UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR

DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE MODELO PARA ELEVACIÓN EN GRÚAS Y

ASCENSORES CON VARIADORES DE VELOCIDAD

Por: ANTONIO G. RODRÍGUEZ A.

INFORME DE PASANTÍA Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar

como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Electricista

Sartenejas, Enero de 2009

UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR

DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE MODELO PARA ELEVACIÓN EN GRÚAS Y

ASCENSORES CON VARIADORES DE VELOCIDAD

Por: ANTONIO G. RODRÍGUEZ A.

Realizado con la asesoría de: Tutor Académico: Prof. José H. Vivas Tutor Industrial: Ing. Enma Medina

INFORME DE PASANTÍA Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar

como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Electricista

Sartenejas, Enero de 2009

iv

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE MODELO PARA ELEVACIÓN EN GRÚAS Y

ASCENSORES CON VARIADORES DE VELOCIDAD

POR

ANTONIO G. RODRÍGUEZ A.

RESUMEN

El presente proyecto se desarrolla en la empresa Schneider Electric Venezuela, S. A.

como una forma de impulsar la actividad de variación de velocidad en los mercados

industriales, de energía e infraestructura, asociados con el uso de grúas y ascensores. En las

aplicaciones relacionadas al transporte de personas y carga, el movimiento de elevación es

parte fundamental del funcionamiento. Para realizar elevaciones eficaces, seguras, y lo más

eficientes posibles, es necesario contar con métodos de control que permitan no solo

modificar a voluntad la velocidad del movimiento, sino proporcionar medios para proteger a

las personas y equipos involucrados, así como garantizar el manejo de las variables mecánicas

y eléctricas según los requerimientos de la aplicación. A lo largo del desarrollo del trabajo se

estudian los fundamentos teóricos presentes en la elevación utilizando motores eléctricos de

inducción y variadores de velocidad como elementos principales, se especifica el diseño de un

modelo capaz de demostrar elevaciones bajo condiciones similares a las que se consiguen

normalmente en las industrias, y se ejecuta su construcción garantizando que se cumplen

requerimientos técnicos y económicos, que permiten utilizar el modelo en demostraciones y

entrenamientos asociados a los variadores de velocidad en los mercados de interés. Asimismo

se realizan pruebas de funcionamiento, comparaciones técnicas y económicas con modelos

similares en otros países, y se concluye en las posibilidades del uso del modelo construido

para mejorar el desempeño técnico de grúas y ascensores.

v

A mis padres, sin quienes lograr una carrera

habría sido imposible, por todo su apoyo prestado a lo

largo de estos años y especialmente durante el periodo de

pasantía. Son y serán una inspiración para permitirme

mejorar cada día.

vi

AGRADECIMIENTOS Y RECONOCIMIENTOS

A la Universidad Simón Bolívar, profesores, personal administrativo, obreros,

estudiantes e instalaciones, por convertir un adolescente en un profesional preparado,

consciente, y siempre en búsqueda del ideal de excelencia.

A mis padres una vez más, por su ayuda incondicional en lo moral, económico, social,

técnico, y académico. A mi madre por sus sacrificios por darme una educación.

A mis amigos dentro y fuera de la universidad, Luis Guzmán, Licel Codeghini, Simón

Siher, Óscar Salgado, Juan Pablo Castillo, Ronny Díaz, entre otros. Su apoyo constante en las

buenas y las malas hacen posible cualquier sueño.

A los profesores Juan Pino, José Vivas, Antonio De Santis, entre otros por su

colaboración particular en mi carrera y la pasantía desarrollada.

A los compañeros en Schneider Electric Venezuela S. A., José Sabas, Denis Sanchez,

Marcel Castro, Alexander González, Enma Medina, Homero Álvarez, Jose Luis Orive, entre

muchos otros. Su colaboración y enseñanzas me permitieron alcanzar las metas del proyecto y

hacer la transición al mundo real de la ingeniería.

vii

ÍNDICE GENERAL

ÍNDICE DE TABLAS ........................................................................................................ ix ÍNDICE DE FIGURAS ....................................................................................................... x LISTA DE SÍMBOLOS Y ABREVIATURAS ................................................................ xii INTRODUCCIÓN ............................................................................................................... 1 Antecedentes y planteamiento del problema ........................................................... 1 Objetivo General ...................................................................................................... 2 Objetivos específicos ............................................................................................... 2 Metodología de trabajo ............................................................................................ 2 CAPÍTULO 1 DESCRIPCIÓN DE LA EMPRESA ............................................................................... 5

1.1 – Identificación ................................................................................................. 5 1.2 – Reseña histórica ............................................................................................. 6 1.3 – Organización .................................................................................................. 7

CAPÍTULO 2 EL MOVIMIENTO DE ELEVACIÓN EN GRÚAS Y ASCENSORES ...................... 9 2.1 – Grúas y elementos afines .............................................................................. 10 2.1.1 – Particularidades de la elevación en grúas ...................................... 12 2.2 – Ascensores .................................................................................................... 13 2.2.1 – Particularidades de la elevación en ascensores .............................. 13 CAPÍTULO 3 MÁQUINAS DE INDUCCIÓN Y VARIADORES DE VELOCIDAD ...................... 15 3.1 – La máquina de inducción .............................................................................. 15 3.1.1 – Composición y funcionamiento ..................................................... 15 3.1.2 – Curvas características ..................................................................... 17 3.3 – Variadores de velocidad ............................................................................... 21 3.3.1 – Leyes de control ............................................................................. 22 CAPÍTULO 4 LA MAQUETA INDUSTRIAL DE ELEVACIÓN ...................................................... 24 4.1 – Motivación .................................................................................................... 24 4.2 – Antecedentes ................................................................................................. 24 4.3 – El mercado venezolano ................................................................................. 25 4.4 – Diseño preliminar del modelo a construir .................................................... 27 4.5 – El motorreductor ........................................................................................... 29 4.6 – Variador de velocidad Telemecanique Altivar 71 ........................................ 31 4.7 – Módulo motor ............................................................................................... 33 4.8 – Módulo carga ................................................................................................ 36 4.9 – Módulo variador ........................................................................................... 37 4.9.1 – Esquema de potencia ...................................................................... 37 4.9.2 – Esquema de control ........................................................................ 39 4.10 – Módulo estructura ....................................................................................... 42 4.11 – Construcción y modelo terminado .............................................................. 43 4.12 – Funciones utilizadas y configuradas ........................................................... 46

viii

4.13 – Aspectos económicos y de mercado ........................................................... 49 CAPÍTULO 5 PRUEBAS Y RESULTADOS ........................................................................................ 52 5.1 – Prueba a lazo abierto ..................................................................................... 54 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................ 60 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .............................................................................. 62 APÉNDICES Apéndice A – Coordinación de protecciones EcoDial© ........................................ 63 Apéndice B – Planos del motorreductor ................................................................ 68 Apéndice C – Manual de usuario ........................................................................... 69

ix

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 4.1 – Tabla completa de materiales y costos asociados ........................................... 50

Tabla 5.1 – Prueba a lazo abierto con carga 0 Kg. ............................................................ 54

Tabla 5.2 – Prueba a lazo abierto con carga 50 Kg. .......................................................... 55

Tabla 5.3 – Prueba a lazo abierto con carga 100 Kg. ........................................................ 55

Tabla 5.4 – Prueba a lazo abierto con carga 150 Kg. ........................................................ 55

x

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1.1 – Principales marcas representadas por Schneider Electric .................................. 5

Figura 1.2 – Sede principal Schneider Electric Venezuela S. A. ............................................ 6

Figura 1.3 – Organigrama directivo Schneider Electric Venezuela S. A. .............................. 7

Figura 1.4 – Organigrama de mercadeo Schneider Electric Venezuela S. A. ........................ 8

Figura 1.5 – Laboratorio de calidad y servicio en variación de velocidad ............................. 8

Figura 2.1 – Los cuadrantes de par y velocidad en las máquinas ......................................... 10

Figura 2.2 – Algunos tipos de grúas existentes .................................................................... 11

Figura 3.1 – La máquina de inducción (corte), estator y rotor ............................................. 16

Figura 3.2 – Zonas de operación de la máquina de inducción (J. M. Aller, 2008) .............. 16

Figura 3.3 – Curva par-deslizamiento de la máquina de inducción (A. Bueno, 2007) ........ 17

Figura 3.4 – Par y potencia ante variaciones en la tensión en M. I. (A. Bueno, 2007) ........ 18

Figura 3.5 – Par y potencia ante variaciones en la frecuencia en M. I. (A. Bueno, 2007) . .. 19

Figura 3.6 – Par y potencia ante variaciones v/f constantes en M. I. (A. Bueno, 2007) ...... 19

Figura 3.7 – Diagrama en bloques del controlador directo de par (A. Bueno, 2007) .......... 20

Figura 3.8 – Esquema básico de funcionamiento del variador de velocidad ....................... 22

Figura 4.1 – Modelo de demostración LEVAGE (Francia) ................................................. 25

Figura 4.2 – Variadores Altivar 31 en montaje de grúa IMPSA .......................................... 27

Figura 4.3 – Los cuatro módulos esenciales de la maqueta a construir ................................ 28

Figura 4.4 – Diagrama mecánico básico ............................................................................... 29

Figura 4.5 – Motorreductor SEW Eurodrive utilizado en el proyecto ................................. 31

Figura 4.6 – Variador de velocidad Altivar 71 ..................................................................... 32

Figura 4.7 – Chumacera tipo puente, eje 35mm ................................................................... 33

Figura 4.8 – Sensor de fin de carrera tipo “tornillo” para grúas ........................................... 34

Figura 4.9 – Planos de carrete y acople utilizados para la fabricación ................................. 34

Figura 4.10 – Resistencias de frenado. De elevación, de uso general .................................. 35

Figura 4.11 – Codificadores incrementales y su funcionamiento ........................................ 36

Figura 4.12 – Celda de carga, tipo tensión ........................................................................... 37

Figura 4.13 – Gabinete de compuesto de poliéster utilizado para control y protecciones ... 37

Figura 4.14 – Esquema de conexión de potencia utilizado .................................................. 39

Figura 4.15 – Esquema de conexiones de control utilizado ................................................. 41

Figura 4.16 – Velocidades y fines de carrera ....................................................................... 41

Figura 4.17 – Armario desarmable Himel utilizado en el proyecto ..................................... 42

xi

Figura 4.18 – Construcción del módulo variador ................................................................. 43

Figura 4.19 – El módulo estructura y el módulo variador .................................................... 44

Figura 4.20 – Refuerzo y montaje de módulo motor ............................................................ 44

Figura 4.21 – Montaje de módulo carga ............................................................................... 44

Figura 4.22 – Maqueta industrial de elevación ..................................................................... 45

Figura 4.23 – Pantalla ATV71, conexiones, y banco de prueba .......................................... 46

Figura 4.24 – El freno y la función lógica de frenado .......................................................... 47

Figura 4.25 – La tarjeta programable “controller inside” ..................................................... 49

Figura 5.1 – Prueba de funcionamiento básico .................................................................... 53

Figura 5.2 – Prueba básica de movimiento ........................................................................... 53

Figura 5.3 – Gráfica velocidad de referencia vs velocidad lineal para 0Kg y 150Kg .......... 56

Figura 5.4 – Gráfica velocidad de referencia vs potencia máxima de salida para 150Kg .... 57

Figura 5.5 – Gráfica velocidad de referencia vs par máximo para 150Kg ........................... 57

Figura 5.6 – Gráfica vel. de ref. vs temp. máx. en resistencia de frenado para 150Kg ........ 58

xii

LISTA DE SÍMBOLOS Y ABREVIATURAS

A Ampere / Amperios ATV Altivar CANopen Protocolo de comunicaciones de red de área controlada CIC Centro de Atención al Cliente cm Centímetros ENA Sistema de ahorro de energía F Fuerza g Fuerza de gravedad HP Horse power / Caballos de fuerza Hz Hertz IEC Comisión Electrotécnica Internacional IGBT Insulated gate bipolar transistor / Transistor bipolar de compuerta aislada Kg Kilogramos kV Kilovoltio kW Kilowatts / Kilovatios LCD Pantalla de cristal líquido m Masa m/min Metros por minuto m/s Metros por segundo m/s2 Metros por segundo cuadrado mA Miliamperios mm Milímetros Modbus Protocolo de comunicaciones Modicon N.m Newton metro P Potencia PLC Controlador Lógico Programable ppr Puntos por revolución rpm Revoluciones por minuto T Par mecánico v Velocidad lineal V Voltios VAC Voltios en corriente alterna VDC Voltios en corriente contínua VFD Variable frecuency drive / Variador de frecuencia VSD/VVD Variable speed drive / Variador de velocidad W Watts / Vatios Ω Ohm / Ohmios ω Velocidad angular

1

INTRODUCCIÓN

Antecedentes y planteamiento del problema

En las industrias de elevación de cargas tanto en grúas como en ascensores el

movimiento de elevación (movimiento vertical o izamiento) es de vital importancia, pues

debe permitir el desplazamiento de un móvil bajo condiciones particulares de forma segura.

Se debe tener en cuenta que éste presenta una serie de particularidades que hacen que su

diseño y manejo no sea simple. Al realizar la elevación utilizando motores sin ningún tipo de

control aparecen inconvenientes a nivel técnico, económico y de seguridad para los

operadores y las mismas cargas elevadas tales como: la ausencia de control sobre la

velocidad, la falta de par en las etapas de arranque, la imposibilidad de sostener las cargas en

condiciones particulares del movimiento, la existencia de movimientos bruscos durante el

desplazamiento, la duración del ciclo de traslado, entre otras. ¿Cuál sería la metodología que

permite realizar dicho desplazamiento evitando los problemas mencionados?

El uso de variadores de velocidad como medios de control de motores puede ser una

solución al problema propuesto, sin embargo se debe además estudiar el problema desde el

punto de vista práctico para las empresas venezolanas que utilizan las grúas (y ascensores),

logrando así adaptar la solución a la realidad de la industria nacional para hacerla más

competitiva.

