ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORAL
Facultad de Ingeniería en Electricidad y Computación
“MONITOREO Y CONTROL DE SEÑALES DE LOS
GENERADORES ELÉCTRICOS DC Y AC DEL LABORATORIO DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA DE LA FIEC BASADO EN LA PLATAFORMA DE PROGRAMACIÓN LABVIEW”
INFORME DEL PROYECTO DE INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL
Presentado por: Oscar Daniel Veloz Segarra
GUAYAQUIL – ECUADOR
II TERMINO AÑO 2013
INDICE: INDICE: ................................................................................................................................................ 2 DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO ............................................................................................................. 3 JUSTIFICACIÓN .................................................................................................................................... 5 OBJETIVOS GENERALES ....................................................................................................................... 6 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ...................................................................................................................... 6 METODOLOGÍA.................................................................................................................................... 6 PARAMETRIZACIÓN DEL DRIVER: .................................................................................................... 7 EXPERIMENTO UNO: ....................................................................................................................... 8 EXPERIMENTO DOS: ...................................................................................................................... 10 EXPERIMENTO TRES: ..................................................................................................................... 12 EXPERIMENTO CUATRO: ............................................................................................................... 15 EXPERIMENTO CINCO:................................................................................................................... 17 OBSERVACIONES ............................................................................................................................... 20 ANEXOS ............................................................................................................................................. 21 FOTOS ............................................................................................................................................ 21
DESCRIPCIÓN 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 será manejado por un VFD (Driver DANFOSS). El VFD será operado en Lazo Abierto porque será comandado automáticamente por el controlador de Labview. Realimentaremos las señales a controlar mediante una tarjeta electrónica seguidor de voltaje que aísla ópticamente las señales del generador con la DAQ para protegerla. Esta tarjeta electrónica está 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 Multímetro Autotransformador MV1103 para reducir la tensión del Voltaje AC generado Banco de Capacitores MV1102
Reóstato MV1961 Máquina Síncrona MV1300 fuente de 220Vdc y 3.5Adc constante para excitar el campo de la Máquina Síncrona
A continuación detallamos en las Fig. 2 y 3 el panel del Driver DANFOSS junto con las partes que usaremos.
Fig. 2 Panel del DANFOSS FC302
Entrada analógica 53 del Drive DANFOSS que recibe la señal de mando desde la salida analógica AO0 de la DAQ
Termin ales U,V,W al motor MIJA
Tarjeta de acondicionamiento optoacopladora que realimenta la señal de proceso hacia la entrada analógica AI1 de la DAQ para llevarla a una PC con LABVIEW
Fig. 3 Panel Eléctrico del Drive DANFOSS FC302
JUSTIFICACIÓN Esta idea surgió a partir del proyecto ya existente en el LABORATORIO DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA que consistía en un panel eléctrico para el Variador de Frecuencia de motores de inducción DANFOSS FC302. Este drive tiene la opción de hacer un control PID a una variable de
proceso, lo cual se implementó en las prácticas de este laboratorio usando una entrada analógica de 0-10V. Entonces en este proyecto se reemplazó el control PID del Drive por el de Labview haciendo operar al Drive en Lazo Abierto.
OBJETIVOS GENERALES o
o
Realizar un control del voltaje generado por diferentes máquinas eléctricas rotativas AC y DC manejando la velocidad del primomotor MIJA mediante el Drive DANFOSS FC302, que será comandado por el controlador PID de Labview. Aplicar el Método de Ziegler-Nichols para el tunning del PID.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS 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 Máquina DC La frecuencia del voltaje generado por la MIJA La frecuencia del voltaje generado por la Máquina Síncrona La amplitud del voltaje generado por la Máquina Síncrona
METODOLOGÍA ESQUEMA DEL SISTEMA: El Driver DANFOSS trabaja en Lazo Abierto y el controlador será Labview.
señal de mando (05 V) a la entrada analógica del Driver
+ PID
Set Point Labview
Sensor: Autotrafo Tarjeta Optoacopladora
Actuador: Driver DANFOSS
Primomotor Generado
SEÑALES DE MANDO Y DE PROCESO : En el esquema de control automático tenemos dos señales importantes: Señal de mando: siempre será el voltaje de 0V-5V que irá a la entrada analógica 53 de la Danfoss, la cual está configurada directamente proporcional a la velocidad según los parámetros 6-10, 6-11, 6-14 y 6-15. Señal a controlar o de proceso: depende del experimento. Como sólo estas dos señales son respectivamente de entrada y de salida al sistema actuadorplanta entonces sí podemos aplicar la estrategia de control PID (para sistemas SISO: Single Input Single Output).
