Post on 05-Sep-2015
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ESCUELA SUPERIOR POLITCNICA DEL LITORAL
Facultad de Ingeniera en Electricidad y Computacin
MONITOREO Y CONTROL DE SEALES DE LOS
GENERADORES ELCTRICOS DC Y AC DEL
LABORATORIO DE ELECTRNICA DE POTENCIA DE LA
FIEC BASADO EN LA PLATAFORMA DE PROGRAMACIN
LABVIEW
INFORME DEL PROYECTO DE INSTRUMENTACIN
INDUSTRIAL
Presentado por:
Oscar Daniel Veloz Segarra
GUAYAQUIL ECUADOR
II TERMINO AO 2013
INDICE:
INDICE: ................................................................................................................................................ 2
DESCRIPCIN DEL PROYECTO ............................................................................................................. 3
JUSTIFICACIN .................................................................................................................................... 5
OBJETIVOS GENERALES ....................................................................................................................... 6
OBJETIVOS ESPECFICOS ...................................................................................................................... 6
METODOLOGA.................................................................................................................................... 6
PARAMETRIZACIN DEL DRIVER: .................................................................................................... 7
EXPERIMENTO UNO: ....................................................................................................................... 8
EXPERIMENTO DOS: ...................................................................................................................... 10
EXPERIMENTO TRES: ..................................................................................................................... 12
EXPERIMENTO CUATRO: ............................................................................................................... 15
EXPERIMENTO CINCO: ................................................................................................................... 17
OBSERVACIONES ............................................................................................................................... 20
ANEXOS ............................................................................................................................................. 21
FOTOS ............................................................................................................................................ 21
DESCRIPCIN DEL PROYECTO
Fig. 1 Equipos de los experimentos
Este proyecto realiza el control del voltaje generado de Generadores DC y AC acoplados a un
primomotor MIJA que ser manejado por un VFD (Driver DANFOSS). El VFD ser operado en Lazo
Abierto porque ser comandado automticamente por el controlador de Labview.
Realimentaremos las seales a controlar mediante una tarjeta electrnica seguidor de voltaje que
asla pticamente las seales del generador con la DAQ para protegerla. Esta tarjeta electrnica
est basada en un chip integrado IL300 que es un optoacoplador lineal.
Los equipos que usaremos se aprecian en la Fig. 1. Ellos son:
PC con Labview
DAQ NI6009
Panel Danfoss con Circuito Optoacoplador
2 MIJA Carpanelli
2 Osciloscopios y Multmetro
Autotransformador MV1103 para reducir la tensin del Voltaje AC generado
Banco de Capacitores MV1102
Restato MV1961
Mquina Sncrona
MV1300 fuente de 220Vdc y 3.5Adc constante para excitar el campo de la Mquina
Sncrona
A continuacin detallamos en las Fig. 2 y 3 el panel del Driver DANFOSS junto con las partes que
usaremos.
Fig. 2 Panel del DANFOSS FC302
Fig. 3 Panel Elctrico del Drive DANFOSS FC302
JUSTIFICACIN
Esta idea surgi a partir del proyecto ya existente en el LABORATORIO DE ELECTRNICA DE
POTENCIA que consista en un panel elctrico para el Variador de Frecuencia de motores de
induccin DANFOSS FC302. Este drive tiene la opcin de hacer un control PID a una variable de
Tarjeta de
acondicionamiento
optoacopladora que
realimenta la seal de
proceso hacia la
entrada analgica AI1
de la DAQ para
llevarla a una PC con
LABVIEW
Entrada analgica 53
del Drive DANFOSS
que recibe la seal de
mando desde la salida
analgica AO0 de la
DAQ
Termin
ales
U,V,W
al
motor
MIJA
proceso, lo cual se implement en las prcticas de este laboratorio usando una entrada analgica
de 0-10V. Entonces en este proyecto se reemplaz el control PID del Drive por el de Labview
haciendo operar al Drive en Lazo Abierto.
OBJETIVOS GENERALES
o Realizar un control del voltaje generado por diferentes mquinas elctricas rotativas AC y
DC manejando la velocidad del primomotor MIJA mediante el Drive DANFOSS FC302, que
ser comandado por el controlador PID de Labview.
o Aplicar el Mtodo de Ziegler-Nichols para el tunning del PID.
