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Universidad Autnoma de Quertaro
Facultad de ingeniera
Anlisis en maquinaria CNC ante variaciones de bajo voltaje
y sus efectos en la calidad de la energa
Tesis
Que como parte de los requisitos para obtener el grado deDoctor en ingeniera
Presenta
M.I. David Granados Lieberman
Dirigida por
Dr. Rene de Jess Romero Troncoso
Dr. Roque Alfredo Osornio Ros
San Juan del Rio, Quertaro, Julio de 2013
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RESUMEN
Actualmente, el uso de mquinas-herramientas de control numrico
computarizado (CNC) permite a las industrias reducir costos y tiempos de
operacin mientras se incrementa la calidad de los productos manufacturados.
Sin embargo, cualquier mal funcionamiento en el equipo puede afectar
parcialmente el proceso de manufactura o incluso provocar la interrupcin
completa en la produccin. Por otra parte, la calidad en la energa elctrica juega
un papel importante en la industria debido a la gran cantidad de problemas que se
generan ante anomalas elctricas. El anlisis clsico de la calidad de la energa
que normalmente se efecta en la industria es realizado monitoreando toda una
planta o una seccin de sta, lo cual limita el anlisis elctrico en determinadoequipo o maquinaria. Una de las principales causas de las variaciones de voltaje
es debida a la demanda repentina de grandes cargas conectadas al mismo bus
elctrico, lo cual ocasiona que cualquier repercusin en la fuente de voltaje afecte
a la maquinaria, principalmente a las cargas ms susceptibles a variaciones de
voltaje. Este trabajo se enfoca en el anlisis de la calidad de la energa en
maquinaria CNC mediante el monitoreo y procesamiento de las seales
elctricas. Los resultados obtenidos de este trabajo son la descripcin de las
condiciones del sistema elctrico durante la operacin de un torno CNC,metodologas de anlisis basadas en transformadas tiempo-frecuencia, as como
la afectacin de la rugosidad en piezas maquinadas durante variaciones de bajo
voltaje.
(Palabras clave: calidad de la energa, torno CNC, monitoreo elctrico)
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SUMMARY
Currently, the use of computer numerical control (CNC) machine-tools allow theindustries to reduce cost and operating time while increasing the quality of the
manufactured products. However, any malfunction in the equipment can partially
affect the manufacturing process or even provoke the complete production
interruption. On the other hand, power quality plays an important role in the
industry due to the big amount of problems generated during electrical anomalies.
The classical power quality analysis, normally developed in the industry, is made
through monitoring the complete production plant or a section of that, which limits
the electrical analysis in certain equipment o machinery. One of the main reasonsof voltage variations is owed to the sudden demand of big loads connected to the
same electrical bus, causing that any repercussion in the voltage source affects
the machinery. It mainly affects the loads most susceptible to voltage variations.
This work focuses in the analysis of CNC machinery power quality by means of
monitoring and processing electrical signal. The results obtained and presented in
this work are the description of the electrical system condition during the CNC
lathe operation, the analysis methodologies that are based on time-frequency
transforms, as well as the repercussion in the work-piece roughest during small
voltage variations.
(Key words:power quality, CNC lathe, power monitoring)
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DEDICATORIA
Dedico este trabajo a las personas que hicieron realidad este logro, a mis
padres Brenda Ivonne Lieberman Vzquez y Andrs Granados Dvila, a mi
hermano Eduardo Granados Lieberman, a toda mi familia y con todo mi amor a la
persona que ha compartido conmigo tantos anhelos, sueos y genera en m el
deseo por superarme da con da Yolanda Rojas Sandiego.
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Agradecimientos:Agradecimientos:Agradecimientos:Agradecimientos:
DDDDoy Gracias a Dios por permitirme llegar a esta etapa tan importante en mivida y haberme brindado cuanto hasta ahora tengo y soy.
A mis padres Brenda I. Lieberman Vzquez y Andrs Granados Dvila, por todo su
apoyo, amor y principios que me han transmitido mediante sus palabras y su ejemplo.
A mi hermano Eduardo, que juntos hemos vivido valiosos momentos y a quien
quiero y estimo mucho.
A toda mi familia, tios, tias, primos, sobrinos, etc. En especial a mis abueles y
bisabuelos Virginia Mosqueday Adolfo Vzquez, Mara Elena Vzquez y Julia Dvila,
que siempre han credo en m y me han apoyado en el transcurso de toda mi vida.
A Yolanda Rojas S., quien es una persona muy especial en mi vida, la cual me habrindado su amor, su apoyo y con quien he compartido los ms hermosos momentos de mi
vida.
A todos mis compaeros y amigos Pabis, Carlitos, Rooney, Martin, Armando,
David, Arturo, Benigno, Mario, Arturito, Luis, Chucho, Pepe, Marco y Uriel por su apoyo
y todos los buenos momentos que pasamos.
A todos mis amigos y seres queridos con quienes he contado en diversos periodos a
lo largo de mi vida y de los cuales he recibido un gran apoyo.
Al Dr. Ren de J. Romero Troncoso y al Dr. Roque A. Osornio Rios, por la
confianza y el apoyo que me han depositado en la realizacin de esta tesis, brindndomesus conocimientos, tiempo y apoyo.
Al Concejo Nacional de Ciencia y Tecnologa (CONACYT) por el apoyo brindado
bajo la beca 312846.
A los directivos, encargados de los talleres y personal de la facultad de ingeniera
y en general a la UAQ, por el apoyo brindado y el gran esfuerzo que realizan para formar
mejores profesionistas en lo cognitivo y en lo tico.
David Granados LiebermanDavid Granados LiebermanDavid Granados LiebermanDavid Granados Lieberman
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NDICE GENERAL
PginaResumen iSummary iiDedicatorias iii
Agradecimientos ivndice general vndice de cuadros vindice de figuras vii
CAPTULO I. Introduccin 11.1. Introduccin1.2. Antecedentes 21.3. Descripcin del problema 51.4. Hiptesis y objetivos 81.5. Justificacin 9
1.6. Planteamiento general 12
CAPTULO II. Revisin de la literatura 162.1. Estado del arte 172.2. Tornos de tipo control numrico por computadora CNC 202.3. Tipos de tornos CNC 202.4. Partes principales del torno CNC 222.5. Calidad de la energa elctrica 252.6. Principal normativa referente a la CE 262.7. Disturbios elctricos 292.8. Tcnicas de anlisis para la CE 36
2.8.1. Transformada rpida de Fourier (FFT) 362.8.2. Transformada de Fourier de tiempo corto (STFT) 372.8.3. Wavelets 372.8.4. Mtodos paramtricos y paramtricos 392.8.5. Transformada S (ST) 402.8.6. Comparativa de los mtodos 41
2.9. Indicadores de la CE 43
CAPTULO III. Metodologa 473.1. Descripcin general de la metodologa 483.2. Sistema de monitoreo de CE 48
3.1.1. Sensores e instrumentacin 503.1.2. Adquisicin de seales 513.1.3. Procesamiento de seales 52
3.3. Casos de estudio 523.3.1. Repercusin en la calidad de la energa debido a
mquinas CNC 523.3.2. Repercusin de diversas cargas elctricas en una
celda de manufactura 54
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3.3.3. Repercusin de torno CNC debida a variaciones debajo voltaje 57
CAPTULO IV. Resultados 614.1. Anlisis de la repercusin en la calidad de la energa
debido a mquinas CNC 62
4.2. Anlisis de la repercusin de diversas cargas elctricas enuna celda de manufactura 66
4.3. Anlisis de la repercusin de torno CNC debida avariaciones de bajo voltaje 70
CONCLUSIONES 75LITERATURA CITADA 78APNDICE A. Primer artculo indizado 84APNDICE B. Segundo artculo indizado 96
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NDICE DE CUADROS
Cuadro Pgina
1Estadstica de importacin de mquinas y herramientas enMxico 17
2 Ventajas y desventajas del uso del torno CNC 24
3Variaciones en la fuente de voltaje de acuerdo a IEEE Std.1159-1999
27
4 Variaciones en la fuente de voltaje de acuerdo a EN-50160 29
5Comparativa de los principales mtodos de anlisis deseales
41
6 ICE debido a cada caso de estudio AD, DD y valores U%. 68
7 Variaciones en torque y rugosidad debido a voltajes sags 73
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NDICE DE FIGURAS
Figura Pgina
1Anlisis de la calidad de la energa a) actual desde lasubestacin, b) propuesta en cada mquina.
