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UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DEL PERU

FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y MECATRÓNICA
       ESCUELA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA




      CONTROL AUTOMÁTICO DE
    TRANSFERENCIA DE ENERGÍA
                    ELÉCTRICA




   CARBAJAL GUTIÉRREZ, JOSÉ GUALBERTO


    ASESOR: ING. CHICANA ASPAJO, HENRY


     Tesis para optar el Título de Ingeniero Electrónico

                        Lima - Perú
                           2012
ii
A   mis   padres    por   su   apoyo
      incondicional, ya que ellos me dan la
      fuerza necesaria para salir adelante.




iii
AGRADECIMIENTOS

Para finalizar este proyecto se conto con la colaboración de los docentes, amigos de
estudio y compañeros de trabajo que aportaron con sus observaciones y comentarios los
cuales fueron de gran ayuda. Además un especial agradecimiento a la empresa PROINTEC
PERÚ por su colaboración al brindar las facilidades de compra del PLC y la orientación
para las pruebas de funcionamiento.




                                              iv
RESUMEN

El punto central en este proyecto de investigación está relacionado con la transferencia de
energía eléctrica, de la red eléctrica o la de un generador o grupo electrógeno según los
requerimientos de la carga. El primer capítulo abarca el planteamiento del problema junto
con los objetivos e hipótesis.

El segundo capítulo abarca una descripción general de cómo está compuesto un generador
eléctrico, se explica también su funcionamiento, además de las consideraciones de
selección y que tipos de cargas se debe tener en cuenta. No todos los generadores tienen la
misma potencia, es por ello que se describe como dimensionar un generador en base al
proyecto a implementar teniendo en cuenta la carga.

El tercer capítulo se investiga al controlador lógico programable, explicando su estructura
básica, además de los criterios para su elección. También se hace referencia a los criterios
técnicos fundamentales, secundarios y económicos. Este controlador es de los más
utilizados en la automatización, además de ser requerido por su amplia aplicación ha sido
un componente clave para el desarrollo de este proyecto, es por eso que se eligió al
controlador LOGO! de Siemens.

Y por último se analiza el funcionamiento de la lógica de control usando distintos
simuladores. Para su demostración se construyo un prototipo.




                                                 v
ABSTRACT

The focus in this research project is related to the transfer of electrical energy, from the
power lines, a generator or power unit as required by the load. The first chapter provides
the problem statement along with the objectives and hypotheses.


The second chapter provides an overview of what comprises an electric generator, is also
explained its operation, in addition to considerations of selection and types of loads that
must be taken into account. Not all generators have the same power, which is why it's
described how to size a generator based on the project to be implemented taking into
account the load.

The third chapter investigates the programmable logic controller, explaining its basic
structure, as well as the criteria for choice. Reference is also made to the basic technical
criteria, secondary and economical. This driver is the most widely used in automation, as
well as being required for its wide application has been a key component for the
development of this project, which is why the controller was selected LOGO! Siemens.

Finally we analyze the operation of the control logic using different simulators. For
demonstration prototype was built.




                                                 vi
INDICE GENERAL
CAPÍTULO                                                                                                            PÁGINA

DEDICATORIA.......................................................................................................... iii


AGRADECIMIENTOS .............................................................................................. iv

RESUMEN ................................................................................................................... v

ABSTRACT ................................................................................................................ vi

INDICE GENERAL ................................................................................................... vii

INDICE DE FIGURAS ................................................................................................ x

INTRODUCCIÓN ....................................................................................................... 1

I.      PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ........................................................... 2
        1.1 Determinación del problema ...................................................................... 2
        1.2 Formulación del problema ......................................................................... 2
        1.3 Objetivos de la investigación ..................................................................... 3
        1.4 Planteamiento de las hipótesis.................................................................... 3
        1.5 Justificación de la investigación ................................................................. 4

II.     GENERADORES ELÉCTRICOS ...................................................................... 6
        2.1     Devanados y campos en el generador ........................................................ 6
        2.2     Forma como trabajan los generadores ........................................................ 8
        2.3     Operación de un generador ........................................................................ 9
        2.4     Componentes de un generador de corriente alterna ................................. 11
        2.5     Consideraciones de selección de grupos electrógenos ............................. 13
                2.5.1. Tipos de carga ................................................................................ 14
                2.5.2. Contenido de armónicas ................................................................. 15
                2.5.3. Consideraciones del generador ...................................................... 17
        2.6 Dimensionamiento de un grupo electrógeno ............................................ 21
            2.6.1. Parámetros del proyecto ................................................................. 21
            2.6.2. Cargas ............................................................................................ 22

                                                                       vii
2.6.3. Otras cargas .................................................................................... 26

III.    CONTROLADORES LOGICOS PROGRAMABLES .................................... 28
        3.1 Estructura básica de un PLC .................................................................... 28
        3.2 Criterios para la selección de PLCs .......................................................... 30
            3.2.1. Criterios técnicos fundamentales ................................................... 30
            3.2.2. Criterios técnicos secundarios........................................................ 37
            3.2.3. Criterio económico ........................................................................ 37
        3.3 Áreas de aplicación .................................................................................. 38
        3.4 LOGO! 12/24 RC .................................................................................... 39
                3.4.1. LOGO!Soft Comfort V6.1 ............................................................. 41

IV.     DISEÑO, SIMULACION E IMPLEMENTACIÓN ........................................ 48
        4.1 Softwares de simulación........................................................................... 50
        4.2 Sistema de funcionamiento ...................................................................... 55
            4.2.1. Modo Automático .......................................................................... 57
            4.2.2. Modo Manual ................................................................................. 59
            4.2.3. Parámetros del temporizador ......................................................... 60
            4.2.4. Display ........................................................................................... 61
        4.3 Alimentación de la etapa de control ......................................................... 63
        4.4 Implementación del Prototipo .................................................................. 64

V.      RESULTADOS Y CONCLUSIONES ............................................................. 67
        5.1 Resultados ................................................................................................ 67
        5.2 Conclusiones ............................................................................................ 71
        5.3 Trabajos Futuros ....................................................................................... 72

REFERENCIAS ......................................................................................................... 73

A N E X O S ............................................................................................................... 76

ANEXO A: DATOS TECNICOS DEL LOGO! 12/24RC ........................................ 77

ANEXO B: PROGRAMACIÓN DEL LOGO! EN LADDER .................................. 83

ANEXO C: DIAGRAMAS ........................................................................................ 90


                                                                       viii
INDICE DE TABLAS

CAPÍTULO                                                                                                        PÁGINA

Tabla 1.1: Línea de investigación en el campo de la ingeniería electrónica ......................... 2

Tabla 2.1: Cargas lineales y no lineales .............................................................................. 14

Tabla 2.2: Secuencia de frecuencia armónica ..................................................................... 16

Tabla 4.1: Estados del modo automático ............................................................................ 61

Tabla 4.2: Estados de modo manual.................................................................................... 62

Tabla 4.3: Avisos de estado................................................................................................. 63

Tabla 4.4: Lista de componentes ......................................................................................... 66

Tabla 5.1: Lista de componentes y precios ......................................................................... 69




                                                                    ix
INDICE DE FIGURAS
CAPÍTULO                                                                                                            PÁGINA
Figura 2.1: La electricidad se genera combinando la suma de movimientos de los flujos ... 7
Figura 2.2: En los generadores de C.A. pequeños, el voltaje se genera en la armadura. ...... 8
Figura 2.3: Cuando la armadura de un generador de corriente alterna hace una rotación
completa a través del campo magnético, sucede lo siguiente ............................................... 9
Figura 2.4: Generador alimentado a la carga a través de un transformador o un tablero ... 10
Figura 2.5: Generador conectado en estrella ....................................................................... 12
Figura 2.6: Generador conectado en delta .......................................................................... 12
Figura 2.7: Rotor cilíndrico y rotor de polos salientes ........................................................ 13
Figura 2.8: Armónicas pares e impares ............................................................................... 16
Figura 2.9: Voltaje versus KVA .......................................................................................... 20
Figura 2.10: Curva de capacidad de energía reactiva del alternador constante .................. 23
Figura 3.1: Diagrama de bloques de un PLC gobernando un proceso ................................ 29
Figura 3.2: Estructura del LOGO! ...................................................................................... 40
Figura 3.3: Nuevo programa ............................................................................................... 41
Figura 3.4: Entorno de LOGO!Soft Comfort V6.1 ............................................................. 42
Figura 3.5: Barra de herramientas ....................................................................................... 44
Figura 3.6: Herramientas ..................................................................................................... 44
Figura 3.7: Barra de simulación .......................................................................................... 45
Figura 4.1: Diagrama de Flujo ............................................................................................ 49
Figura 4.2: FluidSIM V3.6 .................................................................................................. 50
Figura 4.3: Diagrama de control ......................................................................................... 51
Figura 4.4: CADe_SIMU .................................................................................................... 53
Figura 4.5: Diagrama de fuerza y control ........................................................................... 54
Figura 4.6: Diagrama de conexiones ................................................................................... 55
Figura 4.7: Modo automático, conmutación desde la red. .................................................. 57
Figura 4.8: Modo automático, encendiendo el generador ................................................... 58
Figura 4.9: Modo automático, conmutación desde el generador ........................................ 59
Figura 4.10: Modo manual .................................................................................................. 59
Figura 4.11: Parámetros de ajuste del temporizador ........................................................... 60
Figura 4.12: Parámetro de retardo a la conexión. ............................................................... 60
Figura 4.13: Circuito de alimentación ................................................................................. 64
Figura 4.14: Prototipo ......................................................................................................... 65
Figura 5.1: Diagrama de potencia para una conexión trifásica ........................................... 67
Figura 5.2: Accionamiento del relé térmico ........................................................................ 67
Figura 5.3: Alimentación mediante la red ........................................................................... 68
Figura 5.4: Alimentación mediante el generador ................................................................ 68
Figura 5.5: Diagrama de conexiones ................................................................................... 70




                                                                       x
INTRODUCCIÓN

La energía eléctrica en la actualidad es un recurso indispensable para las actividades
diarias, tanto en la industria como en los hogares. Para algunas empresas, por su giro
laboral, es indispensable el suministro permanente de energía eléctrica, ya que sin ésta la
empresa tendría grandes pérdidas debido al paro de su producción.

Para abastecer constantemente de energía eléctrica a una carga, se pretende implementar
un sistema que controle automáticamente la transferencia de energía eléctrica y a la vez
encienda y apague automáticamente un generador eléctrico. Para verificar el estado
correcto de la energía eléctrica, se añadirá sensores a la entrada del suministro eléctrico y a
la salida del generador, que constantemente estén enviando la información necesaria para
que la señal sea detectada por el sistema y pueda actuar cómo se ha programado.

Para el desarrollo del control automático de transferencia de energía eléctrica, se usara un
controlador lógico programable (LOGO! de Siemens). Además el sistema contara con dos
modos funcionamiento; automático y manual, adicionalmente tendrá una entrada de
protección de tensión el cual se activara cuando haya una sobrecarga y detenga el sistema
por completo. Durante cada evento se mostrara en la pantalla del PLC, los diferentes
modos de funcionamiento.




                                                   1
I. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

 1.1 Determinación del problema

 El siguiente trabajo consiste en la implementación de un prototipo de sistema de
 transferencia automática, la característica principal del sistema es el control de
 arranque y parada del motor del generador así como de la transferencia de la red al
 generador y viceversa.

 La investigación que se va a realizar se encuentra en el Programa de Control que
 pertenece al Subprograma de Automatización. La línea de Investigación que se
 desarrollará es el encendido de un grupo electrógeno mediante un PLC,
 específicamente se investigará acerca de “Transferencia automática de energía
 eléctrica”.

                                   Ingeniería Electrónica

      Programa              Sub-programa                    Línea de investigación

Control                 Automatización         Transferencia     automática     de   energía

                                               eléctrica

          Tabla 1.1: Línea de investigación en el campo de la ingeniería electrónica


 1.2 Formulación del problema

 Cuando se produce una caída de tensión ya sea por diversos factores que contribuyen
 a la perdida de este, en estos casos se recurre a los generadores eléctricos o grupos
 electrógenos para suministrar energía eléctrica por un determinado tiempo. Al
 presentar un funcionamiento automático tiene la ventaja de una independencia total
 del factor humano en caso de emergencia. El mercado actual demanda de estos
 sistemas para mantener estable su producción, en comparación a otros sistemas de
 transferencia que son de muy elevados costos.
                                               2
1.3 Objetivos de la investigación

Objetivo General

Implementar un prototipo de control automático de transferencia de energía eléctrica,
para abastecer constantemente de energía a una carga, a través de un generador que
conmute cada vez que haya una falla en la línea principal.

Objetivos Específicos

       Poner en marcha un generador eléctrico cuando se produzca una falla en la
       línea principal, y cuando se restablezca la línea principal ésta vuelva
       alimentar la carga y apague el generador.
       Detallar las principales características a tener en cuenta para adquirir un
       generador eléctrico.
       Especificar los principales componentes para su implementación en la
       industria.


1.4 Planteamiento de las hipótesis

Para la lógica de conmutación existen varias alternativas de diseño, una ellas es
mediante microcontroladores si bien es una alternativa de menor costo, es más
susceptible a perturbaciones. Otra alternativa que mejor se adapta a los
requerimientos de este proyecto es un controlador lógico programable ya que están
diseñados especialmente para la industria por ser más robustos. Se pretende utilizar
el lenguaje ladder por su diagrama de escalera que hace más fácil la búsqueda de
errores.




                                           3
1.5 Justificación de la investigación

Naturaleza

La naturaleza de este proyecto abarca el área de control y automatización. Todo
equipo requiere de una energía estable la cual la hace imprescindible en la industria.

Magnitud

Su implementación se enfoca en la industria, donde la ausencia de energía por varias
horas genera grandes pérdidas económicas, como por ejemplo centros comerciales.

Vulnerabilidad

Uno de los puntos que no se está tomando en cuenta es el tiempo de conmutación.
Ante una falla de la línea principal, la ausencia de energía será notoria por un par de
minutos, dependiendo el tiempo de encendido del generador. Para esto sería
conveniente tener una fuente de respaldo como un UPS mientras dure el encendido
del generador, a su vez habría que analizar el desfasaje de las líneas para lograr una
sincronización.

Practica organizacional

Su aplicación está diseñada no solo para industrias sino para todo tipo de carga que
requiera de una alimentación constante de energía.

Trascendencia

La vigencia para este proyecto se basa en el tiempo de vida de los componentes al
cual están expuestas dependiendo del tipo de carga, un aproximado seria de diez
años. En el futuro la lógica se mantiene solo cambiara el diseño.




                                            4
Económica

El proyecto está enfocado a no generar perdidas en la industria por ausencia de
energía. El cual tiene un diseño practico, robusto y por debajo del mercado actual.




                                            5
II. GENERADORES ELÉCTRICOS

Los generadores cambian la energía mecánica en energía eléctrica, los motores cambian la
energía eléctrica en energía mecánica; los generadores y motores eléctricos son muy
parecidos, de hecho, están construidos de la misma forma general y, ambos, dependen de
los mismos principios electromagnéticos para su operación.

Al primer principio se le llama ACCION DEL GENERADOR y se le conoce también
como de INDUCCIÓN. El voltaje se puede inducir en un conductor que se encuentra
dentro de un campo magnético, esto sucede cuando el flujo magnético se corta por el
conductor. En algunos casos, se mueve el alambre; en otros, se mueve el campo, y aun en
otros, ambos se mueven pero a distintas velocidades. Este principio toma energía mecánica
para producir el movimiento, este produce la electricidad por ser generada.

El segundo principio, es el llamado LA ACCION DEL MOTOR, este es simplemente las
fuerzas mecánicas entre imanes. Cuando dos imanes (o electroimanes), se aproximan uno a
otro, uno es atraído o repelido con respecto al otro, algunos motores usan dos
electroimanes; de cualquier manera, la energía eléctrica crea al menos uno de los campos
magnéticos, entonces, las fuerzas entre los dos campos magnéticos producen el
movimiento. [1]


     2.1 Devanados y campos en el generador

En la figura 2.1, se muestran cuatro tipos de generadores. Para generar electricidad se debe
empezar con un campo magnético principal, entonces, este campo se debe, cortar por un
conductor, el campo principal se puede producir por un imán permanente que puede ser
parte del estator, como se muestra en la figura A, o bien, puede ser el rotor como se
muestra en la figura B. el campo principal puede ser un campo electromagnético en lugar
de un imán permanente, la bobina que lo produce se llama EL DEVANADO DE CAMPO,
o simplemente el CAMPO.



                                                 6
El campo se puede devanar sobre el estator, como se muestra en la figura C, o sobre el
rotor, como se muestra en la figura D. Los conductores en los que se induce la electricidad,
forman el devanado de armadura. En los generadores de corriente directa, el devanado de
armadura esta sobre el rotor o parte giratoria; sin embargo, en los generadores de corriente
alterna para ciertas aplicaciones, el devanado de armadura está en la parte estacionaria
(estator). [2]




       Figura 2.1: La electricidad se genera combinando la suma de movimientos de los
                                         flujos [1]




                                                 7
2.2 Forma como trabajan los generadores

Para estudiar la forma como convierten los generadores la energía mecánica en energía
eléctrica, se puede usar la siguiente figura, que representa un generador elemental, en
donde el campo magnético principal viene de un par de imanes permanentes. Obsérvese
que la cara del polo norte se encuentre en frente de la cara del polo sur, la forma curvada
de los polos produce el campo más intenso. La bobina de la armadura esta devanada sobre
el rotor, cada extremo de esta bobina esta fijo a su propia banda metálica, estas bandas se
llaman anillos rozantes y es donde aparece el voltaje generado.




         Figura 2.2: En los generadores de C.A. pequeños, el voltaje se genera en la
                                    armadura. [1]

Para colectar el voltaje generado, se debe tener una trayectoria eléctrica de los anillos
rozantes a las terminales del generador, esto se hace con pequeñas piezas metálicas o de
carbón llamadas escobillas, que se encuentran fuertemente fijas a los anillos rozantes por
medio de resortes, en la medida que la bobina gira, los conductores cortan el campo
magnético, esto produce el voltaje inducido en la bobina.



                                                 8
2.3 Operación de un generador

La operación básica de un generador de corriente alterna consiste de una espira de alambre
que se encuentra libre para girar en un campo magnético, a la espira de alambre se le llama
armadura y al campo magnético se le llama el campo, la armadura se gira por un
elemento que se denomina primotor, que dependiendo de la fuente primaria de energía,
aplicación y uso, puede estar accionada por agua, vapor, turbinas de viento o motores a
gasolina o diesel.

La espira de la armadura se conecta a anillos rozantes, que a través de las escobillas se
conectan por conductores al exterior, en la medida que la armadura gira en el campo, se
genera un voltaje que se conecta al exterior para alimentar un circuito al cual se conectan
las cargas. Los generadores de corriente alterna se conocen también como alternadores.




       Figura 2.3: Cuando la armadura de un generador de corriente alterna hace una
       rotación completa a través del campo magnético, sucede lo siguiente: [1]


                                                 9
Cuando la armadura alcanza la posición 2, la espira (armadura) se mueve en forma
       perpendicular al campo magnético, por lo tanto, corta el máximo número de líneas
       por segundo.
       Cuando gira la armadura y pasa la posición 2, el voltaje cae cuando ya no está
       perpendicular al campo magnético.
       Al alcanzar la armadura la posición 3, su movimiento es otra vez paralelo al campo
       y el voltaje de salida vuelve a ser cero.
       Cuando la armadura gira de la posición 3 a la 4, el voltaje vuelve a alcanzar el
       máximo valor.
       Cuando la armadura completa su rotación y pasa a la posición 4, el voltaje cae a
       cero otra vez.

