VARIADOR DE VELOCIDAD CON CAPACIDAD DE COMUNICACIÓN ...

VARIADOR DE VELOCIDAD CON CAPACIDAD DE COMUNICACIÓN

ETHERNET EN SISTEMA SCADA

EDISON STID MORA RODRIGUEZ

Código: 1011901

Identificación: C.C. 1072191960

JOHN SEBASTIAN RUIZ EMAYUSA

Código: 1011309

Identificación: C.C.1022380705

UNIVERSIDAD PILOTO DE COLOMBIA

FACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA

BOGOTÁ, D.C.

2019

2

VARIADOR DE VELOCIDAD CON CAPACIDAD DE COMUNICACIÓN

ETHERNET EN SISTEMA SCADA

EDISON STID MORA RODRIGUEZ

CÓDIGO: 1011901

IDENTIFICACIÓN: C.C. 1072191960

JOHN SEBASTIAN RUIZ EMAYUSA

CÓDIGO: 1011309

IDENTIFICACIÓN: C.C.1022380705

PROYECTO DE GRADO PARA OPTAR POR EL TÍTULO DE INGENIERO

MECATRÓNICO DE LA UNIVERSIDAD PILOTO DE COLOMBIA

DIRECTOR:

NESTOR FERNANDO PENAGOS

Ing. en Electrónica

Master en Diseño y Gestión de Proyectos Tecnológicos

UNIVERSIDAD PILOTO DE COLOMBIA

FACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA

BOGOTÁ, D.C.

2019

3

NOTA DE ACEPTACIÓN

Una vez realizada la revisión metodológica

y técnica del documento final de proyecto

de grado, doy constancia de que el (los)

estudiante (s) ha cumplido a cabalidad con

los objetivos propuestos, cumple a

cabalidad con los Lineamientos de Opción

de Grado vigentes del programa de

Ingeniería Mecatrónica y con las leyes de

derechos de autor de la República de

Colombia, por tanto, se encuentra(n)

preparado(s) para la defensa del mismo

ante un jurado evaluador que considere

idóneo el Comité de Investigaciones del

Programa de Ingeniería Mecatrónico de la

Universidad Piloto de Colombia.

ING. NESTOR FERNADO PENAGOS

Director del Proyecto

4

DEDICATORIA

Dedicamos este trabajo de grado a nuestras familias quienes nos han dado el apoyo

moral, psicológico y económico para culminar este proyecto, al director de tesis

Ingeniero Néstor Penagos, por ser el guía en el desarrollo de este proyecto y a todos

aquellos que de una u otra forma nos dieron su aliento para poder finalizar y concluir

esta investigación.

Edison Stid Mora Rodríguez

Sebastián Ruiz Emayusa

5

AGRADECIMIENTOS

Agradecemos primeramente a nuestra familia quienes fueron el apoyo constante

durante la carrera y la más grande motivación para ser un orgullo para ella, así mismo

para con cada uno de los docentes a lo largo del programa de Ingeniería

Mecatrónico, pues es gracias a ellos que adquirimos los conocimientos necesarios

para poder culminar este proyecto y sobre todo a la Universidad por abrir espacios

para contribuir al desarrollo del conocimiento y prestar sus instalaciones para

culminar este propósito.

Edison Stid Mora Rodríguez

Sebastián Ruiz Emayusa

6

TABLA DE CONTENIDO

NOTA DE ACEPTACIÓN 3

DEDICATORIA 4

AGRADECIMIENTOS 5

TABLA DE CONTENIDO 6

LISTA DE TABLAS 9

LISTA DE FIGURAS 10

LISTA DE ANEXOS 12

INTRODUCCIÓN 13

RESUMEN 14

ABSTRACT 15

GENERALIDADES 16

1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA…………………………………………….16

1.1.1. Antecedentes del problema ......................................................................... 16

1.1.2. Descripción del problema ............................................................................ 16

1.1.3. Formulación del problema ........................................................................... 17

1.1.4. Línea de investigación del programa ........................................................... 17

1.2. JUSTIFICACIÓN…………………………………………………………………….17

1.3. OBJETIVOS………………………………………………………………………….18

1.3.1. Objetivo general .......................................................................................... 18

1.3.2. Objetivos específicos .................................................................................. 18

1.4. DELIMITACIÓN DEL PROYECTO………………………………………………...18

1.4.1. Alcances y limitaciones ............................................................................... 18

1.5. MARCO REFERENCIAL……………………………………………………………19

1.5.1. Marco teórico ............................................................................................... 19

1.5.1.1. Motores ..................................................................................................... 19

1.5.1.2. Comunicación Ethernet ............................................................................. 19

1.5.1.2.1. SNAP7 .................................................................................................. 19

1.5.1.3. Microcontroladores .................................................................................... 21

7

1.5.1.4. Transistores .............................................................................................. 22

1.5.1.4.1. IGTB ...................................................................................................... 22

1.5.1.5. PLC ........................................................................................................... 23

1.5.1.6. Optoacoplador ........................................................................................... 23

1.5.1.7. PWM ......................................................................................................... 23

1.5.1.7.1. SPWM ................................................................................................... 24

1.5.1.8. Drivers ....................................................................................................... 24

1.5.1.9. Control de fase por AC .............................................................................. 24

1.5.2. Estado del arte ............................................................................................ 25

1.5.3. Marco normativo ....................................................................................... 26

1.5.3.1. Condiciones de fabricación ....................................................................... 26

1.5.3.2. Condiciones de operación. ........................................................................ 26

1.6. MARCO METODOLÓGICO………………………………………………………..27

2. ESTRUCTURA DEL VARIADOR 29

2.1. DISEÑO 1…………………………………………………………………………….29

2.1.1. Detección de cruce por cero………………………………………………….....30

2.1.2. Modulación por ancho de pulso (PWM)………………………………………..32

2.1.3. Etapa de potencia…………………………………………………………………35

2.2. DISEÑO 2 – DEFINITIVO…………………………………………………………..38

2.2.1. Módulo de rectificación ................................................................................ 39

2.2.1.1. Rectificación AC-DC. ................................................................................. 39

2.2.2. Módulo de potencia. .................................................................................... 41

2.2.2.1. Selección del IGBT.................................................................................... 41

2.2.3. Módulo de Control ....................................................................................... 44

2.2.3.1. Selección del microcontrolador 2 Pic16F877a .......................................... 45

2.2.3.2. Lógica de Control ...................................................................................... 48

3. COMUNICACIÓN 52

3.1. SELECCIÓN DEL PLC……………………………………………………………..52

3.1.1. PROGRAMACIÓN DEL LOGO230RC (PLC) .............................................. 53

3.2. SELECCIÓN DEL MICROCONTROLADOR 1…………………………………...55

8

4. MODULO DE MONITOREO 57

4.1. Encoder (Sensor y rueda)………………………………………………………….57

4.2. Selección del Software para el monitoreo………………………………………..60

5. RESULTADOS Y PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO 62

5.1. PRUEBAS Y RESULTADOS DISEÑO DEFINITIVO……………………………62

5.1.1. Prueba SPWM con bombillos ...................................................................... 62

5.1.2. PRUEBA DE FRECUENCIA SPWM ........................................................... 63

5.1.3. PRUEBA DE VELOCIDAD………………………………………………………65

6. CONCLUSIONES 69

7. RECOMENDACIONES Y TRABAJOS FUTUROS 71

7.1. RECOMENDACIONES……………………………………………………………..71

7.2. TRABAJOS FUTUROS……………………………………………………………..71

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 72

ANEXOS 74

9

LISTA DE TABLAS

Tabla 1. Características optocopladores ................................................................. 36

Tabla 2. Características triac .................................................................................. 36

Tabla 3. Características IGBT ................................................................................. 43

Tabla 4. Características de Microcontroladores ...................................................... 45

Tabla 5. División Onda Seno .................................................................................. 46

Tabla 6. Características PLC .................................................................................. 52

Tabla 7. Software de Programación ........................................................................ 60

Tabla 8. Variación de Frecuencia ........................................................................... 63

Tabla 9. Variación de Velocidad. ............................................................................ 66

10

LISTA DE FIGURAS

figura 1. Snap7 ....................................................................................................... 20

