Universidad Tecnológica de Querétaro

Firmado digitalmente por Universidad Tecnológica de Querétaro Nombre de reconocimiento (DN): cn=Universidad Tecnológica de Querétaro, o=UTEQ, ou=UTEQ, [email protected], c=MX Fecha: 2015.04.29 17:23:13 -05'00'

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE QUERÉTARO.

Nombre del Proyecto:

“DETECCIÓN DE ALTO VOLTAJE Y PICOS DE CORRIENTE EN EQUIPOS TRIFÁSICOS DE 120 KVA CON SCR E IMPLEMENTACION DE MEJORA”

Empresa: ENFIL DE MÉXICO S.A. DE C.V.

Memoria que como parte de los requisitos para obtener el título de: INGENIERO EN TECNOLOGÍAS DE AUTOMATIZACIÓN.

Presenta. CHRISTIAN ALEJANDRO BAUTISTA GUDIÑO.

Asesor de la UTEQ

Asesor de la organización.

Ing. Ubaldo Javier Flora Velasco

Ing. Eduardo Berber Torres

Santiago de Querétaro, Qro. Abril de 2015.

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Resumen.

La empresa ENFIL DE MEXICO S.A DE C.V. Está dedicada a la rama de la calidad de la energía por lo tanto cuenta con una amplia gama de acondicionadores de voltaje de la marca VOGAR, que su principal función es la estabilidad de tensión alterna para cada instalación correspondiente. El proyecto consistió en la modificación de un equipo trifásico de 120 KVA para su mayor eficiencia y mejor rendimiento de la vida útil en componentes tiristores (SCR). Se llevó a cabo un diseño de tarjeta que manda

y recibe señales

lógicas para ser manipuladas por medio de la tarjeta de regulación principal. Como resultado se obtuvo un diseño de tarjeta con componentes discretos capaz de realizar la tarea de suspender señales de trabajo en las derivaciones 2 y 4 y/o reanudarlas para evitar que los tiristores (SCR) se forcén hasta sobre pasar su límite de ruptura y ocasionar daños en el equipo en cuanto a su funcionamiento de acondicionamiento. (Palabras clave: regulación, SCR, estabilidad, modificación)

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Summary.

I will carry out my internship in the site where I work in this moment, that its a very accesible Company and easy to work at, the name of Company is VOGAR dedicated to the conditioning voltage in the electric system. I will perform my internship when ending this quarter starting in the month of January when my quarter finishes. I would develop skills in electronic digital and acquire or improve my knowledge in mechanical components. I expect concluding it in April. I decided to carry out my internship in this Company because I will learn more between the relationship of the life industraly and the difference with the life of student, is also a small company therefore is a good company to start as an employee. I would like to be hired in this Company in the full shift to get a better income.

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Índice

Resumen…………………………………………………….………………… 2 Summary………………………………………………………………………. 3 Índice…………………………………………………………………………… 4 I. INTRODUCCIÓN…………………………………………………………… 5 II. ANTECEDENTES…………………………………………………………. 7 III. JUSTIFICACIÓN………………………………………………………….. 8 IV. OBJETIVOS……………………………………………………………….

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V. ALCANCE…………………………………………………………….........

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VI. ANÁLISIS DE RIESGOS………………………………………………… 11 VII. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA……………………………………….. 12 VIII. PLAN DE ACTIVIDADES………………………………………………. 20 IX. RECURSOS MATERIALES Y HUMANOS…………………………….

21

X. DESARROLLO DEL PROYECTO ………………………………………

25

XI. RESULTADOS OBTENIDOS……………………………………………

60

XII. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES…………………………

61

XIII. ANEXOS XIV. BIBLIOGRAFÍA

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I. Introducción.

La regulación de voltaje es un tema de suma importancia en lo que concierne al sector industrial dado que la mayor parte cuenta con líneas de producción en donde se encuentran robots industriales, tableros de control, alarmas de seguridad y sistemas de protección. En la industria se encuentra también lo que es el sistema de cómputo administrativo así como también sistemas de iluminación entre otros por lo tanto es importante tener estabilidad de voltaje en el sistema eléctrico. Los reguladores industriales VOGAR ofrecen una estabilidad de un +-3 % de voltaje a la salida y se encuentran en los tres tipos de sistemas eléctricos (monofásico, bifásico, trifásico) y es necesario tener un neutro a la entrada del regulador para su funcionamiento. El proyecto consta en mejorar un equipo VOGAR de poca demanda en su venta pero igual de suma importancia en su funcionalidad como otros, el equipo es un acondicionador trifásico de 120 KVA con SCR. La mejora está enfocada en la reducción de daños a los componentes de potencia SCR (tiristores), esto con la detección al momento de altos picos de voltaje.