El voltaje generado se aplica a la carga externa alimentada a través de un transformador o
tableros, como se muestra en la figura:




       Figura 2.4: Generador alimentado a la carga a través de un transformador o un
                                     tablero [1]

                                                   10
2.4 Componentes de un generador de corriente alterna
Las principales componentes de un generador de corriente alterna, son las siguientes:

       Estator
       Rotor
       Sistema de enfriamiento
       Excitatriz
       Conmutador.

Estator

Los elementos más importantes a considerar como parte de las componentes del estator de
un generador de corriente alterna, son las siguientes:

       Componentes mecánicas
       Sistema de conexión en estrella
       Sistema de conexión en delta

Componentes mecánicas

Las componentes mecánicas de un generador de C.A. son las siguientes:

       La carcasa
       El núcleo
       Las bobinas
       La caja de terminales.

Sistema de conexión en estrella

Los devanados del estator de un generador de C.A. están conectados generalmente en
estrella, en la siguiente figura 2.5. T1, T2, T3 representan las terminales de línea (al
sistema) y T4, T5, T6 son las terminales que unidas forman el neutro.

                                                  11
Figura 2.5: Generador conectado en estrella [2]

Sistema de conexión en delta

La conexión delta se hace conectando las terminales 1 a 6, 2 a 4 y 3 a 5, las terminales de
línea se conectan a 1, 2 y 3, con esta conexión se tiene con relación a la conexión estrella,
un voltaje menor, pero en cambio se incrementa la corriente de línea.




                        Figura 2.6: Generador conectado en delta [2]




                                                 12
El rotor

Para producir el campo magnético sobre el rotor se utilizan polos que consisten de
paquetes de laminaciones de fierro magnético (para reducir las llamadas corrientes
circulantes) con conductores de cobre arrollados alrededor del hierro, estos polos están
excitados por una corriente directa. Los polos del rotor se arreglan por pares localizados o
separados 180°. Desde el punto de vista constructivo, los rotores se construyen del tipo
polos salientes (baja velocidad) o rotor cilíndrico (alta velocidad). [3]




                   Figura 2.7: Rotor cilíndrico y rotor de polos salientes [3]

En el rotor se encuentran alojados las bobinas del devanado de campo que inducen el
voltaje en el devanado de armadura, en donde se encuentran las bobinas que determinan si
el generador es monofásico o trifásico.


      2.5 Consideraciones de selección de grupos electrógenos

Cuando se selecciona un grupo electrógeno deben considerarse los siguientes factores:

       Tipo de carga
       Pasos de carga
       Equilibrio de carga
       Generadores
           o Aumento de temperatura
           o Paso
           o Gama de voltaje
                                                   13
2.5.1. Tipos de carga

Todas las cargas son diferentes en sus necesidades de calidad de potencia. Una simple
bombilla de luz incandescente no exige potencia de calidad alta. La cantidad de luz
disminuirá proporcionalmente para el voltaje, pero la onda de frecuencia y voltaje libre de
distorsión no es significativo. Otras cargas son sensibles a las variables de voltaje. Las
cargas generalmente se definen como lineales y no lineales. Uno de los primeros pasos es
separar las cargas en lineales y no lineales. La Tabla 2.1 proporciona ejemplos de cargas
lineales y no lineales.


                                             Ondas de
                    Flujo de corriente       voltaje y                 Ejemplos
                                             corriente
  Lineal          Proporcional       al Onda sinusoidal      Bombillas de luz
                  voltaje                                    incandescente.
                                                             Motores sincrónicos y de
                                                             inducción.
                                                             Dispositivos
                                                             electromagnéticos.
                                                             Calentadores de resistencias.
  No lineal       No proporcional al Pulsos                  Rectificadores controlados
                  voltaje                                    de silicio.
                                                             Mandos de velocidad
                                                             variable.
                                                             Suministros de potencia
                                                             ininterrumpidas.
                                                             Cargadores de batería.
                                                             Luz fluorescentes.

                             Tabla 2.1: Cargas lineales y no lineales [4]

Cargas lineales

Las cargas lineales se definen como cargas de corriente alterna (CA), que hacen fluir la
corriente proporcional al voltaje. Hacen fluir la corriente de manera uniforme, en ondas
sinusoidales durante todo el ciclo. La carga puede ser resistiva, inductiva (factor de



                                                 14
potencia de inducción) o carga capacitiva (factor de potencia de conducción)
Independiente del tipo, el flujo de potencia en una carga lineal será sinusoidal.

Las formulas eléctricas convencionales para determinar las características eléctricas, como
la caída de voltaje, la medición del flujo de corriente, el consumo de potencia y los valores
de calentamiento se aplican a las cargas lineales y se asume que no hay distorsión de
voltaje y ondas de corriente.[4]

Cargas no lineales

Una carga eléctrica que cambia o modifica la onda de corriente o voltaje que no es
sinusoidal es una carga no lineal. Una carga que hace fluir la corriente en pulsos es una
carga no lineal.

El desarrollo y la aplicación de componentes electrónicos de estado sólido han aumentado
las cargas eléctricas no lineales. Los semiconductores, especialmente los rectificadores
controlados de silicio (SCR) tienen la capacidad de "conectarse" o comenzar la transmisión
en cualquier punto durante la onda de voltaje aplicada y de trazar pulsos instantáneos de
corriente. Estas demandas de pulsos instantáneos resultan en armónicas, que a su vez
resultan en cargas no lineales. Otra fuente de cargas de flujo de corriente no sinusoidal es
el equipo magnético saturado, como los transformadores de balastro fluorescente y los
reguladores de reactor de núcleo saturado.

Todos estos dispositivos requieren corriente, que no pueden proporcionarse sin causar
alguna distorsión al voltaje de fuente aplicado. Las cargas no lineales en el sistema pueden
causar problemas para otras cargas.

       2.5.2. Contenido de armónicas

La desviación de una onda sinusoidal pura y simple puede expresarse como ondas de
frecuencia sinusoidal adicionales, que son un múltiplo de la frecuencia generada. Estas
frecuencias   son    conocidas     como   armónicas.    Los    generadores    trifásicos   son

                                                  15
magnéticamente simétricos, lo que resulta en la cancelación de armónicas regulares, solo
las armónicas irregulares son normalmente de cualquier significancia. Por ejemplo, una
onda generada de 60 Hz tendrá 60 Hz fundamentales; 180 Hz, tercera armónica; 300 Hz,
quinta armónica; 420 Hz, séptima armónica y así sucesivamente. La Tabla 2.2 muestra las
armónicas regulares e irregulares de una onda generada de 60 Hz. En general, cuanto
mayor sea el orden de armónicas, menor será la magnitud de la armónica.

Fundamental       2ª       3ª        4ª        5ª       6ª        7ª        8ª        9ª
     60          120      180       240       300       360      420       480       540


                         Tabla 2.2: Secuencia de frecuencia armónica [4]

La Distorsión Armónica Total (THD) es la medición de la suma de todas las armónicas. La
mayoría de cargas operaran con una THD de 15% a 20%. Sin embargo, las cargas con
equipo electrónico sensible pueden desarrollar problemas con una THD mayor que 5%.
Las cargas no lineales causan corrientes armónicas. Estas armónicas pueden causar
problemas de control y calentamiento interno del generador, lo que limita su capacidad.

En casos donde las cargas no lineales provocan un mayor calentamiento del generador,
generalmente se usan dos técnicas para compensar esta situación. La reducción de potencia
es un método y usar un generador de mayor tamaño para el requisito de kVA es otro
método.




                         Figura 2.8: Armónicas pares e impares [4]
                                               16
2.5.3. Consideraciones del generador

Calentamiento del generador

Los generadores están diseñados para proporcionar una salida determinada a frecuencias
fundamentales nominales de 50 Hz o 60 Hz. Las consideraciones de diseño incluyen hacer
el uso más efectivo del material activo para cumplir con los límites aceptables de aumento
de temperatura.

Impacto de reactancia del generador

La reactancia subtransitoria (X”d) es un indicador principal de la cantidad de distorsión
armónica creada por una carga no lineal. La corriente reacciona con impedancia y causa la
caída de voltaje. La reactancia interna de un generador para cambio de corriente
instantánea es la reactancia subtransitoria de eje directo (X”d). Un generador con el menor
X”d por valor unitario de una carga determinada, tendrá típicamente el menor valor de la
distorsión armónica total en condiciones de carga no lineal. [4]

La reactancia interna de un generador debido a la línea a neutral o la carga no equilibrada
es la reactancia de secuencia cero (Xo). Las armónicas de orden 3, producidas por la carga
no se cancelaran en neutral y el resultado será el flujo de corriente neutral, incluso con
cargas equilibradas.

Si la carga genera tercera armónicas, la corriente neutral puede volverse un poco mayor. El
generador realmente tolerara una cantidad medianamente grande de flujo de corriente de
tercera armónica en el neutral con un aumento moderado de calor del generador.

Con frecuencia, los generadores más pequeños (generalmente por debajo de 100 Kw)
suministran potencia a la carga directamente a 208/120 voltios con una conexión de
estrella. En cualquier momento que las cargas estén conectadas directamente al generador,
línea a neutral, las posibilidades de corriente de tercera armónica deben considerarse. [5]



                                                  17
Distorsión de onda

Las distorsiones de onda son mayores en un grupo electrógeno que cuando las cargas están
conectadas a la potencia de la central. Un generador puede compararse con otros por el
nivel de distorsión cuando opera a carga plena. Debido a que las cargas mas grandes
aumentan las armónicas, la carga plena debe usarse para comparación precisa.
Generalmente, se especifica una THD igual o menor que 5%, con no más de 3% de
cualquier armónica.

Un generador puede tener 5 a 100 veces más reactancia subtransitoria que el transformador
de una fuente normal. En consecuencia, las cargas no lineales que trabajan bien en la
empresa de energía eléctrica, pueden reaccionar completamente diferente cuando reciben
potencia de un grupo electrógeno. Puede ayudar en algo el uso de un generador de mayor
tamaño para reducir la reactancia. Sin embargo, obtener una reducción significativa de la
reactancia generalmente no resulta económico.

Los motores, en particular, actúan como absorbedores de irregularidades de voltaje
momentáneas y reducen el contenido de armónicas de la línea. Generalmente, las funciones
de respaldo del área de informática, como los sistemas HVAC1, los sistemas de agua
enfriada, los sistemas de protección contra incendios y la iluminación del salón también
deben conectarse al grupo electrógeno auxiliar.

Determinación de la distorsión

Debe realizarse una revisión del sistema de distribución del grupo electrógeno completo
para determinar si hay cargas que requieran una fuente con onda de distorsión baja. A
menos que el sistema del grupo electrógeno sea grande, es muy común para otras cargas
compartir un generador común con el UPS. Si se sospecha de cargas sensibles a la
distorsión, debe contactarse a un asesor o a un diseñador del sistema de distribución que
conozca el efecto adverso y como evitar la distorsión armónica. Para calcular la distorsión
1
  Sistema HVAC: (Heating, Ventilating and Air Conditioning) Métodos y técnicas que estudian y trabajan
sobre el tratamiento del aire en cuanto a su enfriamiento, calentamiento, deshumidificación, calidad,
movimiento, entre otras cosas.
                                                      18
armónica total en un punto del sistema de distribución, el asesor requiere tener acceso a los
datos del sistema, como reactancia subtransitoria y clasificación kVA del generador y
cualquier otra máquina giratoria, reactancia y resistencia de transformadores, cables y otros
elementos del circuito, así como características de la distorsión no lineal que produce el
dispositivo. El impacto del paso del generador en las corrientes armónicas generadas por la
carga depende en gran medida de la configuración del sistema. Esto generalmente tampoco
tiene consecuencias, excepto en casos especiales. Cuando se proporciona suministro a
cargas no lineales que no tienen conexión a neutral, el paso de la bobina no afecta la
distorsión de onda del voltaje.

Paso del generador

Los generadores no producen una onda sinusoidal perfecta. Por tanto, se generan algunas
armónicas. Para producir voltaje, un generador sincrónico tiene una estructura excitada por
corriente continua (CC) que consta de polos magnéticos norte y sur alternos, generalmente
en el miembro giratorio del generador o del rotor. El campo magnético producido barre el
inducido (generalmente el estator) e induce voltaje en las bobinas ubicadas en las ranuras
del inducido. Cuando la distribución de cada una de estas bobinas es exactamente igual a la
distribución de los polos de campo norte y sur, el flujo magnético máximo es contenido
por la bobina y se produce el voltaje máximo. Esta posición de las bobinas se conoce como
devanado de "paso completo" Muy pocas maquinas tienen devanado de paso completo
debido a que el devanado requiere excesivas vueltas de alambre de cobre ya que
proporciona poco control de armónicas. La mayoría de los generadores tienen devanados
de paso fraccionado. La magnitud y la frecuencia de las armónicas generadas por la
maquina variaran con el factor de paso y otros parámetros de diseño.

Selección de voltaje del grupo electrógeno

Para la selección de voltaje de un grupo electrógeno se toma como referencia la marca
Caterpillar que identifica tres tipos de voltaje:

        Bajo
                                                    19
Mediano
       Alto

El voltaje bajo es el voltaje de un nivel local o parcial de un sitio. 600 V o menos con 800
kVA es la gama de clasificación de voltaje bajo. El voltaje mediano es una clasificación de
distribución de nivel bajo. Este voltaje se distribuye para suministrar potencia a sitios
residenciales y otras instalaciones. 601 V a 5.000 V con 5 a 10 MVA es la gama para la
clasificación mediana. El voltaje alto fluye en regiones y es el voltaje en la empresa de
energía eléctrica o de la red nacional. 5.001 V a 15.000 V usados con MVA mayores que
10 se consideran alto voltaje. La Figura 2.9 muestra un voltaje frente al grafico kVA,
indicando selecciones de voltaje bajo, mediano y alto. Dependiendo del tipo de voltaje
aplicable ayudara a determinar el tamaño del grupo electrógeno requerido.




                             Figura 2.9: Voltaje versus KVA [5]


                                                 20
2.6 Dimensionamiento de un grupo electrógeno

       2.6.1. Parámetros del proyecto

El primer paso en el dimensionamiento y la selección de un generador consiste en
establecer los parámetros del proyecto.

Carga/capacidad mínima del grupo electrógeno

Operar un grupo electrógeno con una carga ligera puede causar daños al motor, lo que
reduce su fiabilidad. En algunos generadores no se recomienda operar grupos electrógenos
a menos del 30 por ciento de su carga clasificada. Los bancos de carga deben suplementar
las cargas regulares cuando las cargas caen por debajo del valor recomendado.

Máxima caída de voltaje de medida permisible

A medida que reduce la máxima caída de voltaje de medida permisible durante el arranque
inicial, cuando las cargas hacen su ciclo en controles automáticos o cuando las cargas más
altas están funcionando, necesita incrementar el tamaño del grupo electrógeno
especificado. Elegir una caída de voltaje permisible más baja requiere un grupo
electrógeno más grande.

Máxima caída de frecuencia de medida permisible

A medida que reduce la máxima caída de frecuencia permisible, incrementa el tamaño del
grupo electrógeno que necesita.

Altitud y temperatura

Basándose en la ubicación del sitio, el tamaño del grupo electrógeno debe incrementarse
para un nivel de desempeño estipulado a medida que la altitud y la temperatura ambiental
se incrementan.



                                                21
Ciclo de servicio

El tamaño del grupo electrógeno también se ve influenciado por su aplicación, energía
Standby, energía primaria o servicio público paralelo. Los sistemas de energía Standby por
lo general no tienen capacidad de sobrecarga. Los sistemas de energía primaria por lo
general tienen un mínimo de 10 por ciento de capacidad de sobrecarga. Los grupos
electrógenos diseñados para operar en horarios prolongados con una carga constante y
sostenida no deben operarse en exceso de la capacidad nominal continua. [6]

Combustible

La preferencia de gas, diesel, o gas LP afectará la elección del grupo electrógeno. A
menudo los grupos electrógenos que funcionan con gas o gas LP deben tener tamaños más
grandes de lo necesario debido a la disminución de capacidad. Los sistemas de emergencia,
por lo general, deben abastecerse con combustible que se almacene localmente.

Fase

Elija monofásica o trifásica. La selección trifásica permite cargas monofásicas pero se
asume que las cargas monofásicas se equilibrarán en las tres fases.

Frecuencia

Las frecuencias de trabajo son de 50 Hz o 60 Hz.

Voltaje

Las opciones de voltaje, por lo general, son una función de la frecuencia elegida.

       2.6.2. Cargas

El paso siguiente y el más importante en el dimensionamiento de un grupo electrógeno es
identificar todos los tipos y tamaños de cargas a los que el grupo electrógeno dará energía.


                                                 22
En general, cuando no hay presentes cargas no-lineales, quizás sea necesario elegir un
alternador más grande de lo necesario.

Factor de potencia (PF)

Las inductancias y capacitancias en los circuitos de carga CA ocasionan que el punto
donde la onda de corriente sinusoidal atraviesa el cero se adelante o atrase con respecto al
punto donde la onda del voltaje atraviesa el cero. Cargas de capacitancia, motores
sincrónicos sobreexcitados, etc. provocan el factor de potencia capacitivo, donde la
corriente se adelanta con respecto al voltaje Figura 2.10. El factor de potencia inductivo,
donde la corriente se atrasa con respecto al voltaje, es generalmente la situación y es un
resultado de la inductancia del circuito. El factor de potencia es la relación de Kw a kVA y
se expresa como una cifra decimal (0.8) o como un porcentaje (80%). Los grupos
electrógenos trifásicos están clasificados para cargas de factor energético 0.8 FP y los
grupos electrógenos monofásicos para cargas 1.0 FP. Los factores de potencia inferiores
requieren alternadores o grupos electrógenos más grandes para soportar la carga
correctamente. Se debe ser precavido siempre que se apliquen grupos electrógenos a cargas
con factor de potencia capacitiva. Cargas con un factor de potencia ligeramente capacitiva
pueden ocasionar que los grupos electrógenos pierdan el control del voltaje.




      Figura 2.10: Curva de capacidad de energía reactiva del alternador constante [6]
                                               23
Cargas monofásicas y desequilibrio de carga

Las cargas monofásicas deben distribuirse tan equitativamente como sea posible entre las
tres fases de un grupo electrógeno trifásico para utilizar la capacidad del grupo electrógeno
por completo y limitar el desequilibrio.

Cargas pico

Las cargas pico son causadas por cargas que se encienden y apagan en ciclos, como por
ejemplo en equipos para soldadura, equipos de imágenes de uso médico o motores.
Considerar las cargas cíclicas puede incrementar significativamente el tamaño del grupo
electrógeno recomendado a pesar de los grandes esfuerzos para colocar las cargas en una
secuencia de arranque medida.

Cargas de motor

Calcular las cargas específicas de motores es algo que se hace mejor con programas de
software para el dimensionamiento que convertirán los tipos de motores en requerimientos
de carga para el arranque y la operación. Para esta discusión, sin embargo, es suficiente
caracterizar en grandes rasgos las cargas como cargas de alta inercia o baja inercia a fin de
determinar la potencia del motor necesaria para las cargas de arranque y aceleración del
motor.

Las cargas de baja inercia

Incluyen ventiladores y ventiladores centrífugos, compresores giratorios y bombas
giratorias y centrifugas.

Las cargas de alta inercia

Incluyen elevadores, bombas de cilindros únicos o múltiples, compresores de cilindros
únicos o múltiples, trituradoras para rocas y bandas transportadoras.