Figura 2. Microprocesador ..................................................................................... 22

figura 3. IGBT ......................................................................................................... 22

figura 4. Driver ....................................................................................................... 24

figura 5. Disparo SCR ............................................................................................ 25

figura 6. Diagrama de Bloques Diseño 1 ............................................................... 29

Figura 7. Circuito cruce por 0 ................................................................................. 30

figura 8. Montaje Circuito Cruce por 0 ................................................................... 30

figura 9. Señal cruce por 0 ..................................................................................... 31

figura 10. Amplificador Operacional en el circuito .................................................. 32

figura 11. Onda digital ............................................................................................ 32

figura 12. Diente de sierra ...................................................................................... 33

figura 13. Circuito RC con doble transistor ............................................................ 33

figura 14. Amplificador Operacional PWM ............................................................. 34

figura 15. Onda digital con amplificador operacional ............................................. 34

figura 16. Circuito de control .................................................................................. 35

figura 17. Circuito de potencia ............................................................................... 36

figura 18. Señal del Triac ....................................................................................... 37

figura 19. Onda arranque de motor ........................................................................ 37

figura 20. Diagrama de bloques variador de Velocidad ......................................... 39

figura 21. Rectificación AC-DC .............................................................................. 39

figura 22. Filtrado. .................................................................................................. 40

figura 23. Comparación entre métodos de arranque de un motor ......................... 41

figura 24. Circuito puente de IGTB ......................................................................... 42

figura 25. Circuito IGBT por tres ............................................................................ 43

figura 26. circuito de control ................................................................................... 44

figura 27. circuito optoacoplador ............................................................................ 44

figura 28.diagrama de flujo ciclos SPWM .............................................................. 47

11

figura 29. Circuito Microcontrolador ....................................................................... 48

figura 30. PWM teórico .......................................................................................... 49

figura 31. PWM Experimental ................................................................................ 50

figura 32. Circuito Completo................................................................................... 51

figura 33. Diagrama de flujo Comunicación ........................................................... 52

figura 34. Diagrama de bloques LOGO soft ........................................................... 53

figura 35. Aumento de velocidad ............................................................................ 54

figura 36. Diagrama de flujo modo automático....................................................... 55

figura 37. diagrama de flujo bloques de reconocimiento ........................................ 56

figura 38. Rueda .................................................................................................... 57

figura 39. Rueda perforada .................................................................................... 58

figura 40. Circuito Sensor de Herradura ................................................................ 59

figura 41. Diagrama de flujo modulo de monitoreo ................................................ 61

figura 42. SPWM con bombillos ............................................................................. 62

figura 43. Pruebas de frecuencia SPWM ............................................................... 63

figura 44. Frecuencia al 5% ................................................................................... 64

figura 45. Frecuencia al 25% ................................................................................. 64

figura 46. Frecuencia al 100% ............................................................................... 65

figura 47. Pulso Encoder 25% ................................................................................ 65

figura 48. Pulso Encoder 50% ................................................................................ 66

figura 49. Prueba de velocidad .............................................................................. 67

figura 50. Prueba modulo de monitoreo ................................................................. 68

12

LISTA DE ANEXOS

Anexo 1. Circuito final diseño final 74

Anexo 2. Foto placa diseño final 74

Anexo 3. Foto 2 placa diseño final 74

Anexo 4. Diseño circuito preliminar etapa de potencia 75

Anexo 5. Diseño preliminar etapa de control 76

13

INTRODUCCIÓN

Cuando se inventó el motor eléctrico, se le dieron un sinfín de aplicaciones en la

industria, pero para hacer su tarea más fácil se necesitó crear un componente

externo a este para poder regular las variables que involucran el movimiento de dicha

máquina de inducción, tales como velocidad, torque, fuerza o frecuencia.

Se investigará los principales problemas que atañen a la funcionalidad de un motor,

sus diferentes modos de empleo, sus modos de arranque, sus fallas más comunes,

etc.

Así mismo se abordarán temas de electrónica de potencia avanzada donde se

aborda el estudio de los IGBT y un sistema para controlar el disparo y la eficacia de

estos; se guiará al lector paso a paso para entender el comportamiento de un motor,

pasando por la programación del PLC, hasta el diseño de un sistema de monitoreo.

14

RESUMEN

Este trabajo de grado tiene como objetivo desarrollar un variador de velocidad para

un motor trifásico que pueda comunicarse con un PLC y que se pueda monitorear en

tiempo real, con el fin de poder interactuar y conocer el comportamiento de un motor,

así mismo de como de afianzar los conocimientos en la programación de PLC.

Se presentará los diferentes componentes electrónicos utilizados en diferentes

proyectos, para evaluar el desempeño de estos y los resultados, para así tener una

mejor idea del prototipo a diseñar, y así seleccionar los elementos más óptimos y los

más acordes con respecto a los cálculos matemáticos.

Una vez teniendo los materiales básicos derivará en diseñar el circuito de potencia,

se procederá a mostrar la programación del circuito del control y posteriormente se

guiará paso a paso en la comunicación detalladamente para finalmente ensamblar

en unas todas las diferentes etapas de este proyecto.

15

ABSTRACT

This degree project aims to develop a speed variator for a three-phase motor that can

communicate with a PLC and that can be monitored in real time, in order to interact

and know the behavior of an engine, as well as how to strengthen knowledge in PLC

programming.

The different electronic components used in different projects will be presented, to

evaluate the performance of these and the results, in order to have a better idea of

the prototype to design, and thus select the most optimal elements and the most

consistent with respect to mathematical calculations.

Once having the basic materials will derive in designing the power circuit, it will

proceed to show the programming of the microcontroller (Arduino) and later will be

guided step by step in the detailed communication to finally assemble in a whole the

different stages of this project.

16

GENERALIDADES

1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

1.1.1. Antecedentes del problema

Los motores eléctricos tienen diferentes aplicaciones en la industria, pero no pueden

ir solos ya que no controlan su velocidad, ya que el funcionamiento de un motor de

inducción se basa en el flujo eléctrico producido en los estatores, por consiguiente

se tendría que modificar el flujo eléctrico suministrado al motor, por tal motivo el

variador de velocidad se hace esencial, tanto para controlar la rapidez como para

ampliar la vida útil del motor, lo que conlleva a abrir innumerables aplicaciones en

los diferentes campos industriales.

La telemetría que es la medición de magnitudes físicas y el posterior envió de la

misma información para la supervisión de procesos, llevan a crear un variador de

velocidad capaz de comunicarse con un PLC, que sea capaz de trasmitir el

comportamiento de un motor en planta.

1.1.2. Descripción del problema

Los motores trifásicos son piezas fundamentales en la industria por su gran

versatilidad de aplicación; por consiguiente, presentan diferentes tipos de fallas a las

que son propensos, como los tipos de uso que se le dan, estas fallas se clasifican en

3:

• Fallas mecánicas: Producidas por vibraciones, sobrepeso, erosión y corrosión.

• Fallas eléctricas: Por errores de fabricación, aislamiento, picos de voltaje.

• Fallas de enlace de potencia: Desalineación de ejes, desgaste de engranajes.

17

Además, un motor eléctrico por sí solo no tiene la capacidad de variar su velocidad,

controlar su tipo óptimo de arranque y capturar la información análoga (control y

supervisión).

1.1.3. Formulación del problema

¿Es posible diseñar un circuito electrónico, de potencia, junto con un sistema de

control además que cuente con un módulo de comunicación ethernet para variar la

velocidad de un motor AC trifásico de 1 HP?

1.1.4. Línea de investigación del programa

Automatización y domótica, el variador de velocidad con capacidad de comunicación

Ethernet con sistema de monitoreo, representa esta línea de investigación, del

Programa Mecatrónica, ya que con la implementación del variador capaz de

comunicarse con el PLC ayuda al manejo y monitoreo en plantas de producción.

1.2. JUSTIFICACIÓN

El proyecto tendrá como fin el fabricar un variador de velocidad o variador de

frecuencia, que se pueda comunicar con un PLC vía Ethernet, y al mismo tiempo

tener un módulo de monitoreo sobre su velocidad, ya que la UNIVERSIDAD PILOTO

DE COLOMBIA cuenta con motores trifásicos en su laboratorio para trabajar

didácticamente en ellos, pero sus aplicativos están restringidos al uso del motor, tales

como los modos de conexión y número de polos, con la implementación del variador

de velocidad y su tarjeta de comunicación se puede sacar más provecho en los

laboratorios ya que el estudio tendrá más aplicativos (cambios de frecuencia,

interacción con PLC`S y protocolos de comunicación) enriqueciendo la forma de ver

el motor de inducción.