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En la Universidad Tecnológica de Querétaro se adquieren conocimientos apropiados para poder enfrentar problemas de este tipo en la industria donde en ocasiones pueden presentarse en tiempo real y se requiere de una respuesta inmediata o también se programan anticipadamente propuestas para

resolver

problemas

en

líneas

de

producción,

programación,

manufactura o cualquier sistema mecánico - eléctrico. La universidad cuenta con un sistema de educación por competencia donde se ponen a prueba los conocimientos en todo momento de los alumnos.

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II. Antecedentes. El equipo LAN 3120 con SCR’s cuenta con tres módulos de regulación y cada módulo tiene un autotransformador con 5 derivaciones de 40 KVA. En el módulo se anexan las bobinas auxiliares a la salida de las derivaciones, en las terminales de las bobinas, llega a lo que son los tiristores SCR controlados por su respectiva tarjeta de regulación de control. De esta manera el equipo trifásico queda diseñado, contando con sus respectivas protecciones con sus sensores térmicos y contactor, aparte de supresores de picos (varistores).

En la industria es esencial un buen equilibrio de voltaje en las líneas de electricidad, dado que la mayor parte de líneas de producción en la industria o maquinaria es indispensable no tener anomalías en la red eléctrica por eso es que los reguladores industriales son de gran importancia en estos casos ya que se detectan variaciones hasta de un +- 15% en la red eléctrica de CFE.

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El equipo trifásico de 120 KVA ofrece una estabilidad de +- 3% a la salida y se encuentra a diferentes voltajes (220V, 440V, 460V, 480V) dependiendo de las necesidades del cliente. En el equipo VOGAR LAN – 3120 se agregan supresores de picos (varistores) a la entada de cada módulo. Un supresor de picos de voltaje tiene la función de evitar los sobres voltajes repentinos (picos) ayudando a que estos no provoquen fallas como: 

Desprogramación de equipos



Daños en los equipos



Fallas inexplicables

III. Justificación.

En los equipos de 120 KVA trifásicos se presenta un problema con mayor regularidad dado que los picos de voltaje son inevitables para ser controlados y llegan a afectar los dispositivos de potencia (SCR) por sobre tensión, es prioridad la solución de este problema para disminuir costos en refacciones de estos equipos especiales, además de la satisfacción del cliente y el personal interno de ventas.

8

IV. Objetivos 

Llevar a cabo una propuesta para la mejora de la vida útil de los tiristores SCR’s en el equipo de regulación de tensión LAN 3120.

Objetivo Particular. 

Reducir daños en componentes hasta un 40 %.



Propuesta de un mejor método de adquisición de datos para pruebas de funcionamiento.

V. Alcance

El proyecto comienza con la propuesta de un mejoramiento en el equipo trifásico de 120 KVA, dado que actualmente presenta daños prematuros con altos picos de voltaje. Se realiza una investigación acerca de los componentes específicos de fabricación para poder hacer propuestas en diseños de prototipos. Así como también una previa investigación en sistemas de detección de niveles de

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voltaje. Se realiza este avance las primeras tres semanas de Enero de Lunes 5 al Viernes 23. Se establece una propuesta de diseño para ser elaborado y con sus respectivos cálculos para las condiciones de prueba que se tienen ahora. El comienzo de este avance es del lunes 2 de Febrero al viernes 13 de Marzo.

Como parte del nuevo diseño se colocan nuevas bobinas auxiliares a la salida del autotransformador para mayor reducción de los picos de voltaje, se tendrán nuevas muestras de medición comparativas con bobinas y sin bobinas. Se consideran las dos primeras semanas de Marzo (lunes 2 a viernes 16).

Se adjuntan las bobinas junto con el diseño de la tarjeta para nuevas pruebas y posibles correcciones para poder

Implementar el dispositivo

completo en un prototipo. En este último punto alguna limitación puede ser la falta de tiempo. Se pretende terminar con la puesta en marcha del prototipo de la tercera semana de Marzo a la primera semana de Abril.

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VI. Análisis de riesgos. En este capítulo se describen algunas de las limitaciones del proyecto como son las siguientes. 1.-

Disponibilidad

de

un

equipo

completo

para

pruebas

de

funcionamiento. Con la necesidad de hacer una prueba completa del diseño del detector de nivel de voltaje se requiere de un equipo completo trifásico de 120 KVA para poder poner en marcha las tres fases. 2.- Tiempo de espera para material nuevo de pruebas. Debido a que se requieren nuevas modificaciones en el equipo es necesario un cambio de las bobinas exteriores por lo cual se manda

a rediseñar a planta por lo que

conlleva un tiempo de espera para su elaboración.