                                                 24
Motores de más de 50 HP

Un motor grande que arranca inicialmente con un grupo electrógeno representa una carga
de baja impedancia mientras esté en una condición de rotor fijo o detenido. El resultado es
una alta corriente de inserción, por lo general, seis veces la corriente nominal del motor
(operación). Esta alta corriente de inserción ocasiona la caída de voltaje en el generador
que puede afectar otros sistemas. La manera en que el voltaje del generador se recupera de
esta caída es una función de los tamaños relativos del generador, el motor, la potencia del
motor (capacidad en Kw) y la capacidad de fuerza de excitación del generador.
Dependiendo de la severidad de la carga, el generador debe tener un tamaño suficiente para
recuperarse al voltaje clasificado en unos cuantos segundos, si no en ciclos. Hay varios
tipos de arrancadores de motores de voltaje reducido disponibles para reducir el kVA
inicial de un motor en aplicaciones donde el torque reducido del motor sea aceptable.
Reducir el kVA inicial del motor puede reducir la caída del voltaje, el tamaño del grupo
electrógeno y brindar un arranque mecánico más suave. Sin embargo, estos métodos de
arranque solamente deben aplicarse en cargas de motores de baja inercia a menos que
pueda determinarse que el motor producirá un torque de aceleración adecuado durante el
arranque.

Motores accionados por variadores de frecuencia (VFD)

Los accionamientos de frecuencia variable (o velocidad variable) se aplican a cargas no
lineales, que se emplean para controlar la velocidad de motores de inducción, inducir
distorsión en el voltaje de salida del generador. Se requieren alternadores más grandes para
prevenir el sobrecalentamiento debido a las corrientes armónicas inducidas por el VFD y
para reducir la distorsión de voltaje del sistema al disminuir la reactancia del alternador.
Por ejemplo, las cargas VFD en un generador deben ser menos de aproximadamente el 50
por ciento de la capacidad del generador para limitar la distorsión armónica total a menos
del 15 por ciento.




                                                 25
2.6.3. Otras cargas

Cargas de suministro de energía ininterrumpibles (UPS)

Un sistema UPS utiliza un rectificador controlado con silicio u otros dispositivos estáticos
para convertir el voltaje CA en voltaje CC para cargar baterías de almacenamiento y son
otro tipo de carga no lineal. Se requieren alternadores más grandes para prevenir el
sobrecalentamiento debido a las corrientes armónicas inducidas por los rectificadores y
para limitar la distorsión de voltaje del sistema al disminuir la reactancia del alternador.
Problemas anteriores de incompatibilidad entre los grupos electrógenos y los dispositivos
UPS estáticos crean muchos malos entendidos sobre el dimensionamiento de grupos
electrógenos para este tipo de carga. La mayoría de los fabricantes de UPS han
solucionado estos problemas y, actualmente, es más rentable requerir dispositivos UPS que
sean compatibles con el grupo electrógeno que tener un generador significativamente más
grande que lo necesario para el UPS. Utilice la clasificación total de la placa de
identificación del UPS para determinar la carga para permitir capacidad suficiente para
cargar la batería fija del generador y tolerar la capacidad total de carga UPS.

Cargas del cargador de batería

Un cargador de batería es una carga no lineal que requiere un alternador grande en base al
número de rectificadores (pulsos), hasta 2.5 veces la carga de operación constante para tres
pulsos; hasta 1.5 veces la carga de operación constante para 12 pulsos. Por lo general, estas
cargas se encuentran en sistemas de telecomunicaciones.

Cargas de equipos para imágenes de uso médico

Incluyen equipos para tomografías computarizadas, resonancias magnéticas y rayos X. El
grupo electrógeno debe tener un tamaño que limite la caída del voltaje a 10 por ciento
cuando el equipo de imágenes para uso médico se opera con todas las otras cargas en
ejecución para proteger la calidad de las imágenes.



                                                  26
Cargas de iluminación

Además de los voltajes de los focos, se deben considerar los voltajes de balastros y los
factores energéticos de arranque y operación.

Cargas regenerativas

Para cargas como las de elevadores, grúas y montacargas, se depende a menudo de la
fuente de energía para que absorba la energía durante el frenado. Por lo general, no es un
problema cuando el servicio público suministra la energía porque se puede considerar
como una fuente de energía infinita con muchas cargas. Un grupo electrógeno, en
comparación, es capaz de absorber mucha menos energía, especialmente sin otras cargas
conectadas. [7]

Por lo general, el problema de regeneración se puede resolver asegurándose que haya otras
cargas conectadas que puedan absorber la energía regenerativa. Una carga regenerativa
excesiva puede ocasionar que un grupo electrógeno acelere en exceso y se apague.




                                                27
III.    CONTROLADORES LOGICOS PROGRAMABLES

Las empresas de hoy, que están pensando en el futuro, se encuentran provistas de
modernos dispositivos electrónicos en sus maquinas y procesos de control. Hoy las
fábricas automatizadas deben proporcionar en sus sistemas, alta confiabilidad, gran
eficiencia y flexibilidad. Una de las bases principales de tales fábricas es un dispositivo
electrónico llamado Controlador Lógico Programable. Este dispositivo fue inicialmente
introducido en 1970 y se ha ido refinando con nuevos componentes electrónicos, tales
como Micro-procesadores de alta velocidad, agregándole funciones especiales para el
control de proceso más complejos. Hoy los Controladores Programables son diseñados
usando lo último en diseño de Micro-procesadores y circuitería electrónica lo cual
proporciona una mayor confiabilidad en su operación en aplicaciones industriales donde
existen peligro debido al medio ambiente, alta repetitividad, altas temperaturas, ruido
ambiente o eléctrico, suministro de potencia eléctrica no confiable, vibraciones mecánicas
etc. [8]

Este medio ambiente es el cual el Control Lógico Programable se encuentra en su
elemento, ya que fue diseñado y concebido para su uso en el medio ambiente industrial.
Los Controladores Lógicos Programables, PLC como ellos son comúnmente llamados,
ofrecen muchas ventajas sobre otros dispositivos de control tales como relevadores,
temporizadores electrónicos, contadores y controles mecánicos como del tipo tambor.


      3.1 Estructura básica de un PLC

Está constituido por un conjunto de tarjetas o circuitos impresos, sobre los cuales están
ubicados componentes electrónicos integrados. Cuando el controlador es del tipo modular,
las diferentes tarjetas que tienen funciones específicas, quedan alojadas en racks2
agrupadas convenientemente para un funcionamiento en conjunto. Asimismo, todas las



2
  Rack: Bastidor donde alojan un conjunto de tarjetas en forma ordenada, que por lo general están
comunicadas.
                                                   28
tarjetas están conectadas a través de elementos de bus3, que son circuitos por donde fluye
la información y generalmente se encuentran en la parte posterior. El controlador
programable tiene la estructura típica de muchos sistemas programables, como por ejemplo
una microcomputadora. La estructura básica del hardware de un controlador programable
propiamente dicho está constituido por:

        Fuente de alimentación
        Unidad de procesamiento central (CPU)
        Módulos o interfaces de entrada/salida (E/S)
        Módulos de memoria
        Unidad de programación

En la figura se muestra un diagrama de bloques de la estructura básica de un automatismo
gobernado por un PLC.



              Sensores                       Proceso                        Actuadores




                Interface                        CPU                          Interface
               de entrada                                                     de salida




                                              Unidad de
                                            programación



            Figura 3.1: Diagrama de bloques de un PLC gobernando un proceso [8]

3
  Elemento del bus: Dispositivo de cableado en capas paralelas que unen los diferentes subconjuntos que
constituye el PLC.
                                                       29
3.2 Criterios para la selección de PLCs

Cuando se tiene la responsabilidad de seleccionar un PLC, se debe contar con toda la
información necesaria respecto al sistema que se desea automatizar. La funcionalidad de
los PLCs y diversidad de tareas de automatización, nos permiten aseverar que seleccionar
un PLC puede ser tarea tan sencilla como también muy compleja. Por ello, dependerá
básicamente de los criterios que decida el técnico para elegir un óptimo equipo que cumpla
con las características técnicas y económicas para el sistema.

Como es obvio, todo fabricante o representante tiene por lo general una solución a los
problemas con el uso de sus equipos, donde para ellos siempre será la mejor alternativa.
Sin duda, todo equipo tiene sus bondades, es difícil y hasta posible que no exista equipo
malo, lo malo para un equipo se origina cuando se selecciona para las condiciones no
diseñadas, o cuando el tipo o tamaño no cubre tareas de mayor nivel. [9]

Por otro lado, para elegir un PLC se debe tener en cuenta varios criterios, considerándose
unos de mayor importancia que otros, para ello se dividirá en criterios fundamentales,
secundarios y económicos siendo el primero y el último los más importantes sin
desmerecer los secundarios.

       3.2.1. Criterios técnicos fundamentales

Son todas aquellas decisiones de selección que se basan en datos técnicos de hardware y
software del PLC, que en algunos casos son suficientes para cubrir una gran cantidad de
aplicaciones del tipo general.

Esta información se encuentra en catálogos y/o manuales del fabricante. Se recomienda no
asumir parámetros de los equipos sin confirmar, es obligatorio recurrir a estos catálogos o
pedir la información a su representante.




                                                 30
Fuente de alimentación

Datos técnicos

       Tipo de corriente
       AC/DC
       Nivel de tensión
       Valor nominal: (Vn)
       Margen admisible: (0,85 … 1.2) Vn
       Potencia admisible
       Expresado en (W)
       Frecuencia de la red
       Valor nominal: (50/60 Hz)
       Margen admisible: ± 5%
       Capacidad de corriente
       Condiciones ambientales
       Temperatura: (°C)
       Humedad (%)/ sin condensación
       Índice de protección

Cuando se estima la potencia de la fuente, se debe considerar los consumos de las
siguientes cargas.

       CPU
       Módulos de E/S (discreta/análoga)
       Módulos inteligentes
       Ampliaciones futuras
       Otros.




                                           31
Unidad de procesamiento central (CPU)

Datos técnicos

       Capacidad de memoria
       Total: (Kb)
       Interna RAM: (Kb) o (instrucciones)
       Módulos de memorias: EPROM/EEPROM
       Tiempo de ejecución (SCAN TIME)
       De cada operación binaria: (us)
       De cada operación tipo palabra: (us)
       De una operación mixta: 35% binarias + 65% palabras (us)
       En cada caso estos varían según el fabricante.
       Tiempo de vigilancia de ciclo
       Perro guardián: (ms)
       Cantidad de E/S discretas
       Cantidad de E/S análogas
       Cantidad de memorias internas
       Total
       Remanentes
       No remanentes
       Cantidad de temporizadores
       Cantidad de contadores
       Cantidad de entradas de alta frecuencia
       Cantidad de contadores de alta frecuencia
       Tipos de módulos inteligentes
       Otras funciones
       Registrador de datos
       Secuenciador
       Operaciones digitales

                                                32
Operaciones aritméticas
       Comparadores
       Saltos, etc.
       Reloj-calendario
       Algoritmo de regulación PID
       Canales de comunicación
       Posibilidad de integración de red
       Condiciones ambientales
       Temperatura en montaje vertical/horizontal: (°C)
       Humedad: (%)

Con estos datos la CPU debe satisfacer los requerimientos del sistema actual y a futuro.

Entradas discretas

Datos Técnicos

       Cantidad de entradas discretas
       Tipo de corriente
       AC/DC
       Nivel de tensión nominal
       (V)
       Intensidad de corriente
       (mA)
       Temperatura ambiente admisible
       (°C)

Es recomendable usar entradas discretas en DC por razones de seguridad y económicas en
lugar de entradas en AC.




                                                 33
Salidas discretas

Datos Técnicos

       Cantidad de salidas discretas
       Tipo de corriente
       AC/DC (Tipo: transistor, relé o Triac)
       Nivel de tensión
       Valor nominal: (V)
       Valores más usuales: 24 VDC, 110/115 VAC, 220/230 VAC.
       Capacidad admisible de
       Corriente: (mA, A)
       Potencia: (W)/DC, (VA)/AC
       Condiciones ambientales de temperatura
       (°C)

Entradas / salidas analógicas

Datos técnicos

       Cantidad de entradas/salidas analógicas
       Tipo de señal
       En corriente: (mA) / (0-20) mA, (4-20)mA, etc.
       En tensión: (V)/ (0-2) V, (0-5) V, (0-10) V, ± 10V, etc.
       Resistencia de entrada
       (MΩ), (entradas análogas)
       Resistencia de carga
       (Ω), (salidas análogas)
       Resolución
       (N° de Bits + signo)/ 8, 12, 16 bits
       Tiempo de escrutinio

                                                34
(ms / 50Hz, ms / 60Hz)
        Corriente/tensión de entrada admisible máxima
        (mA/V), (entradas análogas)
        Corriente de corto circuito
        (mA), (salidas análogas)

Módulos inteligentes

Se tienen de diferentes tipos tales como:

        Modulo de temporizadores
        Modulo de contadores
        Modulo de regulación PID
        Modulo de posicionamiento
        Controlador de motores paso a paso
        Módulos de comunicación, etc.

Lenguaje de programación

Cada fabricante tiene su propio lenguaje de programación, cuya representación varía de
acuerdo a la marca, así tenemos:

       Lista de instrucciones
       Texto estructurado
       Plano de funciones y
       Diagrama escalera o diagrama de contactos

Siendo esta última representación la más difundida en la mayoría de PLCs, pudiendo tener
ciertas funciones que no están presentes en las otras o viceversa.

Se debe evaluar que el lenguaje de programación tenga capacidad para programar
fundamentalmente requerido por el sistema, así por ejemplo:

                                                  35
E/S analógicas
       Registrador de datos
       Secuenciadores
       Operaciones aritméticas: +, -, ×, ÷, √

       Comparadores: >, <, ><, ≥, ≤, =
       Saltos
       Algoritmos PID
       Comunicación punto a punto y multipunto
       Reloj-calendario
       SFC (grafcet), etc.

Sistema de configuración

       Configuración compacto
       Configuración modular
       Configuración compacto-modular

Soporte técnico

Esta parte es muy importante, ya que el fabricante o distribuidor debe dar toda la garantía
para una máxima disponibilidad del equipo, para ello debe disponer:

       Repuestos: la totalidad de las partes y accesorios de preferencia.
       Catálogos y manuales
       Servicio técnico de:
       Mantenimiento
       Programación

       Asesoramiento a la orden




                                                 36
3.2.2. Criterios técnicos secundarios

Además de los criterios fundamentales, existen otros criterios que complementan la
selección de los PLCs asegurando una mejor utilización del controlador. Esta información
también se obtiene, generalmente, de manuales y catálogos. Uno de los elementos
secundarios es la capacitación, que en algunos casos no es tan fácil obtenerlo en el mismo
lugar de la compra del equipo. No obstante, es importante considerarlo al tomar una
decisión. Por último, hay situaciones en que no es necesario conocer la totalidad de estos
criterios mencionados por la simplicidad del sistema. A continuación los siguientes
criterios a tomar en cuenta.

       Dimensionamiento del Rack
       Configuración redundante
       Capacitación

       3.2.3. Criterio económico

El avance acelerado de los Microcontroladores hace posible que el diseño de la mayoría de
los PLCs, satisfagan los requerimientos de los sistemas a controlar, esto significa, que
aplicando los pasos para seleccionar un PLC mediante criterios técnicos es obvio que
tendremos varias posibilidades de marcas a escoger, quedando por aplicar el criterio
económico para la decisión final. Antes de esta decisión recuerde que:

        No necesariamente el más barato es la mejor alternativa, piense en la calidad y
        prestigio de la marca. Es evidente que equipos de renombre cuesten más.
        No es recomendable tener uno o varias marcas de PLC, lo ideal sería dos marcas.
        Tenga presente que algunos equipos vienen con su PLC incluido como parte de su
        automatización, esto escapa a las recomendaciones dadas.




                                                37
3.3 Áreas de aplicación

El PLC, por sus especiales características de diseño, tiene un campo de aplicación muy
extenso. La constante evolución del hardware y software amplía continuamente este
campo, para poder satisfacer las necesidades que se detectan en el espectro de sus
posibilidades reales.

Su utilización se da, fundamentalmente, en aquellas instalaciones en donde es necesario
realizar procesos de maniobra, control, señalización, etc. Por tanto, su aplicación abarca
desde procesos de fabricación industrial de cualquier tipo, hasta transformaciones
industriales, control de instalaciones, etc. [10]

Sus reducidas dimensiones, la extremada facilidad de su montaje, la posibilidad de
almacenar los programas para su posterior y rápida utilización, la opción de modificarlos o
alterarlos, hace que su eficacia se aprecie, fundamentalmente, en procesos en que se
producen necesidades tales como:

       espacio reducido,
       procesos de producción periódicamente cambiantes,
       procesos secuenciales,
       maquinaria de procesos variables,
       instalaciones de procesos complejos y amplios,
       chequeo de programación centralizada de las partes del proceso.

Ejemplos de aplicaciones generales podrían ser los siguientes:

Máquinas:

       industria del mueble y madera,
       procesos de grava, arena y cemento,
       industria del plástico,
       máquinas- herramientas complejas,
                                                    38
procesos textiles y de confección,
       ensamblaje,
       transfer.

Instalaciones de:

       aire acondicionado, calefacción,
       seguridad,
       frío industrial,
       almacenamiento y trasvase de cereales,
       plantas embotelladoras,
       tratamientos térmicos,
       plantas depuradoras de residuos,
       cerámica.

Señalización y control:

       chequeo de programas,
       señalización del estado de procesos.


     3.4 LOGO! 12/24 RC

LOGO! es el módulo lógico universal de Siemens, su entorno amigable y bajo costo lo
hace uno de los mejores en el mercado. Cuenta con ocho entradas (seis digitales y 2
análoga/digital) y con cuatro salidas de relés de 230V a 10A, además de un reloj de
temporizador semanal integrado. Se puede alimentar con 12 VDC o 24 VDC.

Este modelo lleva integrados:

       Control
       Unidad de operación y visualización
       Fuente de alimentación
                                                39
Interfase para módulos de programa y cable de PC
Ciertas     funciones     básicas   usuales   en   la   práctica,   por   ejemplo   para
activación/desactivación retardada y relé de impulsos
Reloj temporizador
Marcas binarias
Determinadas entradas y salidas según el tipo del equipo

Estructura del logo

En la figura se muestra la distribución de las partes que se debe tener en cuenta para
trabajar.




                        Figura 3.2: Estructura del LOGO! [11]

    1) Alimentación de tensión
    2) Entradas
    3) Salidas
    4) Receptáculo de modulo con revestimiento
                                      40
5) Panel de manejo
           6) Display LCD

       3.4.1. LOGO!Soft Comfort V6.1

Existen dos formas de programar el PLC, una es ingresando los parámetros manualmente a
través del display y la otra usando el software, esta última es mucha más sencilla además
de contar con las opciones de simular y poder cargar el programa de la PC al Logo.

Descripción general de la interfaz de usuario

Interfaz de usuario y entorno de programación

Al abrir LOGO!Soft Comfort V6.1 aparece la interfaz de usuario vacía. Luego para elegir
un nuevo entorno de trabajo, se puede acceder a través del icono o de la barra de menú
como se muestra en la figura 3.3.




                                Figura 3.3: Nuevo programa

Como resultado: LOGO!Soft Comfort creará un nuevo programa vacío.

Ahora puede ver la interfaz de usuario completa de LOGO!Soft Comfort. La mayor parte
de la pantalla la ocupa entonces el área dedicada a la creación de esquemas de conexiones.
Esta área se denomina interfaz de programación. En la interfaz de programación se
                                                41
disponen los símbolos y enlaces del programa. Para no perder la vista de conjunto,
especialmente en el caso de programas grandes, en los extremos inferior y derecho de la
interfaz de programación se dispone de barras de desplazamiento que permiten mover el
programa en sentido horizontal y vertical.