De esta forma se presentará el desarrollo de una maqueta industrial de elevación,

como un modelo que incorpore los variadores de velocidad y otros componentes tanto

mecánicos como de automatización y control, que permita realizar un estudio particular de

caso para analizar el problema y concluir en una solución. Adicionalmente se desea que el

desarrollo de la maqueta permita su uso posterior para entrenamientos, demostraciones y la

posibilidad de continuar desarrollando mejoras a las soluciones asociadas a los variadores de

velocidad.

2

Objetivo general

Diseñar y construir un modelo o maqueta industrial que permita estudiar los problemas

y soluciones asociados al movimiento de elevación en grúas y ascensores, valiéndose para

ello de variadores de velocidad como elementos principales de control.

Objetivos específicos

• Estudiar el movimiento de elevación de cargas y sus particularidades, orientado a

las grúas y los ascensores.

• Estudiar el principio de funcionamiento de los variadores de velocidad como

herramientas de control de motores, así como las leyes de control asociadas.

• Investigar la realidad actual de las industrias de elevación del país, así como los

inconvenientes principales y posibles mejoras.

• Diseñar un modelo o maqueta que permita estudiar las ventajas de la utilización de

variadores de velocidad en la elevación de cargas de forma práctica y segura,

considerando además su facilidad de traslado para entrenamientos y

presentaciones.

• Realizar los planos del diseño.

• Definir la procura de los materiales asociados al modelo diseñado.

• Construir la maqueta industrial.

• Realizar pruebas documentadas que demuestren las formas de solucionar los

problemas del izamiento de cargas utilizando la maqueta construida.

• Crear los manuales de uso, pruebas y mantenimiento asociados.

Metodología de trabajo

Para cumplir con los objetivos propuestos, y siguiendo el plan de trabajo previamente

establecido (ver anexos) en los tiempos definidos (20 semanas), es necesario trazar una

metodología o estrategia de trabajo a realizar a lo largo de la pasantía.

3

De esta forma se acordó comenzar el trabajo realizando ensayos a pequeña escala, con

pequeños motores y variadores de poca potencia, para aprender las bases de la variación de

velocidad y las diferencias entre las elevaciones controladas y no controladas. Posteriormente

se procedería a investigar la industria venezolana de grúas y ascensores a través de visitas a

los fabricantes y documentación técnica en estos temas, así como los antecedentes de

proyectos similares a nivel nacional e internacional. Con esto sería posible definir un diseño

para el modelo a construir, proceder a la procura de los materiales, y efectuar la construcción.

Finalizando el proceso con las pruebas de funcionamiento que permitan analizar los

resultados logrados.

Sin embargo en función de las limitaciones encontradas este plan fue adaptado para

cumplir con los plazos establecidos, alterando el orden en que se realizarían las actividades.

Entre las limitaciones mencionadas se puede considerar:

• Disponibilidad de material práctico (equipos) para realizar ensayos preliminares del

estudio

• Plazos asociados a la importación de las partes necesarias en el proyecto

• Presupuesto disponible para la realización del proyecto

• Precios de importación dependientes del cambio monetario internacional

• Necesidad de adaptación de las piezas para su correcta implementación en el caso

particular del proyecto

En el desarrollo de los siguientes capítulos o secciones del trabajo se encontrarán los

siguientes temas a tratar. En el capítulo 1 se describirá brevemente la empresa donde se llevó

a cabo la pasantía. Posteriormente en los capítulos 2 y 3 se estudiaran los conceptos básicos

necesarios para la comprensión del proyecto realizado: grúas y ascensores, características

particulares del movimiento de elevación con un enfoque electromecánico, la máquina de

inducción como elemento principal de accionamiento, los variadores de velocidad, reseña

histórica de la forma como se ha controlado la velocidad de las máquinas hasta nuestros días,

y las leyes de control asociadas. Luego para el capítulo 4 se presentará la maqueta industrial

de elevación como solución al problema planteado, antecedentes, situación del mercado

venezolano, diseño, definición y procura de materiales, así como las características y

particularidades de su construcción. Finalmente en el capítulo 5 se reportarán las pruebas de

funcionamiento realizadas y resultados finales. Cerrando el informe con las respectivas

4

conclusiones que permitan dar una idea global del cumplimiento de objetivos y actividades

alcanzado.

CAPÍTULO 1

DESCRIPCIÓN DE LA EMPRESA

1.1 - Identificación

La empresa Schneider Electric Venezuela S. A. es la representante en el país del

grupo internacional Schneider Electric. Sus operaciones están dedicadas a la importación,

venta y asesoría de productos, soluciones y servicios en el marco de la industria eléctrica,

particularmente en niveles de baja y media tensión. Actualmente está posicionada como la

primera empresa del mundo en baja tensión y control industrial, la segunda en media tensión

y ultraterminal, y la tercera en automatización industrial. Cuenta con una facturación anual de

alrededor de 10 millardos de euros y se encuentra presente en 130 países, con más de 190

fábricas y 74 mil empleados, proporcionando los más elevados niveles tecnológicos, y de

conformidad con los principales estándares de calidad internacionales.

Cuenta con tres grandes marcas internacionales: Merlin Gerin, Square D y

Telemecanique, y más de setenta marcas locales entre las que encontramos en Venezuela:

Prime, APC, Pelco, entre otras (Figura 1.1). A partir del año 2008 la empresa fusionó la

mayoría de las marcas representadas bajo el nombre “Schneider Electric” para unificar la

visión ante los clientes e impulsar el valor de mercadeo.

Figura 1.1 – Principales marcas representadas por Schneider Electric

6

Actualmente en Venezuela Schneider Electric cuenta con una sede principal en la

ciudad de Guatire (Figura 1.2) donde se encuentra un almacén y edificio de oficinas, así como

una sede auxiliar para servicios y adaptaciones, ocupando dos galpones en ubicaciones

distintas que cubren en conjunto una parcela de más de 2000m2. Adicionalmente la empresa

cuenta con oficinas comerciales en las ciudades de Caracas, Valencia, Barquisimeto,

Barcelona y Pto. Ordaz, así como representantes comerciales y una gama de distribuidores,

tableristas e integradores asociados a lo largo del territorio nacional que permiten una relación

más eficiente con los clientes finales.

Figura 1.2 – Sede principal Schneider Electric Venezuela S. A.

1.2 - Reseña histórica

Schneider Electric es una empresa de origen francés, que nace de la visión de un grupo

de hermanos que dedicaron su vida a la investigación de la electricidad y lograron explotar el

potencial de la industria inicialmente en los Estados Unidos y Francia.

En Venezuela Telemecanique inicia la comercialización de los productos en 1977, con

una planta en Barquisimeto y una línea de producción de contactores. Merlín Gerin inicia

sus operaciones en 1990, con la comercialización en directo de tableros y soluciones en

Distribución Eléctrica. En 1994 se crea Schneider en Venezuela, ofreciendo productos y

soluciones de las marcas Merlin Gerin, Square D y Telemecanique, ampliando las actividades

a la fabricación y comercialización de tableros en media y baja tensión, así como los centros

de control de motores. En 1999 el nombre de la empresa pasa a ser Schneider Electric

7

Venezuela S.A. Para 2004 las operaciones son trasladadas a la sede de Guatire, a la vez que se

emprende una nueva forma de hacer negocios confiando a socios estratégicos nacionales la

fabricación de tableros y soluciones en media y baja tensión. Simultáneamente se crea el

Centro de Información al Cliente (CIC), para brindar una respuesta rápida y eficaz a los

requerimientos de los clientes.

1.3 - Organización

Administrativamente la empresa está divida en cuatro direcciones: mercadeo y

desarrollo de negocios; ventas y cuentas estratégicas; operaciones; y servicios. Además de las

divisiones de Recursos humanos; y finanzas y control (Figura 1.3).

Figura 1.3 – Organigrama directivo Schneider Electric Venezuela S. A.

A su vez cada dirección se divide en actividades y departamentos. Entre las

actividades de la dirección de mercadeo se encuentra la de Potencia Segura y Variación de

Velocidad, que fue donde se realizó la pasantía. Dicha actividad tiene como gerente al Ing.

Alexander González, y como responsable de Variación de Velocidad a la Ing. Enma Medina,

quien fue la tutora industrial de la pasantía desarrollada (Figura 1.4).

El espacio asignado para desarrollar las actividades de la pasantía fue el Laboratorio

de Calidad y Servicio en Variación de Velocidad (Figura 1.5), ubicado en la sede de Guatire.

8

Figura 1.4 – Organigrama de Mercadeo Schneider Electric Venezuela S. A.

Figura 1.5 – Laboratorio de Calidad y Servicio en Variación de Velocidad. Schneider Electric Venezuela

CAPÍTULO 2

EL MOVIMIENTO DE ELEVACIÓN EN GRÚAS Y ASCENSORES

Muchas industrias nacionales e internacionales, así como los equipos de movimiento

de personas y carga, requieren el desplazamiento de objetos o materiales de un lugar a otro.

En aquellos casos donde el peso de los móviles es apreciable se requiere de medios

electromecánicos o hidráulicos para conseguir el desplazamiento, pues hacerlo sólo por

medios mecánicos o simplemente con mano de obra resultaría imposible, impráctico,

ineficiente o poco económico.

De acuerdo a los cuadernos técnicos consultados las grúas y ascensores, al igual que

las cintas transportadoras y otros accionamientos similares, son aplicaciones donde la carga es

del tipo par constante (D. Clenet, 2005 [13]). Para garantizar que se efectúa el movimiento de

forma segura, fluida y coordinada la característica del par de la carga no debe depender de la

velocidad, en otras palabras se quiere que el par de la carga sea aproximadamente el mismo en

el rango completo de velocidades. Se debe tener en cuenta que para estas aplicaciones la

potencia aumenta linealmente a medida que aumenta la velocidad y viceversa.

Al estudiar el sentido de giro del motor y sentido del par en una aplicación, en lo que

se denomina comúnmente los cuadrantes par-velocidad o zonas motor-generador (Figura 2.1),

es posible clasificar las aplicaciones en tres grupos. En primer lugar las aplicaciones de un

cuadrante: aquellas donde el sentido de giro y del par siempre van en la misma dirección (por

ejemplo las bombas y los ventiladores), luego las aplicaciones de dos cuadrantes: donde el

sentido de giro es siempre el mismo pero el par puede venir en un sentido u otro (por ejemplo

las máquinas de extracción en pozos petroleros), y finalmente las de cuatro cuadrantes: donde

tanto el sentido de giro como el par pueden venir en ambas direcciones (por ejemplo las grúas

y ascensores). Es de destacar que existen entonces cuadrantes o zonas de aplicación en la

elevación donde la máquina pasa a comportarse como un generador, esta particularidad debe

ser tomada en cuenta en el análisis y dimensionamiento.

10

Figura 2.1 – Los cuadrantes de par y velocidad en las máquinas

De acuerdo a la industria y el accionamiento existen varios tipos de movimientos

diferenciables. En una grúa por ejemplo, es posible observar la elevación, traslación del carro,

traslación de la grúa, el giro o posicionamiento, entre otras; por otra parte en un ascensor, se

tiene la elevación, y la apertura o cierre de puertas. A los efectos de este proyecto sólo se

estudiará el movimiento de elevación o izamiento. Adicionalmente se debe hacer una

diferencia entre la elevación en grúas y la elevación en ascensores, pues su función particular

implica condiciones, requerimientos y retos diferentes.

2.1 - Grúas y elementos afines

Una grúa puede definirse como un elemento mecánico o electromecánico capaz de

trasladar cargas de un lugar a otro de forma segura. Existen muchos tipos de grúas (Figura

2.2) que pueden clasificarse de acuerdo a su construcción o su uso, entre las más comunes

encontramos:

• Puente grúa de riel doble: Compuesta generalmente por una doble estructura

rematada, con motores sincronizados dotados de ruedas con doble pestaña para su

encarrilamiento. Apoyado en dicha estructura se encuentra un carro automotor que

soporta un polipasto. La combinación de movimientos de estructura y carro permite

actuar sobre cualquier punto de una superficie, delimitada por la longitud de los raíles

por los que se desplazan los testeros y por la separación entre ellos.

• Puente grúa de riel simple o grúa suspendida: Su composición es similar al puente

grúa de riel doble, pero se apoya sobre una estructura rematada única, o viga.

11

Normalmente este tipo de diseños se utiliza para manejar cargas más ligeras que las

del caso birrail.

• Grúa pórtico: Está constituida por una estructura en forma de puente con soportes

fijos y una máquina elevadora, está diseñada para trasladarse a lo largo de raíles al

nivel del suelo. Usualmente se utiliza en puertos o galpones para desplazar

contenedores o cargas de gran peso.

• Grúa giratoria o torre: Compuesta por una estructura metálica desmontable y

motores, está especialmente diseñada para trabajar como herramienta en la

construcción. Entre este tipo de grúas se tiene la fija apoyada, fija empotrada, móvil

con traslación, móvil trepadora y móvil telescópica.

• Transtainer o grúa Luffing: Grúa móvil empleada en el transporte y estiba de

contenedores, semejante a la grúa pórtico pero cuyo desplazamiento se realiza gracias

a ruedas de goma ubicadas en la base de su estructura.

• Grúa auto-desplegable: Pequeñas grúas de construcción de fácil transporte y de

montaje más o menos automático. Entre estas se puede incluir los “winches”.

• Grúa Derrick: Compuesta por un mástil sujeto en posición vertical mediante un

trípode fijo de acero o patas de madera, en el mástil vertical fijo se articula un brazo o

pluma que puede trabajar en distintas posiciones y ángulos de orientación. Es una

máquina pesada dedicada a la elevación de grandes cargas, habitualmente es destinada

a trabajo fijo con el radio de acción determinado por el alcance de la pluma.

• Grúa horquilla: Conocida como montacargas, son pequeños vehículos de carga con

paletas dispuestas para la elevación y traslado de objetos usualmente dispuestos sobre

una base de listones de madera.

• Polipastos: Sistemas mecánicos dispuestos de juegos de poleas que permiten la

modificación de la relación de par y velocidad a la entrada y salida del equipo. Son

utilizados como elemento constructivo de muchos tipos de grúas.