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VII. Fundamentación teórica.

¿Qué es un regulador de voltaje?

Es un dispositivo encargado de mantener el voltaje alterno estable y libre de variaciones (el voltaje es la fuerza con que son impulsados los electrones a través

de

los

cables

de

la

red

eléctrica),

por

ello

comúnmente

la electricidad llega con variaciones que provocan desgaste de los elementos electrónicos a largo plazo en las fuentes de alimentación de las computadoras y elementos electrónicos de maquinarias. Lo que el regulador hace es estabilizar la electricidad a un nivel promedio constante para que no provoque daños en los equipos. (Dawes, 1961, p.189)

La mayoría de los reguladores de voltaje, cuentan con un supresor de picos integrado, el cuál a diferencia de la función de estabilización del regulador simplemente al detectar un sobre voltaje en la línea eléctrica, lo canalizan a tierra, ya que de este modo no afectará los circuitos de los dispositivos conectados.

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En seguida se muestra información acerca de la tecnología más moderna mundialmente en el tema de reguladores de voltaje.

¿Qué es la tecnología de Ferroresonancia? La Ferroresonancia es un principio tras los populares modelos de reguladores

de

voltaje

de

potencia

de

Sola

PC

y

CVH.

La Ferroresonancia es la propiedad del diseño de un transformador en el cual el transformador contiene dos patrones magnéticos separados con acoplamiento limitado entre ellos, la salida contiene un circuito resonante paralelo que toma su potencia del primario para reemplazar la potencia entregada

a

la

carga.

Hay que notar que la "resonancia" en la ferroresonancia es similar a aquella en los circuitos lineales con capacitores o inductores en serie o paralelo, en donde la impedancia tiene un pico a una frecuencia en particular.

En un circuito no lineal, como el que se usa en los transformadores ferroresonantes de Sola, la "resonancia" se usa para reducir los cambios en el voltaje de alimentación para suministrar un voltaje más consistente en la carga.

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Un dispositivo magnético es no lineal, su reluctancia cambia abruptamente arriba de una determinada densidad de flujo magnético, en este punto, el dispositivo magnético se define que está en saturación, el diseño del transformador Sola permite que un patrón magnético (el patrón resonante) esté en saturación, mientras que el otro no lo está, como resultado, un cambio en el voltaje del primario no se traducirá en cambios en el voltaje saturado o del secundario y resulta en una regulación de voltaje.

Ventajas

de

la

tecnología

ferroresonante:



A prueba de corto circuito.



Soporta voltajes de entrada muy extremos.



Vida media 20 años.



Libre de mantenimiento.



Enfriado por aire.



No contiene elementos móviles como relevadores, servomotores, etc.



Regulación muy precisa.



Mantiene la carga completamente aislada.

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

Elimina ruido eléctrico de la línea comercial.



Elimina picos de la línea comercial.



Alto factor de potencia.



Alta eficiencia.

Supresores de picos (varistores). Esencialmente un varistor es un resistor de impedancia variable que presenta un elevado comportamiento no lineal intensidad-voltaje. Este hecho los convierte en materiales adecuados para la protección frente a sobretensiones transitorias, entendiendo como tal un aumento no permanente del potencial eléctrico por encima del umbral de tolerancia de la tensión nominal de trabajo de un determinado sistema. (M. PEITEADO, 2005, p.77)

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Transformador Trifásico Delta – Estrella.

Este tipo de conexión no presenta muchos inconvenientes, pues su utilización ha de ser adecuada a las características generales que presenta la conexión en triangulo y estrella. Es muy empleado como conexión para transformadores elevador al principio de la línea y no al final, porque cada fase del devanado primario ha de soportar la tensión entre fase de red.

VENTAJAS: 1. No presenta problemas con las componentes en sus voltajes de terceros armónicos. 2. Es muy útil para elevar el voltaje a un valor muy alto. 3. Utilizando esta conexión en el lado de alta, se puede poner a tierra el neutro permitiendo que quede limitado el potencial sobre cualquier carga. 4. Al

producirse

un

desequilibrio en

la

carga,

no

motiva

asimetría del flujo, por producirse un reparto entre las tres columnas del primario. Las ventajas que esta conexión presenta y los escasos inconvenientes motivan la utilización de este transformador tanto en trasmisión como en distribución de energía.