18

1.3. OBJETIVOS

1.3.1. Objetivo general

Diseñar e implementar un variador de velocidad para un motor trifásico, que

permita interactuar con un PLC vía Ethernet y un módulo de monitoreo.

1.3.2. Objetivos específicos

Desarrollar y construir un sistema de potencia capaz de variar la velocidad

de un motor AC ½ hp hasta 1 hp, de 1700 rpm a 220V.

Diseñar e/o implementar una comunicación entre el variador de velocidad y

un PLC por medio de Ethernet industrial.

Desarrollar el algoritmo y programación necesario para el control del variador

desde el PLC.

Implementar un módulo de monitoreo de velocidad para un motor de 1hp de

fuerza.

1.4. DELIMITACIÓN DEL PROYECTO

1.4.1. Alcances y limitaciones

Se diseñarán y se construirán un variador de velocidad para un motor el cual

cuenta el laboratorio de la Universidad Piloto De Colombia, con un voltaje de

220V y 60HZ a 1700rpm. Para la comunicación se usará un PLC el cual

también es propiedad de la Universidad Piloto De Colombia.

19

1.5. MARCO REFERENCIAL

1.5.1. Marco teórico

Para el planteamiento y posterior construcción del prototipo es necesario conocer las

características de algunos elementos de suma importancia para el desarrollo del

proyecto, para tener claridad y no confundir al lector sobre las ideas que se quieren

plantear más adelante

1.5.1.1. Motores

Un motor eléctrico es una máquina que para producir el movimiento deseado resulta

capaz de transformar la energía eléctrica propiamente dicha en energía mecánica,

todo logrado a través de diferentes interacciones electromagnéticas. [3]

1.5.1.2. Comunicación Ethernet

“Cuando a finales de los 80, las mesas de trabajo de las empresas de todo el mundo

estaban ya dotadas de sus modernos PCs, empezaba a ser molesto tener que pasar

la información de un PC a otro mediante disquetes. Así que hubo que inventar las

redes locales (LAN o Local Area Network) que permitieran intercambiar información

y compartir recursos, como discos comunes e impresoras Láser. Surgieron las

primeras propuestas y protocolos de transmisión de datos en red, como Banyan

Vines, SPX de Novell y Netbios de Microsoft”. [7]

1.5.1.2.1. SNAP7

“El protocolo S7 es la columna vertebral de las comunicaciones de Siemens, su

implementación de Ethernet se basa en ISO TCP (RFC1006) que, por diseño, está

orientado a bloques.

20

Cada bloque se denomina PDU (Unidad de datos de protocolo), su longitud máxima

depende del CP y se negocia durante la conexión. El protocolo S7 está orientado a

funciones u orientado a comandos, es decir, cada transmisión contiene un comando

o una respuesta. Si el tamaño de un comando no cabe en una PDU, entonces debe

dividirse en más PDU posteriores.

Cada comando consiste en:

Un encabezado.

Un conjunto de parámetros.

Datos de parámetros.

Un bloque de datos.

Los primeros dos elementos están siempre presentes, los otros son opcionales. El

protocolo S7, ISO TCP y TCP / IP siguen la regla de encapsulación conocida: cada

telegrama es la parte de "carga útil" del protocolo subyacente”[10] (Ver. Figura 1).

Fuente: http://snap7.sourceforge.net/

Es una librería libre para Arduino desarrollada por Davide Nardella que permite el

envío y recepción de datos desde un PLC a un Arduino sin perder información (vía

Ethernet), su diseño (multiplataforma 32/64 bit) es de fácil acceso y uso. “Sus

principales características son:

Acceso completo a la memoria del PLC.

figura 1. Snap7

21

Independencia de la PDU, es decir, los datos que puede transferir en una sola

llamada dependen únicamente de la disponibilidad de la memoria de Arduino.

Funciones de ayuda para la conversión de datos (Big Endian -> Little endian)

Tres modelos de memoria para la optimización de la huella.

Utiliza la biblioteca estándar de Arduino Ethernet, es decir, puede coexistir con

otros clientes / servidores en el mismo boceto.

3 ms para leer una PDU en el búfer interno, 24 ms para 1024 bytes en el

externo.”[11].

1.5.1.3. Microcontroladores

“Contienen los mismos elementos del sistema micro-procesador, pero con la

diferencia que todos estos dispositivos están en un solo integrado (Ver. Figura2). Lo

único que sacan al exterior son los pines de alimentación, del oscilador y de los

periféricos. Tiene ventajas como el sistema micro-controlador que contiene todo en

un solo circuito integrado, por ende, se tiene:

• Poco tamaño.

• Bajo consumo de corriente.

• Más económico.” [12].

22

Figura 2. Microprocesador

Fuente: Microcontroladores: Microchip, Atmel, NXP–Freescale y Texas Instruments,

Pasos para una programación con éxito / Néstor Fernando Penagos Quintero.

1.5.1.4. Transistores

Dispositivo diseñado para regular el flujo de corriente o tensión mediante interruptor

o amplificador está fabricado con componentes semiconductores su uso es muy

habitual. En el mercado es fácil encontrar diferentes tipos de transistor diseñados

para funciones específicas:

1.5.1.4.1. IGTB

“Transistor bipolar de puerta aislada o Insolated Gate Bipolar Transistor, por sus

siglas en inglés, “es un dispositivo semiconductor de cuatro capas que se alternan

(PNPN) que son controlados por un metal-óxido-semiconductor (MOS)” [13]. (Ver.

Figura 3).

figura 3. IGBT

23

Fuente:https://es.kisspng.com/png-insulated-gate-bipolar-transistor-mosfet-bipolar-j-

6668330/

1.5.1.5. PLC

Programmable Logic Computer por sus siglas en inglés, o computador lógico

programable es un dispositivo electrónico de grado industrial, capaz de procesar

señales tanto análogas como digitales en tiempo real, sus aplicativos son muy

diversos, desde el control de una puerta de garaje, hasta el control de una línea de

producción

1.5.1.6. Optoacoplador

Un Optoacoplador es un circuito integrado muy básico compuesto generalmente por

un diodo LED y un fototransistor unidos de tal forma que cuando una señal eléctrica

circula a través del LED haciendo que brille, la luz que este emite es recibida por la

base del fototransistor, que empieza a actuar en modo saturación.

1.5.1.7. PWM

“La modulación por ancho o de pulso (o en inglés pulse width modulation PWM) es

un tipo de señal de voltaje utilizada para enviar información o para modificar la

cantidad de energía que se envía a una carga Inversor DC/AC.” Por consiguiente, se

24

utiliza en infinidad de campos hacer más eficiente el ciclo de trabajo de una onda

eléctrica.” [16].

1.5.1.7.1. SPWM

Modulación senosoidal del ancho de pulso se basa en el control de potencia de la

onda senosoidal monofásica, de forma que el ancho de pulso (PWM) esté

relacionado con la función senosoidal.

1.5.1.8. Drivers

Es un circuito integrado de alta conmutación para controlar la velocidad de disparo

de transistores MOSFET e IGBT, este funciona como una fuente rápida gracias a

una fuente flotante o con un circuito Bootstrap. (Ver. Figura 4)

Fuente:

file:///C:/Users/jcrui/OneDrive/Escritorio/IR2110%20%20ejemplo%20practico%20-

%20MEK_SPR.pdf

1.5.1.9. Control de fase por AC

“Este es el circuito de un conversor AC/AC, el cual se basa en manipular la potencia

entregada al circuito mediante el control del ángulo de disparo de los TRIAC's o dos

SCR´s conectados en antiparalelo para variar la señal que se entrega a la carga. Se

basa en utilizar el RMS de la señal de alterna, al modificar la forma de onda de la

figura 4. Driver

25

señal de alterna, se varía el RMS que es el valor eficaz de voltaje que se entrega a

la carga, de ahí que variemos la potencia en la carga al variar el ángulo de disparo

del SCR.” [17] (Ver. Figura 5).

figura 5. Disparo SCR

Fuente: http://axdesarrollos.blogspot.com.co/2013/09/explicacion-control-de-fase-

directo.html

1.5.2. Estado del arte

A nivel mundial hay varios fabricantes de variadores de velocidad entre ellos están

los más conocidos en Colombia: Siemens, ABB, Schneider, Alan Bradley, Yaskawa,

entre otros. Además, se encuentran proyectos de grado en diferentes universidades,

a continuación, se menciona algunos.

