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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
UNIDAD PROFESIONAL “ADOLFO LÓPEZ MATEOS” ZACATENCO
“DISEÑO DE UNA INTERFAZ GRÁFICA DE USUARIO PARA EL
CONTROL DE UN MOTOR TRIFÁSICO POR MEDIO DE UN
VARIADOR DE FRECUENCIA”
TESIS
PARA OBTENER EL TÍTULO DE
INGENIERO ELECTRICISTA
PRESENTA
PEDRO PIÑON VALLE
ASESORES
M. EN C. NICOLÁS RODRIGUEZ PEREYRA
ING. GABRIEL PLASCENCIA BARRERA
CDMX, Noviembre 2018
II
III
IV
Agradecimientos. A mis padres, hermano y a Dios por haberme inculcado buenos valores y
brindarme su apoyo
A mis abuelos por seguirme brindado su amor desde donde quiera que estén
A mi tío Oscar y mi tía Azucena que siempre han estado conmigo, por haberme
enseñado el valor del trabajo
A toda mi familia que siempre me ha brindado su cariño incondicionalmente
A mis profesores que me enseñaron a jamás rendirme, a jamás vencerme, a
jamás claudicar, ha siempre buscar y encontrar la solución a los problemas.
A mis amigos de toda la vida por estar conmigo
Al Conalep y al IPN por haber sido más que mis escuelas, mis hogares donde
aprendí que el conocimiento es universal.
¿Como agradecer en unas cuantas líneas el apoyo, tiempo y esfuerzo que toda
mi familia, amigos y profesores me brindaron?
Pedro Piñon Valle
V
Contenido
I. Resumen. ........................................................................................................................... 10
II. Planteamiento del problema. ............................................................................................. 11
III. Introducción. ..................................................................................................................... 12
IV. Justificación general .......................................................................................................... 15
V. Objetivo general ................................................................................................................ 16
VI. Objetivos específicos......................................................................................................... 16
Capítulo 1: Máquinas Eléctricas ............................................................................................... 18
1.1. Definición. ................................................................................................................. 18
1.2. Tipos de máquinas eléctricas ..................................................................................... 18
1.3. Tipos de máquinas eléctricas rotativas. ..................................................................... 19
1.4. Constitución de las máquinas asíncronas ................................................................... 20
1.4.1. Partes activas de la máquina eléctrica rotativa ................................................... 21
1.5. Placa de bornas y conexionado. ................................................................................. 23
1.6. Funcionamiento de un motor trifásico. ...................................................................... 24
1.7. Control de Velocidad en un Motor Trifásico ............................................................. 26
1.7.1. Variación de la velocidad del motor por el método del cambio del número de
polos………….. ................................................................................................................ 27
1.7.2. Método de frecuencia variable ........................................................................... 31
1.8. Controladores de estado sólido para motores de inducción ....................................... 32
1.8.1. Ajuste de frecuencia (Velocidad) ....................................................................... 34
1.8.2. Selección de patrones de tensión y frecuencia ................................................... 34
1.8.3. Rampas de aceleración y desaceleración ajustables independientemente .......... 34
1.9. Interfaz Gráfica de Usuario ........................................................................................ 35
1.9.1. Creación de GUI´s en Matlab ............................................................................. 35
1.9.2. Creación de una GUI de Matlab de forma programática.................................... 35
1.10. Colada Semicontinua ................................................................................................. 36
Capítulo 2: Partes principales del Proyecto. ............................................................................. 38
2.1 Diagrama de bloques ................................................................................................. 39
2.2 Motor de inducción a controlar. ................................................................................. 39
2.3 Variador de frecuencia Micromaster 440. ................................................................. 41
2.4 Matlab. ....................................................................................................................... 42
2.4.1 Simulink. ............................................................................................................ 44
VI
2.5 Arduino Mega. ........................................................................................................... 46
2.5.1 Módulo de relevadores. ...................................................................................... 47
Capítulo 3: Desarrollo de la GUI .............................................................................................. 49
3.1 Desarrollo de la GUI en Matlab ................................................................................. 49
3.2 Elementos de la Interfaz gráfica de usuario ............................................................... 55
3.2.1 Callbacks de los elementos ................................................................................. 59
3.3 Desarrollo del modelo en Simulink ........................................................................... 67
3.3.1 Elementos utilizados en el modelo Simulink ........................................................... 70
3.4 Conexiones ................................................................................................................. 74
3.5 Pruebas a la Interfaz Gráfica de Usuario ................................................................... 78
3.6 Modificación de valores en Variador de frecuencia Micromaster 440 ...................... 88
Capítulo 4: Análisis de Resultados ......................................................................................... 92
4.1 Gráficas ........................................................................................................................... 92
Recomendaciones ................................................................................................................. 95
Conclusión ............................................................................................................................ 97
Referencias ............................................................................................................................... 98
Anexos ................................................................................................................................ 100
Glosario de conceptos y siglas ............................................................................................ 100
Diagrama de Flujo del Programa Matlab ............................................................................ 101
Diagrama Eléctrico ............................................................................................................. 102
Entradas digitales del variador de Frecuencia ................................................................... 103
VII
Índice de figuras
Figura 1. La máquina eléctrica como convertidor de energía (Mora, 2008) ............................ 18 Figura 2. Secc. transversal de un motor asíncrono. 1. estator;2. rotor; 3. devanado estatorico;4.