A continuación se detalla las principales herramientas más utilizadas, y su respectiva
ubicación.




                    Figura 3.4: Entorno de LOGO!Soft Comfort V6.1 [12]

             1) Barra de menús
             2) Barra de herramientas “estándar”
             3) Interfaz de programación
             4) Ventana de información
             5) Barra de estado

                                                   42
6) Constantes y conectores

              Funciones básicas (solo editor FUP)

              Funciones especiales

           7) Barra de herramientas “Herramientas”

Barra de menús

En la parte superior de la ventana de LOGO!Soft Comfort se encuentra la barra de menús.
Ésta contiene los distintos comandos para editar y gestionar los programas, incluyendo
también ajustes predeterminados y funciones para transferir el programa al LOGO!.

Barras de herramientas

LOGO!Soft Comfort provee tres barras de herramientas, a saber:

       Barra de herramientas "Estándar"
       Barra de herramientas "Herramientas"
       Barra de herramientas "Simulación"

Barra de herramientas "Estándar"

La barra de herramientas "Estándar" se encuentra por encima de la interfaz de
programación. Al iniciar LOGO!Soft Comfort aparece una barra de herramientas
"Estándar" reducida a las funciones esenciales.

La barra de herramientas "Estándar" proporciona acceso directo a las principales funciones
de LOGO!Soft Comfort.

La barra de herramientas "Estándar" completa aparece tan pronto como se accede a un
programa para su edición en la interfaz de programación.


                                                  43
Figura 3.5: Barra de herramientas

Barra de herramientas "Herramientas"

La barra de herramientas "Herramientas" se encuentra en el borde izquierdo de la pantalla.
Los botones dispuestos en esta barra permiten cambiar a diferentes modos de edición para
crear o procesar programas de forma rápida y sencilla.

La barra de herramientas "Herramientas" se puede seleccionar y mover con el ratón. Si
cierra la barra de herramientas "Estándar", ésta permanecerá siempre acoplada a la barra de
menús.




                                  Figura 3.6: Herramientas




                                                44
En el editor KOP no existe el botón "Funciones básicas (GF)", ya que las combinaciones
lógicas "AND" y "OR" se realizan en KOP conectando los distintos bloques.

Barra de herramientas "Simulación"

Esta barra de herramientas sólo es relevante para la simulación de programas. El icono de
simulación se encuentra en la barra de herramientas situada al lado izquierda, una vez
presionado se muestran las demás herramientas.




                              Figura 3.7: Barra de simulación

          1) Icono de simulación
          2) Herramientas de simulación (Red, iniciar simulación, detener simulación,
              Detener/ continuar y ejecutar simulación paso a paso)
          3) Indicadores de salidas de bobina y marcas, mediante focos.
          4) Parámetros de simulación




                                                 45
Ventana de información

La ventana de información muestra información e indicaciones. En la barra de menú la
opción herramientas seguido de determinar LOGO! o su acceso más rápido presionando la
tecla F2, se visualiza los recursos empleados como numero de entradas usadas, bloques de
función etc. Todo está lista se aprecia en la ventana de información.

Barra de estado

La barra de estado se encuentra en el borde inferior de la ventana de programa. Aquí se
proporciona información acerca de la herramienta activa, el estado del programa, el factor
de zoom ajustado, la página del esquema de conexiones y el dispositivo LOGO!
seleccionado.

Herramientas -> Transferir

Requisito para la transferencia de datos

En el menú Herramientas -> Opciones -> Interfaz debe estar ajustado el puerto serie a
través del cual el LOGO! está conectado con el PC.

       En caso contrario, LOGO!Soft Comfort visualizará un aviso de error. El botón
       Seleccionar interfaz sirve para acceder desde cualquier ventana de transferencia a
       un cuadro de diálogo en el que puede ajustarse el puerto de comunicación. Si no ha
       ajustado aún ningún puerto o si ha ajustado el puerto incorrecto, puede indicar aquí
       a qué puerto del PC está conectado el LOGO!, o bien permitir que el sistema lo
       busque.
       Para más información sobre cómo conectar el LOGO! al PC a través de un puerto
       USB, consulte el manual de LOGO!.
       El LOGO! debe estar conectado con el PC por medio de un cable de PC, o bien ser
       accesible vía módem.
       El LOGO! no puede estar en modo RUN ni en modo de edición.

                                                 46
Herramientas -> Transferir -> PC -> LOGO!

Un programa creado en el PC con LOGO!Soft Comfort se transfiere a un LOGO!. El
nombre con el que se debe transferir el programa al LOGO! se puede indicar en el menú
Archivo -> Propiedades. LOGO!Soft Comfort utiliza el puerto especificado en
Herramientas -> Opciones: Interfaz para transferir el programa. Para este comando de
menú también existe un botón equivalente en la barra de herramientas "Estándar".

Preparativos

Antes de la transferencia se determina la versión mínima de LOGO! necesaria para el
programa creado. En un LOGO! modular se pone a la disposición del programa
básicamente toda la capacidad de entradas y salidas. Es responsabilidad del usuario que se
hayan enchufado suficientes módulos de ampliación en el dispositivo base.

Avisos de error

Si el programa creado no puede transferirse al LOGO! disponible, aparece un aviso de
error y se interrumpe la transferencia. Si se utiliza una versión de LOGO! desconocida, ello
se notifica al usuario. Éste puede cancelar la transferencia o transferir el programa de todas
maneras. Tras finalizar la transferencia correctamente, aparece un aviso en la barra de
estado. Los avisos de transferencia se muestran en la barra de estado y en la ventana de
información. Los avisos de error detallados se visualizan en la ventana de información.

Contraseña

Si ha definido una contraseña para el programa, antes de transferir éste al LOGO! se le
solicitará que introduzca la contraseña. El programa se transfiere al LOGO! sólo si se ha
introducido la contraseña correcta.




                                                  47
IV.      DISEÑO, SIMULACION E IMPLEMENTACIÓN

En este capítulo se detalla cómo se implemento la etapa de control automático para poder
lograr la transferencia de distintas fuentes generadoras de electricidad, tanto de la red
eléctrica como la de generador hacia una misma carga. Para esto se emulo una
transferencia usando componentes de similar funcionamiento pero a baja potencia,
pudiendo comprobar el correcto funcionamiento de la lógica de control.

Las herramientas a utilizar son LOGO!Soft Comfort V6.1, FluidSIM versión 3.6,
CADe_SIMU versión 1.0 y PROTEUS.

LOGO!Soft Comfort versión 6.1 con el cual se desarrollo la lógica de control, este
software es compatible con el PLC, se desarrollo el programa en lenguaje ladder, se simulo
y compilo para poder cargar el archivo hacia el PLC.

Antes de comenzar a programar en lenguaje ladder, es necesario desarrollar un diagrama
de control para poder comprobar la lógica de funcionamiento, debido a que el lenguaje
ladder se basa en contactos, bobinas, temporizadores y otros elementos electromecánicos,
FluidSim es una alternativa para poder comprobar el correcto funcionamiento de esta.

CADe_SIMU versión 1.0, la ventaja de esta se basa en crear el diagrama de fuerza y
control pudiendo simular ambos en un mismo entorno.

PROTEUS está equipado con la herramienta ISIS (Intelligent Schematic Input System)
para desarrollar diagramas esquemáticos, con el cual se desarrollo la etapa de alimentación
del sistema de control.




                                                48
Diagrama de Flujo

 A continuación se detalla el principal funcionamiento con los dos modos a usar,
 manual y automático.

                 A          ¿Automático
                                                      M
                             o Manual?




  ¿Estado del
                     NO                                               ¿Red o
                                                                                  G
 sensor d red?                                                      generador?


                                                                    R

Temporizado                Enciende                             Temporizado      Temporizado
   r de 2                  generador                               r de 2           r de 2
 segundos                                                        segundos         segundos

 Conmuta                  Temporizado                            Conmuta          Conmuta
KM1 a carga                  r de 5                             KM1 a carga      KM2 a carga
                           segundos



                            ¿Estado de     NO        Reinicia el
                              sensor       O         encendido
                            generado?
                                                    del generador




                          Temporizado
                             r de 2
                           segundos

                           Conmuta
                          KM2 a carga


                             Figura 4.1: Diagrama de Flujo

                                               49
4.1 Softwares de simulación

FluidSIM versión 3.6

Es una herramienta de simulación para la obtención de los conocimientos básicos de la
neumática y funciona en el entorno Microsoft Windows. Una característica importante de
FluidSIM es su estrecha relación con la función y simulación CAD. FluidSIM permite por
una parte, un esquema DIN justo de diagramas de circuitos fluidos; por otra parte posibilita
la ejecución- sobre la base de descripciones de componentes físicos- de una simulación
plenamente explicativa. Con esto se establece una división entre la elaboración de un
esquema y la simulación de un dispositivo práctico.




                                 Figura 4.2: FluidSIM V3.6

           1) Barra de menús
           2) Barra de herramientas
           3) Biblioteca de componentes
           4) Superficie de trabajo

                                                 50
La figura 4.3 muestra las primeras pruebas de la lógica de control, para poder visualizar la
conmutación entre la red eléctrica y el generador se utilizo válvulas que cumplían la
función de los contactores.

El modo de simulación de FluidSIM ofrece la facilidad de reproducir paso a paso, además
de contar con las opciones de detener y pausar. Cuenta con la visualización de las
corrientes que fluyen a través del conexionado, esta se observa por las líneas de color rojo
que aparecen cuando recorre dicho flujo de corriente. Dando así una mayor facilidad para
poder dar seguimiento a posibles errores.




                               Figura 4.3: Diagrama de control

Para este primer prototipo no se tomo en cuenta el accionamiento simultáneo de cualquier
modo de funcionamiento, el cual producía inestabilidad y un posible corto circuito en la
etapa de potencia.


                                                 51
CADe_SIMU versión 1.0

Es un programa de CAD electrotécnico que permite insertar los distintos símbolos
organizados en librerías y trazar un esquema eléctrico de una forma fácil y rápida para
posteriormente realizar la simulación.

El programa en modo simulación visualiza el estado de cada componente eléctrico cuando
esta activado al igual que resalta los conductores eléctricos sometidos al paso de una
corriente eléctrica.

Por medio del interface CAD el usuario dibuja el esquema de forma fácil y rápida. Una vez
realizado el esquema por medio de la simulación se puede verificar el correcto
funcionamiento.

A continuación se mencionan las principales librerías de simulación:

        Alimentaciones tanto de CA como de CC.
        Fusibles y seccionadores.
        Interruptores automáticos, interruptores diferenciales, relé térmico, y disyuntores.
        Contactores e interruptores de potencia.
        Motores eléctricos.
        Variadores de velocidad para motores de CA y CC.
        Contactos auxiliares y contactos de temporizadores.
        Contactos con accionamiento, pulsadores, setas, interruptores, finales de carrera y
        contactos de relés térmicos.
        Bobinas, temporizadores, señalizaciones ópticas y acústicas.
        Detectores de proximidad y barreras fotoeléctricas.
        Conexionado de cables unipolares y tripolares, mangueras y regletas de conexión.
        [15]




                                                   52
Este software contiene una amplia cantidad de herramientas, pero las principales a tener en
cuenta son:




                                  Figura 4.4: CADe_SIMU

   1) Iconos de visualización
   2) Icono para poder girar un componente
   3) Iconos de simulación
   4) Símbolos de elementos de cada categoría
   5) Área de trabajo




                                                53
Una de las pruebas que se realizaron fue la simulación del diagrama de potencia y de
control.




                         Figura 4.5: Diagrama de fuerza y control

Si bien presenta un entorno para un diseño exclusivamente para dispositivos
electromecánicos además de poder contar con una implementación de diagrama de control
y de fuerza, hay que tener en cuenta a la hora de hora de realizar el conexionado ya que
aparenta estar conectado pero no es así, esto se logra cuando se crea un nodo entre dicha
conexión.




                                               54
4.2 Sistema de funcionamiento

Diagrama de conexiones




                            Figura 4.6: Diagrama de conexiones

Para un mejor detalle de los diagramas de conexiones, de control y de potencia, estos se
encuentran en los anexos.

Nomenclatura del programa

I1            Modo Manual (PM)
I2            Pulsador de parada (STOP)
I3            Relé térmico (RT)
I4            Relé de monitoreo del generador (SG)
I5            Relé de monitoreo de la red (SR)
I6            Modo manual – Red (PMR)

                                                 55
I7          Modo manual - Generador (PMG)
I8          Modo automático (PA)
M1          Marca del modo automático (EA)
M2          Marca automática del sensor de red (EA-SR)
M3          Marca automática de arranque del sensor generador (EAM-SG)
M4          Marca del modo automático (EM)
M5          Marca del modo manual de red (EMR)
M6          Marca del modo manual del generador (EMG)
M7          Marca de texto - Relé térmico (ERT-TXT)
M10… M21 Marca de salida - texto
Q1          Salida de red (KM1)
Q2          Salida del Generador (KM2)
Q3          Relé de arranque del generador (RAr)
Q4          Indicador de Relé térmico (IRT)
T007        Temporizador de Relé térmico de texto (TRT-TXT)
T011        Temporizador de conmutación de red (TER)
T012        Temporizado de conmutación del generador (TEG)
T017        Temporizador de arranque (T-Ar)
SF002       Texto Automático – Red (TXT-AR)
SF003       Texto Automático – Generador (TXT-AG)
SF004       Texto Manual – Red (TXT-MR)
SF005       Texto Manual – Generador (TXT-MG)
SF006       Texto de Relé Térmico (TXT-RT)
SF008       Texto de parada del sistema (TXT-S)
SF009       Texto de modo automático (TXT-A)
SF010       Texto de modo manual (TXT-M)
SF013       Texto Automático – Red apagado (TXT-AROF)
SF014       Texto Automático – Generador apagado (TXT-AGOF)
SF015       Texto Manual – Red apagado (TXT-MROF)
SF016       Texto Manual – Generador apagado (TXT-MGOF)

                                              56
Cuando el sistema inicie, se podrá elegir dos modos de funcionamiento, manual o
automático. Para ello se describirán los diferentes estados de funcionamiento.

       4.2.1. Modo Automático

Para este modo se verificara constantemente los estados de los sensores de monitoreo tanto
de la red eléctrica como la del generador.

Energizado del contactor de red y conmutación hacia la carga

En la figura 4.7 se muestra la conmutación hacia la red eléctrica. Primero se debe accionar
el pulsador I8 (modo automático). Una vez que el sensor de red haya detectado el voltaje
correcto en las líneas, este se activara cerrando sus contactos mediante la entrada I5.
Dentro de 2 segundos entrara en funcionamiento el contactor KM1 activada por la salida
Q1 del PLC, después se visualizara en pantalla dicho estado.

La marca M1 se encuentra activada e indica que se encuentra en modo automático, M2
representa que el sensor de red se encuentra estable y M10 es una marca de salida para el
mensaje del display.




                  Figura 4.7: Modo automático, conmutación desde la red.

                                                 57
Energizado del contactor del generador y conmutación hacia la carga

Cuando el sensor de red eléctrica detecte la ausencia de energía, se activara la salida Q3
dando inicio al arranque del generador, desde ese instante se activara el temporizador de
cinco segundos, este valor es variable dependiendo del tiempo promedio de encendido de
cada generador, pasado los cinco segundos, verificara mediante el sensor del generador el
voltaje del generador eléctrico, sino se encuentra en el rango correcto, el sensor procederá
a reiniciar el arranque del generador mediante la salida Q3, hasta que se obtenga respuesta
del sensor antes de los cinco segundos.

M20 representa una marca de salida para el display.




                  Figura 4.8: Modo automático, encendiendo el generador

Una vez que el sensor del generador haya detectado el voltaje en el rango correcto, este se
activara cerrando sus contactos mediante la entrada I4, luego entrara en funcionamiento el
temporizador de 2 segundos y pasado esto se activara la salida Q2 que energiza la bobina
del contactor KM2. Ver figura 4.9.

M11 representa una marca de salida de mensaje para el display.




                                                 58
Figura 4.9: Modo automático, conmutación desde el generador

       4.2.2. Modo Manual

Para este modo no se necesita de los sensores de monitoreo, debido a que pueden ser
accionados de manera independiente. Primero se pulsa I1 para acceder al modo manual.

El display indicara que se encuentra en modo manual y nos da la opción de elegir que
contactor accionar para poder alimentar a la carga, eligiendo entre I6 e I7. M4 indica que
se encuentra en modo manual, M21 marca para la salida del mensaje.




                                Figura 4.10: Modo manual
                                              59
4.2.3. Parámetros del temporizador

Durante el funcionamiento, el sistema de control cuenta con cuatro temporizadores, uno
de ellos son los dos segundos de conmutación, estos son a modo de prueba los cuales
pueden ser ajustados en la opción de configuración del PLC mediante el display. Ver
figura 4.11.




                  Figura 4.11: Parámetros de ajuste del temporizador [14]

Tener en cuenta que para poder ajustar los parámetros del temporizador a través del
display, en el programa cada temporizador debe estar sin marcar la opción de “Protección
activada”.




                     Figura 4.12: Parámetro de retardo a la conexión.

                                               60
4.2.4. Display

Modo Automático

                      Display                 Descripción


                                     Conmutación       hacia     el
                                     generador.




                                     Conmutación hacia la red
                                     eléctrica.




                                     Tiempo que se demora en
                                     encender el generador.




                                     El tiempo de conmutación
                                     hacia el generador es de 2
                                     segundos.



                                     El tiempo de conmutación
                                     hacia la red eléctrica es de 2
                                     segundos.


                      Tabla 4.1: Estados del modo automático



                                       61
Modo Manual

              Display                    Descripción


                                Opción       a   elegir    entre
                                accionar la conmutación a la
                                red o al generador.



                                Conmutación hacia la red
                                eléctrica.




                                Conmutación        hacia      el
                                generador.




                                El tiempo de conmutación
                                hacia la red eléctrica es de 2
                                segundos.



                                El tiempo de conmutación
                                hacia el generador es de 2
                                segundos.


                   Tabla 4.2: Estados de modo manual




                                  62
Avisos de Estado

                          Display                         Descripción


                                               Protección                    activada:
                                               Accionamiento                del     relé
                                               térmico, esta opción puede
                                               ser      opcional       ya     que     la
                                               mayoría          de     generadores
                                               incorpora uno.




                                               Sistema detenido: Cuando se
                                               detiene el sistema se muestra
                                               a      través     del    display       el
                                               mensaje de STOP y los dos
                                               modos           funcionamiento         a
                                               elegir.




                                    Tabla 4.3: Avisos de estado


      4.3 Alimentación de la etapa de control

Para poder energizar el modulo LOGO!, se necesita un voltaje continuo (DC) de 12 voltios
o de 24 voltios, para este proyecto se está alimentando con 12 voltios. Se tiene que tener en
cuenta que la alimentación del PLC tiene que ser independiente de la red eléctrica o del
generador, debido a que en cualquier momento una de estas fuentes de energía pueda
apagarse y el sistema de control deje de funcionar.


                                                   63
El sistema de control debe estar trabajando las 24 horas del día, por ningún momento debe
quedarse sin alimentación, para este tipo de caso una de las propuestas a usar es una fuente
de alimentación en paralelo con una batería de 12 voltios. Mientras exista energía en la red
eléctrica la fuente estará alimentando al sistema de control y a su vez estará cargando a la
batería, en caso contrario la batería entraría en funcionamiento y el sistema no se vería
afectado por la falta de energía.




                             Figura 4.13: Circuito de alimentación


      4.4 Implementación del Prototipo

Para poder verificar el funcionamiento se está utilizando relés en vez de los contactores
que realizan la función de transferencia, en cuanto a los sensores de red, se está usando dos
relés tanto para la entrada de la red como la del generador los cuales emulan su
funcionamiento, además se está empleando voltaje alterno de 12 voltios.