MÉTODO DE ZIEGLER-NICHOLS: Una vez encontrada la Constante Proporcional Crítica (Kcr) que ocurre cuando ya empieza a dejar de oscilar descontroladamente la señal real (con tiempo de integración infinito y tiempo derivativo cero), medimos visualmente (directamente de la gráfica que Labview nos da de la señal real vs tiempo) el Período Crítico (Pcr), o sea el período constante de las pequeñas oscilaciones que aún quedan. Ziegler-Nichols P PI PID
Kc 0.5Kcr 0.45Kcr 0.6Kcr
Ti inf Pcr/1.2 0.5Pcr
Td 0 0 0.125Pcr
PARAMETRIZACIÓN DEL DRIVER: El VFD DANFOSS únicamente manejará al motor MIJA Carpanelli para estos experimentos. La parametrización previa que debemos hacer al VFD DANFOSS es ésta:
Resetear Danfoss con Par. 14-22 [2] Inicialización. Ingresar parámetros 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 analógica 53 Par. 3-19 0 RPM Par. 3-15 entrada analógica 53 Par. 3-15 entrada analógica 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 variará 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 operación con el slider tenemos la siguiente programación:
Fig. 6 Block Diagram del VI del experimento uno con slider
Para la operación con las velocidades preseleccionadas tenemos la siguiente programación:
Fig. 7 Block Diagram del VI del experimento uno con velocidades preseleccionadas
EXPERIMENTO DOS: " Control del Voltaje generado por la Máquina DC" Materiales:
DAQ NI6009 Panel Danfoss con Circuito Optoacoplador MIJA Carpanelli Motor DC 2 Osciloscopios y Multímetro Reóstato MV1961 para reducir la tensión 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 Método de Ziegler-Nichols: Kcr = Período Pcr = Frecuencia Fcr =
10 Ti (min) = 1 seg 1 Hz
Kc
9999999
Ti (seg) Td (seg) 5 inf 0 4.5 0.83333333 0 6 0.5 0.125
P PI PID
Ti (min) Td (min) inf 0 0.01388889 0 0.00833333 0.00208333
También funciona bien con este otro tunning: Kcr = 75 Ti (min) = Período Pcr = 9.25 seg Frecuencia Fcr = 0.10810811 Hz
Kc P PI PID
9999999
Ti (seg) Td (seg) 37.5 inf 0 33.75 7.70833333 0 45 4.625 1.15625
Ti (min) Td (min) inf 0 0.12847222 0 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 Multímetro Autotransformador MV1103 para reducir la tensión del Voltaje AC generado Banco de Capacitores MV1102
Conexión de Materiales El Banco de Capacitores MV1102 deben estar en su máximo valor de capacitancia (número 6) para poder reducir lo más posible el voltaje AC generado sin perderlo por completo. Al seleccionar un valor de capacitancia número 6 se obtendrá los mayores niveles de corriente AC generada (6.9A que sí 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 mínimo la tensión AC generada. Dará alrededor de 5V pico, lo cual la DAQ si lo tolera (máx 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 Método de Ziegler-Nichols: Kcr = 0.09 Pcr (s) = 1.9 Fcr (Hz) = 0.52631579
Kc P PI PID
Ti (seg) Td (seg) 0.045 inf 0 0.0405 1.58333333 0 0.054 0.95 0.2375
Ti (min) Td (min) inf 0 0.02638889 0 0.01583333 0.00395833
Previo a decidir si será factible aplicar la estrategia de control PID se debe hacer siempre una gráfica de la señal a controlar (señal de proceso) vs la señal de mando (que en todos estos
experimentos es la velocidad) para comprobar su linealidad y escoger un rango de operación. A continuación mostramos dicha gráfica correspondiente a este experimento:
Frecuencia Generada vs Velocidad 48 46
Hz
44 42 40
frec vs RPM
38 36 34 1000
1100
1200
1300
1400
1500
RPM
EXPERIMENTO CUATRO: " Control de la frecuencia del voltaje generado por la Máquina Síncrona" Materiales:
DAQ NI6009 Panel Danfoss con Circuito Optoacoplador MIJA Carpanelli Máquina Síncrona 1 Osciloscopio y Multímetro Autotransformador MV1103 para reducir la tensión del Voltaje AC generado MV1300 fuente de 220Vdc y 3.5Adc constante para excitar el campo de la Máquina Síncrona
Conexión de Materiales: El Autotransformador MV1103 debe estar graduado al mínimo, como en el experimento anterior.