En la Pontificia Universidad Católica de Perú desarrolló el proyecto: Implementación

de un variador de velocidad de bajo costo para un motor trifásico, el cual tiene por

objetivo desarrollar un variador casero para que las microempresas puedan acceder

a tecnología eficiente a bajo costo [18]. El señor Allan Javier Hernández en su tesis:

Diseño de variador de frecuencia electrónico utilizando microcontrolador, en la

Universidad de San Carlos de Guatemala, donde muestra un método sencillo para

la programación para el microcontrolador [19].

http://axdesarrollos.blogspot.com.co/2013/09/explicacion-control-de-fase-directo.html

http://axdesarrollos.blogspot.com.co/2013/09/explicacion-control-de-fase-directo.html

26

En la Universidad Pontificia Bolivariana de Bucaramanga en la Facultada de

ingeniería electrónica para optar por el título de especialista en control se presentó:

Red de plc’s y variadores de velocidad con protocolos ethernet, donde se presenta

el estudio de los protocolos de comunicación entre PLC’S y variadores de velocidad

[20].

Claros ejemplos de la importancia de la construcción del variador de velocidad con

capacidad de comunicación y módulo de visualización para la Universidad Piloto de

Colombia y el programa de Ingeniería Mecatrónica, para la interacción de los motores

de inducción en las prácticas de laboratorio.

1.5.3. Marco normativo

Las normas que rigen la fabricación y operación de un variador de velocidad

internacionalmente son varias, pero para este proyecto se basara en la IEC.

1.5.3.1. Condiciones de fabricación

“El variador de velocidad debe poder comenzar y controlar la velocidad de un motor

de corriente alterna de inducción de jaula de la ardilla estándar.

Los materiales usados en el variador de velocidad deberán ser reciclables, no tóxicos

y de llama retardada.” [21].

1.5.3.2. Condiciones de operación.

“Para la fabricación de variadores velocidad según Schneider electric se deben

cumplir varias condiciones de las cuales se cumplen las siguientes:

Tensión de Entrada: 200V -15% 240V +10%, trifásica, o 380V -15% 480V+10%,

trifásica, o 200V-15% 240V+10%, monofásica (SOLO hasta 5.5kW, 7.5 HP)

27

Frecuencia de entrada: 50Hz –5% a 60Hz +5%

Eficiencia: 98 % en el cargado nominal

Tensión de salida: 0 - UN, trifásica.

Rango de frecuencia de salida: 0 a 10000 Hz hasta 37kW (50HP).

Tiempo de Aceleración y Desaceleración: 0.01 – 6000 s.

Temperatura ambiente de operación: -10°C hasta 50 °C.

Nivel máximo de vibración: 2 a 13 Hz

El variador de velocidad (CA) deberá poder dar 100 % de la corriente de salida

continuamente en las condiciones arriba especificadas. Para asegurar que la unidad

pueda proporcionar la corriente de salida requerida en las condiciones de ambiente

especificadas, el fabricante deberá informar la capacidad de desclasificación

requerida, sí la temperatura del ambiente dada en la especificación del proyecto es

más alta de 50°C o si la altitud en la instalación es más de 1000 m sobre el nivel del

mar.

El factor de desclasificación de la capacidad nominal debe ser especificada de modo

que ni el curso de vida del variador de velocidad, ni el funcionamiento de la unidad,

ni la capacidad de sobrecarga, ni la confiabilidad del variador de velocidad se vean

afectadas.” [22]

1.6. MARCO METODOLÓGICO

El desarrollo de este proyecto se inicia con la selección de un motor trifásico de bajo

caballaje ½ a 1 hp. Se indaga en proyectos de grado nacionales e internacionales

los métodos de variación de velocidad de esta manera se tienen como guía varios

circuitos para tal fin, así se inicia el diseño, pruebas, construcción e implementación

del circuito final.

El siguiente paso del proyecto fue escoger el PLC indicado para comunicación. Su

bajo costo y su accesibilidad a la red inclino la decisión a un Siemens logo 230 RC.

28

La comunicación de dicho PLC y trama de comunicación con el Módulo de control

era restringida fue por ello que se utilizó un desarrollo en la librería de Arduino

(setimino); el cual fue encontrado en la web y así continuar con la última etapa del

proyecto.

En la etapa final del proyecto, se desarrolla un módulo de monitoreo Mediante

processing hace una captura de datos de 8 bits del Arduino mediante un puerto COM,

este hace un mapeo de (0-500) y hace una correlación de bits a pixeles y lo muestra

gráficamente el cambio de velocidad

Por último, se integran las tres partes en una sola y como resultado se tiene un

variador de velocidad para un motor trifásico de hasta 1 hp con comunicación vía

Ethernet y un módulo de monitoreo

29

2. ESTRUCTURA DEL VARIADOR

En este capítulo se muestra el diseño e implementación de dos posibles circuitos

para poder hacer la variación de velocidad de un motor AC trifásico de 1Hp de 1700

RPM. El diseño 1 se planteó con variación de frecuencia, mediante un circuito de

disparo para TRIAC´s de potencia. El diseño 2 - definitivo se planteó mediante el

sistema SPWM, el cual sirve para el control de disparo de transistores IGBT de

potencia y de esa forma poder variar la velocidad del motor.

2.1. DISEÑO 1

El variador de velocidad de un sistema trifásico, es también llamado variador de

frecuencia, donde se juega con la frecuencia de la red y se varía el ciclo de trabajo,

determinando así el valor medio de la señal en el caso que se requiera.

El variador de velocidad cuenta con diferentes etapas para su respectivo diseño; en

la figura 6 se puede apreciar el diagrama de bloques del diseño 1. La primera etapa

es el sensor de cruce por cero que permite la sincronización de la onda en cada una

de sus fases con el circuito digital, de esa forma poder hacer disparos dentro de la

frecuencia de la señal de potencia. La siguiente etapa es una modulación por el

ancho de pulso siendo en este caso un ancho de 8,33 milisegundos, en frecuencia

120 Hz. Y por último es la conversión digital al driver del motor trifásico a través de

una etapa de potencia;

figura 6. Diagrama de Bloques Diseño 1

Fuente: propia del autor

30

2.1.1. Detección de cruce por cero

Para lograr la sincronización de la onda se debe tener en cuenta que se cuenta con

tres líneas de alimentación, por tal motivo, considerando que hay un desfase entre

cada línea de 120 grados, se debe tener tres circuitos de cruce por cero como se

puede observar en la. Figura 7. Y su montaje en la protoboard en la Figura 8. En la

Figura 9. Se muestra la señal de uno de ellos.

Fuente: Propia del autor

.


figura 8. Montaje Circuito Cruce por 0

Figura 7. Circuito cruce por 0

31

Fuente: propia del autor.

Analizando la señal de cada uno de los cruces por cero, aun no son señales del todo

digitales, por tal motivo se usa un amplificador operacional como comparador para

evitar ruidos, interferencias y hacer una lectura mejor en el circuito digital, ver figura

9; en la entrada no inversora se coloca la señal de cruce por cero y el voltaje de

referencia por inversora; para el cálculo de este se usó la ecuación de divisor de

voltaje:

𝑬𝒄𝒖𝒂𝒄𝒊𝒐𝒏 (𝟏)

𝑉𝑟𝑒𝑓 = 𝑉𝑐𝑐 ∗ 𝑅2

𝑅1 + 𝑅2

Donde VCC = 5V; se tomó R2 = R1 =2KΩ, es decir Vref = 2.5 V; sin embargo, se coloca

un potenciómetro de 10KΩ en paralelo a R1 para tener una variación del Vref entre

2.5V y 3.6V; esto con el propósito de tener un rango para calibración; de esa forma

se mejoró cada señal de cruce por cero, lo cual se puede observar en la figura 10.

figura 9. Señal cruce por 0

32

figura 10. Amplificador Operacional en el circuito


figura 11. Onda digital


2.1.2. Modulación por ancho de pulso (PWM)

Posterior del circuito que detecta el cruce por cero, se construye un circuito para

tener una señal diente de sierra sincronizada a la red, con el objetivo de hacer la

modulación de la señal, (ver Figura 10). En el estado bajo se carga un condensador

mediante un sistema RC (ver Figura 11); que tenga como tao 8 milisegundos

aproximadamente, y en el estado alto será una etapa de descarga. La descarga, así

como la conmutación de la señal es efectuada por un doble transistor conectado en

directo desde a la señal obtenida, esto con el fin de tener una descarga ideal.