                                                 64
A continuación se detalla las partes del sistema:




                                    Figura 4.14: Prototipo

   1. PLC LOGO! 12/24 RC
   2. Interruptor que alimenta a la carga con la red eléctrica, y debajo de este, un relé que
       sensa la energía.
   3. Interruptor que alimenta a la carga con el generador, y debajo de este, un relé que
       sensa la energía.
   4. Transformador 12 VAC – representación del generador
   5. Transformador 12 VAC – representación de la red eléctrica
   6. Focos de 12 VAC, indicador de la carga, aviso de emergencia e indicador del
       arranque del generador respectivamente.
   7. Botonera: manual, automático, stop, red y generador respetivamente.
   8. Relés de red, generador y arranque.
   9. Interruptor que simula una sobrecarga.




                                                    65
Lista de componentes

Se detalla los componentes utilizados para el prototipo.


             cantidad                           Componentes
                01          LOGO! 12/24RC
                05          relés de 12 VDC
                03          interruptores
                01          diodo puente
                04          diodos 1N4004
                01          bornera 10
                02          Transformadores de input 220V output 12V.
                03          focos de 12VAC
                04          pulsadores NA

                01          pulsador NC

                                  Tabla 4.4: Lista de componentes




                                                 66
V. RESULTADOS Y CONCLUSIONES

 5.1 Resultados

 Diagrama de potencia propuesto para su implementación.




        Figura 5.1: Diagrama de potencia para una conexión trifásica [18]

 La protección ha sido activada, para este proyecto es la entrada de relé térmico, la
 cual se visualiza mediante el foco que está en constante oscilación situado en el
 medio de los otros dos.




                    Figura 5.2: Accionamiento del relé térmico
                                           67
Para este caso se el sistema se encuentra en modo automático, mientras se
mantenga la alimentación conectada al supresor de pico el foco de la izquierda se
mantendrá encendido.




                  Figura 5.3: Alimentación mediante la red

Al desconectar la alimentacion, se procede a encender el generador, este se
visualiza mediante el foco situado al extremo derecho que siempre se mantendra
encendido mientras el generador este en funcionamiento. Como se puede observar
la carga se mantiene energizada (foco extremo izquierdo).