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DESVENTAJAS:

1. La falla de una fase deja fuera de operación al transformador. 2. No se dispone de neutro en el primario para conectarlo con la tierra. Esto no es precisamente un inconveniente, pues, por lo general en el circuito del primario del transformador hay una toma de tierra, sea en el generador, sea en el secundario del transformador elevador de tensión. 3. El devanado en delta puede ser mecánicamente débil. 4. Debido al desplazamiento que existe en las fases entre las mitad es de los enrollamientos, que están conectados en serie para formar cada fase, los enrollamientos que están en estrella interconectadas, requieren de un 15.5% más de cobre, con el consiguiente aumento del aislamiento total. 5. El tamaño

del armazón,

debido a

las razones

expuestas

anteriormente, es mayor con el aumento consiguiente del coste del transformador. (Ras Oliva, 1988, p. 185.)

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Figura 7.1 transformador trifásico

18

En la actualidad algunas de las importantes empresas de regulación de voltaje son INDUSTRIONIC, SOLA – BASIC y VOGAR.

La mejor tecnología con la que trabaja estas empresas son los transformadores de mayor capacidad para su regulación de hasta 330KVA por fase, así teniendo un diseño de 1000KVA trifásico, además de un transformador de aislamiento a la entrada normalmente delta – estrella, para así poder tener un neutro nuevo únicamente para el acondicionador.

Su tecnología de regulación es por medio de microcontrolador en su mayor parte de gama de regulación. La mayoría del diseño y cualidades que ofrece es idéntica al de nuestra marca, por ejemplo rango de entrada del regulador de +- 15% y a la salida de la regulación de un +- 3%, así como también contar con supresores de pico como los varistores de 4000 a 1000 Vp y también tener reguladores a diferentes voltajes (120/208, 127/220, 220/380, 254/440, 265/460, 277/480) Rms, tiempo de respuesta de 0.5 ciclos (8.33ms) eficiencia de 99%, distorsión armónica menor que 1 % THD, calor generado: 2 Btu por KVA aproximadamente, frecuencia de trabajo de 50/60 Hz +- 2%, sistema eléctrico : Estrella ( Y ) y en algunos modelos: puerto serial y desplaye de cristal líquido.

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Figura 7.2 Transformador trifásico.

VIII. Plan de actividades.

Figura 8.1 Diagrama de Gantt.

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IX. Recursos materiales y humanos. Tabla 9.1 recursos materiales. Material 1

Descripción

Osciloscopio Tektronic DPO 3034

Osciloscopio pantalla cuatro

a

con color

canales

de con

puntas de voltaje hasta 150V 2

Multímetro FLUKE -179

Multímetro versátil para la asistencia técnica en instalaciones. las

Cumple

normativas

categoría

de

de

medida

1000 V CAT III y 600 V CAT IV. Puede resistir impulsos

de

tensión

transitoria con más de 8000 V, garantizando la protección

contra

sobretensiones y picos de tensión.

21

3

Multímetro de banco GwINSTEK

Multímetro

Digital

de

Banco de 5 1/2 Dígitos; 200,000 cuentas; RMS AC+DC;

Auto

Rango,

cuenta con conexiones USB y RS232. Modelo GW Instek GDM-8255A

4

Fuente de voltaje DC

Fuente de voltaje DC con regulador lm7805

5

Transformador de señal

Transformador de señal

254V

voltaje nominal 254VCA – 6.3VDC

6

Cámara termográfica Flir 320×240 de resolución a serie E.

60

Hz

imágenes

para en

capturar tiempo

real, precisión de +_2% de lectura, pantalla táctil, puntero

22

laser,

fusión

térmica. 7

Variak

Variador

de

voltaje

alterno de 0V a 148V.

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Figura 9.2 Organigrama de la empresa VOGAR.

Dirección general

Calidad

Financiero

R.H

Contabilidad

Contrataciones

Administración

Jefatura de servicio

Producción

Jefatura de servicio

Mantenimiento

Limpieza

Control

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Marketing

Comercial

Imagen y comunicación

Soporte y Desarrollo

Nuevos Proyectos

X. Desarrollo del proyecto.

10.1 Investigación del problema. Se realiza una investigación previa acerca de altos voltajes en redes eléctricas industriales. Esto se relaciona con los problemas de fallas del equipo trifásico LAN – 3120 para poder buscar una solución. Así como también se investiga de los tiristores SCR’s comerciales que se utilizan en este equipo de 120 KVA. Información del producto para Semikron SKKH72 / 22E Semikron Híbrido SCR-Diode módulos de potencia, Serie SKK Artículo # SKKH72 / 22E - MÓDULO DE ENERGÍA 70ª, 2200V, SCRDIODE SKK Información de la serie 

