Perfil Trabajo de Titulación C Revelo D Revelo

UNIVERSIDAD DE FUERZAS ARMADAS - ESPE DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA Y MECÁNICA

CARRERA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA

PERFIL DEL PROYECTO DE GRADO PREVIO AL TRABAJO DE TITULACIÓN PARA LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO MECATRÓNICO

“Diseño y Construcción de un prototipo de equipo para medición de resistencia dieléctrica de aceites de

transformadores”

RESPONSABLES Revelo Ojeda Christian Alberto

Revelo Ojeda David Miguel

29 de Marzo del 2016 SANGOLQUÍ – ECUADOR

Carrera de Ingeniería Mecatrónica Perfil de proyecto

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1. Tabla de contenido 2. TÍTULO DEL PROYECTO 2

3. DATOS REFERENCIALES DEL PROYECTO 2

3.1. Fecha de presentación 2

3.2. Institución auspiciante y/o beneficiaria 2

3.3. Responsables del proyecto 2

3.4. Colaboradores profesionales 2

3.4.1. Directos de la ESPE 2

3.5. Ubicación del tema 2

3.5.1. Línea de Investigación 2

3.5.2. Asignaturas relacionadas 2

3.6. Localización geográfica 3

3.7. Duración del proyecto 3

4. DEFINICIÓN DEL PROYECTO 3

4.1. Antecedentes 3

4.2. Marco institucional 3

4.2.1. Misión 4

4.2.2. Visión 4

4.2.3. Principios Filosóficos 4

4.2.4. Valores Institucionales 5

4.3. Justificación e importancia 5

4.4. Área de influencia 6

5. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO 6

6. ALCANCE DEL PROYECTO 7

6.1. Componentes mecánicos 7

6.2. Componentes electrónicos/eléctricos 8

6.3. Componentes del sistema de control 8

6.4. Software para implementación, análisis y simulación 9

7. OBJETIVOS 9

7.1. Objetivo general 9

7.2. Objetivos específicos 9

8. METODOLOGÍA 10

9. BIBLIOGRAFÍA 11

10. ANEXOS 12

10.1. Propuesta de índice 12

10.2. Cronograma del proyecto 13

10.3. Presupuesto referencial 14

10.4. Carta de auspicio 15

10.5. Terminología 16


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2. TÍTULO DEL PROYECTO Diseño y Construcción de un prototipo de equipo para medición de resistencia dieléctrica de aceites de transformadores.

3. DATOS REFERENCIALES DEL PROYECTO

3.1. Fecha de presentación

29 de Marzo del 2016

3.2. Institución auspiciante y/o beneficiaria

Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE – Laboratorio de Máquinas Eléctricas

3.3. Responsables del proyecto

Revelo Ojeda Christian Alberto Revelo Ojeda David Miguel

3.4. Colaboradores profesionales

3.4.1. Directos de la ESPE Ing. Mario Echeverría, DEEE, Área de Eléctrica

3.5. Ubicación del tema

3.5.1. Línea de Investigación

Tabla 1. Líneas y sublíneas de investigación del proyecto Línea Sublínea

Sistemas eléctricos, electrónicos y computacionales

Electrónica de potencia

Software Aplicado Software de Diseño Asistido (CAD)

Automática y control Robótica

3.5.2. Asignaturas relacionadas

Las asignaturas relacionadas con el tema del trabajo de titulación son:

Sistemas CAD/CAM/CAE,

Diseño Electrónico,

Instrumentación Industrial Mecánica y Mecatrónica,

Máquinas Eléctricas.


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3.6. Localización geográfica

Institución: Universidad de las Fuerzas Armadas - ESPE País: Ecuador Región: Sierra Provincia: Pichincha Cantón: Rumiñahui Dirección: Av. Gral. Rumiñahui s/n, Sector Santa Clara – Valle de los Chillos

3.7. Duración del proyecto

El proyecto tendrá como duración aproximada un tiempo de 8 meses a partir de la fecha de aprobación por parte del Consejo de Carrera.