devanado rotorico de jaula de ardilla; 5. anillos de corto circuito; 6. eje; 7. escudos frontal
anterior y posterior; 8. ventilador; 9. aletas de refrigeracion exterior. (Feito, 2004) ............... 21 Figura 3. Estructura del devanado jaula de ardilla (diseño propio) .......................................... 23
Figura 4. Rotor devanado o de anillos (Feito, 2004) ................................................................ 23 Figura 5. a) Placa de bornas de un motor asíncrono b) conexión estrella c) conexión triangulo
(Feito, 2004) ............................................................................................................................. 24 Figura 6. Estator de un motor asíncrono antes y después del bobinado (Feito, 2004) ............. 24 Figura 7. Devanado estatórico de dos polos para cambio de polos (Chapman, 2005) ............ 29
Figura 8. Vista de detalle de una fase de un devanado de polos cambiantes (Chapman, 2005)
.................................................................................................................................................. 30 Figura 9. Controlador Siemens de frecuencia variable (PLC, 2018) ...................................... 32
Figura. 10 Control de frecuencia variable con modulación de amplitud de pulso PWM: a)
onda PWM de 60 Hz y 120 V; b) onda PWM de 30 Hz y 120 V. (Chapman, 2005) .............. 33 Figura. 11 Control de tensión variable con onda PWM: a) onda PWM de 60 Hz y 120 V; b)
onda de 60 Hz y 60 V. (Chapman, 2005) ................................................................................. 33 Figura. 12 Diagrama de bloques del Proyecto .......................................................................... 39 Figura 13. Motor Trifásico Marca AEG ................................................................................... 40
Figura 14. Variador de frecuencia Micromaster 440 (inverterdrive, 2018) ............................. 41 Figura 15. Matlab ..................................................................................................................... 43
Figura 16. Matlab + Simulink (MathWorks, la.mathworks.com, 2018) .................................. 45 Figura 17. Arduino Mega 2560 (electronics, 2018) ................................................................. 47 Figura 18. Modulo de 8 relés .................................................................................................... 47
Figura 19. Ventana de comando de Matlab .............................................................................. 49
Figura 20. Cuadro de dialogo GUIDE ...................................................................................... 49 Figura 21. Entorno de diseño .................................................................................................... 51 Figura 22. Paleta de elementos ................................................................................................. 52
Figura 23. Descripción de las herramientas (Guerrero, 2018) ................................................. 54 Figura 24. Herramientas del GUIDE para la GUI .................................................................... 54
Figura 25. Elementos que conforman la GUI ........................................................................... 55 Figura. 26 Menú de opciones del elemento .............................................................................. 56 Figura 27. Menú del Property Inspector ................................................................................... 57 Figura 28. Opción View Callbacks........................................................................................... 58 Figura 29. Callback de popupmenu1 ........................................................................................ 58
Figura 30. Popupmenu1 ............................................................................................................ 59
Figura 31. Código de programación del Popupmenu1 ............................................................. 60
Figura 32. Popupmenu2 ............................................................................................................ 61 Figura 33. Código de programación del Popupmenu2 ............................................................. 62 Figura 34. Togglebutton1 ......................................................................................................... 63 Figura 35. Código de programación del Togglebutton1 ......................................................... 63 Figura 36. Código de programación del Togglebutton2........................................................... 64
Figura 37. Togglebutton2 ......................................................................................................... 64 Figura 38. Push button1 ............................................................................................................ 65 Figura 39. Código de programación del pushbutton1 .............................................................. 65
VIII
Figura 40. Vista de la GUI (CIITEC, 2018) ............................................................................. 66
Figura 41. Selección de un nuevo proyecto .............................................................................. 67
Figura. 42 Selección de un nuevo proyecto en Simulink ......................................................... 67 Figura. 43 Entorno de Simulink ............................................................................................... 68 Figura. 44 Botón Simulink library browser .............................................................................. 68 Figura 45. Simulink library browser......................................................................................... 69 Figura 46. Elementos que conforman el modelo en Simulink ................................................. 70
Figura 47. Parámetros del bloque Switch ................................................................................. 71 Figura 48. Parámetros del bloque Digital Output ..................................................................... 72 Figura 49. Mapa de terminales disponibles en la tarjeta de Arduino (MathWorks, Matlab
support packages, 2018) ........................................................................................................... 72 Figura. 50 Modelo completo en Simulink ................................................................................ 73
Figura 51. Conexión de los devanados del motor trifásico en delta ......................................... 74
Figura 52. Conexión entre variador de frecuencia Micromaster 440 y motor trifasico AEG .. 75 Figura 53. Conexiones entre Arduino Mega y Modulo de relevadores.................................... 76
Figura 54. Conexiones entre Arduino, Modulo de relevadores y entradas digitales del variador
de frecuencia Micromaster 440 ................................................................................................ 77 Figura. 55. Selección de la velocidad 1 .................................................................................... 78
Figura. 56 Gráficas de Simulink, Tensión en la salida digital 48 a 0 V ................................... 79 Figura 57. Gráficas de Simulink, Tensión en la salida digital 49 a 0 V ................................... 80 Figura 58. Selección de la velocidad 2 ..................................................................................... 80
Figura. 59 Gráficas de Simulink, Tensión en la salida digital 50 a 0 V ................................... 81 Figura 60. Selección de la velocidad 3 ..................................................................................... 81
Figura. 61 Gráficas de Simulink, Tensión en la salida digital 51 a 0 V ................................... 82 Figura 62. Selección de la Velocidad 1 "Down" ...................................................................... 82 Figura. 63 Gráficas Simulink, Tensión en salida digital 52 a 0 V ............................................ 83
Figura 64. Selección de la velocidad 2 "Down" ....................................................................... 83
Figura. 65 Gráficas Simulink. Tensión de salida en la entrada digital 53 a 0 V ...................... 84 Figura 66. Selección de la velocidad 3 "Down" ....................................................................... 84 Figura 67. Gráficas de Simulink, Tensión de salida en salidas digitales 51 y 53 con tensión a 0
V ............................................................................................................................................... 85 Figura 68. Selección de la velocidad 4 "Down" ....................................................................... 85
Figura 69. Gráficas de Simulink, Tensión de salida en salidas digitales 52 y 53 con tensión a
0 V ............................................................................................................................................ 86 Figura 70. Selección de la velocidad 5 "Down" ....................................................................... 86 Figura 71. Gráficas de Simulink, Todas las salidas digitales con Tensión de salida ............... 87 Figura 72. Selección del Botón "Stop” ..................................................................................... 87
Figura 73. Gráfica Frecuencia – Tensión ................................................................................. 92
Figura 74. Gráfica de Frecuencia - R.p.m. ............................................................................... 93
Figura 75. Gráfica de Frecuencia – Corriente .......................................................................... 94 Figura 76. Diagrama de bloques del convertidor (SIEMENS, 2018, pág. 7) ......................... 103
IX
Índice de Tablas Tabla 1 Datos de placa del motor trifásico Marca AEG (emot, 2018) ..................................... 40 Tabla 2 Especificaciones del variador de frecuencia MM440 (SIEMENS, 2018) ................... 42 Tabla 3 Descripción de los elementos (Guerrero, 2018) .......................................................... 53 Tabla 4 Elementos que conforman la GUI ............................................................................... 55 Tabla 5 Elementos que conforman el modelo en Simulink ...................................................... 70
Tabla 6 Modificación de valores en Micromaster 440 (SIEMENS, 2018) .............................. 88
Índice de Ecuaciones Ecuación 1 ................................................................................................................................ 25
Ecuación 2 ................................................................................................................................ 27
10
I. Resumen. El trabajo desarrollado en este proyecto se estudia una opción para el control
de un motor de inducción trifásico, el cual ayudara en una parte del proyecto de
una colada de aluminio semicontinua.
Este proyecto utiliza los fundamentos de programación, electrónica y conversión
de la energía en corriente alterna, para proporcionar una aplicación práctica en
conjunto.
Se diseño una GUI (interfaz gráfica de usuario) para recolectar las órdenes del
usuario y así poder mandar las instrucciones correspondientes al Arduino, el
cual trabaja en conjunto con un módulo de relevadores, con el cual se pretende
controlar la alimentación de las entradas digitales de un variador de frecuencia
previamente modificadas, haciendo que, por medio del variador de frecuencia,
el motor trabaje a las velocidades deseadas.