33

figura 12. Diente de sierra


figura 13. Circuito RC con doble transistor

Fuente Propia del Autor.

34

Considerando que la señal se obtiene a través del colector del transistor es decir en

el sistema RC, se adiciona un amplificador comparador (Ver. Figura 13), que varíe

el voltaje en el mismo rango de valores que arroja la onda diente sierra, para efectuar

la modulación de la onda. Siendo así se puede visualizar de manera digital el

siguiente comportamiento (Ver. Figura 14).

figura 14. Amplificador Operacional PWM



figura 15. Onda digital con amplificador operacional

35

Para completar el circuito de control al final de la etapa ponemos 555 (Ver. Figura

15), para garantizar los pulsos de carga y descarga sobre la etapa de potencia.


2.1.3. Etapa de potencia

En el circuito de potencia (Ver. Figura 17), es necesario implementar un

optoacoplador, para lo cual se hace una selección entre varios dispositivos, ver

Tabla1, eligiendo el MOC3010 principalmente por su corriente de disparo. Se utiliza

con el fin primordial de aislar la etapa de control de la de potencia para evitar ruidos

e interferencias. Se utilizó también un Triac; en la Tabla 2, se muestra la comparación

de dichos dispositivos; se optó por utilizar el Triac Q4015 el cual se escogió por su

capacidad de corriente de 8 amperios según técnica de diseño, siendo ideal para el

motor que tiene una corriente nominal de 2.9 amperios. Aparte cuenta con una red

Snubber que protege el TRIAC de corrientes parasitas por la inductancia generada

por el motor.

figura 16. Circuito de control

36

Tabla 1. Características optocopladores

Optoacoplador Marca Tipo de

transistor

corriente de

disparo Sobre corriente Disipación

4n25 Vishay npn 50mA 1ª 70mW

moc3010 Fairchild Triac 60mA 1ª 100mW

pc817 Sharp npn 50mA 1ª 70mW

ps2501A-4 CEL npn 80mA 1ª 120mW


Tabla 2. Características triac

Triac Voltaje Max Corriente Rms Corriente Tms

BT136 600 V 4A 12A

BT137 600v 8A 23A

TICP206 600v 1.5A 10A

BT134W 500V 1A 1A

Q4015 600v 8A 18A


Fuente: Propia del Autor

figura 17. Circuito de potencia

37

El comportamiento de la onda se detalla enseguida (Ver. Figura 18).

figura 18. Señal del Triac


Como resultados adicionales a través de la práctica se evidencia que a través de

este método se varía el voltaje RMS, y por consiguiente también la corriente del

motor, así mismo teniendo estas características puedo generar un arranque en el

motor suave y proporcional, sin configuraciones adicionales.


En la Figura 19 se evidencia que el modelo planteado funciona para circuitos

monofásicos, sin importar fenómenos eléctricos como el comportamiento de una

inductancia que es propio de los motores jaula de ardilla, y que en los triacs no se

maneja de la mejor forma, presentando comportamientos asíncronos en el variador.

figura 19. Onda arranque de motor

38

Como resultado daban ruidos y sobre picos de corriente que reducían la vida útil del

motor.

Este desarrollo se descartó para la etapa de potencia ya que, al implementar el

circuito de disparo en un sistema trifásico, los TRIAC´s elegidos se estallaban, pues

la corriente de arranque del motor sobrepasaba el límite que soportaba cada uno de

ellos.

2.2. DISEÑO 2 - DEFINITIVO

Después de plantear el diseño 1, el cual no funcionó adecuadamente se decide hacer

otro diseño totalmente diferente. (Ver. Figura 20) Para lo cual se hizo una búsqueda

de algunos circuitos, los cuales se tomaron como guía para hacer este. En la figura

19 se puede apreciar un diagrama de bloques de dicho diseño. El módulo de

rectificación es el que permite obtener la alimentación para el motor, el módulo de

potencia es el encargado de formar las tres fases para el motor por medio de sus

tres puentes h; el módulo de disparo sirve para generar los voltajes necesarios para

los circuitos de potencia; el módulo de control sirve para generar la señales digitales

para el control de velocidad del motor y el módulo de monitoreo sirve para dar

seguimiento en tiempo real a la velocidad del motor desde un lazo abierto (se

desarrolla en el capítulo 4). El módulo de comunicación es para enlazar los diferentes

microcontroladores (se desarrolla en el capítulo 3) y el módulo de control se usa para

realizar la etapa de intervención humano-maquina, además cuanta con un circuito

de disparo de transistores (IGBT´s) los cuales controlan el Motor y circuito de

rectificación para la alimentación del motor.

39

figura 20. Diagrama de bloques variador de Velocidad


A continuación, se describe el diseño de cada uno de elementos del diagrama del

variador.

2.2.1. Módulo de rectificación

2.2.1.1. Rectificación AC-DC.

Para obtener una tensión trifásica a partir de una fuente DC es necesario hacer

rectificador de 110 v a DC (Ver. Figura 21), para lo cual se usa un puente rectificador

de onda completa.


figura 21. Rectificación AC-DC

40

Para el filtrado de la señal es necesario hacer el cálculo del condensador, el cual

arrojó un condensador de 1000 µf teóricamente (cálculos basados CIRCUTOS

ELECTRICOS DE DORF. Richard C. Dorf. Circuito trifásico 6ta Edición 2006) en el

circuito se usó 2 condensadores de 560µf en paralelo en la Figura 22, se muestra el

Fuente:http://educativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/repositorio/3000/3079/ht

ml/44_filtro_por_condensador.html

𝑬𝒄𝒖𝒂𝒄𝒊𝒐𝒏 (𝟐)

𝑉𝑚𝑎𝑥 = 115𝑣 ∗ √2

𝑉𝑚𝑎𝑥 = 162.2𝑣

𝑉𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 =2 ∗ 𝑉𝑚𝑎𝑥

𝜋

𝑉𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 = 103.13𝑣

𝑉𝑝𝑝 = 10%(103.13)

𝑉𝑝𝑝 = 10.313𝑣

𝐼𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 =10.313𝑣

8Ω

𝐼𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 = 1.28𝐴

𝐶 =1.28𝐴

10.313𝑣 ∗ 120𝐻𝑧

𝐶 = 1000µ𝑓

figura 22. Filtrado.

41

2.2.2. Módulo de potencia.

En este diseño del variador se usaron tres circuitos de disparo IGBTS, dichos se

componen de un Driver y dos IGBTS, se eligieron estos transistores por su

desempeño tanto en corriente, voltaje y frecuencia en comparación con transistores

BJT y MOSFET.

2.2.2.1. Selección del IGBT

En la Tabla 3 se muestran algunas características de algunos IGBTS comerciales.

Al comparar dichos componentes se puede observar que el mejor transistor el

IRG4PC50UD por manejo de corriente 55A, voltaje 600V, disipación de potencia de

200W su precio y su fácil adquisición.

Donde para métodos de diseño se tuvo en cuenta la curva de arranque directo,

donde el valor que tiene que resistir el transistor tiene que ser de 6 a 8 veces mayor

que la corriente nominal del motor (Ver Figura 23).


La corriente nominal de un motor se calcula de la siguiente manera.

figura 23. Comparación entre métodos de arranque de un motor

42

𝑬𝒄𝒖𝒂𝒄𝒊𝒐𝒏 (𝟑)

𝐼𝑛 = (𝐻𝑃)(0.746)

(√3)(𝐹𝑃)(𝑉𝐼𝑛)(𝑛)

In =2.9

Donde HP es la potencia del motor.