4. DEFINICIÓN DEL PROYECTO

4.1. Antecedentes

Las empresas Hidroeléctricas, dentro su campo de acción y subsistemas de control y funcionamiento de la Central, en las Subestaciones, utilizan como medios elevadores de tensión de la energía eléctrica generada en la Central para proceder a su distribución a través del sistema de interconexión, a los transformadores de potencia húmedos, los cuales poseen en su interior aceite con características dieléctricas. Como afirma Endesa Educa (2014) “Los transformadores eléctricos son indispensables en el sistema eléctrico ya que estos transforman la electricidad que le llega al devanado de entrada en magnetismo para volver a transformarla en electricidad, en las condiciones deseadas, en el devanado secundario. Gracias a los transformadores, ha sido posible el desarrollo de la industria eléctrica, su utilización hizo posible la realización práctica y económica del transporte de energía eléctrica a grandes distancias.” Por lo que es de vital importancia el determinar las condiciones operativas en que se encuentre el transformador en cada aplicación que se le en la Industria. 4.2. Marco institucional

(ESPE, 2016) La Universidad de las Fuerzas Armadas "ESPE", es una institución de educación superior; con personería jurídica, de derecho público y sin fines de lucro; con autonomía académica, administrativa, financiera, orgánica y patrimonio propio.


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(ESPE, 2016) El domicilio de la Universidad está en Quito y la Matriz principal en el Campus de Sangolquí, con extensiones en Latacunga, Salinas, Guayaquil, Santo Domingo de los Tsáchilas y Galápagos; se rige por la Constitución de la República del Ecuador, la Ley Orgánica de Educación Superior y su Reglamento, Ley Orgánica de Servicio Público, el Código de Trabajo, la Ley de Personal de las Fuerzas Armadas, y otras leyes conexas, su Estatuto, los reglamentos expedidos de acuerdo con la Ley y normas emitidas por sus órganos de administración y autoridades. Creada a partir de la expedición de la Ley de Educación Superior, Transitoria vigésima segunda, publicada en el Registro Oficial N° 298 del martes 12 de octubre del 2010.

4.2.1. Misión (ESPE, 2016) Formar académicos, profesionales e investigadores de excelencia, creativos, humanistas, con capacidad de liderazgo, pensamiento crítico y alta conciencia ciudadana; generar, aplicar y difundir el conocimiento y, proporcionar e implementar alternativas de solución a los problemas del país, acordes con el plan Nacional de Desarrollo. 4.2.2. Visión

(ESPE, 2016) Al año 2016, Líder en la gestión del conocimiento y de la tecnología en el Sistema Nacional de Educación Superior, con prestigio Internacional y referente de práctica de valores éticos, cívicos y de servicio a la sociedad. 4.2.3. Principios Filosóficos

(ESPE, 2016) La Escuela Politécnica del Ejército conduce y desarrolla sus eventos y procesos mediante los siguientes principios: La Institución se debe fundamentalmente a la nación ecuatoriana; a ella orienta

todo su esfuerzo contribuyendo a la solución de sus problemas mediante la formación profesional y técnica de los miembros de su población.

Es una Institución abierta a todas las corrientes del pensamiento universal, sin proselitismo político ni religioso.

La búsqueda permanente de la excelencia a través de la práctica de la cultura de la calidad en todos sus actos.

La formación consciente, participativa y crítica con libertad académica y rigor científico, que comprenda y respete los derechos fundamentales del ser humano y de la comunidad.


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El cultivo de valores morales, éticos y cívicos, respetando los derechos humanos con profunda conciencia ciudadana; coadyuva a la búsqueda de la verdad y forma hombres de honor, libres y disciplinados.

El mantenimiento de las bases históricas de la identidad nacional para incrementar el orgullo de lo que somos y así proyectamos al futuro.

La conservación, defensa y cuidado del medio ambiente y el racional aprovechamiento de los recursos naturales; y,

La práctica de los valores tradicionales de orden, disciplina, lealtad, justicia, gratitud y respeto, en el contexto de la responsabilidad, la honestidad, el autocontrol, la creatividad, el espíritu democrático, la solidaridad y la solución de los problemas mediante el diálogo y la razón.