La GUI fue desarrollada en Matlab (Laboratorio de matrices) en el entorno
GUIDE (entorno de desarrollo de GUI’s), además de un modelo en Matlab
Simulink para él envió de datos en tiempo real del Arduino.
El funcionamiento del proyecto fue comprobado experimentalmente controlando
el motor trifásico a diferentes velocidades.
Los equipos y software utilizados en este diseño fueron escogidos para trabajar
en condiciones nominales además de contar con una protección en la parte de
control y la parte de potencia, la cual está integrada en el módulo de
relevadores utilizado.
11
II. Planteamiento del problema.
Dado que la tecnología ha influido en el desarrollo del control de velocidad en
motores trifásicos principalmente para el control de procesos mediante
diferentes equipos y dado que la tecnología avanza cada día a pasos
agigantados, es necesario realizar la búsqueda e implementación de diferentes
componentes que ayuden a que el control de velocidad en motores trifásicos
sea más fácil, seguro y eficiente.
El equipo que se destaca para el control de velocidad para motores trifásicos es
el variador de frecuencia.
Aunque los variadores de frecuencia generalmente cuentan con un panel de
botones para realizar la modificación y poder variar la velocidad del motor, se
deben buscar nuevas y mejores maneras de controlar estos variadores de
frecuencia, ya que, algunos procesos industriales en los que se ocupan motores
trifásicos requieren que estos motores trabajen a velocidades diferentes, así
como una dirección especifica.
12
III. Introducción.
Durante mi estancia en el Centro de Investigación e Innovación Tecnológica del
Instituto Politécnico Nacional, tuve la oportunidad de participar en el proyecto de
una colada de aluminio semicontinua junto con un compañero que se
encontraba realizando su maestría en este centro.
En este proyecto se necesitaba realizar el control de un motor de inducción
trifásico, con el cual se pretendía mover un conjunto de engranes y tornillos sin
fin, esto con la finalidad de controlar una plataforma que contendría el producto
final de la máquina de colada semicontinua.
Dado que en dicho centro ya se contaban con algunos equipos como un motor
de inducción trifásico de 0.5 Hp, así como un variador de frecuencia con
entradas digitales las cuales podían ser modificadas con la finalidad de que, al
ser energizadas, harían que el variador de frecuencia trabajara a los valores
establecidos en base a las modificaciones realizadas, logrando así que el motor
de inducción trifásico trabajara a velocidades diferentes y direcciones
específicas.
Por lo tanto se requería realizar el diseño de un control, con la finalidad de
controlar la alimentación de las entradas digitales del variador de frecuencia,
por esta razón se decidió realizar una interfaz gráfica de usuario en Matlab ya
que, en conjunto con un modelo de Simulink se podría realizar una
comunicación en tiempo real con una tarjeta de desarrollo, en este caso un
tarjeta de Arduino Mega, que en conjunto con un módulo de relevadores
permitiría tener el control de la alimentación de las entradas digitales del
variador de frecuencia y así se obtendrían las diferentes velocidades y
direcciones específicas.
13
Las interfaces gráficas de usuario son utilizadas ampliamente en la actualidad
por diferentes industrias ya que estas permiten un fácil control sobre diferentes
procesos por medio de un conjunto de imágenes y objetos gráficos, los cuales
ofrecen un entorno visual sencillo, agradable y manejable.
Dado que en el sector eléctrico se han tenido grandes avances en los cuales
una de las principales ramas que surgieron del estudio de los materiales
dieléctricos fueron la electrónica digital y de potencia, ofreciendo así la
implementación de diferentes métodos para controlar motores eléctricos como
lo son los variadores de frecuencia, en la actualidad los variadores de
frecuencia tienen la capacidad de ser controlados por medio de sus entradas
digitales, las cuales al ser previamente modificadas ofrecen un control de
velocidades específicas sobre el motor trifásico.
En este trabajo se presenta el diseño de una interfaz gráfica de usuario para el
control de un motor trifásico de 220 VCA y 0.5 HP por medio de un variador de
frecuencia, dividido en 5 capítulos.
En el primer capítulo se presenta una breve descripción sobre los tipos de
máquinas eléctricas haciendo énfasis sobre los motores de inducción y su
control de velocidad, una descripción sobre las interfaces gráficas de usuario y
una breve descripción sobre la colada semicontinua.
En el segundo capítulo se muestran los diferentes equipos y software utilizados
en el proyecto, así como las especificaciones de cada uno.
En el capítulo tercero se muestra el entorno de desarrollo de la interfaz gráfica
de usuario tanto visual como de programación, de igual forma se muestra el
entorno de desarrollo del modelo complementario en Simulink y las partes que
lo conforman y las diferentes conexiones realizadas en el motor, variador de
frecuencia, módulo de relevadores y Arduino; También se muestra la
14
comunicación de la interfaz y el modelo de Simulink en base a un conjunto de
gráficas tomadas del modelo complementario de Simulink.
Por último, en este capítulo se muestra la modificación realizada al variador de
frecuencia paso a paso con una breve explicación.
En el capítulo cuarto se muestran las gráficas obtenidas durante las pruebas
realizadas a la Interfaz, obteniendo los datos del variador de frecuencia.
Al final se da la conclusión, así como algunas recomendaciones para futuros
proyectos.
15
IV. Justificación general
La principal razón para realizar la interfaz gráfica de usuario para el control de
un motor trifásico por medio de un variador de frecuencia, un microcontrolador y
un conjunto de relevadores es proporcionar una solución en el proyecto de una
coladora de aluminio, aplicando los conocimientos adquiridos durante la
formación académica en programación, conversión de la energía, electrónica,
etc.
Una GUI ofrece una serie de ventajas en cuanto control, fiabilidad y bajo costo
en mantenimiento.
La principal desventaja que se presenta con las interfaces graficas de usuario
desarrolladas en Matlab es que suelen ser costosas; además, de que el
programa desarrollado necesita ser empaquetado con un entorno de ejecución
virtual (Runtime Matlab) para que pueda ser instalado en otras PC´s, omitiendo
la necesidad de instalar Matlab para poder correr el programa.
Dado que en la actualidad los variadores de frecuencia cuentan con entradas
digitales que pueden ser ajustadas a las necesidades requeridas (configuración
de valores), esto con el fin de que, al alimentar las entradas digitales, el variador
de frecuencia modifiqué la frecuencia a la que está trabajando, obteniendo un
control de velocidad sobre el motor trifásico.
16
V. Objetivo general
Elaborar una interfaz gráfica de usuario para el control de un motor trifásico de
220 VCA de 0.5 HP por medio de un convertidor de frecuencia (Micromaster
440) de la marca Siemens en el bloque de potencia y un microcontrolador
(Arduino Mega 2560 REV 3) de la marca Arduino junto con un módulo de
relevadores en la parte de control.
VI. Objetivos específicos.
Diseñar una Interfaz gráfica de usuario.
Diseñar un modelo en Simulink para que la GUI y el microcontrolador
trabajen en conjunto.