OBJETIVOS ESPECFICOS
o Control en Lazo Abierto de Velocidad del motor MIJA
Manejando con el Drive la MIJA como primomotor realizar el Control en Lazo Cerrado de:
El Voltaje generado por la Mquina DC
La frecuencia del voltaje generado por la MIJA
La frecuencia del voltaje generado por la Mquina Sncrona
La amplitud del voltaje generado por la Mquina Sncrona
METODOLOGA
ESQUEMA DEL SISTEMA:
El Driver DANFOSS trabaja en Lazo Abierto y el controlador ser Labview.
seal de mando (0-
5 V) a la entrada
analgica del Driver
PID
Actuador:
Driver
DANFOSS
Sensor: Autotrafo -
Tarjeta Optoacopladora
Set Point -
+
Labview
Primomotor -
Generado
SEALES DE MANDO Y DE PROCESO:
En el esquema de control automtico tenemos dos seales importantes:
Seal de mando: siempre ser el voltaje de 0V-5V que ir a la entrada analgica 53 de la Danfoss,
la cual est configurada directamente proporcional a la velocidad segn los parmetros 6-10, 6-11,
6-14 y 6-15.
Seal a controlar o de proceso: depende del experimento.
Como slo estas dos seales son respectivamente de entrada y de salida al sistema actuador-
planta entonces s podemos aplicar la estrategia de control PID (para sistemas SISO: Single Input -
Single Output).
MTODO DE ZIEGLER-NICHOLS:
Una vez encontrada la Constante Proporcional Crtica (Kcr) que ocurre cuando ya empieza a dejar
de oscilar descontroladamente la seal real (con tiempo de integracin infinito y tiempo derivativo
cero), medimos visualmente (directamente de la grfica que Labview nos da de la seal real vs
tiempo) el Perodo Crtico (Pcr), o sea el perodo constante de las pequeas oscilaciones que an
quedan.
Ziegler-Nichols Kc Ti Td
P 0.5Kcr inf 0
PI 0.45Kcr Pcr/1.2 0
PID 0.6Kcr 0.5Pcr 0.125Pcr
PARAMETRIZACIN DEL DRIVER: El VFD DANFOSS nicamente manejar al motor MIJA Carpanelli para estos experimentos.
La parametrizacin previa que debemos hacer al VFD DANFOSS es sta:
Resetear Danfoss con Par. 14-22 [2] Inicializacin.
Ingresar parmetros nominales del motor (con velocidad nominal 1400 RPM) y realizar
AMA completo.
Par. 1-00 Lazo Abierto
Par. 3-00 Min-Max
Par. 3-02 0 RPM
Par. 3-03 1400 RPM
Par. 3-13 Remoto
Par. 3-15 entrada analgica 53
Par. 3-19 0 RPM
Par. 3-15 entrada analgica 53
Par. 3-15 entrada analgica 53
Par. 4-10 izq-der
Par. 4-19 50 Hz
Par. 4-13 1400 RPM
Par. 4-19 50 Hz
Par. 6-10 0.07 V
Par. 6-11 5 V
Par. 6-14 0 RPM
Par. 6-15 1400 RPM
EXPERIMENTO UNO: "Control en Lazo Abierto de Velocidad del motor MIJA"
En Lazo abierto se variar la velocidad del motor MIJA con switches virtuales que simulen las
velocidades preseleccionadas (pasos discretos) o mediante un slider (rango continuo).
Fig. 4 Front Panel del VI del experimento uno
Fig. 5 Foto real del display del Drive de la referencia al
ejecutar las velocidades preseleccionadas.
