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• Alberto Vizcarra

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Universidad Distrital Francisco Jose de Caldas., Cuervo John. Mayo 2011

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Diseño e implementacion de un modulo didáctico de instrumentacion para desarrollar practicas de control en velocidad y posicionamiento Cuervo Lopéz John Fernan. [email protected], Universidad Distrital Francisco Jose de Caldas

Resumen—En este artículo se presenta el diseño e implementación de un sistema para el control de posición y velocidad en un motor AC basado en instrumentación real. Se describen los equipos utilizados que se encargan de la generación de la trayectoria de arranque, la lectura de la señal del encoder, el controlador y el generador de la señal de control de velocidad.

I. INTRODUCCIÓN La maquinaria industrial generalmente es accionada a través de motores eléctricos, a velocidades constantes o variables, pero con valores precisos. No obstante, los motores eléctricos generalmente operan a velocidad constante o cuasi-constante, y con valores que dependen de la alimentación y de las características propias del motor, los cuales no se pueden modificar fácilmente. Para lograr regular la velocidad de los motores, se emplea un controlador especial que recibe el nombre de variador de velocidad. Los variadores de velocidad se emplean en una amplia gama de aplicaciones industriales, como en ventiladores y equipo de aire acondicionado, equipo de bombeo, bandas y transportadores industriales, elevadores, llenadoras, tornos y fresadoras, etc. El grupo de investigación de ORCA requiere la construcción de una planta con elementos industriales, donde se pueda realizar el control de velocidad y posición en un motor AC. El módulo didáctico contará con un PLC, un variador de velocidad, un motor y los sensores necesarios para el correcto funcionamiento. Se realizará la programación correspondiente para el desarrollo del modelo didáctico

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II.

PROCEDIMIENTO PARA LA SUMISIÓN DEL DOCUMENTO

Tenemos un requerimiento donde el motor como ejemplo debe girar cada 90 °, como se muestra en la figura 1 y 2

Figura 1. Posición inicial

Figura 2. Movimiento de 90 °

Ademas de esto debe tener hacerlo con la velocidad especificada por el usuario en el ingreso de la información a la aplicación de control del mismo. De lo anterior se tienen las siguientes exigencias son planteadas a la colocación: · una precisión de colocación con dos etapas de la velocidad es suficiente · Configuración de la planta en modo manual vía control local · Supervisión de colocación y parada en caso de un fracaso · La Parada (rápida) cambia para todos los movimientos

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A. Control de Velocidad CONTROL POR VARIACIÓN DE VOLTAJE

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Por otro lado, una disminución de la frecuencia no hace aumentar mucho el torque, luego que Intensidad del motor aumenta demasiado y entra en la región de saturación.

La figura 3 muestra como resultado la característica torque vs velocidad de un motor de inducción cuando la tensión aplicada a su armadura es variable, manteniendo la frecuencia constante .

Figura 4. Variación del torque con frecuencia variable

Figura 3. Variación del torque con tensión variable

De esta figura queda claro que cuando la tensión de alimentación disminuye, el torque también disminuye, lo cual no es aceptable si se desea controlar velocidad del motor. Se observa que tanto Intensidad del Motor como la velocidad , son directamente proporcionales a la tensión de alimentación. Como en este tipo de control el torque varía aproximadamente con el cuadrado de la tensión de armadura, para V Vnom puede ocurrir saturación del núcleo magnético.

El control de frecuencia de alimentación sólo tiene aplicación práctica, cuando se desea operar con el campo atenuado y encima de la velocidad base (nominal). CONTROL VARIACIÓN RESISTENCIA DEL ROTOR.

DE

LA

La figura 5 muestra la característica torque vs. velocidad de un motor de inducción, para varias resistencias de rotor.

En general el control de tensión de la alimentación no es recomendado para aplicaciones prácticas. CONTROL FRECUENCIA.

POR

VARIACIÓN

DE

La figura 4 muestra la característica torque vs. velocidad de un motor de inducción para varias frecuencias de alimentación y tensión constante. Figura 5 Torue Vs. Velocidad

El aumento en la frecuencia de alimentación, asumiendo tensión constante, hace que la corriente de magnetización IM disminuya en proporción inversa, haciendo disminuir el torque generado.

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Observe en esta figura que el valor máximo del torque se mantiene en el rango de r2n < r2 < r2c (r2n:resistencia nominal y r2c : resistencia crítica). En realidad r2 podría ser menor que r2n, sin

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embargo en este caso puede ocurrir sobre corriente excesiva para el arranque de la máquina. Por las características mostradas en la figura 5 se puede notar que este tipo de control puede tener aplicaciones prácticas. El problema es que para tener acceso al rotor y poder variar la resistencia r2 , es necesario que el mismo sea del tipo bobinado y existan anillos deslizantes lo cual lo hace de mayor tamaño, costoso y de mantenimiento excesivo. CONTROL DE CONSTANTE.