6
2 Efectos de variaciones de voltaje en la mquinas CNC debidoa diversa maquinaria en una celda de manufactura. 7
3 Diagrama a bloques de la metodologa propuesta 124 Torno vertical CNC 205 Torno de bancada plana 216 Torno de bancada inclinada 217 Torno cabezal mvil o suizo 228 Torno automtico de husillo mltiple 229 Transitorio impulsivo 30
10 Transitorios oscilantes 3111 Variaciones de corta duracin en la red elctrica 32
12 Seal contaminada con un tercer armnico 3413 Notching 3514 Fluctuacin de tensin (flicker) 3515 Wavelet Daubechies de 20 coeficientes 3816 rbol de descomposicin Wavelet 3917 Tringulo de potencias para sistemas no senoidales 4518 Interaccin entre cargas y la CE 4819 Sistema de monitoreo elctrico basado en FPGA 4920 Diagrama a bloques del sistema de monitoreo 4921 Instrumentacin en sensores de a) voltaje y b) corriente 5022 Tarjeta para la etapa de acondicionamiento de seales 51
23 Sistema de monitoreo conectado al torno CNC 5324 Prueba de maquinado 5425 Metodologa para el caso de estudio 1 5426 Metodologa para el caso de estudio 2 55
27Puesta del experimento. (a) Torno reconvertido CNC. (b)Sistema de monitoreo de la CE conectado al torno
56
28 Diagrama del generador de sags de voltaje de una fase. 5829 Metodologa para el caso de estudio 3 5930 Medicin de la rugosidad 5931 Corrientes durante el maquinado 6232 Valores RMS de corriente 63
33 Valores RMS de voltaje 6334 Valores THD de corriente 6435 Valores THD de voltaje 6436 Valor de desbalance de corrientes 6537 Valor de desbalance de voltajes 6538 Valores potencia total 6539 Valores de factores de potencia 6640 Efecto de la fuente de voltaje debido a soldadora de arco 67
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elctrico: a) ST filtrada y normalizada, b) Fase de voltaje
41Efecto de la fuente de voltaje debido a centro de maquinado:a) ST filtrada y normalizada, b) Fase de voltaje
67
42Efecto de la fuente de voltaje debido a cortadora de plasma:a) ST filtrada y normalizada, b) Fase de voltaje
68
43Efecto de la fuente de voltaje debido a motor de induccin: a)
ST filtrada y normalizada, b) Fase de voltaje68
44
Seales elctricas: a) Voltaje de entrada del torno CNC, b)corriente de entrada del torno CNC, c) voltaje de entrada delmotor del husillo, d) corriente de alimentacin del motor delhusillo
71
45Seales de corrientes en los servo-amplificadores: a) eje z, b)eje x
71
46RMS de las seales de vibraciones: a) porta-herramientas ejeX, b) porta-herramientas eje Y, c) porta-herramientas eje Z, d)husillo eje X, e) husillo eje Y, f) husillo eje Z
72
47Repercusin de sags en CNC a) Velocidades en el husillo, b)Rugosidad de la pieza, c) Potencia, d)Torque
73
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CAPTULO I
Introduccin
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1.1. INTRODUCCIN
Actualmente, el uso de mquinas-herramientas de control numrico
computarizado (CNC) permite a las industrias reducir costos y tiempos de
operacin mientras se incrementa la calidad de los productos manufacturados.Sin embargo, cualquier mal funcionamiento en el equipo puede afectar
parcialmente el proceso de manufactura o incluso provocar la interrupcin
completa en la produccin. Por otra parte, la calidad en la energa elctrica juega
un papel importante en la industria debido a la gran cantidad de problemas que se
generan ante anomalas elctricas. La calidad de la energa elctrica (CE) es un
trmino que asocia la calidad de la seal del suministro de voltaje y corriente
consumida por la carga. Una mala calidad en los sistemas elctricos ocasiona
innumerables problemas a los equipos elctricos, lo cual representa en laindustria altos costos y tiempos perdidos. Este trabajo se enfoca en el anlisis de
la calidad de la energa en maquinaria CNC mediante el monitoreo y
procesamiento de las seales elctricas. El desarrollo de este proyecto es parte
fundamental para la realizacin de estudios, que ofrezcan un aporte a problemas
elctricos relacionados con maquinaria CNC. Los resultados obtenidos de este
trabajo son la descripcin de las condiciones del sistema elctrico durante la
operacin de un torno CNC, metodologas de anlisis basadas en transformadas
tiempo-frecuencia, as como la afectacin de la rugosidad en piezas maquinadas
durante variaciones de bajo voltaje.
1.2. ANTECEDENTES
La calidad de la energa elctrica (CE) es un trmino que asocia la calidad
de la seal del suministro de voltaje y corriente consumida por la carga la cual
puede ser lineal o no lineal. Esta calidad est referida a una onda senoidal ideal
compuesta de una sola componente fundamental con amplitud constante y sin
desviaciones en frecuencia (Bollen, 2003). La calidad de la energa elctrica
depende de varias caractersticas que incluyen el contenido armnico,
desequilibrio de tensin entre fases, cambios rpidos de tensin, severidad de
parpadeos (Flickers), huecos de tensin (Dips), interrupciones, transitorios, etc.
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Uno de los principales fuentes de anomalas en la red elctrica son las
cargas no lineales, las cuales son aquellas que al ser alimentadas por una onda
senoidal consumen una corriente no lineal, por ejemplo, hornos de arco elctrico,
variadores de velocidad (Capua y Landi, 2001), mquinas soldadoras, balastroselectrnicos, sistemas alimentados con fuentes conmutadas, entre otras. Estas
cargas inducen armnicos en el suministro de voltaje que generan problemas
como: disminucin de la vida til de mquinas de induccin, vibraciones
mecnicas, mala operacin de bancos de capacitores, error en instrumentos de
medicin, interferencia telefnica, falso accionamiento de sistemas de proteccin
(Podesta et al., 2002), corrientes excesivas en el neutro, sobrecalentamiento de
transformadores, motores y cableado en general.
El estndar IEEE-519 (1999) establece los lmites de contenido armnico
en la lnea as como la distorsin armnica del voltaje de alimentacin, mientras
que el IEEE-1159 (1995) clasifica fenmenos electromagnticos como: impulsos,
oscilaciones, sobretensiones, subtensiones, interrupciones, offset DC,
fluctuaciones de tensin y frecuencia, entre otros.
Por otra parte el monitoreo de la CE es una herramienta que permite
realizar anlisis y diagnsticos tanto tcnicos como econmicos en la industria,
pro viendo soluciones a problemas generados por la presencia de anomalas
elctricas. Las soluciones identificadas hasta ahora acerca del monitoreo de la CE
son: artculos reportados en congresos internacionales, revistas indexadas e
instrumentos ya disponibles en el mercado (Fluke Corporation, Extech
Instruments Corporation, Hioki Corporation). Estos ltimos presentan la principal
desventaja de un alto costo, adems de no contar con procesamiento para
anlisis de fenmenos no estacionarios.
En la Universidad Autnoma de Quertaro se ha adquirido una gran
experiencia en trabajos relacionados con mquinas CNC, FPGA (arreglo
programable de compuertas en campo de sus siglas en ingls Field
Programmable Gate Arrays), instrumentacin de diversas variables fsicas y
procesamiento digital de seales. En el caso del monitoreo de variables fsicas
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como velocidad, aceleracin y jerk Santiago et al. (2008), propusieron una
metodologa para la reconstruccin de la dinmica de una mquina CNC usando
tcnicas de procesamiento digital de seales, las cuales fueron implementadas en
un FPGA.
Correspondiente al monitoreo de la corriente, Romero et al. (2004)
presentaron un algoritmo para el procesamiento de las seales de corriente en
mquinas CNC proponiendo un sistema de monitoreo de la condicin de las
herramientas que permite la deteccin de su ruptura. Franco et al. (2006)
desarrollaron un sistema para el monitoreo de la seal de corriente en los
servomotores para determinar los daos o desgaste de la maquinaria. Este
trabajo fue desarrollado a partir de la de trasformada Wavelet para encontrar las
frecuencias originadas por la fuerza de corte de la mquina, los algoritmosdiseados fueron implementados en un FPGA realizando el monitoreo en lnea y
fueron probados en una mquina CNC Baker-422 bajo distintas condiciones de
corte. Posteriormente, Franco et al.(2008) realizaron un sistema de monitoreo de
fallas sobre este sistema.
Se cuenta con trabajos publicados en revistas internacionales indizadas por
parte de profesores titulares, adems de varios trabajos de tesis relacionados al
tema. Como parte de los trabajos publicados Romero et al. (2003) presentaron un
anlisis de la corriente del controlador para estimar la influencia de las seales
indeseadas con la finalidad de determinar los parmetros ptimos para el
acondicionamiento de la seal en un FPGA. Adems, Romero et al. (2004)
presentaron un sistema de deteccin de ruptura de herramienta para mquinas
fresadoras CNC empleando tambin un FPGA.
Los trabajos relevantes y relacionados con el monitoreo de variables se
describen a continuacin. Rangel et al. (2008) realiz el monitoreo de la corriente
y las vibraciones de un motor de induccin para la deteccin de barras rotas.
Adems se cuenta con trabajos correspondientes al anlisis de la calidad de la
energa elctrica. Lara et al.(2008) presentaron un analizador de la calidad de la
energa de bajo costo, el cual realiza la medicin de diversos parmetros que
afectan a la calidad de la energa por medio de un FPGA y el desplegado de los
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resultados y del espectro en frecuencias por medio de un monitor. Por otra parte
Granados (2009) desarroll un instrumento para la medicin de la frecuencia del
sistema elctrico a partir de la forma de la seal de corriente e implementando el
algoritmo de la transformada Chirp Z en un FPGA.