Realizar las conexiones correspondientes entre los equipos utilizados.
Proponer una alternativa para el control de motores trifásicos.
Proponer una solución para el control de un motor para un sistema de
colada semicontinua de aluminio.
17
Capitulo1
Generalidades
18
Capítulo 1: Máquinas Eléctricas
En este capítulo se mencionan generalidades de las máquinas eléctricas, así
como su control y las generalidades sobre las GUI´s.
1.1. Definición.
Las máquinas eléctricas son dispositivos capaces de realizar un determinado
trabajo en el cual interviene la energía eléctrica. Por lo tanto, las máquinas
eléctricas realizan una conversión de energía de una forma a otra. (Mora, 2008)
Figura 1. La máquina eléctrica como convertidor de energía (Mora, 2008)
1.2. Tipos de máquinas eléctricas
Las máquinas eléctricas pueden clasificarse en tres pilares fundamentales que
son:
a. Generador
Son todos aquellos dispositivos capaces de transformar la energía
mecánica en energía eléctrica. Parte de este trabajo se desarrolla por el
movimiento de una bobina dentro de un campo magnético, esta acción
da como resultado una fuerza electromotriz o por sus siglas f.e.m.
19
b. Motor
Un motor es aquel dispositivo capaz de transformar la energía eléctrica
en energía mecánica. El movimiento mecánico se produce cuando se
induce una corriente en la máquina mediante una fuente de poder
externa, esta corriente interacciona con el campo de la máquina
produciendo así de esta forma un movimiento en el motor.
c. Transformador
Un transformador es aquella máquina que tiene la capacidad de
transformar la energía eléctrica suministrada (de C.A), la cual posee
ciertas magnitudes de tensión, así como de corriente y entregarla con
magnitudes diferentes, pero conservando la forma de energía (de C.A).
(Mora, 2008)
1.3. Tipos de máquinas eléctricas rotativas.
Las máquinas eléctricas más utilizadas en la industria son los motores
eléctricos, los cuales se clasifican en 4 clases principales, las cuales son:
1. Máquinas con conmutador de corriente continua
También llamadas “Máquinas de Corriente continua” y su característica
principal es que poseen un dispositivo de conmutación llamado
conmutador. Sus aplicaciones son varias, van desde su utilización en
sistemas de tracción hasta sistemas de automatización y control de
procesos.
2. Máquinas de inducción
Los motores de inducción son considerados “los caballos de batalla de la
industria”, debido a que son ampliamente utilizados en ella. La máquina
de inducción posee un conjunto de características como durabilidad,
sencillez, costo, etc.
20
3. Máquinas síncronas
Una máquina síncrona tiene la propiedad de operar a una velocidad
constante llamada “Velocidad de sincronismo”.
4. Máquinas de conmutador Polifásico
En este tipo de máquinas se reemplazan las barras de la jaula de ardilla
y los anillos de corto circuito por devanados convencionales que se
encargan de duplicar los devanados del estator. La excitación en estas
máquinas debe ser a una tensión y frecuencia determinadas que tengan
relación con la diferencia de velocidad entre el rotor y el estator. La
excitación se proporciona a través del conmutador hacia el circuito del
rotor. (NASAR & Bolnea, 1993).
1.4. Constitución de las máquinas asíncronas
La máquina asíncrona o también llamada de inducción constan de 3 elementos
importantes, una parte fija llamada estator, y una parte móvil llamada rotor,
ambas separadas una de otra por un pequeño espacio de aire llamado
entrehierro. Estos 3 elementos forman parte del circuito magnético atravesado
por el flujo común de la máquina y por ende juegan un papel activo en la
conversión de la energía. Es crucial diferenciar las partes activas de otras que
son meramente estructurales o de protección como la carcasa exterior, los
cojinetes y rodamientos además del eje, ya que estos juegan un papel
complementario (aunque no menos importante) como el ventilador o los
sistemas de refrigeración.
21
Figura 2. Secc. transversal de un motor asíncrono. 1. estator;2. rotor; 3. devanado estatorico;4. devanado rotorico de
jaula de ardilla; 5. anillos de corto circuito; 6. eje; 7. escudos frontal anterior y posterior; 8. ventilador; 9. aletas de
refrigeracion exterior. (Feito, 2004)
1.4.1. Partes activas de la máquina eléctrica rotativa
A continuación, se explica cada una de las tres partes activas de la máquina
eléctrica rotativa trifásica:
a. Estator
El estator es la parte fija de la máquina eléctrica rotativa, la cual
cuenta con una forma cilíndrica y está formado por un núcleo de
chapas magnéticas apiladas y aisladas entre sí, que aloja un
devanado trifásico en las ranuras situadas en su superficie interior.
Estas ranuras se encuentran uniformemente distribuidas a lo largo de
la periferia del estator de tal forma que la distribución de los
conductores que ocupan posiciones homologas en cada una de las
fases (por ejemplo, los principios de devanado) están desplazados
entre si 120° eléctricos.
22
b. Rotor
El rotor es la parte móvil de la máquina eléctrica rotativa, la cual está
formada a base de chapas magnéticas y tiene una forma cilíndrica
con las ranuras que alojan el devanado situadas en su superficie
exterior y distribuidas de manera uniforme. Además, las ranuras del
rotor están inclinadas para mejorar la forma de onda de la Fuerza
magneto motriz. producida. Cabe destacar que el diseño del
devanado del rotor varía dependiendo del control par- velocidad que
se requiera, a continuación, se explican los dos tipos de rotores más
utilizados: (Feito, 2004)
Rotor jaula de ardilla
El rotor más conocido y ocupado en la industria es
denominado como jaula de ardilla. Este devanado consta de
un conjunto de barras solidificas de aluminio o cobre en las
ranuras del rotor, cabe destacar que cada una de estas barras
se encuentra en corto circuito por un par de anillos alojados
cada uno en los extremos, por lo cual este tipo de rotor no
cuenta con anillos rozantes ni escobillas, por lo cual el
mantenimiento a este rotor es prácticamente nulo, en la figura
3 se puede apreciar su estructura.
Rotor Devanado
El rotor devanado tiene devanadas las tres fases, las bobinas
concentradas en las ranuras del rotor finalizan en unos anillos
rozantes colocados sobre el eje del rotor con escobillas,
haciendo así de esta forma, contacto con los anillos,
Durante el periodo de arranque, estos devanados, por medio
de los anillos rozantes se conectan de manera externa a un
banco de resistores colocados en conexión estrella. De esta
forma los resistores externos se ponen en corto circuito
durante uno o más pasos, en el régimen que el motor aumenta
23
su velocidad. En la figura 4 se puede apreciar su forma.
