponibilidad existente en el mercado, y a unos criterios previamente establecidos.

A.1.

Analizador de red CVM-MINI-MC

Ante la necesidad de medir, calcular y registrar ciertos par´ametros el´ectricos del sistema creado, se realiza una peque˜ na investigaci´on de los diferentes analizadores de red que se pueden encontrar en el mercado. As´ı se estudiaron los cat´alogos de tres proveedores: Siemens, Schneider Electric y CIRCUTOR. En dicho an´alisis se tuvieron en cuenta diferentes criterios tanto t´ecnicos como log´ısticos, los cuales se pueden sintetizar en:

Magnitudes medibles y clase de precisi´on del dispositivo. Dispositivo de reducidas dimensiones, adaptable a carril DIN. Posibilidad de enviar y recibir datos mediante ordenador. Garant´ıas y servicio post-venta.

215

´ ´ DE COMPRAS APENDICE A. GESTION

Condiciones de entrega. Cambios de pedido y condiciones. Precios de los transformadores de intensidad necesarios en su montaje. Precio final.

Como herramienta u ´til para la realizaci´on del an´alisis se emplearon las fichas t´ecnicas y manuales disponibles de ciertos modelos, con el fin de garantizar que se ajustaba a los requerimientos definidos previamente. Fruto de dicho estudio, el modelo CVM-MINI-MC de CIRCUTOR se posiciona como la mejor alternativa para nuestro caso en particular. Para dicho modelo la marca ofrece distintas versiones en funci´on de los protocolos de comunicaci´on deseados, con la posibilidad de integrar transformadores de intensidad con un alto grado de eficiencia. La versi´on final adquirida es la CVM-MINI-ITF-ETH-C2, versi´on que dispone de comunicaci´on Modbus TCP/IP compatible con LabVIEW y conexi´on ethernet. La conexi´on ethernet resulta especialmente u ´til para la conexi´on y distribuci´on de datos desde cualquier ordenador que se encuentre conectado a la misma red. Para nuestro caso, se selecciona la versi´on con ethernet con la intenci´on de establecer una comunicaci´on “punto a punto” entre el ordenador y el analizador, evitando toda la problem´atica asociada en el caso de haber usado la versi´on RS-485.

Figura A.1: Analizador CVM-MINI-ITF-ETH-C2.

A.1.1.

Transformadores de intensidad

En la instalaci´on del analizador de red es necesario adaptar la corriente de lectura, para lo cual se requiere de unos transformadores de intensidad (TI).

216

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Dise˜ no y construcci´on de una Micro-Red

El modelo seleccionado es el MC3-63 de CIRCUTOR ya que tal y como se cit´o en l´ıneas anteriores, este TI pertenece a la gama de transformadores eficientes dise˜ nados por CIRCUTOR, siendo totalmente compatibles con el analizador descrito. Sin embargo, Figura A.2: TI durante el estudio realizado se observ´o una discrepancia entre MC3-63 las fichas t´ecnicas correspondientes al analizador y el TI. As´ı se comunic´o al servicio t´ecnico, el cual respondi´o muy r´apidamente subsanando el error; corroborando que las garant´ıas obtenidas por el suministrador se correspond´ıan con los requisitos planteados en la gesti´on de compra. La elecci´on del transformador de intensidad recae b´asicamente en la posibilidad de medir al menos una corriente de 20 A por el primario. As´ı el modelo elegido fue el de 63 A, el m´ınimo disponible por el fabricante. Adem´as de lo descrito anteriormente, dichos transformadores est´an especialmente dise˜ nados para ser instalados encima de interruptores lo cual permite aprovechar al m´aximo el espacio, reduciendo las dimensiones de la maqueta.

A.2.

M´ odulo de Rel´ es

El control por ordenador de la micro-red, implica dotar al sistema de la correspondiente electr´onica que permita “abrir” y “cerrar” interruptores desde el ordenador, dotando de una separaci´on galv´anica entre la potencia y los sistemas de maniobra. Se plantearon dos soluciones al problema desde el punto de vista t´ecnico. La primera de ella implica el uso de optoacopladores 4n25, mientras que la segunda supone el uso de un m´odulo de rel´es de 8 canales. La elecci´on tomada se sustenta en una mayor flexibilidad, sencillez y funcionalidad. Desde el punto de vista de la gesti´on de compras llevada a cabo, no se pone especial ´enfasis en analizar los posibles suministradores puesto que el bajo coste y la amplia disponibilidad en el mercado no lo justifica. Es por tanto, que la elecci´on se realiza en base a unos criterios principalmente t´ecnicos, para lo cual se realiza una tabla que pondera los diferentes criterios correspondientes a las dos posibles alternativas. De la tabla se observa los principales criterios y su peso a la hora de hacer la elecci´on. Es evidente, que no todos los criterios suponen la misma importancia a la hora de tomar la decisi´on, por lo que se ha asignado una baremaci´on en funci´on de los requisitos. Al

Javier Alcojor Gallego

217

´ ´ DE COMPRAS APENDICE A. GESTION

Tabla A.1: Tabla toma de decisi´ on ser un proyecto de laboratorio, no se le ha dado una excesiva importancia a la est´etica mientras que s´ı a la funcionalidad y sencillez. A la vista de los resultados, la soluci´on finalmente adoptada consiste en la instalaci´on de un m´ odulo de rel´es.