Como se podr observar en los trabajos citados aun falta por explorar el
campo de la calidad de la energa elctrica, principalmente en los sistemas que
influyen en el deterioro de la misma y donde las mquinas herramienta del tipo
CNC son parte del origen del problema. El anlisis del comportamiento de
fenmenos de alteracin de las seales de corriente y voltaje durante intervalos
pequeos de tiempo se ha desarrollado mediante diversas tcnicas, sin embargo,
la falta de vinculacin de estas con su origen, no ha permitido contemplar su
relacin ante las caractersticas propias de cada sistema. Por otra parte, noexisten estudios detallados de la repercusin de variaciones de voltaje en
mquinas CNC, que permitan conocer la afectacin de los diferentes
componentes que la integran y su repercusin con los productos obtenidos. La
experiencia adquirida en la realizacin de proyectos por parte del grupo HSP en la
UAQ en la parte de instrumentacin, procesamiento de seales y el mismo
anlisis de la calidad de la energa, brinda el potencial de atacar esta
problemtica mediante un sistema de monitoreo y anlisis de calidad de la
energa en tiempo real, desarrollando algoritmos de procesamiento digital de
seales e implementando tecnologa propia y arquitectura abierta usando FPGA,
adems de cumplir con los requerimientos de la maquinaria CNC.
1.3. DESCRIPCIN DEL PROBLEMA
El anlisis clsico de la calidad de la energa que se efecta en la industria
y es presentado en la literatura revisada se ilustra en la figura 1.a, en la cual la
calidad de la energa es analizada en toda la planta o una seccin de sta.
Mientras que en la figura 1.b se presenta el anlisis de la calidad de la energa de
manera independiente entre cada una de la maquinaria, siendo esto algo que no
se ha desarrollado hasta el momento.
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(a)
(b)
Fig.1. Anlisis de la calidad de la energa a) actual desde la subestacin, b)
propuesta en cada mquina.
Por otra parte, una de las principales causas de las variaciones de voltaje
es debida a la demanda repentina de grandes potencias. Dentro de las celdas de
manufactura los diversos equipos empleados son conectados al mismo bus
elctrico, lo cual ocasiona que cualquier repercusin que tengan las mquinas en
el suministro de voltaje afectar a las otras, principalmente a las ms susceptibles
a variaciones de voltaje. En la figura 2 se muestra un esquema donde se ilustran
los efectos indeseables a la calidad de la energa de diversas mquinas
conectadas al mismo bus de alimentacin, principalmente variaciones de bajovoltaje generados durante la activacin de los equipos.
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Fig.2. Efectos de variaciones de voltaje en la mquina CNC debido a diversa
maquinaria en una celda de manufactura.
De manera resumida la presente investigacin se enfoca en el monitoreo y
procesamiento de las seales de voltaje y corriente de la mquina CNC para
conocer las condiciones de calidad de la energa, el monitoreo durante su
dinmica y el estudio de algoritmos para la correcta estimacin de los parmetros.
Esto conlleva a un sistema ms confiable que con los mtodos tradicionales,
permitiendo un anlisis en periodos cortos y enfocados al estudio de los efectos
generados de cada una de las mquinas monitoreadas. As mismo, esta
investigacin comprende el anlisis de los efectos de variaciones de bajo voltaje
en la lnea en las mquinas CNC a travs del monitoreo de diversas variables
involucradas en la operacin de la misma como velocidades en los motores,vibraciones, etc.
Entre las situaciones que generan una mayor dificultad para el estudio
propuesto, se encuentra la contribucin de anomalas presentes en la red
elctrica independientes a la maquinaria que se busque analizar, como son los
armnicos, desfasamiento de la corriente, falta de regulacin de voltaje de la red,
un sistema de tierras adecuado, etc.
Como parte del problema y aportacin cientfica, se debe encontrar una
metodologa adecuada sobre el anlisis de fenmenos transitorios que brinden las
mejores caractersticas en trminos de resolucin y exactitud, esto a partir de
tcnicas como Wavelets, mtodos paramtricos y no paramtricos o su
combinacin. Otra caracterstica importante que debe tener la metodologa es una
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convergencia adecuada en el tiempo en el que se susciten los fenmenos, esto
debido a que los efectos en la transicin de los sistemas analizados se presentan
en lapsos de tiempo pequeos.
La instrumentacin de un sistema trifsico, como es el caso, demanda lanecesidad de contar con un sistema de adquisicin de datos multicanales para
realizar el estudio simultaneo de las corrientes y voltajes propios de la mquina.
Estas son 3 seales para el monitoreo de voltajes y 3 para corrientes,
correspondientes a cada una de las fases, as como otra seal para la medicin
de la corriente generada en el neutro del transformador de alimentacin.
1.4. HIPTESIS Y OBJETIVOS
Hiptesis:
Mediante el uso de tcnicas como FFT, wavelets, mtodos paramtricos,
no paramtricos su combinacin, se puede aumentar en resolucin y precisin
la medicin de parmetros elctricos en una mquina CNC para determinar la
afectacin en la calidad de la energa elctrica que lo reportado con otros trabajos
o equipos existentes. As mismo, variaciones temporales de bajo voltaje durante
la operacin de la mquina CNC repercute a los diferentes componentes de la
maquinaria y por consiguiente en el proceso de maquinado.
Objetivos:
1. Implementar modelos matemticos para el anlisis de la calidad de la
energa en estado estable y transitorio aplicado a mquinas CNC
mediante herramientas como la transformada de Fourier, Wavelets,
mtodos paramtricos, no paramtricos su combinacin.
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2. Desarrollar e integrar tecnologa propia en monitoreo y anlisis de la
calidad de la energa basada en la tecnologa FPGA para
procesamiento de seales en lnea y a bajo costo.
3. Generar fundamentos para el desarrollo de un producto, robusto ycompetitivo con los analizadores existentes mediante los modelos
matemticos e implementacin digital para responder a las necesidades
de la industria y soportar investigaciones posteriores en el campo de la
CE.
4. Realizar un anlisis de los efectos producidos en mquinas CNC ante la
presencia de variaciones temporales de bajo voltaje.
1.5. JUSTIFICACIN
La razn principal para analizar y diagnosticar el estado de una mquina es
conocer los efectos que tienen en la repercusin de la CE. En referencia con el
maquinado, dependiendo del material y del acabado final que se requiere en la
pieza, el proceso puede llevarse de una manera convencional en baja o alta
velocidad, el maquinado de alta velocidad requiere de tcnicas de movimiento
rpido entre la herramienta y el portaherramientas en proporcin al incremento de
velocidad en el husillo, dichos cambios y dependiendo del uso de diversas partes
del equipo, varan la demanda de consumo de energa; de igual manera, la
inadecuada dinmica de movimiento con que se realiza el control, una mala
fijacin de la mquina, una mala sujecin de la pieza, velocidad de corte,
aceleracin del maquinado, etc. repercuten en el sistema elctrico generando
desequilibrio en las fases de alimentacin, generacin de armoniacos, desfase
entre la corriente y el voltaje, etc. Lo cual exige tcnicas apropiadas que brinde
una correcta informacin de los efectos en la lnea. Los factores que afectan a la
calidad de la energa deben ser analizadas por un dispositivo de monitoreo
flexible a los diferentes tipos de mquina CNC, el dispositivo debe proporcionar la
evaluacin y diagnstico de calidad de la energa como un factor de ayuda en los
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programas de mantenimiento preventivo as como la determinacin de la causa y
la correccin del problema que presentan.
Los trabajos realizados hasta el momento referentes al CE de la energa y
su anlisis estn dirigidos en su mayora a toda una planta y realizados duranteperiodos de largo plazo. Por otra parte existen trabajos enfocados a los efectos de
la calidad de la energa en motores, transformadores, equipos de conmutacin,
entre otros, sin embargo, el impacto de mquinas CNC en la calidad de la energa
no es un tema abordado hasta el momento, por lo que no existe un equipo
incorporado a las mquinas CNC que brinde el estado de sus condiciones
elctricas. El equipo existente en el mercado es utilizado de manera externa y no
cuenta con todos los parmetros necesarios para el desarrollo de un buen
anlisis.
Con respecto a los tornos CNC, diversos trabajos muestran la repercusin
en los acabados superficiales de maquinado debidos a diferentes condiciones de
operacin del torno que van desde los parmetros de maquinado apropiados de
acuerdo al tipo de material como velocidad de corte, profundidad y tasa de avance
hasta condiciones de mal funcionamiento por parte de los componentes del
sistema como ruptura de herramientas, errores en controladores, desbalanceo del
chuck o vibraciones generadas por diferentes fallas o fuentes externas entre
otras. Los diferentes estudios muestran diversos factores que repercuten en el
acabado superficial de las piezas, sin embargo no existen estudios de la
afectacin debida a anomalas en la fuente de alimentacin elctrica, de forma
que estos permitan mostrar el comportamiento de los principales componentes del
torno, as como la afectacin en la calidad superficial durante la presencia de
disturbios elctricos. Para lo cual, es necesario realizar un monitoreo completo de
las diferentes variables fsicas que intervienen en la operacin del torno durante
los disturbios elctricos, de forma que esto permita realizar un anlisis en su
interpretacin y relacionar su comportamiento con la afectacin en las diferentes
partes de la mquina y en el proceso de maquinado. Debido a la diversidad que
existe de mquinas-herramienta es necesario contar con un sistema de monitoreo
flexible que pueda ser reconfigurado para las caractersticas particulares de cada
mquina-herramienta.