Figura 2.2 – Algunos tipos de grúas existentes

(de izquierda a derecha - arriba: puente grúa riel doble, detalle grúa auto-desplegable, puente grúa riel doble,

grúa giratoria - abajo: grúa horquilla, grúa auto-desplegable, puente grúa riel simple)

12

2.1.1 - Particularidades de la elevación en grúas

Cuando se dispone de grúas para trasladar materiales el movimiento de elevación debe

ser estudiado con cuidado, pues de no realizarlo correctamente puede traer riesgos a las

personas y los bienes materiales, así como pérdidas de tiempo, energía o insumos que se

traducen en baja productividad.

Desde el punto de vista mecánico el izamiento de cargas requiere un gran par para

vencer la inercia del objeto a desplazar, especialmente en la etapa inicial del movimiento de

ascenso donde se tiene velocidad nula. Existe una relación directa entre la velocidad de

elevación y el par aplicado. En un izamiento sin control (con la utilización simple de motores

para elevar las cargas) el movimiento de ascenso se efectúa de forma lenta al inicio, e incluso

puede que no se logre el par necesario para iniciar el movimiento, dependiendo del peso a

elevar y la potencia del motor. Al vencer la inercia y empezar a elevar la carga, pueden

producirse sacudidas o movimientos bruscos que implican esfuerzos mecánicos y oscilaciones

sobre los soportes y estructuras que pueden traer consigo daños importantes. Los motores

autoventilados además, a bajas velocidades tienen limitaciones mayores dado que la

temperatura máxima a la que pueden operar es menor. Por estas razones el arranque en un

movimiento de izamiento es un punto crítico a considerar.

Por otra parte durante el descenso, a medida que la carga baja transforma su energía

potencial en energía cinética acelerando el movimiento debido a la acción de la gravedad

sobre su propia masa. Ésta aceleración puede llegar al punto de originar la velocidad terminal

en el descenso si no se dispone de dispositivos de supervisión del movimiento, y pueden

traducirse en daños a personas o a los mismos materiales elevados. Adicionalmente de no

dimensionar adecuadamente los componentes existe la posibilidad que la grúa no sea capaz de

sostener el peso de la carga en una altura determinada, produciendo el desplome de la misma.

Al analizar los fenómenos eléctricos en motores usados para izamiento, el descenso implica

una inversión del sentido de la corriente (el motor pasa a ser un generador u opera en un

cuadrante distinto de la curva par-velocidad). Estas corrientes pueden producir daños

materiales sobre el motor y los equipos conectados por lo que deben supervisarse. La ausencia

de control implica que no se puede decidir sobre la velocidad del movimiento, en otras

palabras la velocidad de elevación dependerá en todo momento del peso que se esté

levantando.

13

Otras particularidades serán estudiadas a lo largo de la descripción de las actividades

que se realizaron en la pasantía.

2.2 - Ascensores

El ascensor es un dispositivo para el transporte vertical de pasajeros y cargas a

diferentes plantas o niveles típicamente usado en edificios. Consisten en una cabina

sustentada por cables que se desplaza dentro de un ducto con guías verticales de acero,

mecanismos de subida y bajada, y una fuente de energía. Cuenta normalmente con dos

máquinas para su movimiento, una que realiza la elevación, y otra que realiza la apertura y

cierre de puertas.

Entre los tipos de ascensores encontramos: ascensores a tracción, de tracción directa,

de tracción con engranajes, y ascensores hidráulicos, que difieren entre sí por el mecanismo

que traduce la energía eléctrica o mecánica en movimiento de elevación.

2.2.1 - Particularidades de la elevación en ascensores

Las particularidades del izamiento en ascensores incluyen todas las descritas para el

caso de las grúas. La diferencia radica básicamente en: la posibilidad de utilizar contrapesos

que representan una opción práctica debido al espacio sobrante en los ductos, sensores para

establecer los puntos definidos de paradas en cada piso, así como los requerimientos de

confort de pasajeros que implican la necesidad de atenuar aún más los movimientos bruscos y

controlar la velocidad (manejo del “jerk” o impulso inicial del movimiento).

Merece la pena comentar que en las aplicaciones de ascensores, grúas y elevadores la

máquina de accionamiento (típicamente una máquina de inducción) trabaja en los cuadrantes

de la curva par-velocidad como generador de forma frecuente. Como se verá más adelante

éste régimen de operación de la máquina es menos eficiente que el resto de las zonas a tal

punto que resulta preferible utilizar otras alternativas de accionamiento. Por esta razón es

común observar en los ascensores la existencia de contrapesos para equilibrar la carga que se

14

estima será la más frecuente, evitando así la prolongada operación de la máquina de inducción

en la zona generador y logrando a fin de cuentas aumentar la eficiencia del conjunto.

El movimiento del ascensor debe ser suave con valores aceptables de aceleración,

deceleración y límites en el “jerk”, que es la derivada de la aceleración con respecto al

tiempo, para asegurar la calidad del viaje a los pasajeros transportados. Los cambios bruscos

en la aceleración pueden resultar desagradables e incluso dolorosos, las fábricas de ascensores

miden la incomodidad del pasajero mediante el impulso o “jerk”. Durante las subidas y

bajadas éste se produce porque la aceleración cambia en magnitud y sentido. En definitiva se

miden posiciones, velocidades, y aceleraciones para garantizar el confort.

CAPÍTULO 3

MÁQUINAS DE INDUCCIÓN Y VARIADORES DE VELOCIDAD

3.1 – La máquina de inducción

La máquina de inducción o máquina asincrónica es la más utilizada en las aplicaciones

de elevación (grúas y ascensores) debido a las ventajas que ofrecen respecto a las máquinas de

corriente continua o las máquinas sincrónicas. Son máquinas robustas, simples en

construcción y mantenimiento, relativamente económicas y fiables. Su único inconveniente

radica en la dificultad para controlar la velocidad y el par durante la operación, sin embargo el

desarrollo de la electrónica de potencia ha resuelto este problema agregando además

posibilidades de control, supervisión y protección que hacen de esta combinación la opción

más eficaz y eficiente desde hace algún tiempo hasta la actualidad.

3.1.1 - Composición y funcionamiento

De forma constructiva una máquina de inducción está formada a grandes rasgos por un

rotor y un estator (Figura 3.1). El rotor es el elemento móvil que gira con el eje de la máquina,

puede ser tanto en jaula de ardilla como en bobinado de acuerdo a la forma en la que fue

construido. El estator es el elemento fijo y es parte de la estructura o carcasa de la máquina en

el que se encuentran las bobinas inductoras. El principio de funcionamiento consiste en la

circulación de corrientes por las bobinas produciendo flujo, en consecuencia aparece un

campo magnético rotatorio de magnitud constante en el tiempo sobre el rotor. La frecuencia

de las corrientes en el estator define la velocidad de giro del campo. Así se inducen fuerzas

electromotrices que generan corrientes. El par eléctrico es producido como consecuencia de la

interacción entre los campos magnéticos rotatorios de estator y rotor.

16

Una máquina de inducción es normalmente utilizada para operar como motor a pesar

que su construcción permite la operación como generador sin inconvenientes (Figura 3.2). La

razón de esto se debe principalmente a la baja eficiencia que tiene en el régimen de

generación en comparación al régimen de motorización. En muchas aplicaciones sin embargo

se aprovecha el régimen generador particularmente cuando éste no es demasiado frecuente.

Un ejemplo de esto es el frenado regenerativo, que consiste en la inversión del sentido de la

corriente (y por ende del flujo de energía) hacia la red con el fin de garantizar que la máquina

es capaz de detenerse de forma más rápida, ampliamente utilizado en los ascensores y

elevadores.

Figura 3.1 – La máquina de inducción (corte), estator y rotor

Figura 3.2 – Zonas de operación de la máquina de inducción (J. M. Aller, 2008 [2])

17

3.1.2 - Curvas características

Existe una serie de curvas típicas que permiten analizar el comportamiento de las

máquinas de inducción en diferentes regímenes de trabajo, a partir de una deducción

matemática y modelos equivalentes planteados con parámetros calculables. Si bien para el

alcance de éste proyecto no se profundizará en la formulación matemática, sí es parte

importante del estudio analizar el comportamiento.

Una de las curvas de interés es la del par para variaciones del deslizamiento (Figura

3.3). El deslizamiento de una máquina de inducción es la diferencia de velocidad angular

eléctrica y mecánica en por unidad de la velocidad angular eléctrica. En la característica el

deslizamiento s = 1, corresponde a velocidad mecánica igual a cero, es decir con la maquina

detenida. Los deslizamientos de operación de la máquina de inducción están entre el tres y

cinco por ciento (A. Bueno, 2007 [1]). En la gráfica es posible apreciar el punto donde se

tiene par máximo.

Figura 3.3 – Curva par-deslizamiento de la máquina de inducción (A. Bueno, 2007 [1])

18

Para comprender el efecto que un controlador puede hacer sobre la máquina de

inducción, resulta interesante observar el efecto de variar algunos parámetros como la tensión

y frecuencia a la alimentación.

Estudiando las variaciones en la tensión de alimentación, se puede observar cómo el

par disminuye con el cuadrado de la tensión aplicada, igualmente ocurre con la potencia en el

eje (Figura 3.4). Asimismo se puede observar cómo la corriente de arranque de la máquina es

proporcional a la tensión aplicada a sus bornes, ésta estrategia de arranque permite reducir las

corrientes durante la energización de la máquina. Un aspecto a considerar al realizar

arranques a tensión reducida es la disminución del par eléctrico suministrado y su repercusión

en el par acelerante (A. Bueno, 2007 [1]).

Figura 3.4 – Par y potencia ante variaciones en la tensión en máquinas de inducción (A. Bueno, 2007 [1])

Al variar la frecuencia en la alimentación de la máquina, se tiene que el par resulta

inversamente proporcional a dicha frecuencia, con un comportamiento no lineal. En cuanto a

la potencia ocurre un comportamiento muy semejante (Figura 3.5). Las corrientes de arranque

sin embargo se elevan a baja frecuencia de manera considerable llegando a más de 12 veces la

nominal, pero su decaimiento es a más baja velocidad debido al cambio de la velocidad

sincrónica con la frecuencia. Al utilizar estas estrategias para el arranque es necesario

considerar los ajustes de las protecciones de corriente del convertidor para permitir estas

corrientes de arranque (A. Bueno, 2007 [1]).

19

Figura 3.5 – Par y potencia ante variaciones en la frecuencia en máquinas de inducción (A. Bueno, 2007 [1])

La combinación de variar la tensión y frecuencia en la misma proporción da lugar a

una estrategia de control ampliamente utilizada hasta hoy, donde se observa que el

comportamiento del par es semejante y paralelo para cada valor de frecuencia, manteniendo la

relación tensión frecuencia constante (Figura 3.6). Esto permite mantener un par eléctrico

constante durante todo el rango de velocidades la máquina. Asimismo la potencia entregada

varía de forma proporcional con la frecuencia, lo que permite obtener alto par a baja

velocidad. Por otra parte la corriente de arranque no se ve afectada en esta condición dado que

mantener la relación v/f constante hace muy inductiva la impedancia equivalente (A. Bueno,

2007 [1]). Si bien éste es un método muy utilizado y aceptable, tiene limitaciones dado que

ofrece una respuesta dinámica lenta e imprecisa. Es una buena aproximación cuando las

exigencias de control no son estrictas, pero no es recomendable en aplicaciones donde el

manejo preciso del par y velocidad son necesarios. En aplicaciones como la elevación (grúas,

ascensores, elevadores) dicho manejo resulta vital para la funcionalidad y seguridad, por tanto

se requieren métodos más precisos y modernos de control.

Figura 3.6 – Par y potencia ante variaciones v/f constantes en máquinas de inducción (A. Bueno, 2007 [1])

20

Existen otros métodos para controlar la máquina de inducción, algunos por ejemplo

orientados a modificar la resistencia rotórica con el fin de ejercer un control sobre la

velocidad, que resulta particularmente interesante cuando se tiene valores bajos de resistencia

consiguiendo así mejor regulación. Pero el más utilizado en aplicaciones como la elevación es

el llamado control vectorial de flujo, o control directo de flujo y par (Figura 3.7).

El control vectorial de flujo aparece como una técnica de control del par eléctrico y el

flujo en el estator, utilizando para esto el vector espacial de tensión más apropiado para seguir

la referencia de las señales, a través de una tabla de selección o control. Así se definen seis

zonas de operación dependiendo de la posición del vector espacial del enlace de flujo del

estator, que coinciden con la localización de los vectores espaciales de tensión del inversor.

En cada zona de operación, una escogencia adecuada del vector espacial de tensión permite

modificar la magnitud del enlace de flujo del estator y su sentido de rotación. Manteniendo las

magnitudes de corriente y el enlace de flujo constante, se puede controlar el par eléctrico

resultante, modificando el ángulo relativo entre el enlace de flujo y la corriente del estator.

Este ángulo relativo se puede variar controlando el sentido de rotación del vector espacial del

enlace de flujo en el estator (A. Bueno, 2007 [3]).

Las respuestas dinámicas con el control directo de par, son comparables a los

obtenidos con otros esquemas de control vectorial. La estimación del enlace de flujo de

estator y del par eléctrico instantáneo sólo depende de la resistencia del estator (Re), a

diferencia de otros controladores vectoriales como el de campo orientado en los que los

estimadores, dependen de un conjunto mayor de parámetros del modelo de la máquina de

inducción (A. Bueno 2007 [3]).

Figura 3.7: Diagrama en bloques del controlador directo de par (A. Bueno, 2007 [3])

21

Así se han visto brevemente las técnicas de control que existen en los distintos equipos

para controlar las máquinas de inducción. Éstos van desde arrancadores suaves y

conmutadores hasta complejos sistemas de electrónica de potencia conocidos como variadores

de velocidad o variadores de frecuencia. Han evolucionado en la medida que la tecnología ha

permitido elementos más eficaces y eficientes para manejar potencias en el control, y

aparecen dispositivos de control digital con mayor poder computacional.

3.3 - Variadores de velocidad

Los variadores de velocidad (VVD ó VSD variable speed drive) son dispositivos

electrónicos, mecánicos, hidráulicos o eléctricos cuya función principal es la de controlar la

velocidad de las máquinas giratorias. Adicionalmente y según el modelo y tecnología pueden

permitir el arranque suave, proporcionar dispositivos de protección, permitir la supervisión de

parámetros en el sistema, entre otras. Se utilizan para manejar bombas, motores de corriente

continua, motores sincrónicos y motores de inducción. Cuando se aplican para el control de

motores de inducción son normalmente conocidos como variadores de frecuencia (VFD

variable frecuency drive).