4.2.4. Valores Institucionales

(ESPE, 2016) La conducta de todos y cada uno de los miembros de la comunidad politécnica, se mantendrá siempre bajo la práctica de los valores institucionales que se puntualizan a continuación:

Honestidad a toda prueba. Respeto a la libertad de pensamiento. Orden, puntualidad y disciplina conscientes. Búsqueda permanente de la calidad y excelencia. Igualdad de oportunidades. Respeto a las personas y los derechos humanos. Reconocimiento a la voluntad, creatividad y perseverancia. Práctica de la justicia, solidaridad y lealtad. Práctica de la verdadera amistad y camaradería. Cultivo del civismo y respeto al medio ambiente. Compromiso con la institución y la sociedad. Identidad institucional. Liderazgo y emprendimiento. Pensamiento crítico. Alta conciencia ciudadana

4.3. Justificación e importancia

El presente proyecto busca encaminarse y alinearse dentro del cambio de la matriz productiva incentivado por el Gobierno Nacional, en los cuales se busca el desarrollo en implementación de tecnología propia para el País. Es así, que contar con un equipo que permita efectuar la medición de la rigidez dieléctrica de los aceites de los trasformadores de potencia, es vital para la Industria y su actividad productiva.


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La rigidez dieléctrica permite medir la aptitud de un aceite de transformadores para resistir las solicitaciones eléctricas que se permiten en servicio, es así, que es de vital importancia realizar ensayos de medición y determinación de la resistencia dieléctrica del aceite del transformador, para determinar si el estado del aceite es el adecuado para continuar en servicio y para proponer su eventual corrección. Los sistemas de energía y los transformadores son equipos esenciales, por tanto, su fiabilidad y el funcionamiento seguro es importante para determinar sus condiciones de operación, y la industria utiliza pruebas de control de calidad en el diseño de transformadores llenos de aceite. Es así como, el empleo de medidores de rigidez dieléctrica o chispómetros es fundamental. Con este proyecto también se busca dar una opción adicional a los estudiantes y profesores del área electrónica y mecatrónica, que requieran el equipo, para que se potencien sus habilidades, conocimiento y prácticas de laboratorio de máquinas eléctricas, potenciando su formación académica y profesional, acorde a las prácticas que en la industria se ejecutan.

4.4. Área de influencia

El Laboratorio de Maquinas Eléctricas de la Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE, es utilizado principalmente por estudiantes y docentes del departamento de Ciencias de la Energía y Mecánica, Eléctrica y Electrónica que lo conforman las carreras de Ingeniería Mecatrónica e Ingeniería Electrónica, utilizando los laboratorios en actividades prácticas para complementar la formación teórica recibida en las aulas en la asignatura de Máquinas Eléctricas.

5. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO

El proyecto consiste en el diseño y construcción de un prototipo de equipo para la medición de resistencia dieléctrica de los aceites de transformadores, permitiendo conocer el estado actual del aceite, para seguir en uso o necesitar su reemplazo. Esta máquina dispone de componentes mecánicos como la estructura, componentes eléctricos y electrónicos para el control y funcionamiento del equipo.


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Figura 1: Ejemplo de Equipo de medición de Resistencia Dieléctrica

6. ALCANCE DEL PROYECTO

6.1. Componentes mecánicos

Los componentes mecánicos del equipo consisten en la estructura o armazón metálica que contendrá en su interior los diversos equipos y componentes electrónicos y eléctricos, brindando protección para su traslado y uso. El diseño de la estructura metálica del equipo debe resistir esfuerzos mecánicos respectivos.

• El armazón metálico de la máquina necesita sermanufacturado en procesos como: corte, torneado,fresado, taladrado, esmerilado, soldado, y contendrá ensu interior los diversos equipos y componenteselectrónicos y eléctricos, brindando protección para sutraslado y uso.

Manufactura de la Estructura

• El recipiente contenedor de la muestra de aceite para efectuar el testeo, la cual requiere su construcción y ensamblaje.

Oil Cup

• La forma de los electrodos por donde se transmitiránlos pulsos eléctricos al aceite durante la prueba, de igualmanera necesitan ser manufacturado en procesoscomo: corte, torneado, fresado, taladrado, esmerilado,soldado.