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Contar con el monitoreo de los parmetros elctricos en mquinas CNC
permite plantear estrategias para mejorar la calidad de la energa en la industria
cumpliendo con normas como IEEE Std. 1159 (IEEE Recommended Practice for
Monitoring Electric Power Quality, 1995) y IEEE Std. 519 (RecommendedPractices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems,
1999). Esto conlleva a un ahorro sustancial en el consumo de energa, la calidad
de los productos, as como la prevencin y proteccin de los equipos.
Realizar estudios sobre los efectos de la maquinaria en la calidad de la
energa y los efectos de perturbaciones elctricas en la maquinaria permite
desarrollar nuevas metodologas y algoritmos para su adecuado anlisis y
contribuir en nuevos planteamientos que muestren la afectacin de una malacalidad de la energa en procesos y equipos de mayor vulnerabilidad mediante
bases tericas y su corroboracin experimental. As mismo, esto permite el
desarrollo de controladores, planeacin de la puesta en marcha del equipo, una
utilizacin adecuada de protecciones o dispositivos especiales, as como la
adecuada incorporacin del equipo al sistema elctrico de acuerdo a las
diferentes ramificaciones y capacidades de instalacin con las que cuente la
industria, adems de permitir optimizar los ciclos efectuados durante el proceso
de maquinado y brindar soluciones para mejorar la confiabilidad en el
funcionamiento de la maquinaria manteniendo la calidad en los productos.
Resolver el problema del monitoreo y anlisis de la calidad de la energa,
beneficiara la industria de la regin en diferentes factores como ahorro de primas,
disminucin del personal experto en el rea. Adems, descifrar el origen de
anomalas en el sistema elctrico permitira reducir costos de produccin por
piezas mal maquinadas, ahorro en mantenimiento correctivo y aplicar a tiempo un
programa de mantenimiento preventivo, ahorro en la compra de analizadores
espectrales, etc.
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1.6. Planteamiento general
La metodologa general que se desarrollan en este trabajo se muestra en la
figura 3 y consiste en la descripcin de los algoritmos revisados para realizar el
anlisis de la calidad de la energa, esta metodologa es programada mediante unlenguaje de descripcin de hardware (VHDL) y en software Matlab, adems se
usa un sistema de adquisicin de las seales de voltaje y corriente. A
continuacin se describe cada uno de los elementos que se desarrollarn en la
metodologa propuesta.
Primeramente se cubre la revisin bibliogrfica exhaustiva sobre el tema
realizando una comparativa de la teora y las tcnicas utilizadas en el rea de
procesamiento digital de seales aplicada a anlisis espectral de seales
estacionarias como la FFT y no estacionarias como Wavelet, mtodos
paramtricos y no paramtricos o la combinacin entre ellas y se determina en
base a este estudio la mejor tcnica a utilizar en cuanto a resolucin, precisin y
tiempo de cmputo.
Fig.3. Diagrama a bloques de la metodologa propuesta.
Para cubrir una de las necesidades fundamentales en el monitoreo de las
condiciones del sistema elctrico, se desarroll un sistema de monitoreo de la CE,
basado en un sistema de adquisicin genrico basado en FPGA, el cual cuenta
con un mdulo de control, dicho mdulo se encarga de adquirir 7 seales, 3 de
voltaje y 4 de corriente propios de la maquinaria CNC, posteriormente son
guardados en una RAM. La tarjeta de adquisicin consiste en sensores de voltaje
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y corriente, acondicionamiento de las seales, convertidor analgico digital y
tranceiver. La descripcin general de las partes que compone el instrumento son:
o Sensores: Los sensores de corriente empleados son del tipo gancho
o de efecto Hall, mientras que para la medicin de los de voltaje esrequerido un divisor de voltaje. Estos tipos de sensores son
seleccionados debido principalmente a las caractersticas que tienen
en cuanto a precisin y ancho de banda. Adems se utilizarn
acelermetros para medir las vibraciones en partes claves de la
maquinaria y encoders para conocer la velocidad en los motores.
o Acondicionador de la seal: consiste en un amplificador el cual es
recomendado por el fabricante del sensor.
o Convertidor analgico digital: Es el encargado de obtener la
informacin de la seal de forma discreta para el posterior
procesamiento de la informacin. Se utiliza un convertidor que
cuenta con las caractersticas requeridas del sistema.
o Tranceiver:Ser el elemento encargado de permitir la comunicacin
con el FPGA.
o Core Procesamiento: Es el mdulo donde se obtiene el
procesamiento de los datos adquiridos mediante los sensores con el
fin de analizar la seal. Este mdulo realiza de forma simultnea el
procesamiento para cada seal.
o Mdulo complementario: Dentro de estos bloques se realiza un
mdulo para comunicacin con la PC mediante alguna interfaz como
RS-232 o USB, con la finalidad de analizar, almacenar, comparar y
desplegar la informacin por medio de la PC.
Por otra parte para inducir perturbaciones en la red elctrica y poder
realizar estudios de su repercusin en la maquinaria es necesaria la realizacin
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de un generador de bajos voltajes.Este sistema tendr la capacidad de generar
variaciones de voltaje en la alimentacin de la maquinaria, con la funcionalidad de
poder variar la magnitud y duracin del disturbio elctrico.
En relacin a las pruebas desarrolladas en necesario cubrir los siguientespuntos
La repercusin en la calidad de la energa debido a mquinas CNC.
La repercusin de diversas cargas elctricas en una celda de
manufactura.
Y la repercusin de torno CNC debida a variaciones de bajo voltaje.
As mismo se realizan pruebas finales para el anlisis estadstico de los
resultados como media y varianza. Adems los resultados son comparados con
los obtenidos por otros trabajos y/o instrumentos. En relacin a la afectacin en
mquinas CNC debida a variaciones de voltaje, se disea un sistema para la
generacin de dichas variaciones que permita controlar su duracin y magnitud,
as como la instrumentacin para el monitoreo de diversas variables involucradas
en la operacin de la maquinaria, permitiendo realizar su anlisis sobre las
pruebas desarrolladas.
Una vez desarrolladas las pruebas en la maquinaria CNC, se aplican los
algoritmos necesarios para los diferentes casos de estudio. El procesamiento
digital de seales es una tcnica que convierte seales del mundo real
(usualmente en forma analgica) en datos digitales que luego pueden ser
analizados. Este anlisis es realizado en forma digital, una vez que una seal ha
sido convertida a valores discretos, sus componentes pueden ser aislados,
analizados y reordenados ms fcilmente que en su primitiva forma analgica. En
estricto rigor, el procesamiento digital de seales se refiere al procesamiento
electrnico de seales tales como sonido, radio y microondas usando tcnicas
matemticas para realizar transformaciones o extraer informacin. En la prctica,
las caractersticas del procesamiento digital de seales las hace adecuadas para
muchos propsitos, tales como procesamiento de grficos de alta calidad y
simulaciones en ingeniera. Eventualmente cuando se ha completado el
procesamiento, los datos digitales pueden volverse atrs como seales
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analgicas, con una calidad mejorada. Por ejemplo: filtrar ruido de una seal,
remover interferencias, amplificar y/o suprimir frecuencias, encriptar informacin
analizar una corriente compleja en sus componentes esenciales.
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CAPTULO IIRevisin de
la literatura
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Los trabajos realizados sobre la calidad de la energa, por lo general son
sistemas dependientes de una PC para realizar el procesamiento de la seal
(Podest et al., 2002; Salem et al., 2005; Aiello et al., 2004; Wei et al., 2006;
Abdullah y Sha'ameri, 2005). Al utilizar una PC son incapaces de ejecutar el
monitoreo en tiempo real debido al sistema operativo inherente, adems dedisminuir su portabilidad.
La mayora de las tcnicas utilizadas para la estimacin de parmetros
elctricos estn basadas en la Transformada Rpida de Fourier (Batista et al.,
2003), otro tipo de tcnicas como el mtodo de Welch (no paramtrica) y
autorregresiva (paramtrica) han sido utilizados como mtodos de estimacin
espectral para detectar transitorios en sistemas de potencia (Nassifet al., 2005).
De manera semejante, otros modelos autorregresivos como Yule-Walker, Burg ytcnicas como la trasformada Wavelet y periodogramas (Alkan e Yilmaz, 2007)
han sido aplicados para el estudio de inter-armnicos y la presencia de
oscilaciones en la tensin (Soliman y Hawary, 2000), la transformada Wavelet
tambin ha sido empleada para la clasificacin de las perturbaciones de tensin
(Matzet al., 2007; Serkanet al., 2009). Estos mtodos han sido comparados en
trminos de su resolucin en frecuencia y los efectos en la determinacin de los
componentes espectrales.