0.746 es para pasarlo a KW

√3 es la constante para calcular equipos trifásicos

FP es factor de potencia placa del motor

Vin es voltaje de entrada con la que se alimenta el motor según la placa en Kv

n es Parámetro de eficiencia.

Entonces de la Figura 22. Obtenemos que para un arranque directo la corriente

nominal se multiplica por 8, por tanto:

In x constante de diseño arranque Directo = 2.93 x 8 = 24A

Por voltaje de activación en el Gate o entrada del transistor también influyó a escoger

el dicho transistor, ya que es por diseño es fácil regular 12vdc.

Una vez seleccionado los transistores se construye el circuito de conmutación junto

con la combinación drive-optoacoplador (IR2112- ps2501A-4, respectivamente) los

cuales están diseñados para manejar este tipo de IGBT y de esa forma

poder conectarlo al circuito de control (microcontrolador 1) (Ver. Figura 24).


figura 24. Circuito puente de IGTB

43

Tabla 3. Características IGBT


Una vez se tiene todos los dispositivos para el circuito de potencia, se procede a

construir el circuito para cada una de las faces (R,S,y T) el cual se muestra en la

Figura 25, este circuito se comporta de igual manera que un “puente H”, la línea roja

simula la línea R, la Amarilla la S, y la azul la T.

figura 25. Circuito IGBT por tres

Fuente: Propia del Autor.

IGBT

Max

Voltaje

VCEO

Voltaje

Saturación

CE

Voltaje

GE

Corriente

Continua

Colector

Disipación

de

potencia

Rango de

trabajo

Temperatura

en °C

Precio

En

pesos

IRG4PC50UD 600V 2V 20V 55A 200w -55 to 150 18.700

FGH40T120SQ 1200v 1.78v 20v 160A 454w -55 to 175 24.000

STGB20N40LZ 425V 1.5v 16v 25A 150W -55 to 175 21.300

IXGX120N60A 600v 1.2v 20v 200A 780w -55 to 150 16.900

44

2.2.3. Módulo de Control

El módulo de control es el que está al mando de todo el proceso, mediante la

generación de señales digitales para el control del motor, en la Figura 26 se muestra

esto; este consta de dos microcontroladores, el segundo es el encargado de generar

las señales para el SPWM y el primero es el que permite la conexión con el del PLC,

la cual se explicara en el capítulo 3.

figura 26. circuito de control


En la figura 27 se puede observar el circuito de optoacopladores


figura 27. circuito optoacoplador

45

2.2.3.1. Selección del microcontrolador 2 Pic16F877a

En la Tabla 4 se muestran los diferentes fabricantes de microcontroladores y un

ejemplo de algunas referencias.

Tabla 4. Características de Microcontroladores

CARACTERISTICAS PIC16F877A MSP430G

2X11

Atmega

328

ATMEGA2560

Familia Microship Texas Atmel Atmel

Frecuencia 20 Mhz 32Khz 20Mhz 32Khz

Flash Memory 8K 1K 32k 256K

Data Memory 256 128 1024 8K

PORTS A,B,C,D I/O B,C,D A,B,C,D,E,F,G

PWM MODULE 2 - - 12


“Este microcontrolador PIC16F877A es fabricado por Microchip el cual posee varias

características que hacen a este microcontrolador un dispositivo muy versátil,

eficiente y práctico para ser empleado en la aplicación que posteriormente será

detallada.

Algunas de estas características se muestran a continuación:

Soporta modo de comunicación serial, posee dos pines para ello.

Amplia memoria para datos y programa.

Memoria reprogramable: La memoria en este PIC es la que se denomina FLASH;

este tipo de memoria se puede borrar electrónicamente (esto corresponde a la "F"

en el modelo).

Set de instrucciones reducidas (tipo RISC), pero con las instrucciones necesarias

para facilitar su manejo.

46

Para la programación del PIC, se empezó por dividir los 180° de la onda seno en 100

valores iguales, a estos se les saco su valor sinusoidal en radianes (VER. Tabla 5),

y posteriormente hacer un mapeo que se explicara más exhaustivamente en el

capítulo de comunicación y monitoreo.

Tabla 5. División Onda Seno

Ciclos Valor Seno Mapeo Ciclos Valor Seno Mapeo

0 0 0 27 0,4539905 115

1,8 0,03141076 8 28,8 0,48175367 122

3,6 0,06279052 16 30,6 0,50904142 129

5,4 0,09410831 23 32,4 0,53582679 136

7,2 0,12533323 31 34,2 0,56208338 143

9 0,15643447 39 36 0,58778525 149

10,8 0,18738131 47 37,8 0,61290705 156

12,6 0,21814324 55 39,6 0,63742399 162

14,4 0,24868989 63 41,4 0,66131187 168

16,2 0,27899111 71 43,2 0,68454711 174

18 0,30901699 78 45 0,70710678 180

19,8 0,33873792 86 46,8 0,72896863 185

21,6 0,36812455 93 …. …… …..

23,4 0,39714789 101 176,4 0,77051324 196

25,2 0,42577929 108 178.2 0,79015501 201


Luego de esto se empezó a realizar el programa en el software MPLAB, se empezó

por dejar el reloj de oscilación en 2,5Khz, se configuro todo el PORTB y PORTC

como las salidas que accionaran los optoacopladores que posteriormente activaran

47

los drivers que consecutivamente conmutaran los transistores, estas salidas del PIC

envían pulsos consecutivos para realizar un SPWM. (Ver. Figura 28).


figura 28.diagrama de flujo ciclos SPWM

48


Para el diseño del anterior circuito (ver. Figura 29) se implementó un condensador

entre las entradas OSC1 y OSC2, para dejar el microcontrolador en HIGH SPEED,

RA0 se dejó como una entrada análoga (potenciómetro), los leds se dejaron como

indicadores de energía en la tarjeta y señalización de entrada a las rutinas, Se

dejaron unos pulsadores, como guía para probar las rutinas, y 3 pines externos para

la parte digital. Se dejaron 3 puertos PORTC como salida. para activar 3 IGBT

(energiza la bobina del motor), y los puertos PORTB para activar los otros 3 IGBT

que cierran el circuito aterrizándolo a tierra.

2.2.3.2. Lógica de Control

Para poder entender el control final de la velocidad del motor que en este caso es

SPWM (modulación por ancho de pulso sinusoidal) debe a ver claridad en el manejo

figura 29. Circuito Microcontrolador

49

del PWM. Para de velocidad en motores en DC se utiliza por excelencia este método,

dicho método utiliza un porcentaje de ciclos activos mediante la conmutación en la

activación de los motores por medio de drivers.

El SPWM, utiliza estos ciclos activos variando a través del tiempo su porcentaje

efectivo teniendo en cuenta las condiciones naturales de onda senoidal dentro de un

sistema AC.

En caso puntual de la construcción del variador se crean tres SPWM con el fin de

enviar estas órdenes totalmente digitales a los drivers y posteriormente a los IGTBs.

Teniendo en cuenta que los sistemas digitales trabajan a través de frecuencias junto

con la conmutación de los sistemas de potencia, las señales paso a través de un

motor o un RC integran la señal armonizando la secuencia de pulsos emitidos y |

Fuente:http://repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/3128/1/Rold%C3%A1nCastroMauricio2016.pdf

figura 30. PWM teórico

50


Como se puede observar en la figura 31 el SPWM experimental es lo esperado, ya

que al compararlo con la figura 30 del SPWM teórico se puede observar la

composición del sistema por medio de pulsos. Como es un sistema trifásico se

calculó mediante un desfase de onda. La señal se comporta como una onda seno,

para la siguiente fase esta onda, se desfasada por 120° y la última fase está

desfasada otros 120° con respecto a la segunda. Por lo tanto, se obtiene las

siguientes ecuaciones. (Ver. Ecuación 3)

𝑬𝒄𝒖𝒂𝒄𝒊𝒐𝒏 (𝟑)

𝑡1 = sin θ

𝑡2 = 𝑡1 + 4𝜋

3

𝑡3 = 𝑡1 +8𝜋

3

figura 31. PWM Experimental

51

El circuito completo lo podemos apreciar en la Figura32.

figura 32. Circuito Completo

Fuente: Propia del Autor.