Siete Circuitos SCR y diodos estándar



El bloqueo de voltajes a 1800 voltios



1000 v / nos dv / dt Disponible



3000 Vrms Aislamiento



Paquetes de Estándares en la Industria

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Estos módulos SCR y diodos vienen en paquetes estándar de la industria que ofrecen

siete

circuitos

diferentes. Los

módulos

pueden

ser

utilizados

individualmente o como bloques de construcción de control de potencia. Su alta eficiencia térmica asegura una larga vida y un rendimiento fiable. Siete tamaños de paquetes diferentes permiten una corriente de salida máxima de 1.180 amperios para módulos de diodos estándar y 360 amperios para las versiones de recuperación rápida. Voltajes de bloqueo están disponibles tan alto como 2.200 voltios para diodos estándar y 1.700 voltios para los módulos de recuperación rápida.

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Se presenta un problema en equipo VOGAR en el cual prematuramente se están dañando dispositivos de potencia SCR’s en lo que son las derivaciones 2 y 4 ya que son los de mayor uso para la regulación. Se quiere solucionar el problema teniendo un sistema de detección en el momento de altas tensiones de estas derivaciones. No se propone otra solución en cuanto a sustitución de estos dispositivos por otros dado que son los de mayor valor de voltaje VRms que pueden soportar además del costo bajo.

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Figura 10.1 SCR 18E.

Figura 10.2 Disipador de módulo SCR’s.

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A medida que las poblaciones, la industrialización de las ciudades y el avance de la tecnología crecen, la exigencia por una mejor oferta de servicios es creciente. Al consumir más energía, el país se enfrenta a una potencial sobrecarga de consumo en la red eléctrica, lo que posteriormente acarrea el inevitable problema de la bien conocida variación de voltaje.

¿Qué son los picos de voltaje? Los picos de voltaje son corrientes o tensiones que se generan a partir del voltaje normal. En México la medida de voltaje es de aproximadamente 120 +15%, pero en muchas ocasiones este nivel puede ser rebasado dañando los equipos o aparatos electrónicos. Una de las soluciones más prácticas para evitar el daño de un equipo por picos de voltaje es la adicción de supresores de picos de voltaje

10.2 Propuesta de mejora. Para un equipo trifásico de 120 KVA de la marca VOGAR se propone un sistema de detección en tiempo real de picos de voltaje, por antecedentes de fallas en dispositivos de potencia (tiristores SCR), debido

a altos voltajes.

Basándose en detectores de nivel de voltaje se pretende elaborar un diseño que se acople a los voltajes de funcionamiento (440V) del equipo.

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La propuesta debe contar con respuesta en tiempo real mandando señales de salida según el comportamiento normal o anormal de los dispositivos, después de esto la señal se manipula de tal forma que se añada a la tarjeta de regulación JFC 5 – 05 II, cambiando así por medio de sus integrados manipular las señales de los tiristores.

Figura 10.3 Tiristor SCR Para la solución a detección de picos de voltaje, se propone un detector de nivel de voltaje utilizando componentes discretos. Este detector de nivel de voltaje está encargado de indicar por medio de señales de 0VDC o 8VDC si la entrada de referencia es superior o es estable.

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Figura 10.4 Diagrama de tarjeta.

10.3 Desarrollo de prototipo. El diseño que será elaborado es con un comparador LM339 y una compuerta AND CD4073. Como se desea manipular un voltaje de CA se utilizan dos transformadores de señal donde de un voltaje nominal de 254V se reduce a 6.3V para poder así utilizar este voltaje de referencia y de ahí basarse en los límites de sobretensión, una vez adquirido este voltaje, se hace por medio de un puente rectificador la conversión de CA a DC.

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El diseño queda establecido y se comienza el armado, por lo cual se calculan los valores de resistencia que tendrá que llevar para poder establecer por medio de un divisor de tensión el valor de referencia con que él se compara el valor de entrada de los transformadores, una vez que este valor rebase al de referencia su estado de voltaje cambia para poder así mandar la señal a una compuerta AND de tres entradas. Cálculos Los primeros cálculos se realizan para que en 350V de AC se realice el cambio de flanco de bajo a alto.