Fig. 12 Block Diagram del VI del experimento cuatro
Fig. 13 Front Panel del VI del experimento cuatro
TUNNING PID Aplicamos el ya citado Método 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 sólo que se controlará señales distintas.
Kcr = 0.09 Ti (min) = Período Pcr = 1.8 seg Frecuencia Fcr = 0.55555556 Hz
Kc P PI PID
9999999
Ti (seg) Td (seg) Ti (min) Td (min) 0.045 inf 0 Inf 0 0.0405 1.5 0 0.025 0 exp cuatro 0.054 0.9 0.225 0.015 0.00375 exp cinco
EXPERIMENTO CINCO: "Control de la amplitud del voltaje generado por la Máquina Síncrona" Materiales:
DAQ NI6009 Panel Danfoss con Circuito Optoacoplador MIJA Carpanelli Máquina Síncrona 1 Osciloscopio y Multímetro Reóstato MV1961 Autotransformador MV1103 para reducir la tensión del Voltaje AC generado MV1300 fuente de 220Vdc y 3.5Adc constante para excitar el campo de la Máquina Síncrona
Conexión de Materiales: El conjunto Autotransformador MV1103 y Reóstato MV1961 deben estar graduados de tal manera que tengamos un voltaje alterno dentro de los límites para la tarjeta optoacopladora (+-10V) que son los mismos límites de la tarjeta DAQ. Por ejemplo: a 1400RPM (generando 129Vrms) graduar el Autotransformador para tener 28Vrms, y graduar el Reóstato (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 continuación mostramos los valores tomados (en lazo abierto) de la señal de proceso (amplitud RMS del voltaje generado) vs la señal de mando (velocidad), tanto antes como después de reducirla con el reóstato.
Velocidad RPM 1400 1350 1300 1250 1200 1150 1100 1050 1000 900 800 700 600
Vrms Generado real Vrms 129 124 120 115 110 106 101 96 91 82 73 64 60
Vrms Generado reducido Vrms 4.51 4.38 4.23 4.09 3.95 3.82 3.67 3.54 3.41 3.13 2.85 2.60 2.34
Vrms real vs RPM 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 500
700
900
1100
1300
1500
Vrms reducido vs RPM 5,00 4,50 4,00 3,50 3,00 2,50 2,00 500
700
900
1100
1300
1500
TUNNING PID Ya hemos hallado en el experimento 4to las constantes respectivas. Kc P PI PID
Ti (seg) Td (seg) Ti (min) Td (min) 0.045 inf 0 inf 0 0.0405 1.5 0 0.025 0 exp cuatro 0.054 0.9 0.225 0.015 0.00375 exp cinco
OBSERVACIONES El control de frecuencia del voltaje generado (experimento 3 y 4) resultó bastante satisfactorio puesto que dio una dinámica sobreamortiguada casi sin oscilaciones, a diferencia del control de amplitud del voltaje generado (experimento 5) en donde no llega a establecerse la señal real en un valor fijo. El Método de Ziegler-Nichols fue muy práctico y sencillo de aplicar a todos estos experimentos para el tunning del PID, para lo cual tuvimos que usar una regla milimetrada poniéndola encima del monitor para medir el tiempo del período de las oscilaciones señal real.
ANEXOS FOTOS
Fig. 16 Tarjeta de Adquisición para USB llamada DAQ NI6009
Fig. 17 Tarjeta Electrónica 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 Conexión del Panel a la DAQ (una entrada AI1, una salida AO0)