(Harper, 2011)
Figura 3. Estructura del devanado jaula de ardilla (diseño propio)
Figura 4. Rotor devanado o de anillos (Feito, 2004)
1.5. Placa de bornas y conexionado.
La placa de bornes de algunos motores de inducción suele llevar
frecuentemente un conjunto de seis polos accesibles, los cuales están unidos
directamente a los extremos de cada una de las tres fases del estator. En el
caso de motores de rotor devanado hay además otras tres terminales
24
correspondientes a los tres extremos de fases libres. Estas terminales reciben
denominaciones normalizadas, los principios de fase con las letras U1, V1 y W1
(antes U, V y W) y los finales con las letras U2, V2 y W2 (antes X, Y, Z).
En la disposición normal, los extremos de una misma fase no están alineados
como se puede apreciar en la figura 5, con objeto de que sea más cómodo la
realización de las conexiones estrella y triangulo con pletinas de cobre
normalizadas. En la figura 6, se muestra el estator de un motor asíncrono en el
cual se puede observar la caja de bornas situada en la parte derecha del
estator.
Figura 6. Estator de un motor asíncrono antes y después del bobinado (Feito, 2004)
1.6. Funcionamiento de un motor trifásico.
El correcto funcionamiento de un motor trifásico comienza cuando se le
suministra energía eléctrica equilibrada por medio de una Fuente a los
devanados que se encuentran alojados en el estator, de esta forma comienza a
fluir por los devanados un sistema de corrientes trifásicas, evocando el teorema
de ferraris, que dice que una onda espacial de fuerza magnetomotriz o
Figura 5. a) Placa de bornas de un motor asíncrono b) conexión estrella c) conexión triangulo (Feito, 2004)
25
prácticamente senoidal (armónico fundamental), y cuya velocidad angular,
llamada “velocidad del sincronismo” donde se puede expresar en revoluciones
por minuto como:
𝑛1 =60𝑓1𝑝
Ecuación 1
En donde:
𝑛1 = Revoluciones por minuto (r.p.m)
𝑓1 = La frecuencia de la corriente de alimentación (Hz)
𝑝 = No. de pares de polos de la máquina
(Feito, 2004)
Al girar el campo magnético, “corta” a los conductores situados en el rotor. Así
mediante este procedimiento se inducen voltajes en los conductores. Los
voltajes inducidos hacen surgir las corrientes en el rotor, las cuales
interaccionan con el campo del entrehierro y de esta forma producir un par. El
par se mantendrá en todo momento mientras que exista el campo magnético
rotatorio y las corrientes inducidas en el rotor. De esta forma, el rotor comienza
a girar en el mismo sentido que el campo rotatorio. El rotor llegara a una
velocidad de régimen permanente, n, tal que n < ns. Obviamente, cuando n =
ns, no existirá corrientes inducidas y, consecuentemente, tampoco habrá par.
Otra forma de entender el funcionamiento del motor de inducción polifásico es
tomar en cuenta la interacción del campo magnético del estator (excitado) con
el campo magnético del rotor (inducido). La excitación del estator produce un
campo magnético giratorio, que va rotando en el entrehierro a una velocidad
síncrona. El campo induce corrientes polifásicas en el rotor, por lo que, se da
origen a otro campo magnético en rotación, el cual también gira a la misma
velocidad síncrona del estator y con respecto al estator. Así de esta manera, se
tienen dos campos magnéticos rotatorios, que giran a una velocidad síncrona
26
con respecto al estator, pero estacionarios entre sí. Consecuentemente, y de
acuerdo con el principio de alineamiento de los campos magnéticos, el rotor
experimenta un par. Por lo que el rotor gira en la misma dirección del campo
rotatorio del estator. (NASAR & Bolnea, 1993).
1.7. Control de Velocidad en un Motor Trifásico
Los motores trifásicos son ampliamente utilizados en la industria, Sin embargo,
durante casi un siglo su uso se limitó a aplicaciones en las que las que se
requería una velocidad constante o casi constante; Por lo que para aplicaciones
en las que se requería una variación de velocidad se ocupaban los motores de
corriente continua. Debido a que en los últimos 25 años se ha incursionado en
los variadores de velocidad a frecuencia variable, esto ha inducido una
revolución en la técnica de los accionamientos, debido a la evolución de las
características de los componentes electrónicos, los cuales son capaces de
manejar potencias unitarias muy elevadas, al espectacular desarrollo de
sistemas de control en tiempo real basados en microprocesadores y algunas
formulaciones teóricas muchas de ellas relativamente recientes sobre el
funcionamiento de las máquinas asíncronas, lo cual ha permitido la elaboración
de modelos matemáticos de la máquina y algoritmos considerablemente
eficaces y robustos. (Feito, 2004).
Existen 2 técnicas que dan la posibilidad de controlar la velocidad de un motor
de inducción:
1. La primera técnica consiste en la variación de la velocidad
síncrona, que es la velocidad de los campos magnéticos tanto del
estator como del rotor, debido a que la velocidad del rotor siempre
permanece cerca de 𝑛𝑠𝑖𝑛𝑐 .
2. La segunda técnica consiste en la variación del deslizamiento del
rotor para una carga dada.
27
La velocidad síncrona de un motor de inducción esta dad por:
𝑛𝑠𝑖𝑛𝑐 =120𝑓𝑒𝑃
Ecuación 2
En donde:
𝑓𝑒= La frecuencia en Hertz (Hz)
𝑃= Número de polos de la máquina
Por lo tanto, se puede decir que los únicos modos en los que se puede variar la
velocidad síncrona de una máquina son:
a) Modificando la frecuencia eléctrica
b) Modificando el número de polos de la máquina
Se puede lograr el control del deslizamiento variando la resistencia del rotor o la
tensión en las terminales del motor. (Chapman, 2005)
1.7.1. Variación de la velocidad del motor por el método del cambio
del número de polos
En método del cambio del número de polos consiste en el cambio de las
conexiones de varias bobinas situadas en el devanado del estator. Existen dos
métodos importantes que se utilizan para variar el número de polos en un motor
de inducción, los cuales son:
a) Método de polos consecuentes
Este método se desarrolló originalmente en 1897. Se basa en el hecho
de que el número de polos de los devanados en el estator de un motor
de inducción se puede modificar con facilidad por un factor de 2:1
haciendo un cambio en las conexiones de las bobinas. En la figura 7, se
puede apreciar el estator de un motor de inducción de dos polos simple
28
apropiado para el cambio de polos. Nótese que las bobinas individuales
tienen un paso muy corto (de 60° a 90°). La figura 8, se muestra la fase a
de estos devanados en forma separada para obtener una mayor claridad
en el detalle.
En la figura 8, a) se aprecia el flujo de corriente en la fase a de los
devanados del estator en un instante durante la operación normal.
Nótese que el campo magnético deja al estator en el grupo de fase
superior (polo norte) y entra en el estator en el grupo de fase inferior
(polo sur). Por ende, este devanado produce dos polos magnéticos del
estator.
Ahora, suponiendo que se invierte la dirección del flujo de corriente en el
flujo de fase inferior en el estator como se aprecia en la figura 8, b).