Existen trabajos sobre la medicin de ciertos parmetros relacionados con
la calidad de la energa los cuales han estudiado de manera especfica a
mquinas elctricas como motores, trasformadores, generadores, etc. y no como
a un sistema que incorpore el uso en conjunto de varios elementos. Tal es el caso
del estudio de los efectos de perturbaciones en la lnea de alimentacin de
motores como variacin en la frecuencia y la distorsin de la forma de onda de la
tensin (Wakileh, 2003). Tambin se han realizados estudios con cargas variables
en motores (Yenet al., 2001), presentando resultados del comportamiento del par
en motores ante la presencia de armnicos en la lnea. Respecto a
transformadores, se han realizados estudios del tiempo de restablecimiento de la
lnea en los transitorios de voltaje (Warunaet al.,2008), problemas de saturacin
del ncleo debida a sobrevoltajes y corriente de Inrush (Bogarra et al., 2009;
Amitavaet al.,2009). Por otro lado, se han realizado estudios de los efectos de
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los armnicos en equipos (Ching et al., 1998) como variadores de velocidad,
condensadores, disyuntores, fusibles, conductores, equipos electrnicos,
iluminacin, medicin, rels de proteccin, mquinas rotativas y transformadores.
En la industria se han llevado a cabo estudios de la calidad de la energa,por ejemplo Koyiit et al. (2009) describen el efecto de la calidad de la energa
elctrica en la industria textil, realizando mediciones durante varios meses en dos
diferentes sectores y comprobando que una mala calidad de la energa puede
daar el sistema y da lugar a errores en la produccin debido a que las industrias
textiles cuentan con mquinas de alta tecnologa incluyendo tarjetas de control
electrnico y controladores de motores. Manzak y Chaitali (2000) proponen
algoritmos de planificacin que reducen al mnimo la energa en los tiempos de
trabajo de la maquinaria, de tal manera que la energa o potencia pico es mnima.Griffo et al. (2007) plantean una estrategia ptima para el control de los
compensadores activos con el objetivo de mejorar la calidad de la energa en las
empresas. Estos trabajos muestran un anlisis de la calidad de la energa
elctrica en toda una empresa o parte de ella, sin un enfoque preciso que permita
atacar esta problemtica a nivel particular para cada una de las mquinas
instaladas en la industria. Diversos trabajos enfocados a PQ en diferentes
industrias determinan que las variaciones de bajo voltaje son los disturbios
elctricos ms comunes y la principal causa de problemas relacionados con el
mal funcionamiento, daos o decrementos en la vida til de los equipos as como
interrupciones en los procesos de produccin (Bendre et al.,2006).
En relacin a diferentes causas que afectan la operacin del maquinado,
Davimet al. (2008) presentan la influencia de los parmetros de maquinado en la
calidad de la rugosidad de la superficie tales como velocidad de corte,
profundidad y esfuerzos de corte. Liang et al. (2003) realizan la optimizacin de
estos parmetros para mejorar la calidad en la rugosidad de la superficie por
medio de redes neuronales (NN). Rinconet al. (1994) muestran los efectos de las
vibraciones en el torque y las fuerzas de torque en el maquinado. Adems,
Santiago et al. (2010) proponen el diseo de un controlador para las trayectorias
empleadas por los ejes durante el maquinado para mejorar el acabado superficial.
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2.2. Tornos de tipo control numrico por computadora CNC
El torno CNC es un equipo de trabajo que permite manufacturar piezas de
distintos materiales como el acero, el hierro y el bronce, entre otros. La diferencia
con un torno convencional radica en que la mquina de control numrico tieneuna gran capacidad para producir piezas en serie con alta precisin, debido
principalmente a que todos los valores de maquinado estn guiados por el control
o computadora que lleva incorporado, cuya funcin especfica es procesar las
rdenes contenidas en un software que previamente han sido programadas para
realizar las funciones requeridas.
2.3. Tipos de tornos CNC
Existen varios tipos de tornos de acuerdo a su diseo y caractersticas, por
ejemplo:
Tornos verticales.Equipo diseado para maquinar piezas de gran tamao que
se sujetan al plato de garras u otros operadores y que por sus dimensiones o
peso, son difciles de fijar en un torno horizontal. Los tornos verticales tienen un
eje dispuesto verticalmente y un plato sobre un plano horizontal, lo que facilita el
montaje de piezas grandes y pesadas. Actualmente, la mayora de este tipo de
torno de es de tipo CNC.
Fig. 4. Torno vertical CNC
Tornos de banca plana.Pertenecen a la familia de los tornos horizontales, son
equipos diseados para producir piezas nicas o lotes de produccin pequeos,
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la bancada de este tipo de mquinas es plana y aunque permite el maquinado de
piezas grandes, el avance de los carros es mucho menor que el de la bancada
inclinada. La gran mayora de los tornos de taller tienen componentes manuales,
tales como el husillo y la torreta.
Fig. 5. Torno de bancada plana
Tornos de bancada inclinada. A diferencia de los anteriores, los tornos de
bancada inclinada se caracterizan porque producen grandes lotes de produccin,
dado que cada una de las partes de este tipo de mquina funciona
automticamente, la torreta de herramientas, por ejemplo, es automtica y en ella
se pueden ubicar de 8 a 12 herramientas que giran de acuerdo al proceso que se
est realizando. Por ser stas mquinas de banca inclinada, permiten ms
espacio en la manufactura de piezas que las de bancada plana.
Fig. 6. Torno de bancada inclinada
Torno de cabezal mvil o suizo.Se emplean para el maquinado de piezas con
dimetros pequeos, generalmente piezas de relojera y piezas para implantes
dentales o quirrgicos en titanio o en acero inoxidable. Una de las caractersticas
principales de ste tipo de mquina es que el desplazamiento longitudinal del
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desde donde se programa todo el proceso. A continuacin se describen de
manera detalladas las partes principales que componen al torno CNC.
Husillo.Es el que produce el movimiento giratorio de las piezas; por lo regular,
los tornos CNC disponen de un motor de corriente alterna que acta directamentesobre ste, a travs de una transmisin por poleas. Estos motores cuentan con un
inversor o variador de frecuencia proporcionando velocidades variables que van
desde cero hasta un valor mximo, las cuales se guardan en el programa de
ejecucin de cada pieza. A diferencia de los tornos CNC, los convencionales
utilizan, en vez de un motor, una caja de engranajes para hacer girar el husillo, se
trata de una combinacin de palancas, en las que el operario indica las
velocidades segn una tabla ya estipulada por la industria. Este sistema demanda
mayores tiempos de produccin.
Bancada. Tanto en los tornos convencionales como en los de control numrico, la
estructura de la bancada determina las dimensiones mximas con que se pueden
trabajar las piezas; en los tornos CNC fueron diseadas especialmente para
desplazamientos rpidos conservando por largos periodos de tiempo precisin en
los movimientos.
Carros desplazables. Cada carro integra un motor independiente llamado
servomotor, es decir, motores controlados con mecanismos electrnicos que
funcionan principalmente por una fuente elctrica. Estos motores emplean a su
vez un modulo de control y una etapa de potencia o servoamplificador. Se
caracterizan porque tienen movimientos o desplazamientos tan pequeos como la
micra (milsima de milmetro).
La torreta de herramienta. Las herramientas que realizan las operaciones de
mecanizado estn sujetas a una torreta de herramientas, en la cual se alojan
desde seis hasta veinte instrumentos diferentes de corte de acuerdo al trabajo de
manufactura que se ha programado previamente. Este elemento tambin
conocido como revolver, lleva incorporado un motor que lo hace girar y un sistema
hidrulico encargado de realizar su estacionamiento con una precisin que oscila
entre 0.5 milmetros y 1 micra de milmetro.
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Unidad de control de proceso.Todas las mquinas de control numrico, llevan
integrando una unidad central de procesamiento (CPU); el cual es el componente
encargado de interpretar y ejecutar un conjunto de datos insertados en una
secuencia estructurada o especfica de rdenes que constituyen el programa demecanizado. La funcin principal del CPU en un torno consiste en desarrollar las
rdenes de mando y control, de acuerdo con el programa de mecanizado que el
operario haya establecido, por ejemplo, calcular la posicin y el cambio de las
herramientas en todo el proceso de trabajo, pero tambin controlar otros factores
de maquinado como las revoluciones del husillo o copa que sujeta la pieza, los
avances y la velocidad de desplazamiento de los carros (Cruz, 2004).
Ventajas y desventajas del torno CNC
Las principales ventajas y desventajas del uso de tornos del tipo CNC se
presentan en la tabla 2 (Cruz, 2004).
Tabla 0. Ventajas y desventajas del uso del torno CNC
Ventajas Desventajas
Mayor precisin en el mecanizado de
las piezas que en los tornos
convencionales.
Necesidad de realizar un programa de
mecanizado de la primera pieza.
Permiten mecanizar piezas ms
complejas que las que se maquinan
en los tornos convencionales.
Costo elevado de las herramientas y
accesorios.
Menores tiempo de produccin.La inversin por puesta de trabajo es
elevada.
Reduccin de los errores en los
operarios.
La planificacin del trabajo debe ser
ms detallada y rigurosa.
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2.5. Calidad de la energa elctrica
La calidad de la energa (PQ) cubre diversos aspectos relacionados con
la forma de onda de voltajes y corrientes, las cuales tienen una relacin directa
con las cargas alimentadas. El trmino calidad de la energa elctrica se define
como la ausencia de disturbios que provoquen una deformacin de la onda
senoidal pura de tensin o corriente; los disturbios pueden ser: sobre-tensin,
baja tensin, interrupciones, deformacin producida por armnicas y variaciones
de la tensin que es suministrada al usuario y que pueden comprometer la
continuidad del servicio elctrico.