El motor de corriente alterna a pesar de ser un motor robusto, de poco mantenimiento,

liviano, económico e ideal para la mayoría de las aplicaciones industriales, tiene el

inconveniente de ser un motor rígido en cuanto a su velocidad. La velocidad del motor

asincrónico depende de la forma constructiva del motor y de la frecuencia de alimentación.

Los variadores de velocidad actuales permiten el control a través de la manipulación de las

variables eléctricas de las máquinas, tales como la tensión, frecuencia, y corriente.

Constructivamente un variador de velocidad está compuesto de forma simplificada (Figura

3.8) por: una etapa de rectificación, donde la corriente alterna proveniente de la alimentación

es transformada en una señal de corriente continua; una etapa de filtrado, donde se adapta la

señal a través de capacitores y otros elementos electrónicos de forma de obtener una corriente

lo más cercana a la deseada; y una etapa de inversión (u ondulación), donde a través de

elementos electrónicos tales como transistores bipolares de compuerta aislada (IGBT) se logra

manipular la señal de salida para conseguir corriente alterna, capaz de alimentar la máquina

con las características apropiadas de control que se desean. Adicionalmente los variadores hoy

22

en día incluyen inductancias para filtrar armónicos, lógicas programables, dispositivos de

protección tales como relés, posibilidades de comunicación, entre muchas otras

características.

Figura 3.8 – Esquema básico de funcionamiento del variador de velocidad

3.3.1 – Leyes de control

El método más eficiente de controlar la velocidad de un motor eléctrico es por medio

de un variador electrónico de frecuencia. No se requieren motores especiales, son mucho más

eficientes y tienen precios cada vez más competitivos. El desarrollo de la electrónica de

potencia ha permitido el uso de distintas formas para realizar el control con variadores de

velocidad, éstas son conocidas como “leyes de control”.

La mayoría de los variadores que se encuentran comercialmente en la actualidad

poseen las siguientes leyes de control:

• Tensión/Frecuencia: Como fue estudiada en secciones previas del trabajo, representa

una técnica de control escalar lo suficientemente buena para aplicaciones de par

variable como bombas y ventiladores, máquinas sencillas, entre otras.

• Tensión/Frecuencia de 2 puntos ó 5 puntos: Modificación de la técnica anterior que

hace no lineal el control proporcionando mayor dinamismo en aplicaciones que así lo

requieran.

• Control Vectorial (sin sensor): Es el control vectorial a través de la estimación

matemática de los parámetros de la máquina, proporcionando una regulación dinámica

de precisión muy aceptable para máquinas sencillas, pero que puede ser lenta o

quedarse corta en aplicaciones complejas.

• Control Vectorial (con sensor): Los parámetros son medidos a través de un sensor

externo acoplado al eje del motor. Proporciona el control más preciso y eficiente que

23

existe en la actualidad, ampliamente recomendado para aplicaciones complejas y de

altos requerimientos.

• Sistema de ahorro de energía: Método de control que aprovecha los ciclos no

constantes ó no balanceados mecánicamente de aplicaciones como pozos petroleros,

para efectuar una regulación que permite el ahorro significativo de energía.

Las múltiples propiedades de los variadores de velocidad serán reforzadas a lo largo

del resto de los capítulos del presente trabajo.

CAPÍTULO 4

LA MAQUETA INDUSTRIAL DE ELEVACIÓN

4.1 - Motivación

En los capítulos anteriores se han visto las ventajas que ofrece el uso de variadores de

velocidad, en el caso particular de la elevación en grúas y ascensores. La intención de la

empresa donde se desarrolló la pasantía era la de diseñar y construir un modelo que permitiera

demostrar que los variadores de velocidad comercializados por ellos resolvían los problemas

presentes en la elevación, y proporcionaban una gran cantidad de ventajas que resultaban en

procesos más eficientes y económicos. Adicionalmente se requería que la maqueta permitiera

su uso para entrenamientos a los operadores y diseñadores de grúas y ascensores.

Del análisis previo del problema se determinó que la mejor forma de demostrar las

ventajas comentadas era con la observación directa del modelo en acción. Por esta razón el

diseño debía ser desarmable y portátil con la intención de llevar la maqueta a los clientes

potenciales.

4.2 - Antecedentes

Existen modelos previos construidos en otros países con la misma finalidad que la

maqueta que se quería desarrollar durante la pasantía. Estos sirvieron de referencia y

permitieron adaptar el diseño original a una solución nacional que cumpliera con todos los

requerimientos del mercado de las grúas y ascensores venezolano.

Hace algunos años en Francia, Schneider Electric contrató a la empresa LEDENT para

la construcción de un modelo de elevación como promoción y entrenamiento del variador

Altivar 58. Éste modelo fue posteriormente adaptado para las versiones siguientes de

25

variadores de velocidad a medida que se lanzaron al mercado Altivar 61 y Altivar 71. En la

actualidad el modelo es conocido con el nombre “LEVAGE” (figura 4.1), está constituido por

una estructura metálica fija al suelo que demuestra la elevación con el variador Altivar 71, y

permite el entrenamiento como parte del programa de mejoramiento profesional de Schneider

Electric. Asimismo existe en la misma instalación de entrenamiento una serie de equipos

didácticos para la demostración de otras aplicaciones tales como el movimiento de traslación

de grúas y cintas transportadoras, el bombeo en estaciones hidráulicas, entre otras.

Figura 4.1 – Modelo de demostración LEVAGE (Francia)

Posteriormente en España y los Estados Unidos el modelo LEVAGE fue construido y

adaptado a los requerimientos de cada mercado. Para el desarrollo de la pasantía se contó con

alguna documentación de la fabricación de éstos que sirvió de referencia en el trabajo

realizado.

4.3 - El mercado venezolano

Parte del estudio que se realizó en la pasantía consistía en analizar la forma en la que

se fabricaban las grúas y ascensores en el país, cómo se aplicaban estos en las industrias, la

existencia o no de variadores de velocidad en los procesos, los posibles inconvenientes

encontrados y sus posibles soluciones. Una primera observación al mercado permitió definir

que las industrias de las grúas y los ascensores se encontraban en situaciones muy distintas.

26

Por un lado se encontró que la fabricación de ascensores (o su ensamblaje como ocurre

en la mayoría de las industrias actuales del país) utilizaban activamente los variadores de

velocidad como solución, no sólo a los problemas descritos con la elevación, sino para la

programación de la lógica de control. Entre las marcas de variadores encontradas se tiene:

ABB, Allen Bradley, Telemecanique (Schneider Electric), Siemens, entre otros. Las empresas

ensambladoras disponían de un variador para cada motor, uno de poca potencia para la

apertura y cierre de puertas, y otro de mayor potencia para la elevación. Además de un PLC o

en algunos casos puntuales una tarjeta de control en los variadores para la lógica de control.

Entre los ensambladores consultados se tiene: OTIS, Schindler, Sabiem, entre otros. La

percepción general de la industria demostraba que el mercado nacional se encontraba

actualizado con las últimas tendencias tecnológicas en ascensores, dentro de las limitaciones

económicas de la inversión en el país.

Por otra parte se estudió el mercado de las grúas, para lo cual se realizó la visita a un

fabricante de grúas nacional llamado IMPSA ubicado en la zona industrial de Palo Negro en

la ciudad de Maracay. La información obtenida en esta oportunidad fue de vital importancia

para definir el diseño de la maqueta. El presidente de la empresa afirmó que eran los únicos

en el ramo que fabricaban todos sus componentes mecánicos en el país. Además aseguró ser

uno de los pocos que utiliza variadores de velocidad en sus grúas. De acuerdo al fabricante

casi todos los movimientos de sus grúas eran controlados por variadores de velocidad

accionando motores de inducción, con un variador Telemecanique Altivar 31 por cada motor

(Figura 4.2), a excepción precisamente del movimiento de elevación. La elevación o

izamiento de cargas en las grúas fabricadas se realiza a través de polipastos de dos

velocidades, dado que afirmó que los variadores no son capaces de garantizar que se

sostienen las cargas elevadas y en consecuencia se producen desplomes de la misma. Caídas

de cargas de hasta 2 toneladas hicieron que se decidiera evitar el uso de los variadores en

estos casos. Una observación general al mercado venezolano de las grúas indicó que se

encuentra muy atrasado tecnológicamente en relación a los mercados internacionales, el uso

de comandos (botonería de mando) analógicos por cable, pocas opciones de control, y falta de

equipamiento de seguridad suponen que la industria debe disponer de mejoras urgentes.

27

Figura 4.2 – Variadores Altivar 31 en montaje de grúa IMPSA

La maqueta diseñada entonces se debía orientar a suplir las carencias de la industria de

las grúas, y enfocarse principalmente en la seguridad para mantener la carga bajo cualquier

condición operativa. Adicionalmente se podía considerar su uso para ascensores

aprovechando que el principio constructivo es exactamente el mismo.

4.4 - Diseño preliminar del modelo a construir

Para proceder al diseño del modelo se realizó un estudio teórico amplio de los

variadores de velocidad, motores de inducción, leyes de control, el variador Altivar 71, entre

otros puntos importantes. Para su construcción se utilizarían las instalaciones del laboratorio

de calidad y servicio en variación de velocidad de la empresa.

Con la información disponible se empezó a definir un diseño de la maqueta industrial

que se quería construir. El modelo debía ser capaz de:

Realizar elevaciones de carga en un recorrido vertical de 2m, por considerarlo una

distancia adecuada para permitir observar los fenómenos de la elevación y la frenada,

así como tener una altura del modelo manejable para su traslado.

En un rango de velocidades controlable desde 0 a 30 m/min (0,5 m/seg), para permitir

la demostración de las elevaciones a alta velocidad (función que será descrita en

secciones posteriores).

28

Con capacidad para elevar pesos entre 0 y 150 Kg según se desee, para garantizar una

diferencia entre el caso sin carga y el de plena carga, sin perder la capacidad de

traslado del modelo.

Con opciones de ajuste y leyes de control

Un peso total sin carga en el modelo menor a los 200 Kg para hacerlo portátil en

medios de transporte convencionales

Las premisas del diseño exigían que éste fuera eficaz, práctico, portátil y seguro.

Para conseguir lo que se quería con el modelo se decidió crear un diseño que

permitiera armar y desarmar la maqueta en cuatro módulos independientes de forma sencilla

(Figura 4.3). Los módulos serían:

a) Módulo motor: Compuesto por el conjunto mecánico que realizaría el

accionamiento y piezas eléctricas que se requiriera ubicar junto a estos.

b) Módulo carga: Compuesto por el peso que se utilizaría como carga durante la

elevación.

c) Módulo variador: Compuesto por el variador de velocidad junto a los

componentes de control y protecciones del modelo.

d) Módulo estructura: Compuesto por el soporte que mantuviera el conjunto

mecánico a la altura deseada para demostrar la elevación.

Figura 4.3 – Los cuatro módulos esenciales de la maqueta a construir

Los componentes y función de cada módulo serán estudiados en secciones posteriores.

29

4.5 – El motorreductor

La maqueta realizaría el movimiento de elevación a través de un motor de inducción,

por ser la máquina utilizada típicamente en las aplicaciones de interés. Además se dispuso de

una tensión de alimentación trifásica en 220VAC por ser un nivel industrial común que

permita la demostración prácticamente en cualquier planta. Se quería aprovechar las

propiedades del variador de velocidad para realizar elevaciones a alta velocidad (hasta 30

m/min.). Adicionalmente se quería una diferencia importante entre los casos a plena carga y

carga mínima, para lo cual se tomó un valor de 150Kg como peso máximo a elevar, por

considerarlo el peso más grande que permitía aún que el modelo pudiera ser trasladable sin

mayores inconvenientes. Se decidió utilizar un conjunto de pesas de gimnasio de 25 Kg cada

una como carga, permitiendo así cambiar la carga en cualquier momento que se deseara

variando el número de pesas sujetas por el modelo. Por los requerimientos de par (se verá el

cálculo a continuación) y velocidad que se tenían se decidió utilizar un reductor mecánico

acoplado al eje del motor, de forma de poder utilizar un motor de inducción disponible

comercialmente y aún así respetar los requerimientos de par y velocidad establecidos.

Considerando las piezas básicas presentes (Figura 4.4) es posible dimensionar los

componentes de interés. Estimando una masa de 5Kg al soporte de la carga a elevar, la masa

total que debía levantar el conjunto motor-reductor era de 155Kg. La velocidad lineal de

elevación era de 30m/min (peor caso o máxima velocidad requerida) que equivale a 0,5m/seg.

Figura 4.4 – Diagrama mecánico básico

30

m = 155 Kg v = 0,5 m/s g = 9,81 m/s2 (4.1)

F = m.g => F = 155.9,81 = 1520,55 N.m (4.2)

P = m.g.v = 1520,55.0,5 = 0,76 kW (4.3)

Se debía disponer de una polea para transmitir el movimiento del motorreductor a la

carga. Mientras más grande se tuviera el radio en la polea, menos velocidad se requeriría en el

motor al levantar el peso calculado.

Los motorreductores sin embargo no son fabricados en el país (solo existen algunas

ensambladoras), razón por la cual se debían solicitar como productos de importación. Debido

a los trámites necesarios con CADIVI los tiempos de importación eran de incluso 3 meses en

todos los proveedores consultados, resultando en la pérdida de mucho tiempo de la pasantía

(se disponía de 20 semanas para desarrollar todo el proyecto). De igual forma los variadores

de velocidad vendidos por la empresa son productos contra pedido que tardan en llegar al país

entre 2 y 3 meses. Afortunadamente se logró conseguir un motor de 2HP (1,5kW) disponible

en el país para entrega relativamente rápida en el proveedor SEW-Eurodrive de la ciudad de

Valencia, el cual era posible pedir con una amplia gama de reductores. Asimismo se encontró

un variador de velocidad en uno de los canales de ventas de Schneider Electric en Caracas que

coincidía con el valor de potencia de 2HP, disponible para la entrega inmediata. Dado que el

valor de potencia conseguida era mayor al calculado inicialmente, la velocidad del

movimiento también sería mayor, por tanto se debía aprovechar la relación del reductor y el

radio de la polea para reducir la velocidad nuevamente al valor deseado.