Entonces, el campo magnético dejará el estator tanto en el grupo de fase
superior como en el inferior; cada uno será un polo norte magnético. El
flujo magnético de esta máquina debe regresar al estator entre los dos
grupos de fase, produciendo un par de polos magnéticos sur
consecuentes. Nótese ahora que el estator tiene cuatro polos
magnéticos, esto es, el doble de los que se tenía antes.
El rotor de un motor como este es de jaula, debido a que un rotor
siempre tiene tantos polos inducidos como polos tiene el estator y por lo
tanto se puede adaptar cuando cambia el número de polos en el estator.
Cuando se conecta un motor de dos polos para operar con cuatro polos,
el par máximo resultante del motor de inducción puede ser el mismo que
antes (conexión de par constante), la mitad de su valor anterior (conexión
de par de acuerdo con la ley de cuadrados, que se utiliza en
ventiladores, etc.) o el doble de su valor anterior (conexión de salida
29
constante), dependiendo de cómo se acomoden los devanados del
estator. (Chapman, 2005).
Figura 7. Devanado estatórico de dos polos para cambio de polos (Chapman, 2005)
30
Figura 8. Vista de detalle de una fase de un devanado de polos cambiantes (Chapman, 2005)
b) Devanados de estator múltiple
En el método de estatores de devanados múltiples se puede utilizar
diferentes cantidades de polos y energizar solo un grupo a la vez. Por
ejemplo, un motor puede ser devanado con grupos de cuatro y seis polos
de devanados del estator y su velocidad síncrona en un sistema de 60Hz
se puede cambiar de 1800 a 1200 r.p.m si se suministra potencia al otro
conjunto de devanados. Desgraciadamente, los estatores de devanados
múltiples aumentan el costo del motor y solo son utilizados cuando es
realmente necesario.
Si se combina el método de polos consecuentes con el de estatores
devanados múltiples, se puede construir un motor de inducción con
31
cuatro velocidades. Por ejemplo, con devanados separados de cuatro y
seis polos se puede producir un motor de 60 Hz con la capacidad de
trabajar a 600, 900,1200 y 1800 r.p.m.
1.7.2. Método de frecuencia variable
La variación de la frecuencia de alimentación del motor puede realizarse
por medio de convertidores de frecuencia rotativos (un ejemplo son los
alternadores movidos por un mecanismo regulable, cuya tensión
generada se suministra al estator del motor de inducción. (Mora, 2008).
Ahora, recordando que la velocidad de sincronismo es directamente
proporcional a la frecuencia. Por lo tanto, si se puede variar la frecuencia
suministrada, también se puede variar la velocidad síncrona del motor.
La variación de la velocidad puede ser continua o discreta dependiendo
con la variación continua o discreta de la frecuencia de suministro. Sin
embargo, el par máximo desarrollado por el motor es inversamente
proporcional a la velocidad síncrona. Si deseamos obtener un par
máximo constante, tanto el voltaje de suministro como la frecuencia de
suministro deberían aumentarse si queremos que se incremente la
velocidad de sincronismo del motor. La dificultad inherente en la
aplicación de este método es que la frecuencia de suministro, tal como
se la dispone comúnmente, es fija. Por lo tanto, el método es aplicable
solo si se dispone de una fuente de frecuencia variable. Con el
advenimiento de dispositivos de estado sólido con capacidades de
potencia comparativamente grandes, hoy en día es posible usar
controladores estáticos de frecuencia para impulsar el motor de
inducción. (NASAR & Bolnea, 1993).
32
1.8. Controladores de estado sólido para motores de inducción
El método preferido en estos días para el control de velocidad en motores de
inducción son los controladores de frecuencia variable para motores de
inducción de estado sólido. En la figura 9, se muestra un controlador típico de
este tipo. Los controladores son muy flexibles ya que la potencia de entrada de
estos equipos puede ser monofásica o trifásica, a 50 o 60 Hz y entre 208 y 230
V. La forma de salida de estos controladores es un conjunto de voltajes
trifásicos cuya frecuencia puede variar en un rango de entre 0 y 120 Hz y cuyo
voltaje puede variar de 0 V hasta el voltaje nominal del motor. (Chapman, 2005)
El voltaje de salida y control de la frecuencia se lleva cabo por medio de las
técnicas de modulación de amplitud de pulso, en donde tanto la frecuencia
como el voltaje de salida se pueden controlar independientemente por medio de
la modulación de amplitud de pulso (PWM).
Figura 9. Controlador Siemens de frecuencia variable (PLC, 2018)
La frecuencia, así como el voltaje de salida se pueden controlar
independientemente por medio de la amplitud de pulso. En la figura 10, se
puede apreciar la forma en la que un controlador PWM puede controlar el
voltaje rms mientras mantiene la frecuencia de salida constante, en tanto que la
figura 11, muestra la forma en la que el controlador PWM puede controlar el
nivel de frecuencia mientras mantiene un nivel de voltaje rms constante.
(Chapman, 2005)
33
Figura. 11 Control de tensión variable con onda PWM: a) onda PWM de 60 Hz y 120 V; b) onda de 60 Hz y 60 V.
(Chapman, 2005)
Figura. 10 Control de frecuencia variable con modulación de amplitud de pulso PWM: a) onda PWM de 60 Hz y 120 V;
b) onda PWM de 30 Hz y 120 V. (Chapman, 2005)
34
1.8.1. Ajuste de frecuencia (Velocidad)
La frecuencia de salida del controlador se puede manipular principalmente de
manera manual por medio de un control montado en el gabinete de mando o
también puede ser controlado de manera remota con una señal de voltaje o
corriente externos. La habilidad de ajustar la frecuencia del controlador en
respuesta a una señal externa es algo muy importante, ya que de esta forma
abre la posibilidad de que una computadora o controlador de procesos externos
regule la velocidad del motor de acuerdo con las diferentes necesidades
generales dependiendo de la planta, así como el propósito para el cual este se
instaló. (Chapman, 2005).
1.8.2. Selección de patrones de tensión y frecuencia
Existen diferentes tipos de cargas mecánicas a las cuales se puede someter un
motor de inducción. Algunas cargas como los ventiladores requieren un par
pequeño en el arranque (u operar a bajas velocidades) y tener pares que se
incrementen con el cuadrado de la velocidad. Por otro lado, existen otras cargas
que pueden ser más difíciles de arrancar y requieren un par mayor al nominal a
plena carga del motor para que la carga se comience a mover. Este control
provee una gran variedad de patrones de voltaje y frecuencia que se pueden
seleccionar para conseguir que el par del motor de inducción sea igual al par
que requiere su carga. (Chapman, 2005).
1.8.3. Rampas de aceleración y desaceleración ajustables
independientemente
Cuando la velocidad de operación del motor cambia, el controlador que lo opera
modifica la frecuencia para llevar al motor a la nueva velocidad de operación. Si
el cambo de velocidad es súbito (esto es, un salto de 900 a 1200r/min), el
controlador no intenta que el motor salte de la anterior velocidad deseada a la
nueva velocidad instantáneamente. En cambio, la aceleración o desaceleración
35
del motor se restringe a un nivel seguro por medio de circuitos especiales
contenidos en la electrónica del controlador. Estas tasas se pueden ajustar en
forma independiente para acelerar o desacelerar. (Chapman, 2005).