Manufactura de Electrodos para test


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6.2. Componentes electrónicos/eléctricos

Los componentes eléctricos y electrónicos que se prevén usar son los dispositivos de mando y control para uso, entre ellos pulsadores, luces pilotos, relés, etc.

6.3. Componentes del sistema de control

El sistema de control permitirá el control del incremento de pulsos eléctricos para el ensayo en el aceite, así como la respectiva instrumentación como sensores de temperatura, de humedad relativa que permiten determinar las condiciones en las cuales se efectuará la prueba de rigidez dieléctrica.

•Se utilizarán dispositivos de mando y control comoluces piloto, selectores para el encendido de lamáquina.

Dispositivos de Mando y Control

•Diseño del circuito de control para comandar lospulsos eléctricos, que permitirá la elevación delvoltaje en KV.

Circuito de potencia para comandar pulsos

eléctricos

•Diseño del circuito de control para comandar elmotor que permitirá agitar el aceite durante laprueba.

Circuito potencia para el control del agitador del

aceite

• Se realizará el control del agitador para el aceite durantela prueba mediante el uso de software que permita laprogramación de controlador.

Control de agitador

• Se realizará el control de activación de la prueba derigidez dieléctrica en base parámetros de temperatura ynivel humedad como condicionantes para el ensayomediante el uso de software que permita la programaciónde controlador.

Control de Accionamiento de test

prueba


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6.4. Software para implementación, análisis y simulación

Los programas a utilizarse son SolidWork, Proteus , etc

7. OBJETIVOS

7.1. Objetivo general

Diseñar y construir un prototipo de un equipo mediante la implementación de componentes mecánicos, eléctricos, electrónicos y software de control para medición de resistencia dieléctrica de aceites de transformadores en un plazo de 8 meses. 7.2. Objetivos específicos

Testear el pulso eléctrico en KV para la prueba de rígidez dieléctrica incorporado en la máquina.

Construir la estructura mecánica de la máquina.

Implementación del sistema de mando y control

Implementar una interfaz humana – máquina (HMI) que permita al usuario el accionamiento del sistema.

•Se utilizará un software CAD para el diseño de la

estructura mecanica de la máquina.Software CAD

•Se utilizará un software que permita laprogramación del controlador para elfuncionamiento de la máquina.

Software para control del Proceso

•Se utilizará software para la simulación de circuitosa implementarse y la frabicación de placas pcb.Software de circuitos


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8. METODOLOGÍA

Para alcanzar los objetivos planteados del proyecto se empleará la metodología de diseño y evaluación de productos planteada por Ulrich K. y Eppinger S. (2013), la cual está basada en las etapas de:

Figura 2: Proceso genérico de desarrollo del producto

Este proceso genérico se puede reducir a 4 etapas como: Análisis, diseño, implementación y evaluación. En la primera etapa se analizará el estado de arte para el sistema, así como las normas establecidas, configuraciones, componentes y limitaciones de cada una, se escogerá la que mejor rendimiento y prestaciones ofrezca. En la segunda etapa, la de diseño, se hará el respectivo dimensionamiento de todas las partes mecánicas eléctricas y electrónicas que conformarán al sistema. Una vez culminada la etapa de diseño, en la implementación, se ensamblarán los diferentes elementos que conforma el equipo, así como las diferentes instalaciones de los sistemas eléctricos, electrónicos y software. Posteriormente, se realizarán pruebas de funcionamiento para poder evaluar el comportamiento del sistema en conjunto. Para finalizar se realizará la documentación de todo el proyecto realizado.

PlaneaciónDesarrollo

del Concepto

Diseño en el nivel sistema

Diseño de detalle

Pruebas y refinamiento

Inicio Producción

Revision del Proyecto


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9. BIBLIOGRAFÍA

Pallás, R. y Webster, J. (2001). Sensors and Signal Conditioning. New York: Wiley Interscience Publication.

Bolton, W. (2013). Mecatrónica Sistemas de Control electrónico en la Ingeniería Mecánica y Eléctrica. México: Alfaomega.