VELOCIDAD

TIPO

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Haciendo este tipo de control, las características torque vs. velocidad de un motor de inducción queda como se muestra en la figura 6. Con esto, por lo menos para el régimen permanente, el motor de inducción pasa a tener características de operación similar al de un motor DC.

V/F

De los tres métodos de control vistos, solamente el último es viable cuando se desea torque máximo en todo el rango de variación de velocidad. Sin embargo para motores con rotor del tipo jaula de ardilla este control no puede ser aplicado. Comparando la expresión del torque con la del motor DC notamos que IM corresponde a la corriente Ip (campo), mientras que I2 corresponde a la corriente de armadura Ia. Por otro lado, se tiene que:

o en el caso de los valores nominales

donde se tiene que:

Figura 6. Velocidad con frecuencia y tensión variables

B. Sistema Físico Un PLC S7-1200 es empleado como controlador del proceso de colocación del variador de frecuencia SINAMIC G110 por medio de salidas digitales. Esto es una variación controlada rápida. El motor usado es un motor asincrónico. La grabación de la posición real mediante un encoder permite distancias móviles variables así como la supervisión de parada. La planta es manejada con un computador con el interfaz de usuario WinCC flexible.

es una relación, cuyo valor debe ser igual al flujo magnético máximo en la máquina, multiplicado por una constante. Para tener el control del torque constante la tensión y la frecuencia deben ser variables, justo lo necesario para que flujo magnético sea controlado y mantenido a su valor máximo. Esto puede ser conseguido si la tensión y frecuencia varían de tal forma que:

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Figura 7. Montaje de la planta

Áreas de aplicación • mandos de Puerta • unidades de Comida • transporte Material

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• pasarela Publicitaria • tecnología de Transportador Ventajas • solución Barata para tareas de colocación simples • el comisionar Rápido y simple, como ningún control de colocación tiene que ser optimizado. • Robusto debido a gastos de configuración bajos • Se tiene un control sin modulos adicionales.

III. EVALUACION EXPERIMENTAL a. Experimento A: respuesta en lazo abierto Las pruebas para observar la respuesta del motor en lazo abierto se realizaron para valores de Ea entre 80 V y 200 V. En Fig. 8 se muestra la respuesta del sistema en lazo abierto para un valor de Ea de 94V. La línea continua muestra la respuesta de la simulación y la línea punteada corresponde a los valores experimentales medidos con el encoder.

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los datos experimentales. Los valores de Kp y Ki se escogieron experimentalmente de tal forma que la respuesta del sistema fuera estable.

Fig. 9 se muestra la simulación para la respuesta del sistema en lazo cerrado con Kp = 20, Ki = 4

Fig. 10 se muestran las señales de error

IV. CONCLUSIONES

Figura 8. Respuesta de velocidad en lazo abierto

Experimento B: respuesta en lazo cerrado En la parte superior de Fig. 9 se muestra la simulación para la respuesta del sistema en lazo cerrado con Kp = 20, Ki = 4 y una alimentación para circuito de potencia de 15 V. La línea sólida corresponde a la referencia y la línea punteada corresponde a la respuesta del motor. En la parte inferior de Fig. 9 se muestra la respuesta experimental del sistema en lazo cerrado para los mismos valores de Kp y Ki. En Fig. 10 se muestran las señales de error. La línea continua corresponde a los resultados de la simulación y la línea discontinua corresponde a Premio Colombiano de Informática ACIS 2009

♦ En este artículo presenta el diseño e implementación del control de posición y velocidad para un motor AC basado en equipos usados en la industria. ♦ El diseño es realizado con el uso de diagramas de bloques e implementado en el PLC. Debido a la modularidad del diseño y la independencia de una arquitectura específica ♦ es posible implementar diferentes topologías basadas en el esquema convencional PID. En este art´ıculo se realiza la descripción y se presentan los resultados del sistema con un controlador PI aplicado a un lazo de posición. ♦ La comparación entre los resultados de la simulación y los datos experimentales

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permiten validar el funcionamiento del sistema desarrollado tanto en lazo abierto como en lazo cerrado. La diferencia en el comportamiento de la señal de error para los resultados de la simulación y los resultados experimentales se relaciona principalmente con el modelado del motor. REFERENCIAS

[1] Control Example using Matlab [2] http://www.instrumentacionycontrol.net/es/cursovariadores-de-velocidad/198-metodos-de-control-develocidad-en-motores-ac.html [3] http://support.automation.siemens.com/WW/llisapi.dll?fun c=cslib.csinfo&lang=en&objid=24104802&caller=view

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