Con el valor de 8 VDC se realizan los cálculos del divisor de tensión. Divisor. Se propone el valor de 1000 ohm de R6. 𝑅6

(𝑅6+𝑅7 )(8) = 𝑉𝑜𝑢𝑡 (4.3) 1000

(1000+𝑅7 ) =

4.3 8

4.3 (1000 + 𝑅7) = 𝑅6 8

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4.3(1000 + 𝑅7) = 1000 8 1000 −

4.3 4.3 (1000) = (𝑅7) 8 8

4.3 1000 − 8 (1000) = 𝑅7 4.3 8 R7 = 860.4 ohm.

Ahora considerando las condiciones de prueba de 350 V aún un voltaje estable, se sugiere por parte del ingeniero hacer ahora los cálculos para 450V o arriba de este voltaje que ya son condiciones anormales. Para conocer el valor de voltaje de DC al que se quiere referenciar se conecta la tarjeta al transformador de señal y se sube el voltaje a 450 V y en la entrada positiva del OPAM se mide el voltaje que marca para que sea la referencia.

El voltaje medido DC de referencia es de 6.4V, este es el valor de referencia que se toma para que sea comparado con el de la entrada del transformador. Divisor.

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𝑅6

(𝑅6+𝑅7 )(8) = 𝑉𝑜𝑢𝑡 (6.4) 1000

(1000+𝑅7 ) =

6.4 8

6.4 (1000 + 𝑅7) = 𝑅6 8 6.4(1000 + 𝑅7) = 1000 8 1000 −

6.4 6.4 (1000) = (𝑅7) 8 8

6.4 1000 − 8 (1000) = 𝑅7 6.4 8 R7= 250 ohm.

En esta imagen de la tarjeta los valores de las resistencias que corresponden son R13, R6, R7, R14.

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Figura 10.5 Esquema de los componentes de la tarjeta.

En seguida se determinan los valores de las resistencias a las salidas de los operacionales que en realidad será la ganancia, se propone inicialmente utilizar ganancia de 10 para que al momento del cambio de estado sea inmediato y evitar una rampa de voltaje.

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10.4 Pruebas de funcionamiento (independiente). Para

iniciar

las

pruebas

de

la

tarjeta

primero

se

realiza

independientemente etapa por etapa se asegura que los dos transformadores de prueba sean 254V – 6.3V.

Figura 10.6 Tarjeta de detector de voltaje.

36

Figura 10.7 Prueba de funcionamiento de la tarjeta.

Figura 10.8 Prueba de funcionamiento de la tarjeta.

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Figura 10.9 Prueba de funcionamiento de la tarjeta.

Una vez teniendo voltaje de entrada se conecta y en seguida se verifica el voltaje a la salida del rectificador de diodos 6.2VDC, por consiguiente se mide en el nodo de las resistencias de 1K y 4.7K donde se mide un voltaje de 3.8VDC esto antes del diodo Zener, después del diodo se asegura tener un voltaje de 3.2VDC que será la entrada positiva del operacional por lo tanto es el voltaje que será variado dependiendo de los sobre-voltajes.

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Figura 10.10 Diagrama de diseño en Proteus.

Las mediciones anteriores se realizan suponiendo que el regulador este a un voltaje adecuado de funcionamiento 440V – 254V.

Para comprobar que la tarjeta realice los cambios esperados se comienza a subir el voltaje por medio de un variador (Variac) llegando a un voltaje de 400V, entonces la tensión a la salida del transformador es de 14.5V ya no 6.3V por lo tanto ahora el voltaje que se tendrá a la entrada positiva del operacional será de 6.4VDC, sabiendo esto ahora se tiene que el voltaje de

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referencia tendrá que ser de 6.4 VDC para que en el momento que sobrepase esto sea el cambio de estado. Ya con los cálculos anteriores de las resistencias se realizarán las nuevas pruebas teniendo como referencia 400V. Las pruebas con este diseño se finalizan, pero se hace una observación de una mejora ahora en la tarjeta para poder evitar cuatro transformadores de señal y dos tarjetas de este diseño, ya que la manera en que se elaboró solo es para una derivación de dos. Dado que se necesitan juntar las tres señales al final en la AND de tres (s1,s2,SF), pero se analiza y la problemática no se presenta cuando las dos derivaciones están en alto voltaje ya que solo se podrá presentar alto voltaje en uno (cualquiera de los dos, derivación 2 o 4), por resultado se rediseña la tarjeta ahora teniendo independiente las dos señales en dos NAND de dos (s1,SF) y (s2,SF) se selecciona la decisión de una compuerta NAND por que los valores queremos que corten la señal en esta derivación , no que mande el pulso.