               Figura 5.4: Alimentación mediante el generador

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  • 1. UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DEL PERU FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y MECATRÓNICA ESCUELA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA CONTROL AUTOMÁTICO DE TRANSFERENCIA DE ENERGÍA ELÉCTRICA CARBAJAL GUTIÉRREZ, JOSÉ GUALBERTO ASESOR: ING. CHICANA ASPAJO, HENRY Tesis para optar el Título de Ingeniero Electrónico Lima - Perú 2012
  • 2. ii
  • 3. A mis padres por su apoyo incondicional, ya que ellos me dan la fuerza necesaria para salir adelante. iii
  • 4. AGRADECIMIENTOS Para finalizar este proyecto se conto con la colaboración de los docentes, amigos de estudio y compañeros de trabajo que aportaron con sus observaciones y comentarios los cuales fueron de gran ayuda. Además un especial agradecimiento a la empresa PROINTEC PERÚ por su colaboración al brindar las facilidades de compra del PLC y la orientación para las pruebas de funcionamiento. iv
  • 5. RESUMEN El punto central en este proyecto de investigación está relacionado con la transferencia de energía eléctrica, de la red eléctrica o la de un generador o grupo electrógeno según los requerimientos de la carga. El primer capítulo abarca el planteamiento del problema junto con los objetivos e hipótesis. El segundo capítulo abarca una descripción general de cómo está compuesto un generador eléctrico, se explica también su funcionamiento, además de las consideraciones de selección y que tipos de cargas se debe tener en cuenta. No todos los generadores tienen la misma potencia, es por ello que se describe como dimensionar un generador en base al proyecto a implementar teniendo en cuenta la carga. El tercer capítulo se investiga al controlador lógico programable, explicando su estructura básica, además de los criterios para su elección. También se hace referencia a los criterios técnicos fundamentales, secundarios y económicos. Este controlador es de los más utilizados en la automatización, además de ser requerido por su amplia aplicación ha sido un componente clave para el desarrollo de este proyecto, es por eso que se eligió al controlador LOGO! de Siemens. Y por último se analiza el funcionamiento de la lógica de control usando distintos simuladores. Para su demostración se construyo un prototipo. v
  • 6. ABSTRACT The focus in this research project is related to the transfer of electrical energy, from the power lines, a generator or power unit as required by the load. The first chapter provides the problem statement along with the objectives and hypotheses. The second chapter provides an overview of what comprises an electric generator, is also explained its operation, in addition to considerations of selection and types of loads that must be taken into account. Not all generators have the same power, which is why it's described how to size a generator based on the project to be implemented taking into account the load. The third chapter investigates the programmable logic controller, explaining its basic structure, as well as the criteria for choice. Reference is also made to the basic technical criteria, secondary and economical. This driver is the most widely used in automation, as well as being required for its wide application has been a key component for the development of this project, which is why the controller was selected LOGO! Siemens. Finally we analyze the operation of the control logic using different simulators. For demonstration prototype was built. vi
  • 7. INDICE GENERAL CAPÍTULO PÁGINA DEDICATORIA.......................................................................................................... iii AGRADECIMIENTOS .............................................................................................. iv RESUMEN ................................................................................................................... v ABSTRACT ................................................................................................................ vi INDICE GENERAL ................................................................................................... vii INDICE DE FIGURAS ................................................................................................ x INTRODUCCIÓN ....................................................................................................... 1 I. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ........................................................... 2 1.1 Determinación del problema ...................................................................... 2 1.2 Formulación del problema ......................................................................... 2 1.3 Objetivos de la investigación ..................................................................... 3 1.4 Planteamiento de las hipótesis.................................................................... 3 1.5 Justificación de la investigación ................................................................. 4 II. GENERADORES ELÉCTRICOS ...................................................................... 6 2.1 Devanados y campos en el generador ........................................................ 6 2.2 Forma como trabajan los generadores ........................................................ 8 2.3 Operación de un generador ........................................................................ 9 2.4 Componentes de un generador de corriente alterna ................................. 11 2.5 Consideraciones de selección de grupos electrógenos ............................. 13 2.5.1. Tipos de carga ................................................................................ 14 2.5.2. Contenido de armónicas ................................................................. 15 2.5.3. Consideraciones del generador ...................................................... 17 2.6 Dimensionamiento de un grupo electrógeno ............................................ 21 2.6.1. Parámetros del proyecto ................................................................. 21 2.6.2. Cargas ............................................................................................ 22 vii
  • 8. 2.6.3. Otras cargas .................................................................................... 26 III. CONTROLADORES LOGICOS PROGRAMABLES .................................... 28 3.1 Estructura básica de un PLC .................................................................... 28 3.2 Criterios para la selección de PLCs .......................................................... 30 3.2.1. Criterios técnicos fundamentales ................................................... 30 3.2.2. Criterios técnicos secundarios........................................................ 37 3.2.3. Criterio económico ........................................................................ 37 3.3 Áreas de aplicación .................................................................................. 38 3.4 LOGO! 12/24 RC .................................................................................... 39 3.4.1. LOGO!Soft Comfort V6.1 ............................................................. 41 IV. DISEÑO, SIMULACION E IMPLEMENTACIÓN ........................................ 48 4.1 Softwares de simulación........................................................................... 50 4.2 Sistema de funcionamiento ...................................................................... 55 4.2.1. Modo Automático .......................................................................... 57 4.2.2. Modo Manual ................................................................................. 59 4.2.3. Parámetros del temporizador ......................................................... 60 4.2.4. Display ........................................................................................... 61 4.3 Alimentación de la etapa de control ......................................................... 63 4.4 Implementación del Prototipo .................................................................. 64 V. RESULTADOS Y CONCLUSIONES ............................................................. 67 5.1 Resultados ................................................................................................ 67 5.2 Conclusiones ............................................................................................ 71 5.3 Trabajos Futuros ....................................................................................... 72 REFERENCIAS ......................................................................................................... 73 A N E X O S ............................................................................................................... 76 ANEXO A: DATOS TECNICOS DEL LOGO! 12/24RC ........................................ 77 ANEXO B: PROGRAMACIÓN DEL LOGO! EN LADDER .................................. 83 ANEXO C: DIAGRAMAS ........................................................................................ 90 viii
  • 9. INDICE DE TABLAS CAPÍTULO PÁGINA Tabla 1.1: Línea de investigación en el campo de la ingeniería electrónica ......................... 2 Tabla 2.1: Cargas lineales y no lineales .............................................................................. 14 Tabla 2.2: Secuencia de frecuencia armónica ..................................................................... 16 Tabla 4.1: Estados del modo automático ............................................................................ 61 Tabla 4.2: Estados de modo manual.................................................................................... 62 Tabla 4.3: Avisos de estado................................................................................................. 63 Tabla 4.4: Lista de componentes ......................................................................................... 66 Tabla 5.1: Lista de componentes y precios ......................................................................... 69 ix
  • 10. INDICE DE FIGURAS CAPÍTULO PÁGINA Figura 2.1: La electricidad se genera combinando la suma de movimientos de los flujos ... 7 Figura 2.2: En los generadores de C.A. pequeños, el voltaje se genera en la armadura. ...... 8 Figura 2.3: Cuando la armadura de un generador de corriente alterna hace una rotación completa a través del campo magnético, sucede lo siguiente ............................................... 9 Figura 2.4: Generador alimentado a la carga a través de un transformador o un tablero ... 10 Figura 2.5: Generador conectado en estrella ....................................................................... 12 Figura 2.6: Generador conectado en delta .......................................................................... 12 Figura 2.7: Rotor cilíndrico y rotor de polos salientes ........................................................ 13 Figura 2.8: Armónicas pares e impares ............................................................................... 16 Figura 2.9: Voltaje versus KVA .......................................................................................... 20 Figura 2.10: Curva de capacidad de energía reactiva del alternador constante .................. 23 Figura 3.1: Diagrama de bloques de un PLC gobernando un proceso ................................ 29 Figura 3.2: Estructura del LOGO! ...................................................................................... 40 Figura 3.3: Nuevo programa ............................................................................................... 41 Figura 3.4: Entorno de LOGO!Soft Comfort V6.1 ............................................................. 42 Figura 3.5: Barra de herramientas ....................................................................................... 44 Figura 3.6: Herramientas ..................................................................................................... 44 Figura 3.7: Barra de simulación .......................................................................................... 45 Figura 4.1: Diagrama de Flujo ............................................................................................ 49 Figura 4.2: FluidSIM V3.6 .................................................................................................. 50 Figura 4.3: Diagrama de control ......................................................................................... 51 Figura 4.4: CADe_SIMU .................................................................................................... 53 Figura 4.5: Diagrama de fuerza y control ........................................................................... 54 Figura 4.6: Diagrama de conexiones ................................................................................... 55 Figura 4.7: Modo automático, conmutación desde la red. .................................................. 57 Figura 4.8: Modo automático, encendiendo el generador ................................................... 58 Figura 4.9: Modo automático, conmutación desde el generador ........................................ 59 Figura 4.10: Modo manual .................................................................................................. 59 Figura 4.11: Parámetros de ajuste del temporizador ........................................................... 60 Figura 4.12: Parámetro de retardo a la conexión. ............................................................... 60 Figura 4.13: Circuito de alimentación ................................................................................. 64 Figura 4.14: Prototipo ......................................................................................................... 65 Figura 5.1: Diagrama de potencia para una conexión trifásica ........................................... 67 Figura 5.2: Accionamiento del relé térmico ........................................................................ 67 Figura 5.3: Alimentación mediante la red ........................................................................... 68 Figura 5.4: Alimentación mediante el generador ................................................................ 68 Figura 5.5: Diagrama de conexiones ................................................................................... 70 x
  • 11. INTRODUCCIÓN La energía eléctrica en la actualidad es un recurso indispensable para las actividades diarias, tanto en la industria como en los hogares. Para algunas empresas, por su giro laboral, es indispensable el suministro permanente de energía eléctrica, ya que sin ésta la empresa tendría grandes pérdidas debido al paro de su producción. Para abastecer constantemente de energía eléctrica a una carga, se pretende implementar un sistema que controle automáticamente la transferencia de energía eléctrica y a la vez encienda y apague automáticamente un generador eléctrico. Para verificar el estado correcto de la energía eléctrica, se añadirá sensores a la entrada del suministro eléctrico y a la salida del generador, que constantemente estén enviando la información necesaria para que la señal sea detectada por el sistema y pueda actuar cómo se ha programado. Para el desarrollo del control automático de transferencia de energía eléctrica, se usara un controlador lógico programable (LOGO! de Siemens). Además el sistema contara con dos modos funcionamiento; automático y manual, adicionalmente tendrá una entrada de protección de tensión el cual se activara cuando haya una sobrecarga y detenga el sistema por completo. Durante cada evento se mostrara en la pantalla del PLC, los diferentes modos de funcionamiento. 1
  • 12. I. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 1.1 Determinación del problema El siguiente trabajo consiste en la implementación de un prototipo de sistema de transferencia automática, la característica principal del sistema es el control de arranque y parada del motor del generador así como de la transferencia de la red al generador y viceversa. La investigación que se va a realizar se encuentra en el Programa de Control que pertenece al Subprograma de Automatización. La línea de Investigación que se desarrollará es el encendido de un grupo electrógeno mediante un PLC, específicamente se investigará acerca de “Transferencia automática de energía eléctrica”. Ingeniería Electrónica Programa Sub-programa Línea de investigación Control Automatización Transferencia automática de energía eléctrica Tabla 1.1: Línea de investigación en el campo de la ingeniería electrónica 1.2 Formulación del problema Cuando se produce una caída de tensión ya sea por diversos factores que contribuyen a la perdida de este, en estos casos se recurre a los generadores eléctricos o grupos electrógenos para suministrar energía eléctrica por un determinado tiempo. Al presentar un funcionamiento automático tiene la ventaja de una independencia total del factor humano en caso de emergencia. El mercado actual demanda de estos sistemas para mantener estable su producción, en comparación a otros sistemas de transferencia que son de muy elevados costos. 2
  • 13. 1.3 Objetivos de la investigación Objetivo General Implementar un prototipo de control automático de transferencia de energía eléctrica, para abastecer constantemente de energía a una carga, a través de un generador que conmute cada vez que haya una falla en la línea principal. Objetivos Específicos Poner en marcha un generador eléctrico cuando se produzca una falla en la línea principal, y cuando se restablezca la línea principal ésta vuelva alimentar la carga y apague el generador. Detallar las principales características a tener en cuenta para adquirir un generador eléctrico. Especificar los principales componentes para su implementación en la industria. 1.4 Planteamiento de las hipótesis Para la lógica de conmutación existen varias alternativas de diseño, una ellas es mediante microcontroladores si bien es una alternativa de menor costo, es más susceptible a perturbaciones. Otra alternativa que mejor se adapta a los requerimientos de este proyecto es un controlador lógico programable ya que están diseñados especialmente para la industria por ser más robustos. Se pretende utilizar el lenguaje ladder por su diagrama de escalera que hace más fácil la búsqueda de errores. 3
  • 14. 1.5 Justificación de la investigación Naturaleza La naturaleza de este proyecto abarca el área de control y automatización. Todo equipo requiere de una energía estable la cual la hace imprescindible en la industria. Magnitud Su implementación se enfoca en la industria, donde la ausencia de energía por varias horas genera grandes pérdidas económicas, como por ejemplo centros comerciales. Vulnerabilidad Uno de los puntos que no se está tomando en cuenta es el tiempo de conmutación. Ante una falla de la línea principal, la ausencia de energía será notoria por un par de minutos, dependiendo el tiempo de encendido del generador. Para esto sería conveniente tener una fuente de respaldo como un UPS mientras dure el encendido del generador, a su vez habría que analizar el desfasaje de las líneas para lograr una sincronización. Practica organizacional Su aplicación está diseñada no solo para industrias sino para todo tipo de carga que requiera de una alimentación constante de energía. Trascendencia La vigencia para este proyecto se basa en el tiempo de vida de los componentes al cual están expuestas dependiendo del tipo de carga, un aproximado seria de diez años. En el futuro la lógica se mantiene solo cambiara el diseño. 4
  • 15. Económica El proyecto está enfocado a no generar perdidas en la industria por ausencia de energía. El cual tiene un diseño practico, robusto y por debajo del mercado actual. 5
  • 16. II. GENERADORES ELÉCTRICOS Los generadores cambian la energía mecánica en energía eléctrica, los motores cambian la energía eléctrica en energía mecánica; los generadores y motores eléctricos son muy parecidos, de hecho, están construidos de la misma forma general y, ambos, dependen de los mismos principios electromagnéticos para su operación. Al primer principio se le llama ACCION DEL GENERADOR y se le conoce también como de INDUCCIÓN. El voltaje se puede inducir en un conductor que se encuentra dentro de un campo magnético, esto sucede cuando el flujo magnético se corta por el conductor. En algunos casos, se mueve el alambre; en otros, se mueve el campo, y aun en otros, ambos se mueven pero a distintas velocidades. Este principio toma energía mecánica para producir el movimiento, este produce la electricidad por ser generada. El segundo principio, es el llamado LA ACCION DEL MOTOR, este es simplemente las fuerzas mecánicas entre imanes. Cuando dos imanes (o electroimanes), se aproximan uno a otro, uno es atraído o repelido con respecto al otro, algunos motores usan dos electroimanes; de cualquier manera, la energía eléctrica crea al menos uno de los campos magnéticos, entonces, las fuerzas entre los dos campos magnéticos producen el movimiento. [1] 2.1 Devanados y campos en el generador En la figura 2.1, se muestran cuatro tipos de generadores. Para generar electricidad se debe empezar con un campo magnético principal, entonces, este campo se debe, cortar por un conductor, el campo principal se puede producir por un imán permanente que puede ser parte del estator, como se muestra en la figura A, o bien, puede ser el rotor como se muestra en la figura B. el campo principal puede ser un campo electromagnético en lugar de un imán permanente, la bobina que lo produce se llama EL DEVANADO DE CAMPO, o simplemente el CAMPO. 6
  • 17. El campo se puede devanar sobre el estator, como se muestra en la figura C, o sobre el rotor, como se muestra en la figura D. Los conductores en los que se induce la electricidad, forman el devanado de armadura. En los generadores de corriente directa, el devanado de armadura esta sobre el rotor o parte giratoria; sin embargo, en los generadores de corriente alterna para ciertas aplicaciones, el devanado de armadura está en la parte estacionaria (estator). [2] Figura 2.1: La electricidad se genera combinando la suma de movimientos de los flujos [1] 7
  • 18. 2.2 Forma como trabajan los generadores Para estudiar la forma como convierten los generadores la energía mecánica en energía eléctrica, se puede usar la siguiente figura, que representa un generador elemental, en donde el campo magnético principal viene de un par de imanes permanentes. Obsérvese que la cara del polo norte se encuentre en frente de la cara del polo sur, la forma curvada de los polos produce el campo más intenso. La bobina de la armadura esta devanada sobre el rotor, cada extremo de esta bobina esta fijo a su propia banda metálica, estas bandas se llaman anillos rozantes y es donde aparece el voltaje generado. Figura 2.2: En los generadores de C.A. pequeños, el voltaje se genera en la armadura. [1] Para colectar el voltaje generado, se debe tener una trayectoria eléctrica de los anillos rozantes a las terminales del generador, esto se hace con pequeñas piezas metálicas o de carbón llamadas escobillas, que se encuentran fuertemente fijas a los anillos rozantes por medio de resortes, en la medida que la bobina gira, los conductores cortan el campo magnético, esto produce el voltaje inducido en la bobina. 8
  • 19. 2.3 Operación de un generador La operación básica de un generador de corriente alterna consiste de una espira de alambre que se encuentra libre para girar en un campo magnético, a la espira de alambre se le llama armadura y al campo magnético se le llama el campo, la armadura se gira por un elemento que se denomina primotor, que dependiendo de la fuente primaria de energía, aplicación y uso, puede estar accionada por agua, vapor, turbinas de viento o motores a gasolina o diesel. La espira de la armadura se conecta a anillos rozantes, que a través de las escobillas se conectan por conductores al exterior, en la medida que la armadura gira en el campo, se genera un voltaje que se conecta al exterior para alimentar un circuito al cual se conectan las cargas. Los generadores de corriente alterna se conocen también como alternadores. Figura 2.3: Cuando la armadura de un generador de corriente alterna hace una rotación completa a través del campo magnético, sucede lo siguiente: [1] 9
  • 20. Cuando la armadura alcanza la posición 2, la espira (armadura) se mueve en forma perpendicular al campo magnético, por lo tanto, corta el máximo número de líneas por segundo. Cuando gira la armadura y pasa la posición 2, el voltaje cae cuando ya no está perpendicular al campo magnético. Al alcanzar la armadura la posición 3, su movimiento es otra vez paralelo al campo y el voltaje de salida vuelve a ser cero. Cuando la armadura gira de la posición 3 a la 4, el voltaje vuelve a alcanzar el máximo valor. Cuando la armadura completa su rotación y pasa a la posición 4, el voltaje cae a cero otra vez. El voltaje generado se aplica a la carga externa alimentada a través de un transformador o tableros, como se muestra en la figura: Figura 2.4: Generador alimentado a la carga a través de un transformador o un tablero [1] 10
  • 21. 2.4 Componentes de un generador de corriente alterna Las principales componentes de un generador de corriente alterna, son las siguientes: Estator Rotor Sistema de enfriamiento Excitatriz Conmutador. Estator Los elementos más importantes a considerar como parte de las componentes del estator de un generador de corriente alterna, son las siguientes: Componentes mecánicas Sistema de conexión en estrella Sistema de conexión en delta Componentes mecánicas Las componentes mecánicas de un generador de C.A. son las siguientes: La carcasa El núcleo Las bobinas La caja de terminales. Sistema de conexión en estrella Los devanados del estator de un generador de C.A. están conectados generalmente en estrella, en la siguiente figura 2.5. T1, T2, T3 representan las terminales de línea (al sistema) y T4, T5, T6 son las terminales que unidas forman el neutro. 11
  • 22. Figura 2.5: Generador conectado en estrella [2] Sistema de conexión en delta La conexión delta se hace conectando las terminales 1 a 6, 2 a 4 y 3 a 5, las terminales de línea se conectan a 1, 2 y 3, con esta conexión se tiene con relación a la conexión estrella, un voltaje menor, pero en cambio se incrementa la corriente de línea. Figura 2.6: Generador conectado en delta [2] 12
  • 23. El rotor Para producir el campo magnético sobre el rotor se utilizan polos que consisten de paquetes de laminaciones de fierro magnético (para reducir las llamadas corrientes circulantes) con conductores de cobre arrollados alrededor del hierro, estos polos están excitados por una corriente directa. Los polos del rotor se arreglan por pares localizados o separados 180°. Desde el punto de vista constructivo, los rotores se construyen del tipo polos salientes (baja velocidad) o rotor cilíndrico (alta velocidad). [3] Figura 2.7: Rotor cilíndrico y rotor de polos salientes [3] En el rotor se encuentran alojados las bobinas del devanado de campo que inducen el voltaje en el devanado de armadura, en donde se encuentran las bobinas que determinan si el generador es monofásico o trifásico. 2.5 Consideraciones de selección de grupos electrógenos Cuando se selecciona un grupo electrógeno deben considerarse los siguientes factores: Tipo de carga Pasos de carga Equilibrio de carga Generadores o Aumento de temperatura o Paso o Gama de voltaje 13