52

3. COMUNICACIÓN

En este capítulo se muestra como se hace la comunicación del PLC con el variador

de velocidad diseñado (ver figura 33), así como se mencionó en el apartado 2.2.3.

figura 33. Diagrama de flujo Comunicación


3.1. SELECCIÓN DEL PLC

En la Tabla 6 se muestran tres PLC de las más conocidas marcas y de

características similares.

Tabla 6. Características PLC

PLC Marca N° de Entradas N° de Salidas Protocolo

comunicación

Logo!230RC Siemens 8 4 Snap7

Logo!OBA8 Siemens 8 4 Modbus

Micrologic 1763 Allen Bradley 10 6 RS232-RS485


El LOGO! 230RC, aunque no era el más nuevo PLC en la familia de Siemens, se

escogió por economía y su versatilidad de programación, puesto que el software

LOGO! SOFT para la programación de este mismo dispositivo es libre.

53

3.1.1. PROGRAMACIÓN DEL LOGO230RC (PLC)

Para iniciar la programación se empezó por tomar cuatro bloques de entrada, ¡que

están asociados a los pulsadores en la parte frontal del LOGO!, en los que se les

asigno la función de aumentar, disminuir (manualmente), iniciar un proceso

automático y resetear valores.

Las entradas de aumento o disminución de velocidad de forma manual antes de

entrar al bloque del contador, entra a una serie de compuertas AND, OR y NOT

(negadoras) para dar orden al contador de sumar o restar, este valor luego pasa a al

bloque de asociado a un bloque operación aritmética, posteriormente enviado al

bloque de la pantalla y al bloque de comunicación, donde los datos son enviados en

tamaños de 32 bits (DWORD). Hay que tener en cuenta que el contador suma de 0

a 20, y este valor pasa por el bloque de operación aritmética donde está relacionado

con la ecuación “X=VALORCONTADORx5”, donde X es el valor final mostrado, y

VALORCONTADOR el número acumulado en el bloque contador. (Ver. Figura 34).


figura 34. Diagrama de bloques LOGO soft

54

Para la forma automática se utilizó el mismo contador de la forma manual, pero para

que este sumara o restara por sí solo, se necesitó de un generador de pulsos, el cual

los parámetros se fijaron en 2 segundos el flanco de subida y 1 el de bajada, y se

necesitó de dos temporizadores extras, los cuales tenían la finalidad de que cuando

llegara a 20 el valor comenzara a disminuir y que cuando llegara a 0 el contador se

reseteara al mismo tiempo que los mismos temporizadores. Se diseñaron dos modos

de operación para la muestra en el PLC a continuación veremos los diagramas de

flujo (Ver Figura 35) que nos mostraran el modo manual y el modo automático (Ver

Figura 36).

.


figura 35. Aumento de velocidad

55


3.2. SELECCIÓN DEL MICROCONTROLADOR 1

El PLC LOGO OBA7 230RC con puerto Ethernet tiene la posibilidad de comunicación

cableada por medio del protocolo SNAP 7, dicho protocolo esta descontinuado en el

mercado por tal motivo su uso es restringido, por medio de investigación ardua en la

red se encontró un desarrollo libre que comunica una un microcontrolador ATMEL

con este tipo de protocolos (SETTIMINO), de esta manera se logra implementar la

comunicación entre Variador de Velocidad y el PLC. Por lo cual se opta por

seleccionar el ATmega328, mediante la plataforma Arduino uno, además uso un

módulo ethernet desarrollado para este tipo de configuración. En la Figura 37 se

muestra el diagrama de flujo del programa que establece la comunicación.

figura 36. Diagrama de flujo modo automático

56


figura 37. diagrama de flujo bloques de reconocimiento

57

4. MODULO DE MONITOREO

En este capítulo presenta el sistema de monitoreo en lazo abierto de la velocidad del

motor mediante el uso de un encoder y un software de visualización de los datos

obtenidos.

4.1. Encoder (Sensor y rueda)

El encoder que se utilizó fue un módulo del sensor infrarrojo tipo herradura, este se

seleccionó por su facilidad de adquisición en el mercado y su forma de

funcionamiento, ya que al estar en forma de “u”, se puede acoplar muy fácil a la rueda

con ranuras, la cual está en el eje del motor. (Figura 38)


figura 38. Rueda

58

figura 39. Rueda perforada


Se diseñó una rueda perforada como se muestra en la figura 39 la cual cumple la

función obstruir el infrarrojo del encoder para el muestreo de las revoluciones del

motor y de esta manera poder medir la velocidad, dicha rueda tiene diez agujeros

para generar 10 pulsos correspondientemente, los cuales van ir almacenándose a

un contador en la programación del microcontrolador. Por lo tanto, se tiene la

siguiente ecuación para poder visualizar los rpm.

𝑬𝒄𝒖𝒂𝒄𝒊𝒐𝒏 (𝟒)

𝑟𝑝𝑚 = 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑎𝑑𝑜𝑟 ∗ (𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜

# 𝑎𝑔𝑢𝑗𝑒𝑟𝑜𝑠)

Donde:

rpm, son las revoluciones por minuto.

contador, es la variable donde se almacenan los pulsos.

59

t, es el tiempo de muestreo de segundos en un minuto (60 s). Por lo que el ciclo del

programa se demora un (1) segundo en ejecutarse.

#agujeros, es el número de agujeros o interrupciones que se le da al infrarrojo. (Para

este proyecto se utilizó 10, de esa forma no se saturaba el infrarrojo).

Para el sensor de herradura infrarrojo, se tiene el circuito. (ver Figura 40.) Donde R1

y R2 son resistencias para polarizar el diodo emisor del emisor y el fototransistor, y

asi garantizar el corte y saturación del sensor respectivamente.

figura 40. Circuito Sensor de Herradura


60

4.2. Selección del Software para el monitoreo.

Para iniciar el módulo de monitoreo (ver. Figura 41) se utilizó el software

PROCESSING el cual es de código abierto y está basado en JAVA, lo que lo hace

de fácil acceso y utilización.

En la Tabla 7 se muestra una comparación rápida de los diferentes programas y el

por qué la decisión de este.

Tabla 7. Software de Programación


El programa captura los datos enviados por el módulo Arduino por el puerto serial

del pc, a 57600bd,de esta forma garantizamos que el ciclo del software se demore

un (1) segundo en ejecutarse para así capturar el dato en una variable de 8 bits (0-

255), para luego realizar un mapeo (0-500) lo que hace la correlación entre bits y

pixeles. Para entender mejor podemos ver la Figura 41 que corresponde al diagrama

de flujo de dicho desarrollo.

La interfaz gráfica del programa descrito anteriormente donde, el eje Y se relaciona

directamente con las revoluciones por minuto (RPM) y en el eje X está relacionado

con el tiempo, además se dejan de plantilla unas líneas sobre valores exactos de los

RPM, para que sea más fácil el análisis al momento de monitorear la velocidad. Se

evidenciará su funcionamiento en el capítulo de Pruebas y Resultados.

SOFTWARE LICENCIA Memoria RAM min. Disco Duro

MATLAB Mathworks 1 GB 2 GB

PROCESSING Libre 150MB 500MB

CCHAR Visual Studio 2GB 4GB

61


figura 41. Diagrama de flujo modulo de monitoreo

62

5. RESULTADOS Y PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO

En este capítulo se presenta las pruebas de funcionamiento tanto del diseño 1 como

del diseño 2 - definitivo. En el segundo hay que tener en cuenta que las pruebas se

realizaron sin carga en el motor.

5.1. PRUEBAS Y RESULTADOS DISEÑO DEFINITIVO

5.1.1. Prueba SPWM con bombillos

El primer resultado que se obtuvo al realizar este primer diseño, fue poder variar la

intensidad de una serie de bombillos independientemente en cada una de las fases.

Se puede identificar el SPWM por línea en la Figura 42.

figura 42. SPWM con bombillos

Propia del autor

La detección del SWPM en la salida de las fases se podría detectar a través del

osciloscopio lo que nos dio la validación para poder ejecutar las siguientes pruebas

con el motor trifásico.