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A continuación se presenta el siguiente diseño de nueva modificación.

Figura 10.11 Diagrama de nuevo circuito.

En la imagen anterior se muestra el nuevo diseño donde se sustituyó la AND de tres por una compuerta NAND de dos para poder tener las dos señales independientes en lugar de una única. Se realizan nuevas pruebas de funcionamiento con este diseño comenzando en un módulo independiente.

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Figura 10.12 PCB de tarjeta.

Los valores de las resistencias anteriores se mantienen igual por lo tanto no alteran los cálculos anteriores la única modificación del diseño es la salida en

donde se sustituye un integrado CD4073 por un 74LS00, el valor de

alimentación de este integrado es de 4.75VDC a 5.25VDC, por lo mismo se hace un divisor de tensión para obtener 5 VDC para alimentación única de éste ya que todo el circuito se encuentra alimentado a 8VDC.

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Figura 10.13 Tarjeta funcionando. El circuito es alimentado por 8VDC desde la tarjeta de regulación, así como tambien la señal de 6.3 VDC de SF, (señal de encendido del equipo).

La señal del tranformador llega directo de un divisor de tensión de un esnuber donde se recibe los 350 VCA en funcionamineto adecuado. La tarjeta de esnuber es un conjunto de varistores puestos en serie con con dos capacitores en paralelo para supresión de picos.

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Figura 10.14 Tarjeta de Esnuber.

Figura 10.15 Tarjeta de Esnuber parte inferior.

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Figura 10.16 Tarjeta de sensado, transformador de señal y esnuber.

Aquí se muestran los tres principales componentes de la propuesta, transformador de señal 254V, tarjeta de sensado y tarjeta de esnuber.

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Figura 10.17 Tarjeta de Regulación.

A continuación se muestran los valores medidos con un multímetro de la salida de cada compuerta.

Figura 10.18 Toma de lectura de la tarjeta.

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En la imagen se muestra

la primera salida cuando el voltaje se

encuentra bajo, el trasformador está conectado en el esnuber de la derivación 4. Cuando la primera derivación está funcionando la carga de tensión recae sobre la derivación 4 dado que es el que se encuentra en funcionamiento en ese momento ya que está elevando el voltaje. Se muestra una señal de 0.173VDC que representa un cero lógico, por lo tanto se encentra cortando la señal para suspender el funcionamiento de esta derivación.

Figura 10.19 Tarjeta de Regulación.

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Este es el funcionamiento de la tarjeta de regulación, como se observa se encuentra en la derivación 1.

Figura 10.20 Toma de lectura de la tarjeta.

Una vez en el cambio de derivación (2, 3, 4,5) cambia el estado de la salida de 0 lógico a 1 lógico con un voltaje de 4.6 VDC.

En esta prueba se realiza con un solo transformador de señal para verificar independientemente las señales. A continuación se muestra la otra entrada conectada a otro transformador.

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Figura 10.21 Toma de lectura de la tarjeta segunda entrada.

49

Figura 10.22 Toma de lectura de la tarjeta segunda entrada.

Como se muestra se verifica el funcionamiento de las dos salidas y las dos entradas y se encuentra funcionando correctamente.

Adelante se muestra

el funcionamiento con dos transformadores de

señal conectados.

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Figura 10.23 Tarjeta funcionando con los dos transformadores.

Se terminan de hacer mediciones y se corrobora que la tarjeta está realizando su funcionamiento correctamente, se da por aprobada la tarjeta. Solo queda probarla en un equipo completo con sus tres tarjetas una para cada fase.

Lo siguiente que se hace es la modificación de bobinas auxiliares del módulo para reducir picos de corriente.

51

Figura 10.24 Módulo funcionando.

Se pretende modificar las bobinas de tal manera que se reduzcan hasta un 25% más los picos de corriente.

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Se realizan las mediciones de los cambios en el instante de las derivaciones 2 y 4 por lo cual se coloca una punta de corriente en la derivación 1 y en la 2 para apreciar en el instante del cambio. Los resultados son los siguientes.

Figura 10.25 Toma de lectura de picos de corriente 1 a 2.

En la imagen se muestra el cambio de derivación 1 a 2 así arrojando un pico de hasta 163 A y de 82 A. Este caso se presenta cuando en la bobina de la derivación 1 es de 0.1315mH y la bobina de la derivación 2 es de 0.5051mH.

53

En seguida se muestra el cambio de la derivación 5

al

4.

Figura 10.26 Toma de lectura de picos de corriente 5 a 4.