La principal fuente de anomalas en el suministro elctrico es debida a
seales armnicas producidas por cargas no lineales, las cuales son todas
aquellas cargas elctricas que no tienen una relacin lineal entre el voltaje y la
corriente. Las cargas no lineales ms comunes son:
Controles electrnicos de velocidad para motores de CD y CA.
UPSs y PCs.
Hornos de induccin.
Transformadores de ncleos saturados.
Alumbrado fluorescente y lmparas con balastros electrnicos.
Las corrientes armnicas generadas por cargas no lineales, estn
desfasadas noventa grados con respecto al voltaje que las produce, fluyendo una
potencia distorsionante de la fuente a la red elctrica y viceversa, que solo es
consumida como prdidas por efecto Joule que se transforman en calor, de forma
equivalente a la potencia reactiva fundamental relacionada al factor de potencia
de desplazamiento.
Algunos de los efectos nocivos producidos por el flujo de corrientes
armnicas son:
Calentamiento excesivo en transformadores, generadores, motores y
conductores elctricos, reduciendo su tiempo de uso.
Vibracin en motores y generadores.
Falla de bancos de capacitores automticos o generacin de resonancias.
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Problemas de funcionamiento en dispositivos electrnicos sensibles.
Interferencia en sistemas de telecomunicaciones.
Los efectos dependern de la proporcin que existe entre la carga no
lineal y la carga total del sistema, aunado a que se debe mantener la distorsin
dentro de los lmites establecidos por las normas.
2.6. Principal normativa referente a la CE
Entre las principales entidades de regulacin para el monitoreo de la PQ
se encuentran el estndar IEC 61000-4-30, la norma IEEE Std. 1159-1995 y la
norma europea EN-50160. Los estndares sobre monitoreo PQ proveen losmnimos requerimientos para establecer las condiciones necesarias en la
estimacin de la PQ de forma que los analizadores desarrollados por diferentes
empresas obtengan los mismos resultados, en esta seccin se presenta una
descripcin de cuada una de estas normativas as como una discusin sobre
algunos de los aspectos que no son cubiertos en las mismas.
Norma IEEE Std. 1159-2009IEEE Recommended Practice for Monitoring
Electric Power Quality.
La norma Norma IEEE Std. 1159-2009 fue desarrollada dentro de las
Sociedades IEEE y las Normas de Coordinacin de Comits de la Asociacin de
Normas del IEEE (IEEE-SA), a travs de un consenso aprobada por el American
National Standards Institute, el estndar 1159-2009 provee los pasos para el
monitoreo del sistema elctrico monofsicos y polifsicos de corriente alterna y la
gua para un apropiado entendimiento de los resultados obtenidos, adems
describe los diversos tipos de fenmenos electromagnticos que se presentan en
las redes elctricas (Transitorios, variaciones de corta duracin y larga duracin,
desequilibrio de la tensin, distorsin de la forma de onda, fluctuaciones de
tensin y variaciones de la frecuencia).
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Esta normativa no define la manera de obtencin de la magnitud y duracin
de los disturbios elctricos, as mismo para casos particulares que raramente se
presentan como disturbios en una sola fase no son cubiertos en esta norma. Por
otra parte, segn el estndar 1159-2009 cada anomala pertenece solo a un tipo
de disturbio lo que genera una problemtica ante la presencia de alguna anomalaen la red elctrica cuyas caractersticas al ser separadas en tiempo satisfaga dos
diferentes tipos de disturbios.
Los disturbios elctricos son anormalidades en el voltaje o la corriente, los
cuales presentan variaciones de magnitud o valores RMS respecto a su valor
nominal durante un intervalo de tiempo. Dependiendo de los umbrales de estas
caractersticas son categorizados en los estndares IEEE 1159-199 como
variaciones de corta o larga duracin las cuales son mostradas en las tablas 3.
Tabla 3. Variaciones en la fuente de voltaje de acuerdo a IEEE Std. 1159-1999.
Categora Duracin
Magnitud
de voltaje
(p.u.)
Variaciones
de corta
duracin
Instantneo
Sag0.5 a 30
ciclos0.1 a 0.9
Swell0.5 a 30
ciclos1.1 a 1.8
Momentneo
interrupcin 0.5 a 3 sec. < 0.1
Sag30 ciclos a
3s0.1 a 0.9
Swell30 ciclos a 3
s1.1 a 1.4
Temporal
Interrupcin 3 s a 1 min. 1 min. 0
Bajo voltaje > 1 min. 0.8 a 0.9
Sobre voltaje > 1 min. 1.1 a 1.2
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Standard IEC 61000-4-30 Testing and measurement techniques.
El IEC (International Electrotechnical Commission) a travs del StandardIEC 61000-4-30 establece los procedimientos para los instrumentos de medicin
de parmetros elctricos de manera confiable. Este estndar estable dos clases
de requerimientos de medida, la clase A es el requerimiento de medida de ms
exigencia proporcionando una mayor precisin mientras la clase B es la de menor
exigencia. Este estndar abarca una variedad de fenmenos elctricos tales como
frecuencia de alimentacin, magnitud de la tensin de alimentacin, flicker,
armnicos e interarmnicos, fluctuaciones de tensin (Huecos y sobretensiones),
interrupciones, desequilibrios en la tensin de alimentacin, transmisin deseales a travs de la alimentacin y cambios rpidos de tensin. Sin embargo,
bajo determinadas circunstancias los periodos de tiempo establecidos en este
estndar para el monitoreo de algunos eventos hace difcil comprobar su
medicin, ya que las estimaciones de los resultados obtenidos para diferentes
periodos de tiempo varan. Por otra parte no especfica la tasa de muestreo que
se debe utilizar para la medicin, lo cual en caso de no ser suficiente repercute en
determinar la existencia de algunos fenmenos.
Norma europea EN-50160Voltage characteristics of electricity supplied by
public distribution systems
Este estndar define y describe los valores que caracterizan la tensin de
alimentacin suministrada al cliente en servicios de distribucin publica de baja
(Hasta 1KV) y media tensin (Desde 1 KV hasta 35 KV), tales como: frecuencia,
amplitud de la tensin, variaciones de la tensin, variaciones rpidas de la tensin
(amplitud y severidad del parpadeo), huecos de tensin, interrupciones breves y
las interrupciones largas del suministro, sobretensiones temporales y transitorias,
desequilibrio de la tensin suministrada, tensiones armnicas e interarmnicas y
transmisin de seales de informacin. Un problema con este estndar es que
solo cubre los requerimientos para la medicin de los voltajes, adems de no ser
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suficientes los lineamientos establecidos para identificar la responsabilidad de
problemas por parte del cliente o del proveedor de servicios presentes en la red
elctrica como huecos de tensin. Por otra parte en conexiones tipo Delta las
mediciones son tpicamente limitadas a voltajes line-to-line, lo cual esconde la
presencia algunos fenmenos ocasionando que no se han tomados en cuentapara su anlisis.
La tabla 4 muestra las variaciones de la fuente de voltaje de acuerdo a EN-50160.
Tabla 4. Variaciones en la fuente de voltaje de acuerdo a EN-50160 [61][7]
Variaciones en la fuente de
voltaje
Magnitud Duracin
Cambios rapidos de voltaje% 90 10 ms varios
ciclos
(recuperacion)
Dips 90% < 1 % 10 ms < 60 s
Interrupciones
en la fuente
de voltaje
Cortas < 1 %< 3 min
Largas < 1 %> 3 min
Sobrevoltajes temporales > 110 %Varios ciclos -
das
Sobrevoltajes transitorios > 110 % 1-100 s
2.7. Disturbios elctricos
Los diferentes tipos de perturbaciones o fenmenos electromagnticos que
pueden ocurrir en un sistema elctrico de potencia y que se consideran en el
estudio de la calidad de la energa estn basados en la norma IEEE Std. 1159-
1995 (IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality).
Bsicamente la clasificacin de los fenmenos electromagnticos se da en siete
categoras segn sean las caractersticas de su espectro armnico, su duracin y
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su amplitud. Se tienen entonces fenmenos transitorios, variaciones de corta
duracin, variaciones de larga duracin, desbalances de tensin, distorsin de la
forma de onda, fluctuaciones de la tensin y variaciones de la frecuencia. A
continuacin se describe a detalle cada uno de ellos.
Transitorios electromagnticos.
Son variaciones en la tensin y/o en la corriente y que tienen como
duracin mxima unas cuantas decenas de milisegundos. Los fenmenos
transitorios son clasificados en dos tipos, de acuerdo a la caracterstica de la
forma de onda transitoria.
Transitorio Impulsivo Transitorio Oscilante
El transitorio impulsivo (Ver Fig. 9) es tpicamente ocasionado por
descargas atmosfricas. Se caracteriza por ser un fenmeno de muy corta
duracin (desde nanosegundos hasta algunos milisegundos)
Fig. 9. Transitorio impulsivo
Los transitorios oscilantes, de acuerdo a su contenido espectral se
clasifican en alta, media o baja frecuencia (Ver Fig. 10). Los transitorios oscilantesde alta frecuencia contienen componentes de frecuencia mayor a 500kHz y su
duracin es de algunos microsegundos. En su mayora son debidos a algn tipo
de switcheo. Estos fenmenos son encontrados tpicamente en las redes de sub-
trasmisin y distribucin y se deben entre otras cosas a la energizacin de bancos
de capacitores, transformadores o a ferro-resonancia.