1.9. Interfaz Gráfica de Usuario
Las GUI´s (comúnmente llamadas como interfaces gráficas de usuario o solo
como interfaces de usuario) permiten un control sencillo usando de por medio
un dispositivo de entrada (mouse) de las aplicaciones de software, lo cual da
como ventaja la eliminación de la necesidad de aprender un lenguaje de
computadora y escribir comandos para el desarrollo de una aplicación.
(MathWorks, GUI de Matlab, 2018).
1.9.1. Creación de GUI´s en Matlab
GUIDE es un entorno de desarrollo de GUI´s, el cual contiene una serie de
herramientas para el diseño de interfaces gráficas de usuario para Apps
personalizadas.
Por medio del editor de diseño de GUIDE, es posible diseñar gráficamente la
interfaz gráfica de usuario. GUIDE crea de manera automática el código de
Matlab para la construcción de la interfaz, el cual puede ser programable para el
comportamiento de la aplicación. (MathWorks, GUI de Matlab, 2018).
1.9.2. Creación de una GUI de Matlab de forma programática
Con la finalidad de ejercer un mayor control sobre el diseño, así como del
desarrollo, también se puede crear código de Matlab que defina las propiedades
y comportamientos de todos y cada uno de los componentes. Matlab cuenta
con funcionalidad integrada para ayudar a crear la GUI de la aplicación de
forma programática. Existe la posibilidad de agregar cuadros de dialogo,
36
controles de interfaz de usuario como botones y controles deslizantes y
contenedores como paneles y grupos de botones.
1.10. Colada Semicontinua
Este proceso es utilizado en la industria del aluminio siendo uno de los más
importantes ya que en él se obtiene más del 85% de la producción, además de
permitir condiciones propicias (estructuralmente hablando), para que la aleación
de aluminio pueda procesarse subsiguiente de forma mecánica. La colada
semicontinua de aluminio y sus acciones han tenido una gran atención
tecnológica debido al control estructural que se obtiene a través de un
adecuado enfriamiento. (Garcia, 2011, pág. 35)
.
37
Capítulo 2
Partes principales del Proyecto
38
Capítulo 2: Partes principales del Proyecto.
En este capítulo se describen los diferentes equipos utilizados en el proyecto,
así como el flujo de información y el trabajo que realizan en conjunto como se
puede apreciar en la figura 12.
En la parte de potencia se encuentran el variador de frecuencia, así como el
motor de inducción trifásico, podemos apreciar que el variador de frecuencia
cuenta con una alimentación trifásica, la cual es procesada de manera tal que a
la salida de sus terminales puede alimentar al motor de inducción trifásico con
una tensión y frecuencia deseada.
En la parte de control contamos con 2 bloques principales que son la Interfaz
gráfica de usuario representada por un PC y un dispositivo lógico. Una vez
seleccionada la velocidad deseada en la interfaz gráfica de usuario el
dispositivo lógico recibe la señal del PC por medio de un puerto de
comunicación; haciendo que el módulo de relevadores ejecute las acciones
deseadas por el usuario, de esta manera el módulo de relevadores controla la
alimentación de las entradas digitales del variador de frecuencia abriendo y
cerrando los relevadores de dicho modulo.
Cabe destacar que la alimentación para las entradas digitales del variador de
frecuencia es tomada del mismo variador ya que este cuenta con una terminal
para la alimentación de sus propias entradas digitales.
39
2.1 Diagrama de bloques
2.2 Motor de inducción a controlar.
Para realizar la programación del Variador de frecuencia es preciso conocer las
características de motor trifásico a controlar.
El motor que se utilizó se puede apreciar en la figura 13, este es un motor de
CA de inducción trifásico de la marca “AEG”, los datos y sus especificaciones
se muestran en la tabla 1.
Figura. 12 Diagrama de bloques del Proyecto
40
Figura 13. Motor Trifásico Marca AEG
Tabla 1 Datos de placa del motor trifásico Marca AEG (emot, 2018)
Especificaciones
Potencia 370W
Tensión Delta/Estrella 220/380V
Ampacidad Delta/ Estrella 2.1/1.2 A
Frecuencia 50 Hz
Velocidad 1360 R.p.m
Fases 3
Cos phi 0.72
Estilo B5
41
2.3 Variador de frecuencia Micromaster 440.
En la figura 14, se observa el Micromaster 440, el cual proviene de una amplia
gama de convertidores de frecuencia (también conocidos como Variadores) los
cuales tienen la capacidad de variar la frecuencia para modificar la velocidad de
motores trifásicos. Los distintos modelos disponibles abarcan un rango de
potencias desde 120 W para entrada monofásica hasta 75 kW con entrada
trifásica. Los convertidores están controlados por un microprocesador y utilizan
tecnología IGBT (Insulated Gate BipoIar Transistor) de Ultima generación. Esto
los hace fiables y versátiles. Un método especial de modulación por ancho de
impulsos con frecuencia de pulsación seleccionable permite un funcionamiento
silencioso del motor. Extensas funciones de protección ofrecen una protección
excelente tanto del convertidor como del motor. El MICROMASTER 440, con
sus ajustes por defecto realizados en fabrica, es ideal para una gran gama de
aplicaciones sencillas de control de motores. El MICROMASTER 440 también
puede utilizarse para aplicaciones más avanzadas de control de motores
haciendo uso de su funcionalidad al completo. El variador de frecuencia puede
utilizarse tanto en aplicaciones donde trabaje aislado o integrado en sistemas
de automatización (SIEMENS, 2018).
Figura 14. Variador de frecuencia Micromaster 440 (inverterdrive, 2018)
42
Tabla 2 Especificaciones del variador de frecuencia MM440 (SIEMENS, 2018)
Especificaciones
Tensión de Entrada 200-240 V +/-10% 3AC
Tensión de Salida 0-240 V 3AC
Corriente de Entrada 62 A
Corriente de Salida 54 A
Frecuencia de Entrada 47 -63 Hz
Frecuencia de Salida 0 – 650 HZ
Capacidad de Motor 15 KW (18.5 KWVT)
Rango de Temperatura -10 - 50ºC
Peso 16 kg
2.4 Matlab.
Matlab es un software utilizado para análisis y diseño de diferentes sistemas
para la resolución de problemas científicos, así como de ingeniería.
El lenguaje de MATLAB se basa en matrices ya que es una forma de expresar
las matemáticas computacionales. Las gráficas integradas facilitan la
visualización de los datos y la obtención de información a partir de ellas.
Además de contar con una extensa biblioteca de herramientas llamadas
“Toolboxes” para trabajar con ellos inmediatamente, optimizando diferentes
procesos.