En la imagen se muestra el cambio de derivación 5 a 4 así arrojando un pico de hasta 119 A y de 69 A. Este caso se presenta cuando en la bobina de la derivación 4 es de 1.2481mH y la bobina de la derivación 5 es de 15831mH.

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En seguida se hace el cambio de puntas de la bobina auxiliar (derivación 1 por derivación 5 y derivación 2 por derivación 4) para poder observar si se realiza un cambio mejor en la reducción de picos. Los resultados son los siguientes.

Figura 10.27 Toma de lectura de picos de corriente 1 a 2.

En la imagen se muestra el cambio de derivación 1 a 2 así arrojando un pico de hasta 121 A ya en lugar de 163 A como en la prueba anterior y de 82 A

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61 A. Este caso se presenta cuando en la bobina de la derivación 1 es de 0.1314mH y la bobina de la derivación 2 es de 0.5051mH. En seguida se muestra el cambio de la derivación 5

al

4

Figura 10.28 Toma de lectura de picos de corriente 5 a 4 .

En la imagen se muestra el cambio de derivación 5 a 4 así arrojando un pico de hasta 135 A en lugar de 119 A y de 83 A en lugar de 69 A. Este caso se presenta cuando en la bobina de la derivación 4 es de 1.2481mH y la bobina de la derivación 5 es de 1.5831mH. Por lo que se recomienda hacer nuevas bobinas de mayor diámetro aproximadamente de 1.5mH para bobina 1 y de ahí tomarla como la mínima para tener una mayor reducción de picos de corriente

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ya sea para los cambios de derivación de 1 a 2 o de 5 a 4. Esto se recomienda por que con esta medida de inductancia fue como se encontró una mayor mejora en la reducción de picos de corriente.

Para pruebas de funcionamiento es necesario hacer una adquisición de datos de los voltajes que se registren por tiristores (SCR) para así tener en cuenta los valores altos y bajos que se producen en un cambio drástico de derivación y así tener en cuenta el rango de trabajo que estará operando la tarjeta. Para esto se propone una adquisición de datos por medio del software Labview, para tener un registro en tiempo real de cada dato, por lo menos cada 500 milisegundos y se guarda los registros en un archivo. Se propone para las pruebas de funcionamiento en el laboratorio como se mencionó antes para registrar el rango de trabajo del módulo de 120 KVA con/sin carga.

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10.29 Propuesta de adquisición de datos lectura analógica.

10.30 Diagrama de Bloques.

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10.31 Diagrama de Bloques.

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XI. Resultados obtenidos.

Como resultados se obtiene un diseño de tarjeta final donde satisfactoriamente se cumple con lo esperado, mandar una señal de alto o bajo dependiendo del estado en el que se encuentre funcionando el regulador, de tal manera se cumplen las condiciones de mandar una señal de 0 VDC en caso de sobre pasar la tensión para cortar la señal y suspender, en esta derivación, el funcionamiento del regulador, al cambiar de derivación se cumple la otra condición de mandar 5 VDC y dejar el regulador en su funcionamiento actual, de esta manera se cumple el objetivo de no tener en sobre tensión los tiristores SCR para evitar de esta manera, daños en las derivaciones 2 y 4. Con esto se espera que solo se dañen los dispositivos por tiempo de fabricación así, se reduce hasta 40 % de daños. Se elabora una propuesta para adquisición de datos únicamente para pruebas de funcionamiento en laboratorio

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XII. Conclusiones y recomendaciones.

El proyecto se concluye satisfactoriamente cumpliendo con las condiciones especificadas al inicio de éste por lo tanto lo que quedaría en fase de espera sería que el departamento de diseño, si desea que esta tarjeta salga a producción, tendrá que adaptar la señal a la tarjeta de regulación principal para poder ponerlo en marcha como un solo diseño en este regulador de 120 KVA, así como hacer una adaptación del gabinete o reacomodo de este para poder adaptarla a las conexiones.

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XIII. Anexos. 1.- Data Sheet LM 339.

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2. Data Sheet. CD4073.

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3.- Data Sheet. DB 102.

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4.- Data Sheet LS7400.

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XIV. Bibliografía.

Bibliografía Donate, A. H. (1990). Principios de Electricidad y Electrónica. Marcombo.

Nashelsky, B. (1985). Electrónica Téoria de Circuitos. Pearson Educación.

Peitado, M. (2005). Protección Electónica. Marcombo.

Tecnología Ferroresonante. (s.f.). Obtenido de http://regulaciontotal.blogspot.mx/2014/06/que-es-exactamente-la-tecnologiaferro.html, consulta: Abril 2015

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