Figura A.3: M´ odulo de rel´es. En lo que se refiere al proveedor, existen un gran n´ umero de ellos debido al desarrollo y generalidad de este tipo de placas. Se decide hacer la compra por Internet, barajando dos posibilidades: Amazon y Aliexpress. La raz´on de estos dos portales radica en las garant´ıas que ofrecen, como la experiencia en la venta de productos al por menor. Finalmente, la compra se realiza por Amazon por una raz´on de mayor confianza y experiencias, ante la escasa variaci´on en el precio.

218

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Ap´ endice B Aplicaci´ on de condensadores en motores

B.1.

C´ odigos condensadores seg´ un DIN 40040

Los condensadores aplicados para el decalado de la corriente en el empleo de motores trif´asicos en redes monof´asicas atienden a una codificaci´on de cinco d´ıgitos. Es relevante interpretar dicha codificaci´on pues la misma determina las condiciones de trabajo. De los cinco d´ıgitos los tres primeros determinan la categor´ıa clim´atica del condensador, marcando las condiciones ambientales para su aplicaci´on. Los d´ıgitos restantes determinan cierta informaci´on acerca de la fiabilidad del condensador.

Tabla B.1: Codificaci´ on de los condensadores. [12] El segundo de los d´ıgitos1) hace referencia al m´aximo de temperatura a soportar en la

219

´ ´ DE CONDENSADORES EN MOTORES APENDICE B. APLICACION

superficie del condensador. En lo referente a la humedad de trabajo2) de los condensadores empleados en los motores, con asiduidad se hace empleo de la categor´ıa F. El empleo de dicha categor´ıa es indicada para aquellos casos en los que el valor medio anual de humedad relativa3) no supera el 75 %. En condiciones extremas, dicha categor´ıa establece una m´aximo4) del 95 % de humedad relativa siempre y cuando el per´ıodo no sea superior a 30 d´ıas al a˜ no. Los emparejamientos igual o inferior al 3 %.

5)

MS, NT, PU y QV resultan en una tasa de fallos de valor

Por u ´ltimo y se muestra un ejemplo de aplicaci´on de la tabla mostrada. Ejemplo: Condensador JRF PU

J = L´ımite inferior de temperatura igual a -10 o C. R = L´ımite superior de temperatura igual a 85o C. F = L´ımites de humedad relativa. P = Tasa de fallos inferior al 3 %. U = Vida esperada de 3000h.

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Ap´ endice C Curvas caracter´ısticas motores as´ıncronos

El presente anexo detalla las curvas caracter´ısticas de los motores as´ıncronos empleados en la micro-red. A partir de los par´ametros obtenidos mediante los ensayos de vac´ıo y cortocircuito, se dibuja la evoluci´on del par y la corriente en el r´egimen motor de la m´aquina de inducci´on empleada. La obtenci´on de las curvas se obtiene a partir del circuito equivalente, mediante las siguientes expresiones:

V1 V1 q I20 = p = 2 R0 (RCC + RC0 )2 + XCC 2 (R1 + s2 )2 + XCC

Me =

3 R20 · V12 · 0 s · Ωs (R1 + R2 )2 + X 2 CC s

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´ APENDICE C. CURVAS CARACTER´ISTICAS MOTORES AS´INCRONOS

Figura C.1: Curva caracter´ıstica Par-Velocidad

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Dise˜ no y construcci´on de una Micro-Red

Figura C.2: Evoluci´ on de la intensidad por el rotor.

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´ APENDICE C. CURVAS CARACTER´ISTICAS MOTORES AS´INCRONOS

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Ap´ endice D Optoacoplador

Es un elemento empleado en electr´onica para aislar galv´anicamente dos elementos. Su uso permite la sustituci´on de interruptores de forma que se pueda establecer un control por computador, a la par que otorga seguridad en lo referente a la protecci´on de elementos delicados. El principio de funcionamiento de este tipos de elementos es de escasa complejidad. Se compone de cuatro terminales, dos correspondientes a las entradas y dos correspondientes a la salida, de manera que cada lado corresponde a cada uno de los circuitos que se desean aislar. Internamente nos encontramos con dos componentes:

Un diodo LED que emite una se˜ nal luminosa en funci´on del nivel de corriente que circula a trav´es del mismo. Un fototransistor que recibe la se˜ nal luminosa por la base lo que hace que empiece a actuar en modo saturaci´on.

Dado que el principio de funcionamiento se basa en la transmisi´on de una se˜ nal luminosa, ambos componentes son encapsulados a fin de evitar posibles perturbaciones externas. Cuando aparece una tensi´on sobre los terminales del diodo LED, se produce una emisi´on de rayos infrarrojos que se transmite a trav´es de una gu´ıa-ondas hacia el fototransistor.

225

´ APENDICE D. OPTOACOPLADOR

Figura D.1: Esquema interno de un optoacoplador La energ´ıa luminosa que incide sobre el fototransistor genera una tensi´on el´ectrica a su salida. El empleo dentro la MR permite la sustituci´on de interruptores o la sustituci´on de transformadores de forma sencilla y econ´omica.

226

Escuela T´ecnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM)

Bibliograf´ıa

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