Como siguiente prueba de funcionamiento se realizó la variación de velocidad del

motor de forma análoga con una fuente de 5 V externa y un potenciómetro lineal de

1KOhm, en el cual al girarlo manualmente disminuía o aumentaba la velocidad del

motor a voluntad.

63

5.1.2. PRUEBA DE FRECUENCIA SPWM

Se hizo una comparación entre el valor en porcentaje enviado desde PLC, la

comparación del valor teórico de la frecuencia que debía enviar el PLC y el valor real

de la frecuencia, para posteriormente evaluar el porcentaje del error. Dicho valor real,

se obtuvo por medio del osciloscopio, dando la siguiente tabla comparativa. (Ver

Tabla 8). Los datos se graficaron para hacer su análisis más simple (Ver Figura 43).

Tabla 8. Variación de Frecuencia SPWM

Valor PLC en porcentaje (%)

Frecuencia teórica Esperada

Frecuencia Tomada Experimental

Error %

0 0 0 0

5 125 128,2 2,6

25 625 400 20,0

50 1250 1020 18,4

75 1875 1471 21,5

100 2500 2439 2,4


figura 43. Pruebas de frecuencia SPWM


0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 5 25 50 75 100

PRUEBA DE FRECUENCIA SPWM

FrecuenciaTeoricaEsperada

FrecuenciaTomadaExperimental

64

En la figura 44 a la figura 46 se puede apreciar dichas capturas de datos.

Se deduce que el error de la frecuencia teorico vs frecuencia experimental no es tan

grande, menos en el dato del 75%, ya que este aumento al doble, lo que sifnifica que

el motor despues del 70 % sale de su zona de operacion; esto es considerable

teniedo en cuenta la conmutacion de los IGBT y debido a la resolucion de 8bits que

se maneja, la cual es muy baja para los rangos tan amplios que se estudiaron.

figura 44. Frecuencia al 5%




65


5.1.3. PRUEBA DE VELOCIDAD

Para iniciar la prueba de velocidad, se experimentó con los pulsos que generaba el

enconder, para así determinar cómo se comportaba. Por tanto, se obtuvieron las

siguientes señales por medio del Osciloscopio.

figura 47. Pulso Encoder 25%



66

figura 48. Pulso Encoder 50%


Luego se realiza una prueba similar a la de frecuencia, pero comparando la velocidad

del motor. Los datos tomados se pueden observar en la Tabla 9. Los datos obtenidos

se obtuvieron en base al módulo de monitoreo desarrollado por el autor.

Tabla 9. Variación de Velocidad.

Valor PLC en porcentaje (%)

vs Velocidad teórica

Esperada Velocidad Tomada

Experimental Error %

0 0 0 0

5 84 316 116

25 420 431 2.58

50 840 627 29

70 1260 735 52.6

80 1344 826 47.7

90 1512 1068 34.4

100 1680 1688 0.4


67

figura 49. Prueba de velocidad


En la anterior grafica (Figura 49) se puede observar que el error disminuye a medida

que se aleja a los polos de las zonas de eficiencia del motor. Lo que indica que el

motor está trabajando de forma forzada cuando está fuera de la zona de trabajo.

La siguiente prueba consistió en realizar el control de la variación de la velocidad

desde el microcontrolador1, para ello se tomó como base un control de intensidad

de luz para leds, donde se conectó a un circuito RC para posteriormente conectarla

a la tarjeta del microcontrolador1.

Para la tercera prueba, correspondiente a la comunicación, se conectó el PLC por

medio de un cable Ethernet a la placa de comunicación Arduino, y por medio del

software de Arduino se monitoreaba los datos recibidos que eran enviados desde el

PLC.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

0 5 25 50 70 80 90 100

PRUEBA DE VELOCIDAD

Velocidadteoricaesperada

Velocidadtomada experimental

68

Posteriormente, se conectó un cable USB a la placa Arduino al PC y por medio de

un puerto COM se monitorea los datos en su mismo software, y luego se utilizó el

software Processing (Figura 50).

Por último, se conectó todos los componentes mencionados para hacer la prueba

final, para que así dé como resultado el variador de velocidad con comunicación

Ethernet y módulo de monitoreo. Prueba modulo de monitoreo


figura 50. Prueba modulo de monitoreo

69

6. CONCLUSIONES

El diseño de la etapa de potencia depende del motor que se va usar, teniendo en

cuanta la inductancia y corriente nominal se desarrollan los Cálculos y se definen

los componentes a usar, como se evidencia en este proyecto no es recomendable

usar TRIACS o SCR en la etapa de potencia ya que su comercio en Colombia es

el genérico el cual no garantiza sus verdaderos datos, adicional a esto el circuito

de cruce por 0 es necesario implementar para las tres líneas.

El circuito construido con transistores IGBT´s, junto con los optocopladores y los

drivers fue adecuado para el manejo de potencia del motor, pues funciono

adecuadamente y cumplió las expectativas.

Los protocolos de comunicación de nuevas generaciones facilitan el enlace con

diversas plataformas y sus accesos son libres.

El bloque de comunicación para el PLC siempre tiene que ir asociados a un bloque

de trasmisión de datos en el cual se deben tener en cuenta el tipo de dato ej:

DWORD, INT, CHAR y tener siempre en cuenta que para la recepción de estos

mismos se cuente con estas características o en su defecto hacer la conversión

apropiada.

Un módulo de monitoreo es indispensable a la hora de controlar cualquier proceso

en el que se quiera conocer la eficiencia de este mismo.

Los embobinados de un motor afecta las señales de monitoreo, debido a los

armónicos que estos producen, y a la vibración mecánica.

Se puedo evidenciar que las señales SPWM fueron generadas adecuadamente y

al compararlas con la teoría fueron similares, lo cual permite afirmar que estas es

70

una técnica de control muy útil a la hora de hacer un variador de velocidad para

un motor trifásico.

71

7. RECOMENDACIONES Y TRABAJOS FUTUROS

7.1. RECOMENDACIONES

Es importante aclarar que el variador de velocidad no está diseñado para soportar

motores con cargas adicionales por que puede sufrir picos de corriente, esto lo

pueden llevar a cortos circuitos.

7.2. TRABAJOS FUTUROS

En un diseño futuro se debería dirigir el proyecto a qué tipo de variador se quiere

llegar, es decir para que aplicación final se está construyendo. Para así definir la

máxima carga que se quiere transportar; precisar qué motor utilizar, y posteriormente

saber que corriente nominal debe soportar el diseño para garantizar un variador de

velocidad que controle movimientos lentos que requieran fuerza, o un variador de

velocidad, que soporte más revoluciones haciendo que el dispositivo sea óptimo para

movimientos rápidos y repetitivos.

72

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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enero-2018] Disponible en internet: https://www.definicionabc.com/motor/motor-

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14. AX DESARROLLOS. Explicación de control de fase directo. [en línea]. Mexico.

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15. IMPLEMENTACIÓN DE UN VARIADOR DE VELOCIDAD DE BAJO COSTO

PARA UN MOTOR TRIFÁSICO. Jorge Renato Gómez Ordeño. Lima junio de 2013.

16. DISEÑO DE VARIADOR DE FRECUENCIA ELECTRONICO UTILIZANDO

MICROCONTROLADOR. Gregorio Moctezuma Jiménez, Gabriel G. Luna Mejía y

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17. RED DE PLC´S Y VARIADORRS DE VELOCIDAD CON PROTOCOLOS

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18. ESPECIFICACIONES GENERALES PARA UNIDADES DE VARIACION DE

VELOCIDAD. Schneider Electric Argentina S.A. Argentina 02 de mayo del 2015

Página 4.

19. ESPECIFICACIONES GENERALES PARA UNIDADES DE VARIACION DE

VELOCIDAD. Schneider Electric Argentina S.A. Argentina 02 de mayo del 2015

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mayo] Disponible en internet: https://www.monografias.com/trabajos18/descripcion-

pic/descripcion-pic.shtml#ixzz5CgC4uoe7.

74

ANEXOS

Anexo 1. Circuito final diseño final

Anexo 2. Foto placa diseño final

Anexo 3. Foto 2 placa diseño final

75

Anexo 4. Diseño circuito preliminar etapa de potencia

76

Anexo 5. Diseño preliminar etapa de control

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