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Fig. 10. Transitorios oscilantes
Variaciones de corta duracin.
Son eventos de la red elctrica con variaciones en la tensin de duracionesdesde medio ciclo hasta un minuto y en donde la magnitud puede estar en el
rango de un 10% a 120 % de su valor nominal.
De acuerdo a su duracin, estas variaciones se clasifican en:
Instantnea (0,5 a 30 ciclos)
Momentnea (de 30 ciclos a 3 segundos)
Temporal (de 3 segundos a 1 minuto)
De acuerdo al tipo de variacin de la tensin, se tienen tres categoras:
Interrupciones
Sags, Dips o Huecos de Tensin
Swells
Las interrupciones se presentan como descensos en la tensin menores a
un 10% del valor nominal durante un perodo que no excede al minuto (Ver Fig.
11). A estas perturbaciones se les conoce tambin como micro cortes. Pueden serocasionados por fallas en la red elctrica, fallas en los equipos o mal
funcionamiento de algn control.
Los sags (o dips o huecos de tensin) son descensos de la tensin a
valores del 90% al 10% del valor nominal de la onda durante un perodo de
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tiempo que no excede al minuto (Ver Fig. 11). Estos son usualmente asociados
con cortocircuitos en la red, la energizacin de grandes cargas, el arranque de
grandes motores o la conmutacin de condensadores.
Los swells son definidos por un incremento en la tensin con una duracindesde medio ciclo hasta un minuto (Ver Fig. 11). Son sobretensiones
momentneas cuyos valores tpicamente estn entre 110 y 180 % de su valor.
Son debidas a fallas en la red, maniobras o switcheos de grandes cargas.
Interrupcin Sag Swell
Fig.11. Variaciones de corta duracin en la red elctrica.
Variaciones de larga duracin
Son eventos de la red elctrica con variaciones en la tensin de duraciones
mayores a un minuto. Generalmente son debidas a variaciones en la carga o por
maniobras de reconexin en el sistema. En esta categora hay tres tipos de
fenmenos:
Sobretensiones
Subtensiones
Interrupciones
Las sobretensiones consisten en incrementos de la tensin mayores al
110% de su valor nominal. Suelen presentarse debido a la desconexin de
grandes cargas o bien fallas en la regulacin de la tensin.
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Las subtensiones son cadas de la tensin ms all del 90% de su valor
nominal. Suelen aparecer en la conexin de grandes cargas y se mantienen hasta
que el sistema de regulacin de tensin lleva la tensin a su nivel de referencia.
Desbalance de la tensin
En esta categora aparecen los fenmenos ligados a la aparicin de
componentes de secuencia negativa y cero. El desbalance de tensin es definido
como la relacin de las componentes de secuencia negativa o la componente de
secuencia negativa con respecto a la secuencia positiva. Generalmente cuando
se registran tensiones de secuencia negativa y cero son ocasionados por cargas
desbalanceadas en la red elctrica.
Distorsin de la forma de onda
Se puede definir como la desviacin en estado estable de la forma de onda
senoidal ideal y que se puede caracterizar por su contenido espectral. Se
consideran cinco tipos de distorsin de onda:
Componente de DC (DC Offset)
Armnicas
Interarmnicas
Notching
Ruido de alta frecuencia (Noise).
La presencia de una componente continua en un sistema de corriente
alterna se le conoce como componente de DC. Puede ser originada por
perturbaciones magnticas o al efecto de rectificacin de media onda. Esta
componente puede ocasionar efectos adversos en ncleos de transformadores
que pueden ser saturados en condiciones operativamente normales.
Los armnicos son tensiones o corrientes senoidales cuya frecuencia es
mltiplo entero de la frecuencia fundamental del sistema elctrico (Ver Fig. 12).
Estas distorsiones son causadas por las caractersticas de operacin no lineales
de algunas cargas elctricas tales como rectificadores y hornos de arco elctrico.
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Otros equipos que producen esta distorsin armnica son los balastros de estado
slido de los circuitos de alumbrado, los variadores de velocidad, los
rectificadores, etc. (Duran et al., 2002).
Fig.12. Seal contaminada con un tercer armnico
La repercusin de los armnicos presentes en la lnea elctrica generan
problemas tales como:
Fallas en sistemas electrnicos de control.
Calentamiento de motores, transformadores, bancos de capacitores, y
cableado en general, disminuyendo su vida til y provocando que
eventualmente fallen, ocasionando prdidas econmicas mayores debido
al paro en la lnea de produccin durante su reparacin, as como el costo
del equipo daado.
Respuesta errnea de sistemas de proteccin. Sobrecarga de conductores neutro en sistemas trifsicos.
Mediciones incorrectas de medidores Watts-Hora calibrados para ondas
senoidales puras.
Vibraciones mecnicas.
Mala compensacin de sistemas correctores de factor de potencia.
Interferencia telefnica.
Resonancia en serie y en paralelo.
Los interarmnicos son componentes de la tensin o de la corriente, cuya
frecuencia no es un mltiplo entero de la frecuencia fundamental del sistema. Las
principales fuentes de esta perturbacin son los convertidores estticos de
frecuencia, los cicloconvertidores, los hornos de induccin y de arco elctrico.
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Variaciones de la frecuencia
Las variaciones de frecuencia en el sistema elctrico estn relacionadas
con la velocidad rotacional de los generadores del sistema elctrico. La frecuenciaes un parmetro que depende del balance entre la produccin de energa y su
consumo. Cuando se producen desequilibrios repentinos entre el balance de
generacin y carga se producen cambios en la frecuencia del sistema.
2.8. Tcnicas de anlisis para la CE
Para el anlisis de las seales de voltaje y corriente es necesario conocer
primeramente las componentes que integran a las seales, esto sus componentes
armnicas. Para ello existen diversas herramientas que permiten transformar deldominio del tiempo al dominio de la frecuencia. As mismo, esta trasformacin de
espacios puede ser llevada a cabo dominios simultneos entre el tiempo y la
frecuencia, con lo que se obtiene informacin de las componentes frecuenciales
de la seal en el momento en que estas se presentan. A continuacin se
muestran las principales tcnicas de anlisis en el rea de la CE:
2.8.1. Transformada rpida de Fourier.
La forma ms comn para conocer las componentes armnicas en una
seal es mediante el uso de la transformada de Fourier. La transformada discreta
de Fourier (DFT, de sus siglas en ingls Discrete Fourier Transform) descrita en la
ecuacin (1) es optimizada aprovechando su periodicidad, lo que se conoce como
la Transformada Rpida de Fourier (FFT, de sus siglas en ingls Fast Fourier
Transform). La FFT debe su xito al hecho que el algoritmo reduce el nmero de
multiplicaciones y adiciones requeridas en el clculo respecto a la DFT.
[ ] [ ] 1,...,1,0,21
0
==
= NkenxkX
nkN
jN
n
( 1 )
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estocstico (estacionario) dada la naturaleza estocstica del mismo no es posible
determinar con absoluta precisin su densidad espectral de potencia a no ser que
dispongamos de un registro infinito de la seal.
Las tcnicas de estimacin se dividen en dos grupos:
No Paramtricas.Estn basadas siempre de una u otra forma en el clculo del
periodograma. Algunos ejemplos de tcnicas no paramtrica es calcular la
transformada de Fourier de una seal para estimar su espectro, suavizado
utilizando una ventana espectral, mtodo de Welch, etc.
Paramtricas. Consisten en suponer un determinado modelo para el proceso
estocstico (mtodo de Burg, mtodo de la covarianza modificado, MUSIC, Yule-
walker, modelos AR, MA, ARMA, la transformada Chirp Z, etc.) y en la estimacinde los parmetros de estos modelos mediante tcnicas de prediccin lineal
(filtrado lineal ptimo) u otros mtodos.
Transformada S (ST).
La ST es una wavelet compleja basada en componentes senoidales y en una
ventana de anlisis gaussiana de ancho variable y multiplicada por un factor de
fase, donde la funcin de la desviacin estndar vara inversamente con la
frecuencia. Tambin puede ser vista como una correccin de fase de la
transformada wavelet o como una ventana de tiempo variable de la transformada
de Fourier que simultneamente localiza los espectros reales e imaginarios de la
seal, esto corresponde a la ecuacin (6).
dtetgtxfS ftj 2)()(),,(
= (6)
Donde la funcin g(t) se describe en la ecuacin (7)
=2
2
2
2
1)(
t
etg (7)
La desviacin estndar () es una funcin inversa de la frecuencia como se
muestra en (8) [88]
|
1)(
fTf == (8)
Esta funcin por otra parte se presenta con algunas modificaciones con el fin de
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tener ms versatilidad en la seleccin de la funcin ventana, tal es el caso de
presentando la siguiente modificacin:
fba
baf
+
+=
22)( (9)
Donde a y b son constantes positivas las cuales controlan las oscilaciones de la
ventana.
2.8.6. Comparativa de los mtodos
A continuacin se presenta una comparativa de los diversos mtodos presentados
anteriormente.