Así se tenía la potencia del motor 1,5kW. Despreciando las pérdidas en el acople con

el reductor se puede asumir que la potencia del reductor es también de 1,5kW. De las

relaciones disponibles de reductores que cumplían los requerimientos se tomó la de 18,6:1, de

esta forma se pudo calcular el diámetro de la polea necesaria.

Motor: 1,5 kW 1710 rpm

Reductor:

ω = 1710 / 18,6 = 91,94 rpm = 9,65 rad/s (velocidad a la salida) (4.4)

T = P / ω = 1500 / 9,65 = 155,5 N.m (par máximo de salida) (4.5)

31

Polea:

v = ω.radio => radio = 0,5 / 9,65 = 0,052 m => diámetro = 10,4 cm (4.6)

El modelo definitivo de motorreductor que cumple con todas las características

descritas es el: SEW Eurodrive R57DT90L4/BMG (Figura 4.5). Éste incorpora un freno

mecánico de disco cuya justificación será explicada más adelante.

Figura 4.5 – Motorreductor SEW Eurodrive utilizado en el proyecto

4.6 - Variador de velocidad Telemecanique Altivar 71

La empresa Schneider Electric ofrece una gama de modelos de variadores de

velocidad para motores de inducción. Existe además una gama para el caso de los motores de

corriente continua, pero ésta no es comercializada en Venezuela debido a su poca frecuencia

de pedidos que la hacen poco rentable.

De los catálogos de selección es posible decidir el modelo que mejor se adapta a las

condiciones particulares de la aplicación que se tiene. La selección se realiza en un primer

nivel escogiendo la familia de variadores que mejor se adapta a la carga que se quiere

accionar. Así por ejemplo para el caso de bombas y ventiladores, que suponen cargas de par

variable y proporcional con el cuadrado de la velocidad, se recomienda los variadores Altivar

61 (ATV61); para el caso de grúas, ascensores y cintas transportadoras con máquinas

complejas, que suponen cargas de par constante directamente proporcional a la velocidad, así

como requerimientos de alto par a bajas velocidades, se recomienda los variadores Altivar 71

(ATV71) (Figura 4.6); para el caso de máquinas sencillas con cargas de par constante se

32

recomienda los variadores Altivar 31 (ATV31); adicionalmente se cuenta con familias para

otras aplicaciones particulares. De éste primer nivel de selección ya se puede observar que el

modelo de variadores que se utiliza en la industria de las grúas venezolanas para la elevación

antes comentado (ATV31) está mal seleccionado, pues la elevación es una aplicación

compleja que requiere características técnicas que sólo el Altivar 71 (ATV71) puede brindar.

Esto indica que la falta de información y correcto asesoramiento de los productos es un punto

importante a considerar. La maqueta puede permitir que este factor se corrija.

En un segundo nivel de selección, ya con la familia de variadores definida, es posible

establecer el modelo específico que mejor conviene. Para esto se cuenta con tablas donde el

nivel de tensión de alimentación, potencia nominal del accionamiento, accesorios de

supervisión, control, protección y seguridad, define el código exacto o referencia del variador

recomendado.

Para la maqueta diseñada se utilizó el modelo ATV71HU15M3, con las siguientes

características:

Figura 4.6 – Variador de Velocidad Altivar 71

Fabricante: Telemecanique (Schneider Electric)

Modelo: ATV71HU15M3

Potencia nominal: 2HP (1,5kW)

Tensión de alimentación: 200/240VAC

Consola gráfica LCD desmontable incorporada

Rango de frecuencia de salida de 1 a 1600 Hz. Admite el control en las siguientes

formas: control vectorial de flujo con o sin sensor, ley tensión/frecuencia de 2 ó 5 puntos,

sistema de ahorro de energía ENA. Sobrepar transitorio permitido de 220% del par nominal

del motor durante 2 segundos, y 170% del par nominal del motor durante 60 segundos. Más

33

de 150 funciones, 16 velocidades preseleccionadas, 2 entradas analógicas, 6 entradas lógicas,

1 salida analógica, 2 salidas de relé. Comunicación integrada para redes Modbus y CANopen.

Capacidad de expansión con tarjetas opcionales para comunicación, extensión de entradas y

salidas, control y programación, interfaz con sensores de velocidad de giro o encoders.

4.7 – Módulo motor

Una vez dimensionado el motorreductor se pudo observar, al analizar los esfuerzos

mecánicos sobre la polea y el mismo motorreductor, que era necesario distribuir la carga de

forma de no apoyarla completamente sobre el eje del reductor. Por esta razón se decidió

utilizar una chumacera o elemento rodante que serviría de apoyo al extremo opuesto de la

polea compartiendo así el peso, en este caso particular se trata de una chumacera tipo puente

(Figura 4.7).

Figura 4.7 – Chumacera tipo puente, eje 35mm

Asimismo se quería asegurar que el camino de subida y bajada contara con límites de

seguridad, para que la carga a elevar no impactara contra la polea (al mantener un comando de

subida) o contra el suelo (al mantener un comando de bajada). Para esto era necesario contar

con sensores de fin de carrera. De la investigación de sensores disponibles se determinó que el

apropiado para aplicaciones de este tipo era el sensor tipo tornillo (Figura 4.8), que consiste

de un eje acoplable al reductor con una serie de engranajes que activan o desactivan contactos

secos según la configuración que se establezca. Sin embargo su costo salía del presupuesto

estimado, y la disponibilidad del producto se tenía en el mejor de los casos para llegar al país

en 4 meses por ser producto contra pedido de muy baja rotación.

34

Figura 4.8 – Sensor de fin de carrera tipo “tornillo” para grúas

Por estas razones se diseñó un sistema utilizando sensores de varillas flexibles que

serian activados por la misma guaya al arrollarse durante el movimiento, para lo cual era

necesario entonces contar con un canal continuo en la polea, que garantizara el

desplazamiento de la guaya de forma horizontal a lo largo de la polea durante la subida y

bajada. En otras palabras el diseño pasaba de utilizar una polea a utilizar un carrete.

Los cálculos de dimensiones y número de vueltas del canal sobre el carrete se

completaron tomando en cuenta que se utilizaría guaya de ¼’ (calibre recomendado para el

peso a elevar), que se dispondría de aproximadamente 2 m de recorrido libre, y que se

deseaba un diámetro de alrededor de 10 cm calculado previamente. El carrete acanalado y su

acople al reductor (Figura 4.9) se mandaron a hacer en el Laboratorio de Mecanizado de la

Universidad Simón Bolívar, con la asesoría del personal del laboratorio en términos de paso

de la guaya y su medio de sujeción al carrete.

Figura 4.9 – Planos de carrete y acople utilizados para la fabricación

Debido al efecto de la inversión del sentido del par durante la bajada, se debía

considerar la energía circulante en sentido contrario (del motor al variador). Para estos efectos

el variador utilizado permite el uso de resistencias de frenado que “ayudan” a disipar la

35

energía sobrante permitiendo un control suave sobre la velocidad durante la bajada. Existen

dos categorías de resistencias de frenado Telemecanique (Figura 4.10) para estos efectos: las

de elevación (más robustas y con mayor capacidad para disipar la energía de forma rápida), y

las de uso general (de tamaño mucho menor a las anteriores y recomendadas para el resto de

las aplicaciones).

Figura 4.10 – Resistencias de frenado. De elevación (izquierda), de uso general (derecha)

Si bien el catálogo recomendaba utilizar la resistencia de elevación, se decidió utilizar

una de uso general en este caso dado que el modelo no exigía una capacidad tan elevada para

disipar energía y su ciclo de trabajo sería ligero comparado al de una grúa. Esta decisión se

realizó luego de calcular la potencia de frenado que se tendría utilizando la formulación

recomendada por Telemecanique, donde se consiguió que durante la bajada en el peor caso

posible (plena carga, máxima velocidad, despreciando pérdidas mecánicas y eléctricas) se

tenía una potencia de frenada de 100W. Así utilizando las tablas de selección se escogió la

resistencia de uso general de 60Ω y 100W. Dicha resistencia de frenado se ubicaría en el

módulo motor por ser el más elevado, dado que éstas liberan el calor hacia arriba y no deben

tener ningún otro componente en el camino.

Por otra parte se determinó que por medidas de seguridad, para evitar el desplome de

la carga en caso de fallos en el variador o en el motor, era necesario contar con un freno

mecánico (o electromecánico) en el motorreductor. Para estos efectos, tal y como se comentó

con anterioridad, se pidió el motorreductor con un freno que se libera cuando es energizado su

circuito de control, y se acopla de forma magnética cuando se desenergiza.

Para la aplicación que se deseaba construir interesaba que el variador pudiera realizar

elevaciones a través de las dos leyes de control más utilizadas hoy en día en grúas y

ascensores: el control vectorial sin sensor (o a lazo abierto), y el control vectorial con sensor

(o a lazo cerrado). Sin embargo para permitir el control a lazo cerrado es necesario entonces

contar con un elemento que sirva de realimentación al variador respecto al estado del motor y

36

el movimiento en todo momento. Este elemento es un codificador (Encoder) en este caso del

tipo incremental (Figura 4.11), cuyo principio de funcionamiento se basa en un tren de pulsos

entregado gracias a una parte fija con foto-sensores, y una parte móvil con un disco dentado

de referencia, a través de los cuales es posible reconocer la posición exacta del eje del motor

en el tiempo y en consecuencia su velocidad. La resolución o precisión de las medidas del

codificador es típicamente dada en puntos por revolución o ppr. Para el caso del proyecto en

estudio se decidió utilizar el modelo Telemecanique de 1024ppr.

Figura 4.11 – Codificadores incrementales y su funcionamiento

Con los componentes descritos el módulo motor tendría entonces unas dimensiones

aproximadas de 300x1000x600mm, y un peso aproximado de 65Kg.

4.8 – Módulo carga

Adicionalmente a las pesas que conformarían la carga de la elevación (comentado

previamente), se requería de un dispositivo mecánico que sirviera de base o sostén para éstas.

Dicha pieza se mandó a fabricar en una herrería y consiste de un cilindro macizo de acero con

una pequeña base cuadrada que permite el apoyo de las pesas.

Para permitir la medición del peso que se está elevando a los efectos de control y

seguridad, se decidió utilizar un dispositivo conocido como “celda de carga”, en este caso de

tipo “tensión” (Figura 4.12). Su principio de funcionamiento transforma mediciones de

tensión a sus extremos (dinamómetro) a una señal analógica en mili voltios. Dado que las

entradas analógicas del variador de velocidad utilizado admiten señales de 0 a 20 mA

37

(corriente) ó 0 a 10 V (tensión), era necesario entonces contar con un accesorio adicional para

convertir la señal de la celda de carga, disponible también en el mismo fabricante.

Figura 4.12 – Celda de carga, tipo tensión

Para completar el módulo de carga se utilizaron accesorios para guayas tales como

“perros” de sujeción y el gancho. Con todo esto las dimensiones aproximadas serían de

300x400x400mm, y el peso aproximado de 155Kg.

4.9 – Módulo variador

El siguiente módulo del diseño consistía de un gabinete donde se ubicarían los

compontes de protección, control, y el cableado en general. Para estos efectos se decidió

utilizar un gabinete de compuesto de poliéster de la marca Himel (Figura 4.13). El estudio

teórico previo del variador de velocidad permitió determinar la forma apropiada de disponer

el control, protecciones y diálogos hombre-máquina del modelo.

Figura 4.13 – Gabinete de compuesto de poliéster utilizado para control y protecciones

4.9.1 – Esquema de potencia

Los catálogos del variador de velocidad sugieren la forma de conectar la potencia y el

motor de forma segura y cumpliendo los estándares internacionales IEC, a través de dos lazos

de control con contactores (KM1 y KM2) para garantizar la conexión y desconexión del

38

equipo y el freno, así como un guarda-motor o disyuntor para proteger al variador de

velocidad ante corto circuitos (Q1). Adicionalmente el ATV71 incluye internamente una

protección ante sobre cargas del motor y del mismo variador.

Los variadores ATV71 disponen de dos relés que en elevación son normalmente

utilizados como sigue: El primero (R1) como contacto de gestión de fallos, permitiendo la

desenergización del equipo ante la detección de una falla en el motor, la alimentación, o el

mismo variador; y un segundo relé (R2) como contacto de control del freno, permitiendo la

gestión de la frenada por el variador de velocidad de forma de garantizar un movimiento

fluido y seguro durante todo el recorrido. Se decidió además hacer algunas modificaciones

adaptando el diseño al motorreductor utilizado, así se agregó un interruptor termo-magnético

para proteger el freno del motor (ITM2), y un interruptor termo-magnético principal para

proteger el cableado y el modelo en general (ITM1).

La coordinación de las protecciones: interruptor principal (ITM1), guarda-motor o

disyuntor del variador de velocidad (Q1), e interruptor del freno (ITM2); fue realizada

utilizando el software EcoDial© de Schneider Electric y sus resultados verificados de forma

manual apoyándose en las curvas de los catálogos de cada elemento.

Adicionalmente se agregó al esquema de conexiones de potencia un pulsador para

paradas de emergencia (S3), pulsadores de encendido (S1) y apagado (S2) (energización y

desenergización del variador de velocidad), y un relé externo (R3) para supervisar el correcto

funcionamiento del freno de forma de indicar al variador si la orden de acople o desacople se

realizó correctamente.

El esquema de potencia completo puede observarse a continuación (Figura 4.14).

39

Figura 4.14 – Esquema de conexión de potencia utilizado

4.9.2 – Esquema de control

En cuanto al control y mando de la maqueta se utilizó como base una vez más la

disposición recomendada por Telemecanique para aplicaciones de elevación. Así se utilizó un

manipulador de dos direcciones y dos contactos por dirección, para permitir tener dos

velocidades tanto en la subida como en la bajada. Una primera velocidad llamada velocidad

de referencia que sería dispuesta a través de un potenciómetro, permitiendo al operador

modificarla a voluntad según lo que requiera el movimiento que va a realizar. Además se

contaría con una segunda velocidad llamada máxima velocidad, que permitiera configurar

previamente en el variador su valor y así conseguir un movimiento rápido y seguro cuando

sea necesario, por ejemplo para los movimientos con poca carga o sin carga.