  • 24. 2.5.1. Tipos de carga Todas las cargas son diferentes en sus necesidades de calidad de potencia. Una simple bombilla de luz incandescente no exige potencia de calidad alta. La cantidad de luz disminuirá proporcionalmente para el voltaje, pero la onda de frecuencia y voltaje libre de distorsión no es significativo. Otras cargas son sensibles a las variables de voltaje. Las cargas generalmente se definen como lineales y no lineales. Uno de los primeros pasos es separar las cargas en lineales y no lineales. La Tabla 2.1 proporciona ejemplos de cargas lineales y no lineales. Ondas de Flujo de corriente voltaje y Ejemplos corriente Lineal Proporcional al Onda sinusoidal Bombillas de luz voltaje incandescente. Motores sincrónicos y de inducción. Dispositivos electromagnéticos. Calentadores de resistencias. No lineal No proporcional al Pulsos Rectificadores controlados voltaje de silicio. Mandos de velocidad variable. Suministros de potencia ininterrumpidas. Cargadores de batería. Luz fluorescentes. Tabla 2.1: Cargas lineales y no lineales [4] Cargas lineales Las cargas lineales se definen como cargas de corriente alterna (CA), que hacen fluir la corriente proporcional al voltaje. Hacen fluir la corriente de manera uniforme, en ondas sinusoidales durante todo el ciclo. La carga puede ser resistiva, inductiva (factor de 14
  • 25. potencia de inducción) o carga capacitiva (factor de potencia de conducción) Independiente del tipo, el flujo de potencia en una carga lineal será sinusoidal. Las formulas eléctricas convencionales para determinar las características eléctricas, como la caída de voltaje, la medición del flujo de corriente, el consumo de potencia y los valores de calentamiento se aplican a las cargas lineales y se asume que no hay distorsión de voltaje y ondas de corriente.[4] Cargas no lineales Una carga eléctrica que cambia o modifica la onda de corriente o voltaje que no es sinusoidal es una carga no lineal. Una carga que hace fluir la corriente en pulsos es una carga no lineal. El desarrollo y la aplicación de componentes electrónicos de estado sólido han aumentado las cargas eléctricas no lineales. Los semiconductores, especialmente los rectificadores controlados de silicio (SCR) tienen la capacidad de "conectarse" o comenzar la transmisión en cualquier punto durante la onda de voltaje aplicada y de trazar pulsos instantáneos de corriente. Estas demandas de pulsos instantáneos resultan en armónicas, que a su vez resultan en cargas no lineales. Otra fuente de cargas de flujo de corriente no sinusoidal es el equipo magnético saturado, como los transformadores de balastro fluorescente y los reguladores de reactor de núcleo saturado. Todos estos dispositivos requieren corriente, que no pueden proporcionarse sin causar alguna distorsión al voltaje de fuente aplicado. Las cargas no lineales en el sistema pueden causar problemas para otras cargas. 2.5.2. Contenido de armónicas La desviación de una onda sinusoidal pura y simple puede expresarse como ondas de frecuencia sinusoidal adicionales, que son un múltiplo de la frecuencia generada. Estas frecuencias son conocidas como armónicas. Los generadores trifásicos son 15
  • 26. magnéticamente simétricos, lo que resulta en la cancelación de armónicas regulares, solo las armónicas irregulares son normalmente de cualquier significancia. Por ejemplo, una onda generada de 60 Hz tendrá 60 Hz fundamentales; 180 Hz, tercera armónica; 300 Hz, quinta armónica; 420 Hz, séptima armónica y así sucesivamente. La Tabla 2.2 muestra las armónicas regulares e irregulares de una onda generada de 60 Hz. En general, cuanto mayor sea el orden de armónicas, menor será la magnitud de la armónica. Fundamental 2ª 3ª 4ª 5ª 6ª 7ª 8ª 9ª 60 120 180 240 300 360 420 480 540 Tabla 2.2: Secuencia de frecuencia armónica [4] La Distorsión Armónica Total (THD) es la medición de la suma de todas las armónicas. La mayoría de cargas operaran con una THD de 15% a 20%. Sin embargo, las cargas con equipo electrónico sensible pueden desarrollar problemas con una THD mayor que 5%. Las cargas no lineales causan corrientes armónicas. Estas armónicas pueden causar problemas de control y calentamiento interno del generador, lo que limita su capacidad. En casos donde las cargas no lineales provocan un mayor calentamiento del generador, generalmente se usan dos técnicas para compensar esta situación. La reducción de potencia es un método y usar un generador de mayor tamaño para el requisito de kVA es otro método. Figura 2.8: Armónicas pares e impares [4] 16
  • 27. 2.5.3. Consideraciones del generador Calentamiento del generador Los generadores están diseñados para proporcionar una salida determinada a frecuencias fundamentales nominales de 50 Hz o 60 Hz. Las consideraciones de diseño incluyen hacer el uso más efectivo del material activo para cumplir con los límites aceptables de aumento de temperatura. Impacto de reactancia del generador La reactancia subtransitoria (X”d) es un indicador principal de la cantidad de distorsión armónica creada por una carga no lineal. La corriente reacciona con impedancia y causa la caída de voltaje. La reactancia interna de un generador para cambio de corriente instantánea es la reactancia subtransitoria de eje directo (X”d). Un generador con el menor X”d por valor unitario de una carga determinada, tendrá típicamente el menor valor de la distorsión armónica total en condiciones de carga no lineal. [4] La reactancia interna de un generador debido a la línea a neutral o la carga no equilibrada es la reactancia de secuencia cero (Xo). Las armónicas de orden 3, producidas por la carga no se cancelaran en neutral y el resultado será el flujo de corriente neutral, incluso con cargas equilibradas. Si la carga genera tercera armónicas, la corriente neutral puede volverse un poco mayor. El generador realmente tolerara una cantidad medianamente grande de flujo de corriente de tercera armónica en el neutral con un aumento moderado de calor del generador. Con frecuencia, los generadores más pequeños (generalmente por debajo de 100 Kw) suministran potencia a la carga directamente a 208/120 voltios con una conexión de estrella. En cualquier momento que las cargas estén conectadas directamente al generador, línea a neutral, las posibilidades de corriente de tercera armónica deben considerarse. [5] 17
  • 28. Distorsión de onda Las distorsiones de onda son mayores en un grupo electrógeno que cuando las cargas están conectadas a la potencia de la central. Un generador puede compararse con otros por el nivel de distorsión cuando opera a carga plena. Debido a que las cargas mas grandes aumentan las armónicas, la carga plena debe usarse para comparación precisa. Generalmente, se especifica una THD igual o menor que 5%, con no más de 3% de cualquier armónica. Un generador puede tener 5 a 100 veces más reactancia subtransitoria que el transformador de una fuente normal. En consecuencia, las cargas no lineales que trabajan bien en la empresa de energía eléctrica, pueden reaccionar completamente diferente cuando reciben potencia de un grupo electrógeno. Puede ayudar en algo el uso de un generador de mayor tamaño para reducir la reactancia. Sin embargo, obtener una reducción significativa de la reactancia generalmente no resulta económico. Los motores, en particular, actúan como absorbedores de irregularidades de voltaje momentáneas y reducen el contenido de armónicas de la línea. Generalmente, las funciones de respaldo del área de informática, como los sistemas HVAC1, los sistemas de agua enfriada, los sistemas de protección contra incendios y la iluminación del salón también deben conectarse al grupo electrógeno auxiliar. Determinación de la distorsión Debe realizarse una revisión del sistema de distribución del grupo electrógeno completo para determinar si hay cargas que requieran una fuente con onda de distorsión baja. A menos que el sistema del grupo electrógeno sea grande, es muy común para otras cargas compartir un generador común con el UPS. Si se sospecha de cargas sensibles a la distorsión, debe contactarse a un asesor o a un diseñador del sistema de distribución que conozca el efecto adverso y como evitar la distorsión armónica. Para calcular la distorsión 1 Sistema HVAC: (Heating, Ventilating and Air Conditioning) Métodos y técnicas que estudian y trabajan sobre el tratamiento del aire en cuanto a su enfriamiento, calentamiento, deshumidificación, calidad, movimiento, entre otras cosas. 18
  • 29. armónica total en un punto del sistema de distribución, el asesor requiere tener acceso a los datos del sistema, como reactancia subtransitoria y clasificación kVA del generador y cualquier otra máquina giratoria, reactancia y resistencia de transformadores, cables y otros elementos del circuito, así como características de la distorsión no lineal que produce el dispositivo. El impacto del paso del generador en las corrientes armónicas generadas por la carga depende en gran medida de la configuración del sistema. Esto generalmente tampoco tiene consecuencias, excepto en casos especiales. Cuando se proporciona suministro a cargas no lineales que no tienen conexión a neutral, el paso de la bobina no afecta la distorsión de onda del voltaje. Paso del generador Los generadores no producen una onda sinusoidal perfecta. Por tanto, se generan algunas armónicas. Para producir voltaje, un generador sincrónico tiene una estructura excitada por corriente continua (CC) que consta de polos magnéticos norte y sur alternos, generalmente en el miembro giratorio del generador o del rotor. El campo magnético producido barre el inducido (generalmente el estator) e induce voltaje en las bobinas ubicadas en las ranuras del inducido. Cuando la distribución de cada una de estas bobinas es exactamente igual a la distribución de los polos de campo norte y sur, el flujo magnético máximo es contenido por la bobina y se produce el voltaje máximo. Esta posición de las bobinas se conoce como devanado de "paso completo" Muy pocas maquinas tienen devanado de paso completo debido a que el devanado requiere excesivas vueltas de alambre de cobre ya que proporciona poco control de armónicas. La mayoría de los generadores tienen devanados de paso fraccionado. La magnitud y la frecuencia de las armónicas generadas por la maquina variaran con el factor de paso y otros parámetros de diseño. Selección de voltaje del grupo electrógeno Para la selección de voltaje de un grupo electrógeno se toma como referencia la marca Caterpillar que identifica tres tipos de voltaje: Bajo 19
  • 30. Mediano Alto El voltaje bajo es el voltaje de un nivel local o parcial de un sitio. 600 V o menos con 800 kVA es la gama de clasificación de voltaje bajo. El voltaje mediano es una clasificación de distribución de nivel bajo. Este voltaje se distribuye para suministrar potencia a sitios residenciales y otras instalaciones. 601 V a 5.000 V con 5 a 10 MVA es la gama para la clasificación mediana. El voltaje alto fluye en regiones y es el voltaje en la empresa de energía eléctrica o de la red nacional. 5.001 V a 15.000 V usados con MVA mayores que 10 se consideran alto voltaje. La Figura 2.9 muestra un voltaje frente al grafico kVA, indicando selecciones de voltaje bajo, mediano y alto. Dependiendo del tipo de voltaje aplicable ayudara a determinar el tamaño del grupo electrógeno requerido. Figura 2.9: Voltaje versus KVA [5] 20
  • 31. 2.6 Dimensionamiento de un grupo electrógeno 2.6.1. Parámetros del proyecto El primer paso en el dimensionamiento y la selección de un generador consiste en establecer los parámetros del proyecto. Carga/capacidad mínima del grupo electrógeno Operar un grupo electrógeno con una carga ligera puede causar daños al motor, lo que reduce su fiabilidad. En algunos generadores no se recomienda operar grupos electrógenos a menos del 30 por ciento de su carga clasificada. Los bancos de carga deben suplementar las cargas regulares cuando las cargas caen por debajo del valor recomendado. Máxima caída de voltaje de medida permisible A medida que reduce la máxima caída de voltaje de medida permisible durante el arranque inicial, cuando las cargas hacen su ciclo en controles automáticos o cuando las cargas más altas están funcionando, necesita incrementar el tamaño del grupo electrógeno especificado. Elegir una caída de voltaje permisible más baja requiere un grupo electrógeno más grande. Máxima caída de frecuencia de medida permisible A medida que reduce la máxima caída de frecuencia permisible, incrementa el tamaño del grupo electrógeno que necesita. Altitud y temperatura Basándose en la ubicación del sitio, el tamaño del grupo electrógeno debe incrementarse para un nivel de desempeño estipulado a medida que la altitud y la temperatura ambiental se incrementan. 21
  • 32. Ciclo de servicio El tamaño del grupo electrógeno también se ve influenciado por su aplicación, energía Standby, energía primaria o servicio público paralelo. Los sistemas de energía Standby por lo general no tienen capacidad de sobrecarga. Los sistemas de energía primaria por lo general tienen un mínimo de 10 por ciento de capacidad de sobrecarga. Los grupos electrógenos diseñados para operar en horarios prolongados con una carga constante y sostenida no deben operarse en exceso de la capacidad nominal continua. [6] Combustible La preferencia de gas, diesel, o gas LP afectará la elección del grupo electrógeno. A menudo los grupos electrógenos que funcionan con gas o gas LP deben tener tamaños más grandes de lo necesario debido a la disminución de capacidad. Los sistemas de emergencia, por lo general, deben abastecerse con combustible que se almacene localmente. Fase Elija monofásica o trifásica. La selección trifásica permite cargas monofásicas pero se asume que las cargas monofásicas se equilibrarán en las tres fases. Frecuencia Las frecuencias de trabajo son de 50 Hz o 60 Hz. Voltaje Las opciones de voltaje, por lo general, son una función de la frecuencia elegida. 2.6.2. Cargas El paso siguiente y el más importante en el dimensionamiento de un grupo electrógeno es identificar todos los tipos y tamaños de cargas a los que el grupo electrógeno dará energía. 22
  • 33. En general, cuando no hay presentes cargas no-lineales, quizás sea necesario elegir un alternador más grande de lo necesario. Factor de potencia (PF) Las inductancias y capacitancias en los circuitos de carga CA ocasionan que el punto donde la onda de corriente sinusoidal atraviesa el cero se adelante o atrase con respecto al punto donde la onda del voltaje atraviesa el cero. Cargas de capacitancia, motores sincrónicos sobreexcitados, etc. provocan el factor de potencia capacitivo, donde la corriente se adelanta con respecto al voltaje Figura 2.10. El factor de potencia inductivo, donde la corriente se atrasa con respecto al voltaje, es generalmente la situación y es un resultado de la inductancia del circuito. El factor de potencia es la relación de Kw a kVA y se expresa como una cifra decimal (0.8) o como un porcentaje (80%). Los grupos electrógenos trifásicos están clasificados para cargas de factor energético 0.8 FP y los grupos electrógenos monofásicos para cargas 1.0 FP. Los factores de potencia inferiores requieren alternadores o grupos electrógenos más grandes para soportar la carga correctamente. Se debe ser precavido siempre que se apliquen grupos electrógenos a cargas con factor de potencia capacitiva. Cargas con un factor de potencia ligeramente capacitiva pueden ocasionar que los grupos electrógenos pierdan el control del voltaje. Figura 2.10: Curva de capacidad de energía reactiva del alternador constante [6] 23
  • 34. Cargas monofásicas y desequilibrio de carga Las cargas monofásicas deben distribuirse tan equitativamente como sea posible entre las tres fases de un grupo electrógeno trifásico para utilizar la capacidad del grupo electrógeno por completo y limitar el desequilibrio. Cargas pico Las cargas pico son causadas por cargas que se encienden y apagan en ciclos, como por ejemplo en equipos para soldadura, equipos de imágenes de uso médico o motores. Considerar las cargas cíclicas puede incrementar significativamente el tamaño del grupo electrógeno recomendado a pesar de los grandes esfuerzos para colocar las cargas en una secuencia de arranque medida. Cargas de motor Calcular las cargas específicas de motores es algo que se hace mejor con programas de software para el dimensionamiento que convertirán los tipos de motores en requerimientos de carga para el arranque y la operación. Para esta discusión, sin embargo, es suficiente caracterizar en grandes rasgos las cargas como cargas de alta inercia o baja inercia a fin de determinar la potencia del motor necesaria para las cargas de arranque y aceleración del motor. Las cargas de baja inercia Incluyen ventiladores y ventiladores centrífugos, compresores giratorios y bombas giratorias y centrifugas. Las cargas de alta inercia Incluyen elevadores, bombas de cilindros únicos o múltiples, compresores de cilindros únicos o múltiples, trituradoras para rocas y bandas transportadoras. 24
  • 35. Motores de más de 50 HP Un motor grande que arranca inicialmente con un grupo electrógeno representa una carga de baja impedancia mientras esté en una condición de rotor fijo o detenido. El resultado es una alta corriente de inserción, por lo general, seis veces la corriente nominal del motor (operación). Esta alta corriente de inserción ocasiona la caída de voltaje en el generador que puede afectar otros sistemas. La manera en que el voltaje del generador se recupera de esta caída es una función de los tamaños relativos del generador, el motor, la potencia del motor (capacidad en Kw) y la capacidad de fuerza de excitación del generador. Dependiendo de la severidad de la carga, el generador debe tener un tamaño suficiente para recuperarse al voltaje clasificado en unos cuantos segundos, si no en ciclos. Hay varios tipos de arrancadores de motores de voltaje reducido disponibles para reducir el kVA inicial de un motor en aplicaciones donde el torque reducido del motor sea aceptable. Reducir el kVA inicial del motor puede reducir la caída del voltaje, el tamaño del grupo electrógeno y brindar un arranque mecánico más suave. Sin embargo, estos métodos de arranque solamente deben aplicarse en cargas de motores de baja inercia a menos que pueda determinarse que el motor producirá un torque de aceleración adecuado durante el arranque. Motores accionados por variadores de frecuencia (VFD) Los accionamientos de frecuencia variable (o velocidad variable) se aplican a cargas no lineales, que se emplean para controlar la velocidad de motores de inducción, inducir distorsión en el voltaje de salida del generador. Se requieren alternadores más grandes para prevenir el sobrecalentamiento debido a las corrientes armónicas inducidas por el VFD y para reducir la distorsión de voltaje del sistema al disminuir la reactancia del alternador. Por ejemplo, las cargas VFD en un generador deben ser menos de aproximadamente el 50 por ciento de la capacidad del generador para limitar la distorsión armónica total a menos del 15 por ciento. 25
  • 36. 2.6.3. Otras cargas Cargas de suministro de energía ininterrumpibles (UPS) Un sistema UPS utiliza un rectificador controlado con silicio u otros dispositivos estáticos para convertir el voltaje CA en voltaje CC para cargar baterías de almacenamiento y son otro tipo de carga no lineal. Se requieren alternadores más grandes para prevenir el sobrecalentamiento debido a las corrientes armónicas inducidas por los rectificadores y para limitar la distorsión de voltaje del sistema al disminuir la reactancia del alternador. Problemas anteriores de incompatibilidad entre los grupos electrógenos y los dispositivos UPS estáticos crean muchos malos entendidos sobre el dimensionamiento de grupos electrógenos para este tipo de carga. La mayoría de los fabricantes de UPS han solucionado estos problemas y, actualmente, es más rentable requerir dispositivos UPS que sean compatibles con el grupo electrógeno que tener un generador significativamente más grande que lo necesario para el UPS. Utilice la clasificación total de la placa de identificación del UPS para determinar la carga para permitir capacidad suficiente para cargar la batería fija del generador y tolerar la capacidad total de carga UPS. Cargas del cargador de batería Un cargador de batería es una carga no lineal que requiere un alternador grande en base al número de rectificadores (pulsos), hasta 2.5 veces la carga de operación constante para tres pulsos; hasta 1.5 veces la carga de operación constante para 12 pulsos. Por lo general, estas cargas se encuentran en sistemas de telecomunicaciones. Cargas de equipos para imágenes de uso médico Incluyen equipos para tomografías computarizadas, resonancias magnéticas y rayos X. El grupo electrógeno debe tener un tamaño que limite la caída del voltaje a 10 por ciento cuando el equipo de imágenes para uso médico se opera con todas las otras cargas en ejecución para proteger la calidad de las imágenes. 26
  • 37. Cargas de iluminación Además de los voltajes de los focos, se deben considerar los voltajes de balastros y los factores energéticos de arranque y operación. Cargas regenerativas Para cargas como las de elevadores, grúas y montacargas, se depende a menudo de la fuente de energía para que absorba la energía durante el frenado. Por lo general, no es un problema cuando el servicio público suministra la energía porque se puede considerar como una fuente de energía infinita con muchas cargas. Un grupo electrógeno, en comparación, es capaz de absorber mucha menos energía, especialmente sin otras cargas conectadas. [7] Por lo general, el problema de regeneración se puede resolver asegurándose que haya otras cargas conectadas que puedan absorber la energía regenerativa. Una carga regenerativa excesiva puede ocasionar que un grupo electrógeno acelere en exceso y se apague. 27
  • 38. III. CONTROLADORES LOGICOS PROGRAMABLES Las empresas de hoy, que están pensando en el futuro, se encuentran provistas de modernos dispositivos electrónicos en sus maquinas y procesos de control. Hoy las fábricas automatizadas deben proporcionar en sus sistemas, alta confiabilidad, gran eficiencia y flexibilidad. Una de las bases principales de tales fábricas es un dispositivo electrónico llamado Controlador Lógico Programable. Este dispositivo fue inicialmente introducido en 1970 y se ha ido refinando con nuevos componentes electrónicos, tales como Micro-procesadores de alta velocidad, agregándole funciones especiales para el control de proceso más complejos. Hoy los Controladores Programables son diseñados usando lo último en diseño de Micro-procesadores y circuitería electrónica lo cual proporciona una mayor confiabilidad en su operación en aplicaciones industriales donde existen peligro debido al medio ambiente, alta repetitividad, altas temperaturas, ruido ambiente o eléctrico, suministro de potencia eléctrica no confiable, vibraciones mecánicas etc. [8] Este medio ambiente es el cual el Control Lógico Programable se encuentra en su elemento, ya que fue diseñado y concebido para su uso en el medio ambiente industrial. Los Controladores Lógicos Programables, PLC como ellos son comúnmente llamados, ofrecen muchas ventajas sobre otros dispositivos de control tales como relevadores, temporizadores electrónicos, contadores y controles mecánicos como del tipo tambor. 3.1 Estructura básica de un PLC Está constituido por un conjunto de tarjetas o circuitos impresos, sobre los cuales están ubicados componentes electrónicos integrados. Cuando el controlador es del tipo modular, las diferentes tarjetas que tienen funciones específicas, quedan alojadas en racks2 agrupadas convenientemente para un funcionamiento en conjunto. Asimismo, todas las 2 Rack: Bastidor donde alojan un conjunto de tarjetas en forma ordenada, que por lo general están comunicadas. 28
  • 39. tarjetas están conectadas a través de elementos de bus3, que son circuitos por donde fluye la información y generalmente se encuentran en la parte posterior. El controlador programable tiene la estructura típica de muchos sistemas programables, como por ejemplo una microcomputadora. La estructura básica del hardware de un controlador programable propiamente dicho está constituido por: Fuente de alimentación Unidad de procesamiento central (CPU) Módulos o interfaces de entrada/salida (E/S) Módulos de memoria Unidad de programación En la figura se muestra un diagrama de bloques de la estructura básica de un automatismo gobernado por un PLC. Sensores Proceso Actuadores Interface CPU Interface de entrada de salida Unidad de programación Figura 3.1: Diagrama de bloques de un PLC gobernando un proceso [8] 3 Elemento del bus: Dispositivo de cableado en capas paralelas que unen los diferentes subconjuntos que constituye el PLC. 29
  • 40. 3.2 Criterios para la selección de PLCs Cuando se tiene la responsabilidad de seleccionar un PLC, se debe contar con toda la información necesaria respecto al sistema que se desea automatizar. La funcionalidad de los PLCs y diversidad de tareas de automatización, nos permiten aseverar que seleccionar un PLC puede ser tarea tan sencilla como también muy compleja. Por ello, dependerá básicamente de los criterios que decida el técnico para elegir un óptimo equipo que cumpla con las características técnicas y económicas para el sistema. Como es obvio, todo fabricante o representante tiene por lo general una solución a los problemas con el uso de sus equipos, donde para ellos siempre será la mejor alternativa. Sin duda, todo equipo tiene sus bondades, es difícil y hasta posible que no exista equipo malo, lo malo para un equipo se origina cuando se selecciona para las condiciones no diseñadas, o cuando el tipo o tamaño no cubre tareas de mayor nivel. [9] Por otro lado, para elegir un PLC se debe tener en cuenta varios criterios, considerándose unos de mayor importancia que otros, para ello se dividirá en criterios fundamentales, secundarios y económicos siendo el primero y el último los más importantes sin desmerecer los secundarios. 3.2.1. Criterios técnicos fundamentales Son todas aquellas decisiones de selección que se basan en datos técnicos de hardware y software del PLC, que en algunos casos son suficientes para cubrir una gran cantidad de aplicaciones del tipo general. Esta información se encuentra en catálogos y/o manuales del fabricante. Se recomienda no asumir parámetros de los equipos sin confirmar, es obligatorio recurrir a estos catálogos o pedir la información a su representante. 30
  • 41. Fuente de alimentación Datos técnicos Tipo de corriente AC/DC Nivel de tensión Valor nominal: (Vn) Margen admisible: (0,85 … 1.2) Vn Potencia admisible Expresado en (W) Frecuencia de la red Valor nominal: (50/60 Hz) Margen admisible: ± 5% Capacidad de corriente Condiciones ambientales Temperatura: (°C) Humedad (%)/ sin condensación Índice de protección Cuando se estima la potencia de la fuente, se debe considerar los consumos de las siguientes cargas. CPU Módulos de E/S (discreta/análoga) Módulos inteligentes Ampliaciones futuras Otros. 31
  • 42. Unidad de procesamiento central (CPU) Datos técnicos Capacidad de memoria Total: (Kb) Interna RAM: (Kb) o (instrucciones) Módulos de memorias: EPROM/EEPROM Tiempo de ejecución (SCAN TIME) De cada operación binaria: (us) De cada operación tipo palabra: (us) De una operación mixta: 35% binarias + 65% palabras (us) En cada caso estos varían según el fabricante. Tiempo de vigilancia de ciclo Perro guardián: (ms) Cantidad de E/S discretas Cantidad de E/S análogas Cantidad de memorias internas Total Remanentes No remanentes Cantidad de temporizadores Cantidad de contadores Cantidad de entradas de alta frecuencia Cantidad de contadores de alta frecuencia Tipos de módulos inteligentes Otras funciones Registrador de datos Secuenciador Operaciones digitales 32
  • 43. Operaciones aritméticas Comparadores Saltos, etc. Reloj-calendario Algoritmo de regulación PID Canales de comunicación Posibilidad de integración de red Condiciones ambientales Temperatura en montaje vertical/horizontal: (°C) Humedad: (%) Con estos datos la CPU debe satisfacer los requerimientos del sistema actual y a futuro. Entradas discretas Datos Técnicos Cantidad de entradas discretas Tipo de corriente AC/DC Nivel de tensión nominal (V) Intensidad de corriente (mA) Temperatura ambiente admisible (°C) Es recomendable usar entradas discretas en DC por razones de seguridad y económicas en lugar de entradas en AC. 33
  • 44. Salidas discretas Datos Técnicos Cantidad de salidas discretas Tipo de corriente AC/DC (Tipo: transistor, relé o Triac) Nivel de tensión Valor nominal: (V) Valores más usuales: 24 VDC, 110/115 VAC, 220/230 VAC. Capacidad admisible de Corriente: (mA, A) Potencia: (W)/DC, (VA)/AC Condiciones ambientales de temperatura (°C) Entradas / salidas analógicas Datos técnicos Cantidad de entradas/salidas analógicas Tipo de señal En corriente: (mA) / (0-20) mA, (4-20)mA, etc. En tensión: (V)/ (0-2) V, (0-5) V, (0-10) V, ± 10V, etc. Resistencia de entrada (MΩ), (entradas análogas) Resistencia de carga (Ω), (salidas análogas) Resolución (N° de Bits + signo)/ 8, 12, 16 bits Tiempo de escrutinio 34