Tabla 5.Comparativa de los principales mtodos de anlisis de seales
METODO VENTAJAS DESVENTAJAS
STFT
Brinda un buen panorama
general cuando existen
notorios cambios en el
tiempo de las componentes
en frecuencia de la seal,
por su naturaleza respecto a
la FFT es altamente usada
debido a la sencillez en su
implementacin
Dependiendo del ancho de
ventana seleccionada se
encuentra limitada su
resolucin temporal y
frecuencial al no tener un
control sobre las
propiedades dinmicas de
la seal.
Sufre de chorreos y
componentes espurias en el
resultado
WaveletBuena resolucin
frecuencial y temporal
La obtencin de
componentes de altas
frecuencias en regiones decortas requiere de altos
recursos computacionales.
Este proceso est muy
influido por el ruido
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superpuesto a la seal y la
naturaleza iterativa de los
algoritmos basados en la
transformada wavelet que
requieren diferentesfrecuencias de muestreo de
sub-bandas de frecuencia
diferentes.
Errores al inicio y final de
los niveles de
descomposicin de la seal
Banco de
filtros
Baja complejidad
computacional [25].
La precisin en losresultados depende del
diseo del filtro, en donde
cada filtro equivale a un
rango de frecuencias
especifico, por lo diversos
rangos requieren de varios
filtros.
Transformada
S
La correccin de fase
asegura que la amplitud de
los picos son regiones de
fase estacionaria.
La fase del espectro es
referida al origen del eje del
tiempo o referida a un punto
Las componentes real e
imaginaria del espectro
pueden ser localizadas en
tiempo.
Grandes chorreos, lo cual
en ocasiones genera altos
niveles de traslapes entre
las frecuencias.
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Mtodos
Paramtricos
Una excelente resolucin en
tiempo y frecuencia
Uso de grandes recursos
computacionales y tiempo
de procesamiento
2.9. Indicadores de la CE
Para determinar el impacto de la CE se emplean los ndices de la calidad de la
energa (ICE). Las definiciones matemticas para calcular ICE se muestran en la
presente seccin, en la cual se parte de las seales de voltaje y corriente
descritas a continuacin (Lara et al, 2008 ).
=
+=N
n
non tnfVtV1
)2sin()( (10)
=
+=N
n
non tnfItI1
)2sin()( (11)
donde Vne Inson los valores pico de los armnicos de voltaje y corriente, N es el
nmero mximo de armnicos que sern analizados, fo es la frecuencia
fundamental de la lnea elctrica, ny nson la fase del n-simo armnico.
ndices en el Dominio del Tiempo. Los ndices de la calidad de la energa:
Vpico, Ipico, y Spico se obtienen en el dominio de tiempo como los valores
mximos presentes en el intervalo analizado.
))(max( tVVpico = (12)
))(max( tIIpico = (13)
[ ])()(max tItVSpico = (14)
ndices en el Dominio de la Frecuencia. Los siguientes ndices se obtienen
en el dominio de la frecuencia. Una vez aplicada la transformada rpida de
Fourier de las seales de voltajes y corrientes, se obtienen la magnitud y fase de
las componentes en frecuencia.
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Referida a la fundamental:
1001
2
2
1
===
V
V
V
VHCTHDV
N
n
n
fund , 100
1
2
2
1
===
I
I
I
IHCTHDI
N
n
n
fund (18)
Donde V1e I1son las magnitudes de las componentes fundamentales de voltaje y
corriente respectivamente.
Referida al valor rms total:
1002
2
=
=
Vrms
V
THDV
N
n
n
rms , 1002
2
=
=
Irms
I
THDI
N
n
n
rms
(19)
Factor de potencia de distorsin: El factor de potencia de distorsin describe
como la distorsin armnica de la corriente disminuye la potencia promedio
transferida a la carga.
Irms
IDPF 1= (20)
El tringulo de potencias para sistemas no senoidales de la figura 17 expresa que
la potencia aparente o total S [VA] est conformada por las componentes de
potencia de distorsin D[VAd] y la potencia resultante en el plano horizontal entre
la potencia real P[Watts] y la potencia reactiva Q[VAr].
Fig.17. Tringulo de potencias para sistemas no senoidales
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Potencia aparente: Es la potencia total consumida por el circuito igual al
producto del voltaje y corriente rms.
IrmsVrmsS = (21)
Potencia real:Es la potencia consumida por carga resistiva. Se define como:
=
=N
n
nnVnInP1
)cos(2
1 (22)
Potencia reactiva: Es la potencia almacenada en forma de campo elctrico y
magntico en cargas inductivas y capacitivas. Esta potencia representa un
consumo de energa pero no generan trabajo til.
=
=N
n
nnVnInQ1
)sin(2
1 (23)
Potencia de distorsin:Se define conforme la siguiente frmula:
222PQSD = (24)
Factor de potencia: Expresa el defasamiento entre las componentes
fundamentales de voltaje y corriente, tomando en cuenta su signo.
[Adelanto/Atraso en fase] .Se define como:
)cos( 11 =FP (25)
Donde 1es la fase de la componente fundamental de voltajey1de la corriente
(Lara et al, 2008 ).
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CAPTULO IIIMetodologa
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La instrumentacin de los sensores de corriente es conformada por una
etapa de ganancia con seleccin y un filtro antialiasing. De manera similar las
seales de voltaje son filtradas por medio de un filtro antialising. Los filtros
antialiasing son filtros butterworth de segundo orden con una frecuencia de corte
de 3 KHz. La figura 22 muestra una fotografa de la tarjeta diseada para elacondicionamiento de las seales de voltajes y corrientes.
Sensores de
corriente
Divisor de
voltaje
DB9 a DAS
Fig. 22. Tarjeta para la etapa de acondicionamiento de seales.
3.2.2. Adquisicin de seales
La etapa de conversin digital analgica puede utilizar un convertidor
analgico digital ADS7886 con una resolucin de 12 bits o puede ser
reemplazado por un ADS8341 de 16 bits. Este sistema es diseado para obtener
una tasa mxima de muestreo de 6000 muestra/s y cuenta con 20 MHz de
transmisin serial para su procesamiento en una PC. El sistema de adquisicin de
datos (ADS) recibe una seal que determina la frecuencia de muestreo deseada,
esta seal es proveniente de un controlador embebido en el FPGA.
Posteriormente las seales digitales son multiplexadas y pueden ser almacenadas
en memorias externas localizadas en la tarjeta que contiene el FPGA.
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La metodologa propuesta consiste como primer paso en obtener la transformada
S (ST) ya que es un algoritmo eficiente para la deteccin de disturbios elctricos
como sags y swells, y permite conocer el momento de la presencia de alguna
anomala en la seal de voltaje. En seguida se realiza un filtrado y normalizado de
las seales con el objeto de uniformizar el criterio de deteccin de los disturbiosentre las diferentes pruebas. La normalizacin corresponde a la diferencia entre la
media de un intervalo de la seal en condiciones normales y la seal.
Posteriormente, la seal es analizada en dos intervalos a partir del momento de la
deteccin del disturbio, estos son el intervalo previo al disturbio y durante la
presencia del disturbio. La transformada rpida de Fourier (FFT) es aplicada a
ambas secciones a partir de las cuales se evalan los PQI: RMS, THD y el
porcentaje de desbalance. Por ltimo, los resultados obtenidos son comparados
para conocer el impacto de las mquinas sobre las operaciones del torno. Lafigura 26 muestra la metodologa empleada para este caso de estudio.
Fig. 26. Metodologa para el caso de estudio 2.
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decrementos en la vida til de los equipos as como interrupciones en los
procesos de produccin
Generador de sags
Para la realizacin de este caso de estudio, fue necesario el diseo de un
generador de sags, el cual permite establecer el porcentaje en la magnitud del
disturbio y el tiempo de duracin del mismo. Para ello se utilizaron 3
autotransformadores, un transformador trifsico y 6 interruptores de estado slido
SSR (State Solid Relay, de sus siglas en ingls). En donde estos ltimos
establecen las condiciones de voltaje a la salida del generador de sags, esto es si
el voltaje es nominal o de menor magnitud, as como el tiempo de duracin del
disturbio. Para ello, la seal de activacin del disturbio es sincronizada con elsistema de monitoreo de CE para la realizacin de las pruebas. La figura 28
muestra el diagrama correspondiente a una de las fases del generador sags.
Fig. 28. Diagrama del generador de sags de voltaje de una fase.
La metodologa utilizada para este caso de estudio es mostrada en la figura
29. La figura 29.a muestra el generador de sags, as como el sistema de
adquisicin de datos y la PC. La figura 29.b muestra el torno utilizado para la
experimentacin. Posteriormente, en la figura 29.c se presentan las variables a
reportar monitoreadas durante el disturbio elctrico.
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Fig. 29. Metodologa para el caso de estudio 3.
Por ultimo las seales son analizadas y se realizan las mediciones de
rugosidad a lo largo de las piezas. La figura 30 muestra el equipo utilizado para lamedicin de la rugosidad en las piezas maquinadas.
Fig 30. Medicin de la rugosidad
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Las pruebas realizadas para este caso de estudio fueron realizadas con
diferentes magnitudes de porcentajes de sag. Cubriendo los siguientes casos:
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