Adicionalmente era necesario disponer de un selector que permitiera apoyar la carga

en el suelo (S4) cuando así lo requiriera el movimiento que se está realizando, por ejemplo en

una grúa cuando se quiere dejar reposar la carga en su lugar de destino, o durante la misma

demostración de la maqueta cuando se quisiera cambiar el número de pesas que se está

elevando. La razón de esto se debe a que se tiene sensores de fin de carrera, con lo cual la

carga es automáticamente detenida por el variador a una distancia segura del suelo (donde se

40

tenga configurado el sensor) durante la bajada. De esta forma lo que haría el selector para

apoyar la carga a fin de cuentas es “puentear” el sensor inferior de fin de carrera, o en otras

palabras indicar al variador a través de la entrada lógica de bajada que la orden de marcha

sigue estando presente.

Otra de las funciones que se quería demostrar en el modelo era la conmutación de

parámetros, que permite cambiar de forma rápida a través de selectores el juego de parámetros

configurado en el variador. Dado que se quería disponer de tres juegos distintos de parámetros

(máximo permitido por el ATV71), era necesario utilizar dos entradas lógicas. Para esto se

dispuso de dos selectores (S5 y S6).

De la inspección de las entradas lógicas que eran necesarias para cada función que se

ha comentado se requería un total de nueve (9) entradas lógicas a saber: contacto de

supervisión del freno, subida a velocidad de referencia, bajada a velocidad de referencia,

máxima velocidad en subida o bajada, fin de carrera superior, fin de carrera inferior, apoyar

carga al suelo, primera conmutación de juego de parámetros, y segunda conmutación de juego

de parámetros. Sin embargo el variador de velocidad Altivar 71 cuenta con seis (6) entradas

lógicas (que operan a 24 VDC). Para aumentar el número de entradas lógicas existían dos

posibles soluciones: utilizar una tarjeta de expansión de entradas y salidas, o utilizar una

tarjeta de control programable (que permite utilizar sus entradas como entradas del variador).

Con el fin de darle un interés adicional al proyecto y agregar opciones de control programable

(como si se contara con un PLC interno), se decidió utilizar la tarjeta de control programable

que es conocida como tarjeta “controller inside”.

Para completar los componentes del módulo variador, se decidió utilizar un kit que

permite empotrar la pantalla o display del variador de velocidad en la parte exterior del

gabinete. El esquema completo de control utilizado puede observarse a continuación (Figura

4.15).

41

Figura 4.15 – Esquema de conexiones de control utilizado

En resumen el funcionamiento de las velocidades y los sensores de fin de carrera se

pueden esquematizar como sigue (Figura 4.16). El módulo variador tendría entonces unas

dimensiones aproximadas de 750x300x540mm, y un peso aproximado de 15Kg.

Figura 4.16 – Velocidades y fines de carrera

42

4.10 – Módulo estructura

Dado que se quería un modelo desarmable y transportable, el conjunto motorreductor

y polea debía apoyarse sobre una estructura portátil, que a su vez contara con la capacidad de

soportar el peso total (alrededor de 200 Kg en conjunto aplicados en la parte superior de la

estructura) sin deformarse. Para estos fines la solución que mejor se adaptaba a los

requerimientos técnicos con un acabado adecuado para presentaciones, era un armario

modular desarmable de la marca Himel (Figura 4.17), utilizado normalmente como gabinete

para relés de potencia y otros dispositivos de protección y comando en salas eléctricas. Su

diseño permite el desarmado de sus partes de forma rápida, y fue solicitado por piezas con las

medidas específicas que se determinaron eran adecuadas, aprovechando la ventaja de poder

solicitar una puerta de vidrio que proporcionaría practicidad, seguridad y vistosidad a las

demostraciones y entrenamientos.

Figura 4.17 – Armario desarmable Himel utilizado en el proyecto

Para garantizar que tanto la estructura como la base en la cual se colocaría el módulo

motor soportaban el peso y esfuerzos que se requerían en el proyecto, éstos se reforzaron con

la ayuda de un tablerista ubicado en Guatire que agregó perfiles al armario para mejorar su

rigidez mecánica, y fabricó una base a la medida para los componentes del módulo motor. Así

el módulo estructura tendría entonces unas dimensiones aproximadas de 2000x1000x600mm,

y un peso aproximado de 50Kg.

43

4.11 – Construcción y modelo terminado

El procedimiento para la construcción se llevó a cabo a medida que los componentes

empezaron a llegar a la planta. Empezando por el módulo variador, se dispuso de una placa de

montaje sobre la cual se fijaron canaletas para el cableado, los componentes de protección, el

variador de velocidad, y bornas para ciertos puntos de los circuitos. Asimismo se hicieron las

perforaciones para los componentes de mando (o diálogo hombre-máquina), y se decidió

agregar tomas industriales de anclaje rápido para facilitar la conexión y desconexión del

modelo durante demostraciones y entrenamientos, así como bornas extraíbles para la llegada

del cableado desde el módulo motor. Completando así el módulo variador (Figura 4.18).

Figura 4.18 – Construcción del módulo variador

Posteriormente se realizó el armado del módulo estructura (Figura 4.19), y se llevaron

las piezas para su refuerzo en el tablerista. Se fijó el módulo variador a la estructura. Se

ubicaron las piezas del módulo motor, con las perforaciones pertinentes y su sujeción

apropiada con tornillos y tuercas (motorreductor, chumacera, resistencia de frenado). Se ubicó

el carrete y el acople con la ayuda de un nivel para evitar desbalances mecánicos sobre el eje.

Se configuraron los sensores de fin de carrera y se aseguraron con tornillos, tuercas, y flejes

para garantizar su rigidez (Figura 4.20). Luego se aseguró la guaya al carrete, se cortó a

medida el otro extremo y se ubicaron los perros de sujeción y el gancho. Se prepararon las

pesas sobre el soporte y se colgaron del gancho (Figura 4.21).

44

Figura 4.19 – El módulo estructura y el módulo variador

Figura 4.20 – Refuerzo y montaje de módulo motor

Figura 4.21 – Montaje de módulo carga

Los inconvenientes en la importación de productos debidos a los trámites de divisas

internacionales, presentes durante todo el desarrollo de la pasantía, así como la crisis

45

financiera, hicieron que muchos productos se demoraran en llegar. Por estas razones el tiempo

de llegada de dos componentes: el codificador y la celda de carga quedaron para principios

del año 2009 (el periodo de pasantía culminaba en Diciembre de 2008). Así se decidió

culminar el proyecto sin estos componentes, pero dejando el cableado listo para su llegada y

posterior montaje por parte de la empresa.

Ya con la construcción del modelo terminada (Figura 4.22), se preparó una extensión

de 8 metros para llevar la alimentación al modelo, y se revisaron las conexiones en frío.

Luego se verificó que no existieran cortocircuitos con la ayuda de un multímetro. Así se

procedió a la primera energización de los componentes paso a paso, para lo cual se utilizó un

banco industrial de pruebas que proporcionaba la tensión requerida con todas las

consideraciones pertinentes de seguridad (Figura 4.23). Finalmente se configuró el variador

de velocidad para las funciones que se quería demostrar. Con lo cual se podía empezar el

proceso de pruebas.

Figura 4.22 – Maqueta industrial de elevación

46

Figura 4.23 – Pantalla ATV71, conexiones, y banco de prueba

4.12 – Funciones utilizadas

A lo largo del desarrollo del trabajo, se ha comentado brevemente las funciones que se

utilizarían en el variador de velocidad para este proyecto en particular. Sin embargo en esta

sección se tratarán de definir a manera de resumen para reforzar la idea de las capacidades del

modelo construido.

• Lógica de frenado: Consiste en la gestión del arranque y parada a través del variador

de velocidad. Su utilidad radica en la posibilidad de hacer arranques y paradas seguros y

eficientes, permitir entregar el par necesario según la etapa del movimiento en la que se

encuentre la aplicación, aumentar la eficiencia del conjunto, y permitir suavidad y fluidez en

el movimiento. Es posible gestionar además un freno externo a través de ésta función (como

en el caso del motorreductor utilizado en el proyecto). La lógica de funcionamiento viene

previamente guardada en el variador, con lo cual solo es necesario indicar los datos de placa

de los componentes conectados. Las curvas en las cuales se basa el funcionamiento pueden

verse a continuación (Figura 4.24) para un arranque y parada en rampa típicos.

47

Figura 4.24 – El freno y la función lógica de frenado

• Control motor a lazo abierto o cerrado: Tal y como se ha cubierto a lo largo de los

capítulos anteriores, la diferencia entre el control a lazo cerrado y lazo abierto radica en el uso

de un sensor (codificador) que sirve de realimentación al circuito de control, permitiendo

mayor precisión y en consecuencia mejor desenvolvimiento de la elevación. En otras palabras

el lazo cerrado permite garantizar que se entrega el par necesario a velocidad cero, y un

movimiento sin sacudidas causadas por cambios repentinos de velocidad y par.

• Conmutación de parámetros: La utilidad de la conmutación de parámetros es la

posibilidad de cambiar entre juegos de configuraciones de forma rápida a través de selectores.

Así por ejemplo se puede cambiar la ley de control de lazo abierto a cerrado, o activar y

desactivar los sensores de fin de carrera, o cualquier combinación que para la aplicación

pueda resultar pertinente. Se ve especialmente cuando se piensa en el uso del modelo en

demostraciones, dado que puede ser de interés para el operador hacer una comparación rápida

entre una función activada y desactivada.

• Velocidades pre-seleccionadas: Consiste en la utilización de entradas lógicas para

asignar una velocidad específica previamente configurada al movimiento. Si bien el variador

permite establecer hasta ocho (8) velocidades pre-seleccionadas, para el caso del proyecto

sólo se utilizaron dos (2) velocidades, una de ellas pre-seleccionada a 50Hz por considerarla

rápida y lo suficientemente segura para el manejo en elevación.

• Elevación a alta velocidad: Permite la reducción de los tiempos de ciclo de trabajo en

la elevación. Su funcionamiento consiste en calcular la máxima velocidad que es posible

48

alcanzar de forma segura a través de la supervisión de la corriente entregada al motor. Para

esto previamente se debe tener configurados los datos de placa del motor utilizado.

• Medición de la carga: Se trata del reporte y uso de la señal de peso que entrega la

celda de carga al variador a través de una entrada lógica. Permite por ejemplo calcular con

exactitud el par del accionamiento.

• No linealidad de la referencia: Permite que la entrada analógica que sirve de referencia

de velocidad (potenciómetro), no siga un comportamiento lineal, sino que tenga cambios de

pendientes por secciones. Así es posible un control fino de velocidad en ciertos rangos, y un

control grueso en otros.

• Detección de deslizamiento: Esta función utiliza la realimentación del codificador para

permitir al variador de velocidad estimar en qué momento el deslizamiento está en valores

peligrosos, y en consecuencia activa el freno e informa el error. Así por ejemplo se puede

evitar desplomes de carga ante fallos de los dispositivos, o mayor exactitud en el control ante

deslizamientos operativos fuera de los límites admitidos.

• Detección de falla del freno: A través del contacto de supervisión del freno permite

garantizar que el freno actúa como indica el variador, y ante una falla del mismo puede

ordenar la entrega del par necesario para mantener la carga sin el desplome de la misma, hasta

la intervención de un operador. Asimismo esta función tiene la utilidad de permitir un control

más fino sobre el freno, a través del uso de impulsos para la activación y liberación del

mismo, sin el contacto de supervisión activado se utilizarían pulsos que tienden a causar

brincos o sacudidas en el movimiento.

• Gestión de límites de carrera: Permite la entrada al variador de las señales que envían

los sensores de fin de carrera dispuestos, así es posible configurar el tipo de parada que se

desea hacer cuando se llega a estos puntos en el movimiento.

• Posicionamiento por captadores: Útil en las aplicaciones de ascensores, permite la

parada en un sector específico del movimiento a través de la gestión de sensores configurados

a entradas lógicas.

• Funciones de tarjeta de control programable: La tarjeta “controller inside” (Figura

4.25) utilizada en el proyecto, permite darle funciones de PLC al modelo. La programación de

la misma es posible a través de la conexión a una computadora por redes con protocolos

49

industriales como el Modbus ó CanOpen. El paquete utilizado para su manejo es llamado

CodeSys, y permite utilizar lenguaje de símbolos, lenguaje escalera “ladder”, o lenguaje

Pascal para establecer la lógica que seguirá la tarjeta. Asimismo permite leer las propiedades

del variador como par, velocidad, estados de entradas, y efectuar acciones sobre éste tales

como modificar la velocidad, ordenar el arranque y parada, entre otras. Cuenta con diez (10)

entradas y salidas lógicas, dos (2) de ellas vienen pre-configuradas como contadores. A los

efectos del proyecto se programó una pequeña lógica sencilla utilizando lenguaje Pascal para

simular el funcionamiento de un ascensor en cuatro (4) pisos, y un pequeño contador para la

activación de los sensores y protecciones de forma de indicar el momento en que se

recomienda un mantenimiento o sustitución de los mismos. Adicionalmente se aprovechó la

tarjeta para ampliar el número de entradas lógicas disponibles.

Figura 4.25 – La tarjeta programable “controller inside”

Debido a la ausencia del codificador y la celda de carga en la culminación del

proyecto, las siguientes funciones se configuraron pero no pudieron ser probadas: control

vectorial a lazo cerrado (con sensor), medición de la carga, y la detección de deslizamiento.

4.13 – Aspectos económicos y de mercado

Si bien la orientación del presente proyecto no fue en ningún momento económica,

sino mas bien técnica; resulta imposible apartarse de la realidad que llevar a cabo un proyecto

del estilo representa una inversión. La empresa persigue con ello una utilidad en las ventas

dada la posibilidad de mejorar la presencia de sus productos en los mercados relacionados con

las grúas y los ascensores.