  • 45. (ms / 50Hz, ms / 60Hz) Corriente/tensión de entrada admisible máxima (mA/V), (entradas análogas) Corriente de corto circuito (mA), (salidas análogas) Módulos inteligentes Se tienen de diferentes tipos tales como: Modulo de temporizadores Modulo de contadores Modulo de regulación PID Modulo de posicionamiento Controlador de motores paso a paso Módulos de comunicación, etc. Lenguaje de programación Cada fabricante tiene su propio lenguaje de programación, cuya representación varía de acuerdo a la marca, así tenemos: Lista de instrucciones Texto estructurado Plano de funciones y Diagrama escalera o diagrama de contactos Siendo esta última representación la más difundida en la mayoría de PLCs, pudiendo tener ciertas funciones que no están presentes en las otras o viceversa. Se debe evaluar que el lenguaje de programación tenga capacidad para programar fundamentalmente requerido por el sistema, así por ejemplo: 35
  • 46. E/S analógicas Registrador de datos Secuenciadores Operaciones aritméticas: +, -, ×, ÷, √ Comparadores: >, <, ><, ≥, ≤, = Saltos Algoritmos PID Comunicación punto a punto y multipunto Reloj-calendario SFC (grafcet), etc. Sistema de configuración Configuración compacto Configuración modular Configuración compacto-modular Soporte técnico Esta parte es muy importante, ya que el fabricante o distribuidor debe dar toda la garantía para una máxima disponibilidad del equipo, para ello debe disponer: Repuestos: la totalidad de las partes y accesorios de preferencia. Catálogos y manuales Servicio técnico de: Mantenimiento Programación Asesoramiento a la orden 36
  • 47. 3.2.2. Criterios técnicos secundarios Además de los criterios fundamentales, existen otros criterios que complementan la selección de los PLCs asegurando una mejor utilización del controlador. Esta información también se obtiene, generalmente, de manuales y catálogos. Uno de los elementos secundarios es la capacitación, que en algunos casos no es tan fácil obtenerlo en el mismo lugar de la compra del equipo. No obstante, es importante considerarlo al tomar una decisión. Por último, hay situaciones en que no es necesario conocer la totalidad de estos criterios mencionados por la simplicidad del sistema. A continuación los siguientes criterios a tomar en cuenta. Dimensionamiento del Rack Configuración redundante Capacitación 3.2.3. Criterio económico El avance acelerado de los Microcontroladores hace posible que el diseño de la mayoría de los PLCs, satisfagan los requerimientos de los sistemas a controlar, esto significa, que aplicando los pasos para seleccionar un PLC mediante criterios técnicos es obvio que tendremos varias posibilidades de marcas a escoger, quedando por aplicar el criterio económico para la decisión final. Antes de esta decisión recuerde que: No necesariamente el más barato es la mejor alternativa, piense en la calidad y prestigio de la marca. Es evidente que equipos de renombre cuesten más. No es recomendable tener uno o varias marcas de PLC, lo ideal sería dos marcas. Tenga presente que algunos equipos vienen con su PLC incluido como parte de su automatización, esto escapa a las recomendaciones dadas. 37
  • 48. 3.3 Áreas de aplicación El PLC, por sus especiales características de diseño, tiene un campo de aplicación muy extenso. La constante evolución del hardware y software amplía continuamente este campo, para poder satisfacer las necesidades que se detectan en el espectro de sus posibilidades reales. Su utilización se da, fundamentalmente, en aquellas instalaciones en donde es necesario realizar procesos de maniobra, control, señalización, etc. Por tanto, su aplicación abarca desde procesos de fabricación industrial de cualquier tipo, hasta transformaciones industriales, control de instalaciones, etc. [10] Sus reducidas dimensiones, la extremada facilidad de su montaje, la posibilidad de almacenar los programas para su posterior y rápida utilización, la opción de modificarlos o alterarlos, hace que su eficacia se aprecie, fundamentalmente, en procesos en que se producen necesidades tales como: espacio reducido, procesos de producción periódicamente cambiantes, procesos secuenciales, maquinaria de procesos variables, instalaciones de procesos complejos y amplios, chequeo de programación centralizada de las partes del proceso. Ejemplos de aplicaciones generales podrían ser los siguientes: Máquinas: industria del mueble y madera, procesos de grava, arena y cemento, industria del plástico, máquinas- herramientas complejas, 38
  • 49. procesos textiles y de confección, ensamblaje, transfer. Instalaciones de: aire acondicionado, calefacción, seguridad, frío industrial, almacenamiento y trasvase de cereales, plantas embotelladoras, tratamientos térmicos, plantas depuradoras de residuos, cerámica. Señalización y control: chequeo de programas, señalización del estado de procesos. 3.4 LOGO! 12/24 RC LOGO! es el módulo lógico universal de Siemens, su entorno amigable y bajo costo lo hace uno de los mejores en el mercado. Cuenta con ocho entradas (seis digitales y 2 análoga/digital) y con cuatro salidas de relés de 230V a 10A, además de un reloj de temporizador semanal integrado. Se puede alimentar con 12 VDC o 24 VDC. Este modelo lleva integrados: Control Unidad de operación y visualización Fuente de alimentación 39
  • 50. Interfase para módulos de programa y cable de PC Ciertas funciones básicas usuales en la práctica, por ejemplo para activación/desactivación retardada y relé de impulsos Reloj temporizador Marcas binarias Determinadas entradas y salidas según el tipo del equipo Estructura del logo En la figura se muestra la distribución de las partes que se debe tener en cuenta para trabajar. Figura 3.2: Estructura del LOGO! [11] 1) Alimentación de tensión 2) Entradas 3) Salidas 4) Receptáculo de modulo con revestimiento 40
  • 51. 5) Panel de manejo 6) Display LCD 3.4.1. LOGO!Soft Comfort V6.1 Existen dos formas de programar el PLC, una es ingresando los parámetros manualmente a través del display y la otra usando el software, esta última es mucha más sencilla además de contar con las opciones de simular y poder cargar el programa de la PC al Logo. Descripción general de la interfaz de usuario Interfaz de usuario y entorno de programación Al abrir LOGO!Soft Comfort V6.1 aparece la interfaz de usuario vacía. Luego para elegir un nuevo entorno de trabajo, se puede acceder a través del icono o de la barra de menú como se muestra en la figura 3.3. Figura 3.3: Nuevo programa Como resultado: LOGO!Soft Comfort creará un nuevo programa vacío. Ahora puede ver la interfaz de usuario completa de LOGO!Soft Comfort. La mayor parte de la pantalla la ocupa entonces el área dedicada a la creación de esquemas de conexiones. Esta área se denomina interfaz de programación. En la interfaz de programación se 41
  • 52. disponen los símbolos y enlaces del programa. Para no perder la vista de conjunto, especialmente en el caso de programas grandes, en los extremos inferior y derecho de la interfaz de programación se dispone de barras de desplazamiento que permiten mover el programa en sentido horizontal y vertical. A continuación se detalla las principales herramientas más utilizadas, y su respectiva ubicación. Figura 3.4: Entorno de LOGO!Soft Comfort V6.1 [12] 1) Barra de menús 2) Barra de herramientas “estándar” 3) Interfaz de programación 4) Ventana de información 5) Barra de estado 42
  • 53. 6) Constantes y conectores Funciones básicas (solo editor FUP) Funciones especiales 7) Barra de herramientas “Herramientas” Barra de menús En la parte superior de la ventana de LOGO!Soft Comfort se encuentra la barra de menús. Ésta contiene los distintos comandos para editar y gestionar los programas, incluyendo también ajustes predeterminados y funciones para transferir el programa al LOGO!. Barras de herramientas LOGO!Soft Comfort provee tres barras de herramientas, a saber: Barra de herramientas "Estándar" Barra de herramientas "Herramientas" Barra de herramientas "Simulación" Barra de herramientas "Estándar" La barra de herramientas "Estándar" se encuentra por encima de la interfaz de programación. Al iniciar LOGO!Soft Comfort aparece una barra de herramientas "Estándar" reducida a las funciones esenciales. La barra de herramientas "Estándar" proporciona acceso directo a las principales funciones de LOGO!Soft Comfort. La barra de herramientas "Estándar" completa aparece tan pronto como se accede a un programa para su edición en la interfaz de programación. 43
  • 54. Figura 3.5: Barra de herramientas Barra de herramientas "Herramientas" La barra de herramientas "Herramientas" se encuentra en el borde izquierdo de la pantalla. Los botones dispuestos en esta barra permiten cambiar a diferentes modos de edición para crear o procesar programas de forma rápida y sencilla. La barra de herramientas "Herramientas" se puede seleccionar y mover con el ratón. Si cierra la barra de herramientas "Estándar", ésta permanecerá siempre acoplada a la barra de menús. Figura 3.6: Herramientas 44
  • 55. En el editor KOP no existe el botón "Funciones básicas (GF)", ya que las combinaciones lógicas "AND" y "OR" se realizan en KOP conectando los distintos bloques. Barra de herramientas "Simulación" Esta barra de herramientas sólo es relevante para la simulación de programas. El icono de simulación se encuentra en la barra de herramientas situada al lado izquierda, una vez presionado se muestran las demás herramientas. Figura 3.7: Barra de simulación 1) Icono de simulación 2) Herramientas de simulación (Red, iniciar simulación, detener simulación, Detener/ continuar y ejecutar simulación paso a paso) 3) Indicadores de salidas de bobina y marcas, mediante focos. 4) Parámetros de simulación 45
  • 56. Ventana de información La ventana de información muestra información e indicaciones. En la barra de menú la opción herramientas seguido de determinar LOGO! o su acceso más rápido presionando la tecla F2, se visualiza los recursos empleados como numero de entradas usadas, bloques de función etc. Todo está lista se aprecia en la ventana de información. Barra de estado La barra de estado se encuentra en el borde inferior de la ventana de programa. Aquí se proporciona información acerca de la herramienta activa, el estado del programa, el factor de zoom ajustado, la página del esquema de conexiones y el dispositivo LOGO! seleccionado. Herramientas -> Transferir Requisito para la transferencia de datos En el menú Herramientas -> Opciones -> Interfaz debe estar ajustado el puerto serie a través del cual el LOGO! está conectado con el PC. En caso contrario, LOGO!Soft Comfort visualizará un aviso de error. El botón Seleccionar interfaz sirve para acceder desde cualquier ventana de transferencia a un cuadro de diálogo en el que puede ajustarse el puerto de comunicación. Si no ha ajustado aún ningún puerto o si ha ajustado el puerto incorrecto, puede indicar aquí a qué puerto del PC está conectado el LOGO!, o bien permitir que el sistema lo busque. Para más información sobre cómo conectar el LOGO! al PC a través de un puerto USB, consulte el manual de LOGO!. El LOGO! debe estar conectado con el PC por medio de un cable de PC, o bien ser accesible vía módem. El LOGO! no puede estar en modo RUN ni en modo de edición. 46
  • 57. Herramientas -> Transferir -> PC -> LOGO! Un programa creado en el PC con LOGO!Soft Comfort se transfiere a un LOGO!. El nombre con el que se debe transferir el programa al LOGO! se puede indicar en el menú Archivo -> Propiedades. LOGO!Soft Comfort utiliza el puerto especificado en Herramientas -> Opciones: Interfaz para transferir el programa. Para este comando de menú también existe un botón equivalente en la barra de herramientas "Estándar". Preparativos Antes de la transferencia se determina la versión mínima de LOGO! necesaria para el programa creado. En un LOGO! modular se pone a la disposición del programa básicamente toda la capacidad de entradas y salidas. Es responsabilidad del usuario que se hayan enchufado suficientes módulos de ampliación en el dispositivo base. Avisos de error Si el programa creado no puede transferirse al LOGO! disponible, aparece un aviso de error y se interrumpe la transferencia. Si se utiliza una versión de LOGO! desconocida, ello se notifica al usuario. Éste puede cancelar la transferencia o transferir el programa de todas maneras. Tras finalizar la transferencia correctamente, aparece un aviso en la barra de estado. Los avisos de transferencia se muestran en la barra de estado y en la ventana de información. Los avisos de error detallados se visualizan en la ventana de información. Contraseña Si ha definido una contraseña para el programa, antes de transferir éste al LOGO! se le solicitará que introduzca la contraseña. El programa se transfiere al LOGO! sólo si se ha introducido la contraseña correcta. 47
  • 58. IV. DISEÑO, SIMULACION E IMPLEMENTACIÓN En este capítulo se detalla cómo se implemento la etapa de control automático para poder lograr la transferencia de distintas fuentes generadoras de electricidad, tanto de la red eléctrica como la de generador hacia una misma carga. Para esto se emulo una transferencia usando componentes de similar funcionamiento pero a baja potencia, pudiendo comprobar el correcto funcionamiento de la lógica de control. Las herramientas a utilizar son LOGO!Soft Comfort V6.1, FluidSIM versión 3.6, CADe_SIMU versión 1.0 y PROTEUS. LOGO!Soft Comfort versión 6.1 con el cual se desarrollo la lógica de control, este software es compatible con el PLC, se desarrollo el programa en lenguaje ladder, se simulo y compilo para poder cargar el archivo hacia el PLC. Antes de comenzar a programar en lenguaje ladder, es necesario desarrollar un diagrama de control para poder comprobar la lógica de funcionamiento, debido a que el lenguaje ladder se basa en contactos, bobinas, temporizadores y otros elementos electromecánicos, FluidSim es una alternativa para poder comprobar el correcto funcionamiento de esta. CADe_SIMU versión 1.0, la ventaja de esta se basa en crear el diagrama de fuerza y control pudiendo simular ambos en un mismo entorno. PROTEUS está equipado con la herramienta ISIS (Intelligent Schematic Input System) para desarrollar diagramas esquemáticos, con el cual se desarrollo la etapa de alimentación del sistema de control. 48
  • 59. Diagrama de Flujo A continuación se detalla el principal funcionamiento con los dos modos a usar, manual y automático. A ¿Automático M o Manual? ¿Estado del NO ¿Red o G sensor d red? generador? R Temporizado Enciende Temporizado Temporizado r de 2 generador r de 2 r de 2 segundos segundos segundos Conmuta Temporizado Conmuta Conmuta KM1 a carga r de 5 KM1 a carga KM2 a carga segundos ¿Estado de NO Reinicia el sensor O encendido generado? del generador Temporizado r de 2 segundos Conmuta KM2 a carga Figura 4.1: Diagrama de Flujo 49
  • 60. 4.1 Softwares de simulación FluidSIM versión 3.6 Es una herramienta de simulación para la obtención de los conocimientos básicos de la neumática y funciona en el entorno Microsoft Windows. Una característica importante de FluidSIM es su estrecha relación con la función y simulación CAD. FluidSIM permite por una parte, un esquema DIN justo de diagramas de circuitos fluidos; por otra parte posibilita la ejecución- sobre la base de descripciones de componentes físicos- de una simulación plenamente explicativa. Con esto se establece una división entre la elaboración de un esquema y la simulación de un dispositivo práctico. Figura 4.2: FluidSIM V3.6 1) Barra de menús 2) Barra de herramientas 3) Biblioteca de componentes 4) Superficie de trabajo 50
  • 61. La figura 4.3 muestra las primeras pruebas de la lógica de control, para poder visualizar la conmutación entre la red eléctrica y el generador se utilizo válvulas que cumplían la función de los contactores. El modo de simulación de FluidSIM ofrece la facilidad de reproducir paso a paso, además de contar con las opciones de detener y pausar. Cuenta con la visualización de las corrientes que fluyen a través del conexionado, esta se observa por las líneas de color rojo que aparecen cuando recorre dicho flujo de corriente. Dando así una mayor facilidad para poder dar seguimiento a posibles errores. Figura 4.3: Diagrama de control Para este primer prototipo no se tomo en cuenta el accionamiento simultáneo de cualquier modo de funcionamiento, el cual producía inestabilidad y un posible corto circuito en la etapa de potencia. 51
  • 62. CADe_SIMU versión 1.0 Es un programa de CAD electrotécnico que permite insertar los distintos símbolos organizados en librerías y trazar un esquema eléctrico de una forma fácil y rápida para posteriormente realizar la simulación. El programa en modo simulación visualiza el estado de cada componente eléctrico cuando esta activado al igual que resalta los conductores eléctricos sometidos al paso de una corriente eléctrica. Por medio del interface CAD el usuario dibuja el esquema de forma fácil y rápida. Una vez realizado el esquema por medio de la simulación se puede verificar el correcto funcionamiento. A continuación se mencionan las principales librerías de simulación: Alimentaciones tanto de CA como de CC. Fusibles y seccionadores. Interruptores automáticos, interruptores diferenciales, relé térmico, y disyuntores. Contactores e interruptores de potencia. Motores eléctricos. Variadores de velocidad para motores de CA y CC. Contactos auxiliares y contactos de temporizadores. Contactos con accionamiento, pulsadores, setas, interruptores, finales de carrera y contactos de relés térmicos. Bobinas, temporizadores, señalizaciones ópticas y acústicas. Detectores de proximidad y barreras fotoeléctricas. Conexionado de cables unipolares y tripolares, mangueras y regletas de conexión. [15] 52
  • 63. Este software contiene una amplia cantidad de herramientas, pero las principales a tener en cuenta son: Figura 4.4: CADe_SIMU 1) Iconos de visualización 2) Icono para poder girar un componente 3) Iconos de simulación 4) Símbolos de elementos de cada categoría 5) Área de trabajo 53
  • 64. Una de las pruebas que se realizaron fue la simulación del diagrama de potencia y de control. Figura 4.5: Diagrama de fuerza y control Si bien presenta un entorno para un diseño exclusivamente para dispositivos electromecánicos además de poder contar con una implementación de diagrama de control y de fuerza, hay que tener en cuenta a la hora de hora de realizar el conexionado ya que aparenta estar conectado pero no es así, esto se logra cuando se crea un nodo entre dicha conexión. 54
  • 65. 4.2 Sistema de funcionamiento Diagrama de conexiones Figura 4.6: Diagrama de conexiones Para un mejor detalle de los diagramas de conexiones, de control y de potencia, estos se encuentran en los anexos. Nomenclatura del programa I1 Modo Manual (PM) I2 Pulsador de parada (STOP) I3 Relé térmico (RT) I4 Relé de monitoreo del generador (SG) I5 Relé de monitoreo de la red (SR) I6 Modo manual – Red (PMR) 55
  • 66. I7 Modo manual - Generador (PMG) I8 Modo automático (PA) M1 Marca del modo automático (EA) M2 Marca automática del sensor de red (EA-SR) M3 Marca automática de arranque del sensor generador (EAM-SG) M4 Marca del modo automático (EM) M5 Marca del modo manual de red (EMR) M6 Marca del modo manual del generador (EMG) M7 Marca de texto - Relé térmico (ERT-TXT) M10… M21 Marca de salida - texto Q1 Salida de red (KM1) Q2 Salida del Generador (KM2) Q3 Relé de arranque del generador (RAr) Q4 Indicador de Relé térmico (IRT) T007 Temporizador de Relé térmico de texto (TRT-TXT) T011 Temporizador de conmutación de red (TER) T012 Temporizado de conmutación del generador (TEG) T017 Temporizador de arranque (T-Ar) SF002 Texto Automático – Red (TXT-AR) SF003 Texto Automático – Generador (TXT-AG) SF004 Texto Manual – Red (TXT-MR) SF005 Texto Manual – Generador (TXT-MG) SF006 Texto de Relé Térmico (TXT-RT) SF008 Texto de parada del sistema (TXT-S) SF009 Texto de modo automático (TXT-A) SF010 Texto de modo manual (TXT-M) SF013 Texto Automático – Red apagado (TXT-AROF) SF014 Texto Automático – Generador apagado (TXT-AGOF) SF015 Texto Manual – Red apagado (TXT-MROF) SF016 Texto Manual – Generador apagado (TXT-MGOF) 56
  • 67. Cuando el sistema inicie, se podrá elegir dos modos de funcionamiento, manual o automático. Para ello se describirán los diferentes estados de funcionamiento. 4.2.1. Modo Automático Para este modo se verificara constantemente los estados de los sensores de monitoreo tanto de la red eléctrica como la del generador. Energizado del contactor de red y conmutación hacia la carga En la figura 4.7 se muestra la conmutación hacia la red eléctrica. Primero se debe accionar el pulsador I8 (modo automático). Una vez que el sensor de red haya detectado el voltaje correcto en las líneas, este se activara cerrando sus contactos mediante la entrada I5. Dentro de 2 segundos entrara en funcionamiento el contactor KM1 activada por la salida Q1 del PLC, después se visualizara en pantalla dicho estado. La marca M1 se encuentra activada e indica que se encuentra en modo automático, M2 representa que el sensor de red se encuentra estable y M10 es una marca de salida para el mensaje del display. Figura 4.7: Modo automático, conmutación desde la red. 57
  • 68. Energizado del contactor del generador y conmutación hacia la carga Cuando el sensor de red eléctrica detecte la ausencia de energía, se activara la salida Q3 dando inicio al arranque del generador, desde ese instante se activara el temporizador de cinco segundos, este valor es variable dependiendo del tiempo promedio de encendido de cada generador, pasado los cinco segundos, verificara mediante el sensor del generador el voltaje del generador eléctrico, sino se encuentra en el rango correcto, el sensor procederá a reiniciar el arranque del generador mediante la salida Q3, hasta que se obtenga respuesta del sensor antes de los cinco segundos. M20 representa una marca de salida para el display. Figura 4.8: Modo automático, encendiendo el generador Una vez que el sensor del generador haya detectado el voltaje en el rango correcto, este se activara cerrando sus contactos mediante la entrada I4, luego entrara en funcionamiento el temporizador de 2 segundos y pasado esto se activara la salida Q2 que energiza la bobina del contactor KM2. Ver figura 4.9. M11 representa una marca de salida de mensaje para el display. 58
  • 69. Figura 4.9: Modo automático, conmutación desde el generador 4.2.2. Modo Manual Para este modo no se necesita de los sensores de monitoreo, debido a que pueden ser accionados de manera independiente. Primero se pulsa I1 para acceder al modo manual. El display indicara que se encuentra en modo manual y nos da la opción de elegir que contactor accionar para poder alimentar a la carga, eligiendo entre I6 e I7. M4 indica que se encuentra en modo manual, M21 marca para la salida del mensaje. Figura 4.10: Modo manual 59
  • 70. 4.2.3. Parámetros del temporizador Durante el funcionamiento, el sistema de control cuenta con cuatro temporizadores, uno de ellos son los dos segundos de conmutación, estos son a modo de prueba los cuales pueden ser ajustados en la opción de configuración del PLC mediante el display. Ver figura 4.11. Figura 4.11: Parámetros de ajuste del temporizador [14] Tener en cuenta que para poder ajustar los parámetros del temporizador a través del display, en el programa cada temporizador debe estar sin marcar la opción de “Protección activada”. Figura 4.12: Parámetro de retardo a la conexión. 60
  • 71. 4.2.4. Display Modo Automático Display Descripción Conmutación hacia el generador. Conmutación hacia la red eléctrica. Tiempo que se demora en encender el generador. El tiempo de conmutación hacia el generador es de 2 segundos. El tiempo de conmutación hacia la red eléctrica es de 2 segundos. Tabla 4.1: Estados del modo automático 61
  • 72. Modo Manual Display Descripción Opción a elegir entre accionar la conmutación a la red o al generador. Conmutación hacia la red eléctrica. Conmutación hacia el generador. El tiempo de conmutación hacia la red eléctrica es de 2 segundos. El tiempo de conmutación hacia el generador es de 2 segundos. Tabla 4.2: Estados de modo manual 62
  • 73. Avisos de Estado Display Descripción Protección activada: Accionamiento del relé térmico, esta opción puede ser opcional ya que la mayoría de generadores incorpora uno. Sistema detenido: Cuando se detiene el sistema se muestra a través del display el mensaje de STOP y los dos modos funcionamiento a elegir. Tabla 4.3: Avisos de estado 4.3 Alimentación de la etapa de control Para poder energizar el modulo LOGO!, se necesita un voltaje continuo (DC) de 12 voltios o de 24 voltios, para este proyecto se está alimentando con 12 voltios. Se tiene que tener en cuenta que la alimentación del PLC tiene que ser independiente de la red eléctrica o del generador, debido a que en cualquier momento una de estas fuentes de energía pueda apagarse y el sistema de control deje de funcionar. 63
  • 74. El sistema de control debe estar trabajando las 24 horas del día, por ningún momento debe quedarse sin alimentación, para este tipo de caso una de las propuestas a usar es una fuente de alimentación en paralelo con una batería de 12 voltios. Mientras exista energía en la red eléctrica la fuente estará alimentando al sistema de control y a su vez estará cargando a la batería, en caso contrario la batería entraría en funcionamiento y el sistema no se vería afectado por la falta de energía. Figura 4.13: Circuito de alimentación 4.4 Implementación del Prototipo Para poder verificar el funcionamiento se está utilizando relés en vez de los contactores que realizan la función de transferencia, en cuanto a los sensores de red, se está usando dos relés tanto para la entrada de la red como la del generador los cuales emulan su funcionamiento, además se está empleando voltaje alterno de 12 voltios. 64
  • 75. A continuación se detalla las partes del sistema: Figura 4.14: Prototipo 1. PLC LOGO! 12/24 RC 2. Interruptor que alimenta a la carga con la red eléctrica, y debajo de este, un relé que sensa la energía. 3. Interruptor que alimenta a la carga con el generador, y debajo de este, un relé que sensa la energía. 4. Transformador 12 VAC – representación del generador 5. Transformador 12 VAC – representación de la red eléctrica 6. Focos de 12 VAC, indicador de la carga, aviso de emergencia e indicador del arranque del generador respectivamente. 7. Botonera: manual, automático, stop, red y generador respetivamente. 8. Relés de red, generador y arranque. 9. Interruptor que simula una sobrecarga. 65
  • 76. Lista de componentes Se detalla los componentes utilizados para el prototipo. cantidad Componentes 01 LOGO! 12/24RC 05 relés de 12 VDC 03 interruptores 01 diodo puente 04 diodos 1N4004 01 bornera 10 02 Transformadores de input 220V output 12V. 03 focos de 12VAC 04 pulsadores NA 01 pulsador NC Tabla 4.4: Lista de componentes 66
  • 77. V. RESULTADOS Y CONCLUSIONES 5.1 Resultados Diagrama de potencia propuesto para su implementación. Figura 5.1: Diagrama de potencia para una conexión trifásica [18] La protección ha sido activada, para este proyecto es la entrada de relé térmico, la cual se visualiza mediante el foco que está en constante oscilación situado en el medio de los otros dos. Figura 5.2: Accionamiento del relé térmico 67
  • 78. Para este caso se el sistema se encuentra en modo automático, mientras se mantenga la alimentación conectada al supresor de pico el foco de la izquierda se mantendrá encendido. Figura 5.3: Alimentación mediante la red Al desconectar la alimentacion, se procede a encender el generador, este se visualiza mediante el foco situado al extremo derecho que siempre se mantendra encendido mientras el generador este en funcionamiento. Como se puede observar la carga se mantiene energizada (foco extremo izquierdo). Figura 5.4: Alimentación mediante el generador 68