Para la operacin con el slider tenemos la siguiente programacin:
Fig. 6 Block Diagram del VI del experimento uno con slider
Para la operacin con las velocidades preseleccionadas tenemos la siguiente programacin:
Fig. 7 Block Diagram del VI del experimento uno con velocidades preseleccionadas
EXPERIMENTO DOS: " Control del Voltaje generado por la Mquina DC"
Materiales:
DAQ NI6009
Panel Danfoss con Circuito Optoacoplador
MIJA Carpanelli
Motor DC
2 Osciloscopios y Multmetro
Restato MV1961 para reducir la tensin del Voltaje DC generado
Fig. 8 Block Diagram del VI del experimento dos
Fig. 9 Front Panel del VI del experimento dos
TUNNING PID
Aplicamos el ya citado Mtodo de Ziegler-Nichols:
Kcr = 10 Ti (min) = 9999999
Perodo Pcr = 1 seg
Frecuencia Fcr = 1 Hz
Kc Ti (seg) Td (seg) Ti (min) Td (min)
P 5 inf 0 inf 0
PI 4.5 0.83333333 0 0.01388889 0
PID 6 0.5 0.125 0.00833333 0.00208333
Tambin funciona bien con este otro tunning:
Kcr = 75 Ti (min) = 9999999
Perodo Pcr = 9.25 seg
Frecuencia Fcr = 0.10810811 Hz
Kc Ti (seg) Td (seg) Ti (min) Td (min)
P 37.5 inf 0 inf 0
PI 33.75 7.70833333 0 0.12847222 0
PID 45 4.625 1.15625 0.07708333 0.01927083
EXPERIMENTO TRES: "Control de la frecuencia del voltaje generado por la MIJA"
Materiales:
DAQ NI6009
Panel Danfoss con Circuito Optoacoplador
2 MIJA Carpanelli
2 Osciloscopios y Multmetro
Autotransformador MV1103 para reducir la tensin del Voltaje AC generado
Banco de Capacitores MV1102
Conexin de Materiales
El Banco de Capacitores MV1102 deben estar en su mximo valor de capacitancia (nmero 6) para
poder reducir lo ms posible el voltaje AC generado sin perderlo por completo. Al seleccionar un
valor de capacitancia nmero 6 se obtendr los mayores niveles de corriente AC generada (6.9A
que s lo resiste el motor MIJA porque tiene Inom=6.95A).
El Banco de Capacitores lo conectamos en delta en paralelo al motor MIJA (como si fuese una
carga). Luego reducimos el voltaje Vab del estator del generador MIJA mediante el
Autotransformador MV1103, que lo realimentaremos hacia la computadora mediante la tarjeta
optoacopladora; para ello ajustaremos el tap del autotrafo al extremo para reducir al mnimo la
tensin AC generada. Dar alrededor de 5V pico, lo cual la DAQ si lo tolera (mx 10V pico).
Fig. 10 Block Diagram del VI del experimento tres
Fig. 11 Front Panel del VI del experimento tres
TUNNING PID
Aplicamos el ya citado Mtodo de Ziegler-Nichols:
Kcr = 0.09
Pcr (s) = 1.9
Fcr (Hz) = 0.52631579
Kc Ti (seg) Td (seg) Ti (min) Td (min)
P 0.045 inf 0 inf 0
PI 0.0405 1.58333333 0 0.02638889 0
PID 0.054 0.95 0.2375 0.01583333 0.00395833
Previo a decidir si ser factible aplicar la estrategia de control PID se debe hacer siempre una
grfica de la seal a controlar (seal de proceso) vs la seal de mando (que en todos estos
experimentos es la velocidad) para comprobar su linealidad y escoger un rango de operacin. A
continuacin mostramos dicha grfica correspondiente a este experimento:
EXPERIMENTO CUATRO: " Control de la frecuencia del voltaje generado por la Mquina Sncrona"
Materiales:
DAQ NI6009
Panel Danfoss con Circuito Optoacoplador
MIJA Carpanelli
Mquina Sncrona
1 Osciloscopio y Multmetro
Autotransformador MV1103 para reducir la tensin del Voltaje AC generado
MV1300 fuente de 220Vdc y 3.5Adc constante para excitar el campo de la Mquina
Sncrona
Conexin de Materiales:
El Autotransformador MV1103 debe estar graduado al mnimo, como en el experimento anterior.