A continuación se presenta una tabla completa de los materiales y equipos utilizados

con su costo (Tabla 4.1). Se debe tener en cuenta que el margen de ganancia está incluido en

50

cado uno, incluso en los productos de Schneider Electric, aunque para éstos se está aplicando

el descuento usual resultante de haber hecho esos pedidos como internos a la empresa.

Tabla 4.1 – Tabla completa de materiales y costos asociados

Descripción Cant Referencia Precio

unitario (BsF)

Precio total (BsF)

Proveedor

Motorreductor 1,5kW / 2HP 220VAC 1 4,990.02 4,990.02 SEW Eurodrive

Carrete y acople 1 1,744.00 1,744.00 Laboratorio E - USB

Acero ANSI 1045 para polea 1 606.48 606.48 Ferrum C. A.

Chumaceras tipo puente para eje del carrete 1 52.97 52.97 Bearings & Seals

Variador 1,5kW / 2HP 220VAC 1 ATV71HU15M3 2,011.20 2,011.20 Schneider Electric

Kit para montaje remoto 1 VW3A1102 100.56 100.56 Schneider Electric

Puerta para kit de montaje remoto 1 VW3A1103 39.76 39.76 Schneider Electric

Adaptador RJ45 hembra-hembra 2 VW3A1105 39.76 79.51 Schneider Electric

Cable remoto (2 puertos RJ45) 3m 2 VW3A1104R30 32.75 65.49 Schneider Electric

Resistencia frenado 60Ω 100W 2,4Kg 1 VW3A7702 306.36 306.36 Schneider Electric

Encoder 1024ppr RS422 5V 1 XCC1406PR11R 316.20 316.20 Schneider Electric

Tarjeta interfaz encoder RS422 1 VW3A3401 282.97 282.97 Schneider Electric

Sensores fin de carrera, sobrecarrera 4 XCKM106 70.72 282.89 Schneider Electric

Celda de carga tipo S de 1000 lbs 1 989.65 989.65 ELINCA

Tarjeta conversora de señal 4…20mA para celda 1 2,132.88 2,132.88 ELINCA

Montantes verticales 2000x1000x600 1 OLMV20 146.61 146.61 FAMENACA

Paneles superior e inferior 2000x1000x600 1 OLSI106 1,039.39 1,039.39 FAMENACA

Panel posterior 2000x1000 1 OLPO2010 562.70 562.70 FAMENACA

Zócalo individual 1000x600x100 1 ZUN106/100 374.59 374.59 FAMENACA

Puerta transparente 2000x1000 1 OLPU2010KT 1,429.12 1,429.12 FAMENACA

Puerta transparente 2000x600 1 OLPU206KT 1,090.48 1,090.48 FAMENACA

Pesas 150Kg. 1 1,500.00 1,500.00 Tienda deportiva

Base para pesas 1 100.00 100.00 Herrería

Gabinete de Variador 1 PLM75 1,156.77 1,156.77 SERVIELECA

Pulsador luminoso 22mm led amarillo 24 Vac/dc 1 XB4BW35B5 46.43 46.43 Schneider Electric

Selector 22mm maneta corta 2 posiciones 1 XB4BD21 36.36 36.36 Schneider Electric

Pulsador doble luminoso 22mm 24 Vac/dc 1 XB4BW84B5 74.83 74.83 Schneider Electric

Potenciómetro 2,2kOhm 3W 1 SZ1RV1202 63.91 63.91 Schneider Electric

Manipulador 22mm 2 direcc. 2 contactos/dirección 1 XD2GA8241 837.09 837.09 Schneider Electric

Disyuntor magnético 10A 2 GV2L14 100.13 200.26 Schneider Electric

Contactor tripolar 18A 220V AC 2 LC1D18M7 100.13 200.26 Schneider Electric

Interruptor termomagnético 3p 25A C60N 1 24352 105.93 105.93 Schneider Electric

Interruptor termomagnético 2p 4A C60N 1 24334 77.47 77.47 Schneider Electric

Guaya para 150Kg. 1 93.00 93.00 EPA

Total 23,136.14

A través del uso de bases de datos pertenecientes a la actividad de variación de

velocidad en la empresa, fue posible acceder al costo del modelo Francés LEVAGE utilizado

51

como referencia para llevar a cabo el proyecto. Según los documentos el modelo básico

LEVAGE tiene un costo de aproximadamente 25.000,00 € (sin incluir transporte, montaje,

ensamblaje, ni opciones adicionales). Observando el costo que resultó del modelo hecho en

ésta pasantía se tiene 23.136,14 BsF equivalentes aproximadamente a 6.725,62 €. Con lo cual

puede verse que resulta mucho más económico como se hizo que comprar el modelo Francés.

A esto se debe agregar además algunas ventajas tales como: el aprendizaje que queda a la

empresa luego del proyecto, la posibilidad de tener un modelo hecho a la medida de las

necesidades con características tales como poder trasladarlo (el modelo Francés es fijo), la

seguridad de conseguir repuestos o mejoras con los mismos proveedores utilizados para la

fabricación.

CAPÍTULO 5

PRUEBAS Y RESULTADOS

Para verificar el correcto funcionamiento del modelo construido, se procedió a realizar

las siguientes pruebas:

• Prueba en frío: Con el modelo desenergizado se verificó que no existiera ningún

cortocircuito en los componentes, a través del uso de un multímetro.

• Prueba de funcionamiento básico: Ya con el modelo energizado, consistió en la

inspección del funcionamiento del circuito de encendido, controles, configuración

básica, activación y desactivación del freno, capacidades térmicas, y circuito de

apagado (Figura 5.1).

• Prueba básica de movimiento: Consistió en realizar elevaciones sucesivas sin carga a

diferentes velocidades (Figura 5.2). Posteriormente aumentando la carga y repitiendo

la prueba hasta llegar al caso a plena carga (150Kg).

• Prueba a lazo abierto: Semejante a la prueba anterior pero utilizando la ley de control

vectorial a lazo abierto (sin sensor) y reportando en una tabla todas las variables de

interés para estudiar si el funcionamiento es el adecuado. Por su importancia ésta

prueba se detallará en la siguiente sección del capítulo.

Tal y como se comentó en el capítulo anterior, el funcionamiento a lazo cerrado no

pudo ser estudiado en las pruebas realizadas. Sin embargo fue posible realizar una pequeña

prueba utilizando como ley de control la ley tensión/frecuencia. Se debe recordar que dicha

ley NO es recomendada en aplicaciones de elevación dado que no proporciona un control

sobre el par. Como resultado a esta prueba el comportamiento de la elevación fue errático y

poco preciso, vale la pena destacar que en este caso el freno se tuvo que liberar a través de la

energización directa del mismo por un circuito externo, dado que la función de lógica de

frenado no es compatible con la ley de control tensión/frecuencia.

53

Figura 5.1 – Prueba de funcionamiento básico

Figura 5.2 – Prueba básica de movimiento

De la observación de los resultados obtenidos para las pruebas básicas (sin incluir la

de lazo abierto) se puede destacar algunos puntos de interés:

Se pudo apreciar que el funcionamiento básico del modelo en cuanto a las

protecciones, mando, y señalización era el adecuado. Los niveles de tensión en cada punto de

54

interés obedecían a los valores esperados. No se encontraron cortocircuitos en pruebas en frío.

Los circuitos de encendido y apagado funcionaron según lo planificado.

El movimiento básico de la carga en la maqueta fue apropiado, llevando las pesas de

manera uniforme a lo largo del recorrido de subida y bajada en todo el rango de velocidades.

Los sensores de fin de carrera tuvieron que ser ajustados para alcanzar las paradas en las

posiciones que se consideraban seguras, una vez reposicionados el funcionamiento de los

mismos fue óptimo, logrando detener la carga a distancias seguras (alrededor de 20cm antes

del tope) en la subida y la bajada.

5.1 – Prueba a lazo abierto:

Para la realización de la prueba a lazo abierto se configuró la ley de control vectorial

sin sensor en el variador de velocidad, y se realizaron subidas y bajadas sucesivas desde 0

hasta 150Kg en la carga, en pasos de 50Kg. Los resultados obtenidos se reportaron como se

muestra a continuación (Tablas 5.1, 5.2, 5.3, 5.4) y son producto del uso de funciones de

supervisión integradas en el variador de velocidad, así como la medición de tiempos con un

cronómetro.

Carga 0 Kg Tabla 5.1 – Prueba a lazo abierto con carga 0 Kg

Subida Bajada Velocidad referencia [Hz] 10 20 30 40 50 10 20 30 40 50

Tiempo [seg] 13.64 7.17 5.00 4.13 3.50 13.70 7.10 4.90 4.20 3.53 Velocidad [m/min] 7.04 13.39 19.20 23.24 27.43 7.01 13.52 19.59 22.86 27.20

Par máx [%] 9.4 11.5 12.6 13.2 14.8 10.6 8.8 10.4 12.2 14.4 Potencia sal mot máx [%] 2.0 4.0 6.0 8.0 11.0 2.0 3.0 5.0 7.0 10.0

Temp máx motor [%] 27.0 28.0 29.0 30.0 30.0 27.0 28.0 29.0 30.0 30.0 Temp máx variador [%] 62.0 64.0 65.0 66.0 67.0 62.0 64.0 65.0 65.0 67.0

Temp máx resist [%] 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 Corriente [A] 3.2 3.2 3.2 3.3 3.3 3.2 3.2 3.2 3.3 3.3

Velocidad motor [rpm] 299 602 901 1200 1500 299 602 901 1200 1500

55

Carga 50 Kg Tabla 5.2 – Prueba a lazo abierto con carga 50 Kg

Subida Bajada Velocidad referencia [Hz] 10 20 30 40 50 10 20 30 40 50

Tiempo [seg] 13.27 7.25 5.21 4.47 3.78 13.02 7.22 5.18 4.40 3.67 Velocidad [m/min] 7.23 13.24 18.43 21.48 25.40 7.37 13.30 18.53 21.82 26.16

Par máx [%] 30.0 29.3 31.2 30.2 33.9 7.4 7.3 5.6 5.0 4.0 Potencia sal mot máx [%] 5.0 10.0 16.0 20.0 27.0 1.0 3.0 3.0 4.0 4.0

Temp máx motor [%] 24.0 26.0 26.0 26.0 25.0 25.0 26.0 26.0 26.0 25.0 Temp máx variador [%] 56.0 59.0 60.0 61.0 61.0 58.0 59.0 61.0 61.0 61.0

Temp máx resist [%] 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 Corriente [A] 3.4 3.5 3.6 3.6 3.7 3.2 3.2 3.2 3.2 3.2

Velocidad motor [rpm] 300 599 899 1201 1501 300 599 899 1201 1501

Carga 100 Kg Tabla 5.3 – Prueba a lazo abierto con carga 100 Kg

Subida Bajada Velocidad referencia [Hz] 10 20 30 40 50 10 20 30 40 50

Tiempo [seg] 13.24 7.10 5.26 4.41 3.83 12.99 7.00 5.09 4.41 3.83 Velocidad [m/min] 7.25 13.52 18.25 21.77 25.07 7.39 13.71 18.86 21.77 25.07

Par máx [%] 47.7 48.7 49.8 49.1 50.0 22.9 22.2 20.9 19.4 17.5 Potencia sal mot máx [%] 8.0 17.0 25.0 32.0 40.0 4.0 8.0 11.0 14.0 16.0

Temp máx motor [%] 19.0 21.0 21.0 21.0 21.0 19.0 21.0 21.0 21.0 21.0 Temp máx variador [%] 51.0 53.0 54.0 54.0 54.0 51.0 53.0 54.0 54.0 54.0

Temp máx resist [%] 0.0 0.0 0.0 2.0 2.0 0.0 1.0 4.0 6.0 7.0 Corriente [A] 3.9 4.0 4.0 4.1 4.2 3.5 3.5 3.4 3.4 3.4

Velocidad motor [rpm] 303 604 899 1200 1503 302 604 899 1199 1502

Carga 150 Kg Tabla 5.4 – Prueba a lazo abierto con carga 150 Kg

Subida Bajada Velocidad referencia [Hz] 10 20 30 40 50 10 20 30 40 50

Tiempo [seg] 13.47 7.19 5.30 4.30 3.79 12.92 7.05 4.94 4.12 3.62 Velocidad [m/min] 7.13 13.35 18.11 22.33 25.33 7.43 13.62 19.43 23.30 26.52

Par máx [%] 66.2 64.5 65.7 67.5 67.0 36.8 37.3 35.8 32.1 30.6 Potencia sal mot máx [%] 11.0 22.0 34.0 44.0 54.0 6.0 13.0 18.0 23.0 26.0

Temp máx motor [%] 15.0 15.0 17.0 16.0 16.0 16.0 16.0 17.0 16.0 16.0 Temp máx variador [%] 41.0 44.0 46.0 49.0 50.0 41.0 44.0 47.0 49.0 50.0

Temp máx resist [%] 0.0 6.0 10.0 11.0 14.0 0.0 13.0 19.0 18.0 24.0 Corriente [A] 4.4 4.5 4.6 4.6 4.7 3.9 3.8 3.8 3.7 3.8

Velocidad motor [rpm] 303 603 901 1205 1500 303 602 901 1204 1499

Leyenda: Máximos Mínimos

De la observación de los resultados obtenidos para la prueba a lazo abierto se puede

destacar algunos aspectos de interés:

56

El modelo construido es capaz de:

Realizar elevaciones en un recorrido vertical libre de 1,6 m

En un rango de velocidades de 0 a 27 m/min

Con cargas de 0 a 150 Kg (teóricamente capaz de elevar más)

Control en el movimiento con varias leyes y opciones de ajuste

Con un peso total (sin carga) de 130 Kg

Los tiempos de subida y bajada para cada valor de velocidad se mantuvieron cercanos

(diferencias alrededor del 3%) independientemente de la carga elevada (Figura 5.3). Esto

sugiere que el variador estuvo en capacidad de regular la potencia y par entregado de forma

de alcanzar una velocidad aproximadamente constante, tal y como se desea en este tipo de

control y aplicaciones.

Figura 5.3 – Gráfica velocidad de referencia vs velocidad lineal para 0Kg y 150Kg

La velocidad máxima alcanzada se dio para la subida sin carga, y fue de 27,43m/min.