Ulrich, K. y Eppinger, S. (2013). Diseño y desarrollo de productos. México: Mc Graw Hill.

ESPE. (2016). Portal web: Universidad de las Fuerzas Armadas - ESPE. Recuperado de http://www.espe.edu.ec/portal/portal/main.do?sectionCode=118

Endensa Educa. (2014). Funcionamiento de los transformadores. Recuperado de http://www.endesaeduca.com/Endesa_educa/recursos-interactivos/conceptos-basicos/funcionamiento-de-los-transformadores

Electrosoft Ingenieria. (2010). Conceptos y terminología utilizada en Circuitos Impresos. Recuperado de: http://www.pcb.electrosoft.cl/04-articulos-circuitos-impresos-desarrollo-sistemas/01-conceptos-circuitos-impresos/conceptos-circuitos-impresos-pcb.html


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10. ANEXOS

10.1. Propuesta de índice

Capítulo 1: Generalidades Capítulo 2: Marco teórico o Estado del Arte Capítulo 3: Diseño Mecatrónico

Diseño de los componentes mecánicos Diseño de los Componentes eléctricos y/o electrónicos Diseño de los componentes del sistema del Control Diseño del software necesario.

Capítulo 4:

Implementación Implementación del proceso, equipo o máquina. Implementación de los componentes eléctricos y/o electrónicos. Implementación del sistema de control. Programación del sistema de control.

Pruebas y resultados Desarrollo del protocolo de pruebas. Pruebas y resultados del proceso, equipo o máquina. Pruebas y resultados de los componentes eléctricos y/o electrónicos. Pruebas y resultados del sistema de control. Pruebas y resultados del sistema mecatrónico general.

Conclusiones y recomendaciones. Anexos.

Manual de usuario. Planos mecánicos, eléctricos/electrónicos, instrumentación, neumáticos, control u otros necesarios, con formatos estandarizados. Catálogos en general. Otros necesarios.


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10.2. Cronograma del proyecto


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10.3. Presupuesto referencial

Descripción Costo

Referencial

Materiales para la Estructura $ 100

Controlador $ 50

Elaboración placas pcb $ 50

Sensores $ 100

Dispositivos de mando y control $ 35

Transformador $ 100

Generador pulsos eléctricos $ 500

Cables eléctricos $ 15

Pantalla Touch $ 80

Curso de capacitación $ 70

Costo de manufactura terceros $ 100

Gastos en documentación $ 100

Mano de Obra $ 200

TOTAL $ 1500


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10.4. Carta de auspicio


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10.5. Terminología

Rigidez Dieléctrica. - En un aceite aislante es el mínimo voltaje en el que un arco eléctrico ocurre entre dos electrodos metálicos. Indica la habilidad del aceite para soportar tensiones eléctricas sin falla. Una baja resistencia dieléctrica indica contaminación con agua, carbón u otra materia extraña. Una alta resistencia dieléctrica es la mejor indicación de que el aceite no contiene contaminantes.

Los contaminantes que disminuyen la rigidez dieléctrica pueden usualmente ser removidos mediante un proceso de filtración (filtroprensa) o de centrifugación. Transformador. - Un transformador es una máquina estática de corriente alterno, que permite variar alguna función de la corriente como el voltaje o la intensidad, manteniendo la frecuencia y la potencia, en el caso de un transformador ideal. Pcb.- Sigla del inglés Printed Circuit Board, placa de circuito impreso. Es una tarjeta o placa utilizada para realizar el emplazamiento de los distintos elementos que conforman el circuito y las interconexiones eléctricas entre ellos. Sistemas CAD.- Sigla del Diseño asistido por computadora, consiste en el uso de programas computacionales para crear representaciones gráficas de objetos físicos ya sea en segunda o tercera dimensión (2D o 3D). El software CAD puede ser especializado para usos y aplicaciones específicas. Chispómestros.- Son equipos denominados medidores de rigidez dieléctrica Dispositivos de mando y Control.- Es el dispositivo o grupo de dispositivos que sirve para gobernar, de alguna manera predeterminada, la energía eléctrica suministrada a los aparatos a los cuales está conectado.

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