34
36
38
40
42
44
46
48
1000 1100 1200 1300 1400 1500
Hz
RPM
Frecuencia Generada vs Velocidad
frec vs RPM
Fig. 12 Block Diagram del VI del experimento cuatro
Fig. 13 Front Panel del VI del experimento cuatro
TUNNING PID
Aplicamos el ya citado Mtodo de Ziegler-Nichols para hallar las constantes del PID que usaremos
tanto en el 4to como en el 5to experimento porque se trata de la misma planta slo que se
controlar seales distintas.
Kcr = 0.09 Ti (min) = 9999999
Perodo Pcr = 1.8 seg
Frecuencia Fcr = 0.55555556 Hz
Kc Ti (seg) Td (seg) Ti (min) Td (min) P 0.045 inf 0 Inf 0 PI 0.0405 1.5 0 0.025 0 exp cuatro
PID 0.054 0.9 0.225 0.015 0.00375 exp cinco
EXPERIMENTO CINCO: "Control de la amplitud del voltaje generado por la Mquina Sncrona"
Materiales:
DAQ NI6009
Panel Danfoss con Circuito Optoacoplador
MIJA Carpanelli
Mquina Sncrona
1 Osciloscopio y Multmetro
Restato MV1961
Autotransformador MV1103 para reducir la tensin del Voltaje AC generado
MV1300 fuente de 220Vdc y 3.5Adc constante para excitar el campo de la Mquina
Sncrona
Conexin de Materiales:
El conjunto Autotransformador MV1103 y Restato MV1961 deben estar graduados de tal manera
que tengamos un voltaje alterno dentro de los lmites para la tarjeta optoacopladora (+-10V) que
son los mismos lmites de la tarjeta DAQ. Por ejemplo: a 1400RPM (generando 129Vrms) graduar
el Autotransformador para tener 28Vrms, y graduar el Restato (al 20%) para tener 5.66Vrms.
Fig. 14 Block Diagram del VI del experimento cinco
Fig. 15 Front Panel del VI del experimento cinco
A continuacin mostramos los valores tomados (en lazo abierto) de la seal de proceso (amplitud
RMS del voltaje generado) vs la seal de mando (velocidad), tanto antes como despus de
reducirla con el restato.
Velocidad Vrms
Generado real
Vrms Generado reducido
RPM Vrms Vrms
1400 129 4.51
1350 124 4.38
1300 120 4.23
1250 115 4.09
1200 110 3.95
1150 106 3.82
1100 101 3.67
1050 96 3.54
1000 91 3.41
900 82 3.13
800 73 2.85
700 64 2.60
600 60 2.34
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
500 700 900 1100 1300 1500
Vrms real vs RPM
TUNNING PID
Ya hemos hallado en el experimento 4to las constantes respectivas.
Kc Ti (seg) Td (seg) Ti (min) Td (min) P 0.045 inf 0 inf 0 PI 0.0405 1.5 0 0.025 0 exp cuatro
PID 0.054 0.9 0.225 0.015 0.00375 exp cinco
OBSERVACIONES
El control de frecuencia del voltaje generado (experimento 3 y 4) result bastante satisfactorio
puesto que dio una dinmica sobreamortiguada casi sin oscilaciones, a diferencia del control de
amplitud del voltaje generado (experimento 5) en donde no llega a establecerse la seal real en un
valor fijo.
El Mtodo de Ziegler-Nichols fue muy prctico y sencillo de aplicar a todos estos experimentos
para el tunning del PID, para lo cual tuvimos que usar una regla milimetrada ponindola encima
del monitor para medir el tiempo del perodo de las oscilaciones seal real.
2,00
2,50
3,00
3,50
4,00
4,50
5,00
500 700 900 1100 1300 1500
Vrms reducido vs RPM
ANEXOS
FOTOS
Fig. 16 Tarjeta de Adquisicin para USB llamada DAQ NI6009
Fig. 17 Tarjeta Electrnica Optoacopladora del Panel DANFOSS FC302 usada para los experimentos
Fig. 18 Conjunto Motor (MIJA) y Generador (MIJA) con banco de
capacitores
Fig. 19 Equipos del Experimento: Control de Frecuencia del Generador (MIJA)
Fig. 20 Conexin del Panel a la DAQ (una entrada AI1, una salida AO0)