Se debe recordar que se había diseñado para obtener una velocidad máxima cercana a los

30m/min, con lo cual el resultado es bastante aceptable. La diferencia con el valor teórico

esperado se debe a las pérdidas mecánicas y eléctricas, así como el hecho que las dimensiones

del carrete se tuvieron que adaptar ligeramente para cumplir con la funcionalidad técnica de la

pieza.

El par máximo entregado ocurrió para la subida con carga de 150Kg y fue de 67,5%

del par nominal. Esto es lógico dado que es el caso más exigente de toda la prueba. El valor

57

de par máximo está aún por debajo del 100% porque se debe recordar que el motorreductor

está sobre dimensionado para la carga que se está elevando (por razones de mercadeo antes

comentadas). Asimismo la potencia máxima de salida ocurre para el mismo caso por la misma

justificación y es del 54% de la nominal (Figura 5.4).

Figura 5.4 – Gráfica velocidad de referencia vs potencia máxima de salida para 150Kg

Es de destacar que el par máximo entregado se mantiene en valores cercanos

(diferencias del orden del 10%) para todo el rango de velocidades en cada caso (Figura 5.5).

Lo cual es consecuente con la teoría que indica que los motores controlados por variadores de

velocidad entregan un par constante en todo el rango de velocidad a través de la regulación

del flujo en el motor.

Figura 5.5 – Gráfica velocidad de referencia vs par máximo para 150Kg

58

Las temperaturas del variador y motor se vieron apenas exigidas. Es de considerar que

todos los casos de esta prueba se hicieron de forma sucesiva, con lo cual la temperatura del

variador va aumentando a medida que avanzó la prueba debido a la mayor cantidad de tiempo

en funcionamiento. Sin embargo la temperatura máxima del variador llega apenas al 60% de

su capacidad nominal luego de toda la prueba, con lo cual se puede intuir que el equipo está

correctamente especificado para la aplicación de éste modelo. En cuanto al motor la máxima

fue de apenas 30% de su capacidad térmica nominal.

Respecto a la temperatura en la resistencia de frenado, se puede apreciar que durante

la subida prácticamente no fue utilizada. Sin embargo en la bajada se puede observar su

contribución disipando la energía remanente para controlar la velocidad, llegando a un

máximo de temperatura en el caso a carga y velocidad máxima de 24% de su capacidad

térmica nominal (Figura 5.6). Resultado totalmente lógico si se considera que es el caso

donde se debe compensar en mayor medida a la fuerza de gravedad. Además el valor de 24%

indica que la decisión de utilizar una resistencia de uso general, y no una robusta de

elevación, fue apropiada. Dado que se pudo aprovechar su menor tamaño, y su capacidad para

disipar la energía remanente no se vio exigida.

Figura 5.6 – Gráfica vel. de ref. vs temp. máx. en resistencia de frenado para 150Kg

Los valores de corriente y velocidad en el eje estimados por el variador, indican que se

está realizando un control eficiente donde apenas hay diferencias con la velocidad esperada.

Sin embargo pudo haber sido interesante, de disponer del codificador, comparar la regulación

con la prueba a lazo cerrado que es en principio mucho más precisa.

59

En general se pudo apreciar que el modelo construido cumple la función para la cual

fue diseñado, y los requerimientos técnicos que debe tener una aplicación de elevación ya sea

para grúas o para ascensores. Además presenta todas las características que se deseaban para

hacer válido el modelo en demostraciones y entrenamientos.

60

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Luego de culminado el periodo de pasantías y la realización del proyecto, podemos

concluir en algunos aspectos técnicos, económicos y académicos que permiten hacer una

revisión del trabajo que se llevó a cabo.

Es evidente que haber llegado a un diseño que cumple las características que se

requerían, y posteriormente lograr construirlo probando que efectivamente realiza sus

funciones de forma apropiada, permite afirmar que los objetivos planteados al principio del

proyecto de grado se alcanzaron completamente. Los inconvenientes económicos y logísticos

que se presentaron sirvieron como aprendizaje para demostrar la realidad del día a día en las

empresas, y la forma de superarlos sin sacrificar las metas propuestas.

Técnicamente se comprobó la efectividad de los variadores de velocidad como

métodos de control de movimiento en motores. Se observó las particularidades del

movimiento de elevación en aspectos tales como: la exigencia de operación en régimen

generador y régimen motor de la máquina de inducción, el gran par inicial necesario para

vencer la inercia de las cargas elevadas, los requerimientos de velocidad y leyes de control

para alcanzar un control eficiente, entre otros. Asimismo de observó la forma de solucionar

estos aspectos a través de la electrónica de potencia y la mecánica asociada. En términos de

par, potencia, temperatura y corrientes el modelo respondió a la premisa teórica del estudio.

Se pudo diseñar y construir un modelo que incluyó distintos aspectos técnicos tales

como estudios de protecciones, análisis de esfuerzos y cargas, planificación, logística, procura

de materiales, especificaciones o dimensionamiento de equipos, realización de planos y

ejecución de cableado eléctrico, entre otras. Se logró un diseño portátil, eficaz y seguro para

demostraciones y entrenamientos.

Desde el punto de vista económico se observó que la realización de la maqueta es

rentable, si se considera que en comparación a otros modelos similares su costo fue mucho

menor, y que supondrá un alza en las ventas de los productos asociados a las grúas y

ascensores comercializados por la empresa. En cuanto a las opciones de mercadeo se pudo ver

que las grúas y ascensores en el país utilizan activamente los variadores de velocidad, y tienen

aspectos por mejorar en los que el modelo construido puede hacer una labor importante.

61

Como visión al futuro el diseño del modelo quedó abierto a mejoras y modificaciones.

La posibilidad de agregar los componentes faltantes del diseño inicial (codificador y celda de

carga) fue considerada y el modelo preparado para éste fin. Una de las sugerencias que se

puede hacer para la continuación del desarrollo del modelo, es agregar sensores de

movimiento a lo largo de la estructura para demostrar la lógica de ascensores utilizada en la

tarjeta controladora programable.

A medida que la tecnología continúe avanzando para solucionar los problemas y retos

presentes en las industrias, iniciativas como éstas serán vitales para permitir un desarrollo

apropiado que lleve a las empresas del país a actualizarse y hacer más eficiente su labor.

62

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] Alexander Bueno Montilla, “Apuntes de Máquinas Eléctricas”, Dpto. de Tecnología Industrial, Universidad Simón Bolívar, Sartenejas. (2007) [2] José Manuel Aller, “Máquinas Eléctricas Rotativas, Introducción a la teoría general”, Editorial Equinoccio, Valle de Sartenejas. (2008) [3] Alexander Bueno Montilla, “Electrónica de Potencia: Aspectos generals y convertidores electrónicos”, Dpto. de Tecnología Industrial, Universidad Simón Bolívar, Sartenejas. (2007) [4] Blaabjerg, Villafáfila, Thoegersen, Galceran, “Convertidores de frecuencia: retos y aplicaciones futuras”, CITCEA-UPC, no. 361, Abril. (2005) [5] S. J. Chapman. "Máquinas Eléctricas". Tercera Edición. McGraw Hill. (2000) [6] White, Woodson. "Electromechanical Energy Conversion". John Wiley & Sons. (1958) [7] HATRE, A.F. “Aparatos de elevación y transporte elevado de cargas”, en O.S.M.E. Tratado de Higiene y Seguridad del Trabajo Madrid, Ministerio de Trabajo. (1971) [8] Schneider Electric Industries SAS, “Guía Esencial Automatización y Control de Movimiento”, Francia. (2006) [9] Schneider Electric Industries SAS, “Catálogo Altivar 71”, Francia. (2007) [10] Schneider Electric Industries SAS, “Manual de Programación Altivar 71”, Francia. (2008) [11] Guarinos Bertrand, “Hoisting Vertical Movement”, Motion & Drives domain, Telemecanique, Francia. (2008) [12] Guarinos Bertrand, “LEVAGE Hoisting Demo”, Entrenamiento Altivar 71, Telemecanique, Francia. (2008) [13] D.Clenet, “Cuaderno Técnico n° 208 – Arrancadores y variadores de velocidad electrónicos”, Schneider Electric. (2005)

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APÉNDICE A

COORDINACIÓN DE PROTECCIONES ECODIAL©

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APÉNDICE B

PLANOS MOTORREDUCTOR

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Schneider Electric Venezuela, S.A. Av. Intercomunal Guarenas – Guatire, Sector Vega Arriba, Parcela Industrial 9C,Guatire, Edo. Miranda - Venezuela Tel. 00 (58) 212 340 08 11 http://www.schneider-electric.com.ve RIF : J-00116620-3

APÉNDICE C

MANUAL DE USUARIO

Maqueta industrial de elevación con ATV71

Manual de usuario

La maqueta o modelo industrial de elevación, fue diseñada con el fin de ser utilizada en demostraciones

y entrenamientos asociados a la familia de variadores Altivar 71 en aplicaciones de elevación. Su construcción es

modular, lo que permite su desarme para ser trasladada. Se recomienda el transporte del modelo en cuatro partes

fundamentales: en primer lugar el módulo motorreductor, o sección superior compuesta por motorreductor,

carrete, chumacera, acople, sensores y cableado asociado; un segundo módulo variador, compuesto por el

gabinete y la botonería asociada al control del modelo; el tercer modulo armario, compuesto por la estructura

modular con puerta de vidrio; y un cuarto módulo de carga, compuesto por las pesas y su base.

• Principio fundamental

La maqueta permite simular el movimiento de elevación en grúas y ascensores, con el fin de estudiar

sus particularidades y las capacidades del variador de velocidad para controlar el movimiento. Por esta razón el

objetivo del modelo es desplazar una carga que puede ser variada a voluntad entre 5Kg y 155Kg con pasos de

25Kg a través de una trayectoria vertical, con la posibilidad de modificar el método de control utilizado, la

velocidad de desplazamiento, la limitación de corriente, el control de finales de carrera, entre otras utilidades y

funciones.

• Método de energización y arranque

Para comenzar a utilizar la maqueta durante una demostración, se debe:

1. Realizar las conexiones de todos los cables dejando de último el conector de tensión

2. Considerar las medidas de seguridad: mantener cerrada la puerta del gabinete del variador una

vez conectada la tensión para evitar el contacto con partes energizadas, mantener cerrada la

puerta del armario y guardar una distancia prudencial con éste durante la elevación, evitar el

contacto con cualquier parte móvil del modelo, asegurarse que todos los componentes están

firmemente apoyados o conectados, y cualquier otra medida de seguridad que se considere

prudente según el caso.

3. Abrir la puerta del gabinete variador

4. Activar el interruptor principal (ITM1) ubicado en la parte superior izquierda del panel

5. Activar el interruptor del freno (ITM2) ubicado a la derecha del anterior

6. Activar el disyuntor (Q1)

7. Cerrar la puerta del gabinete variador

8. Presionar el pulsador de encendido (S1) durante al menos 2 segundos

9. Se debe observar en el terminal gráfico (HID) la inicialización del variador de velocidad, hasta

el estado “ready” (RDY)

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Schneider Electric Venezuela, S.A. Av. Intercomunal Guarenas – Guatire, Sector Vega Arriba, Parcela Industrial 9C,Guatire, Edo. Miranda - Venezuela Tel. 00 (58) 212 340 08 11 http://www.schneider-electric.com.ve RIF : J-00116620-3

10. Seleccionar la velocidad de referencia deseada en el potenciómetro y proceder al movimiento o

función que se quiera demostrar

• Método de parada y desenergización

Para la desconexión del modelo, se debe:

1. Asegurarse que no se está moviendo la carga (soltando la palanca de movimiento o

presionando el pulsador de parada de emergencia (S3) si es necesario)

2. Presionar el pulsador de apagado (S2)

3. Se debe observar que la imagen en el terminal gráfico (HID) desaparece

4. Abrir la puerta del gabinete del variador

5. Desactivar el disyuntor (Q1)

6. Desactivar el interruptor del freno (ITM2)

7. Desactivar el interruptor principal (ITM1)

8. Cerrar la puerta del gabinete del variador

9. Desconectar el cableado empezando por la tensión y con las medidas pertinentes de seguridad

• Controles y opciones del modelo

La maqueta cuenta en su panel de control (al costado del gabinete del variador), con lo siguiente:

La compuerta para la conexión del terminal gráfico (HID) o el cable remoto

Los pulsadores de encendido (S1) y apagado (S2)

El pulsador de parada de emergencia (S3)

Los selectores de configuración (S5 y S6)

El selector para permitir el apoyo al suelo (S4)

El potenciómetro de referencia de velocidad

La palanca de movimiento de dos velocidades por dirección

Si bien los controles más usados están de forma explícita en el panel de control, es posible realizar

cualquier modificación o selección de funciones a través del uso del terminal gráfico (HID), el enlace de

comunicaciones con un control remoto, o un computador. Para estos efectos se recomienda siempre contar con el

manual de programación actualizado para el Altivar 71.

• Funciones en una demostración

Si bien las demostraciones con la maqueta de elevación pueden hacerse de la forma que el entrenador

desee, una forma típica de realizarla sería la siguiente:

Establecer la configuración 1 con el control a lazo abierto, y la configuración 2 con el control a lazo

cerrado. Se puede establecer la configuración 3 para otra opción como por ejemplo la elevación a alta velocidad.

Una vez energizado y arrancado el modelo, demostrar una elevación sin carga a lazo abierto tanto a velocidad de

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referencia como a máxima velocidad. Demostrar el funcionamiento de los ralentizadores de carrera y finales de

carrera. Demostrar la parada de emergencia. Mostrar las funciones

de medición de la carga, posición por captadores, lógica de frenado y cualquier otra función pertinente. Colocar

media carga o máxima carga según se desee y realizar una elevación a lazo abierto. Cambiar a la configuración 2

a través del selector. Realizar una elevación a lazo cerrado y comparar con la elevación anterior. Simular una

falla en el freno a través de la desconexión repentina del mismo en la borna exterior y demostrar las protecciones

de frenado. Simular una falla de deslizamiento a través de la desconexión del encoder y demostrar las

protecciones asociadas.

Cualquier función o actualización que se desee agregar a las demostraciones o entrenamientos se

pueden realizar siguiendo los mismos criterios de precauciones especificados en los manuales del variador de

velocidad Altivar 71.