Características principales:
➢ Lenguaje de alto nivel para cálculos científicos y de ingeniería.
➢ Entorno de escritorio afinado para la exploración iterativa, el diseño y la
solución de problemas.
43
➢ Gráficas para visualizar datos y herramientas para crear diagramas
personalizados.
➢ Aplicaciones para ajustar curvas, clasificar datos, analizar señales,
ajustar sistemas de control y muchas otras tareas.
➢ Toolboxes complementarias para una amplia variedad de aplicaciones
científicas y de ingeniería.
➢ Herramientas para crear aplicaciones con interfaces de usuario
personalizadas
➢ Interfaces para C/C++, Java®, .NET, Python, SQL, Hadoop y Microsoft®
Excel®
➢ Opciones de implementación libres de regalías para compartir programas
de MATLAB con los usuarios finales.
(MathWorks, MATLAB - MatWorks - MATLAB&Simulink , 2018)
Figura 15. Matlab
44
2.4.1 Simulink.
Simulink es un entorno de programación que forma parte de Matlab, el cual por
medio de diagramas de bloques se es capaz de realizar simulación
multidominio y diseño basado en el modelo. Simulink es capaz de soportar
diseño de nivel de sistema, simulación, generación automática de código y
continua prueba y verificación de sistemas embebidos, además de que Simulink
provee un editor gráfico, bibliotecas de bloques personalizables y
solucionadores de problemas para modelar y simular sistemas dinámicos.
Las características principales de Matlab Simulink son:
➢ Editor gráfico para construir y administrar diagramas de bloques
jerárquico.
➢ Bibliotecas de bloques predefinida para el modelado de sistemas de
tiempo continuo y tiempo discreto.
➢ Alcances y datos de muestra para ver los resultados de la simulación.
➢ Herramientas de gestión de proyecto y datos para la gestión de archivos
de datos y modelo.
➢ Herramientas de análisis de modelo para refinar el modelo de
arquitectura y aumentar la velocidad de simulación.
➢ Bloque de función de MATLAB para la importación de los algoritmos
MATLAB en modelos.
45
➢ Herramienta de código legado para importar código C y C++ en modelos.
(MathWorks, Simulink Product Description - MATLAB & Simulink - MathWorks,
2018)
Figura 16. Matlab + Simulink (MathWorks, la.mathworks.com, 2018)
46
2.5 Arduino Mega.
Arduino Mega es una tarjeta de desarrollo construida con un microcontrolador
modelo Atmega 2560 la cual posee terminales de entradas y salidas (E/S),
analógicas y digitales. Esta tarjeta es programada en un entorno de desarrollo
que implementa el lenguaje Processing/Wiring. Arduino puede utilizarse en el
desarrollo de objetos interactivos autónomos o puede comunicarse a un PC a
través del puerto serial (conversión con USB) utilizando lenguajes como Flash,
Processing, MaxMSP, etc. Las posibilidades de realizar desarrollos basados en
Arduino tienen como límite la imaginación.
El Arduino Mega tiene 54 terminales de entradas/salidas digitales (14 de las
cuales pueden ser utilizadas como salidas PWM), 16 entradas análogas, 4
UARTs (puertos serial por hardware), cristal oscilador de cuarzo de 16 MHz,
conexión USB, jack de alimentación, conector ICSP y botón de reset. Arduino
Mega incorpora todo lo necesario para que el microcontrolador trabaje;
simplemente conéctalo a tu PC por medio de un cable USB o con una fuente de
alimentación externa (9 hasta 12 VDC).
Esta nueva versión de Arduino Mega 2560 adicionalmente a todas las
características de su sucesor utiliza un microcontrolador ATMega8U2. Esto
permite mayores velocidades de transmisión por su puerto USB y no requiere
drivers para Linux o MAC, además ahora cuenta con la capacidad de ser
reconocido por el PC como un teclado, ratón, joystick, etc. (electronics, 2018).
47
2.5.1 Módulo de relevadores.
Este módulo de relevadores consta de 8 relés de 10 Amperios y 220 VAC, el
cual cuenta con 8 opto acopladores en la línea inferior que funcionan como
protección en caso de falla en la parte de los relevadores. Las terminales
inferiores corresponden a los 8 relés más GND y 5 V de control.
Este tipo de relés funciona para ser controlado mediante los 5 V de nuestro
Arduino o similares, energizando su bobina interna y de esta forma poder
conmutar el encendido apagado de cualquier sistema eléctrico de un cierto
consumo. (Prometec, 2018)
Figura 18. Modulo de 8 relés
Figura 17. Arduino Mega 2560 (electronics, 2018)
48
Capítulo 3
Desarrollo de la GUI
49
Capítulo 3: Desarrollo de la GUI
En este capítulo se explica cómo se desarrolló la interfaz gráfica de usuario y
los elementos utilizados.
3.1 Desarrollo de la GUI en Matlab
Para el inicio del proyecto se ejecuta la instrucción “guide” en la ventana de
comandos como se muestra en la figura 19.
Una vez ejecutado se despliega el siguiente cuadro de dialogo, mostrado en la
figura 20.
Figura 20. Cuadro de dialogo GUIDE
Figura 19. Ventana de comando de Matlab
50
En el que tenemos diferentes opciones como son:
a) Blank GUI (Default)
En esta opción se abre un nuevo proyecto en blanco en el cual podemos
comenzar a diseñar la interfaz gráfica de usuario con los elementos
disponibles
b) GUI with Uicontrols
En esta opción se presenta una interfaz a modo de ejemplo en la cual se
calcula la masa ingresando la densidad y el volumen teniendo como
opción el resultado en alguno de los dos sistemas de unidades.
c) GUI with Axes and Menú
En esta opción se presenta una interfaz también a modo de ejemplo, la
cual contiene un “Popupmenu”, un “pushbutton” y un “Axes”, se puede
ejecutar el programa eligiendo alguna de las seis diferentes opciones que
se encuentran en el menú desplegable y dando clic en el botón de
comando.
d) Modal Question Dialog
En esta opción se presenta una interfaz que es un cuadro de dialogo
común, el cual se conforma de una pequeña imagen, una etiqueta y un
par de botones con las leyendas Yes y No respectivamente,
dependiendo del botón que se presione, la GUI regresa el texto
seleccionado.
(Guerrero, 2018)
51
Al elegir la primera opción aparece un entorno de diseño como el que se
muestra a continuación en la figura 21:
Figura 21. Entorno de diseño
52
En la parte lateral izquierda podemos encontrar la paleta de elementos
mostrados en la figura 22, con los que se puede trabajar.
Figura 22. Paleta de elementos
Paleta de
elementos
53
Cada elemento tiene diferentes propiedades como se indica en la tabla 3:
Tabla 3 Descripción de los elementos (Guerrero, 2018)
Elemento Valor de estilo Descripción
Push Button “pushbutton” Invoca un evento de manera inmediata
Slider “slider” Usado para representar un rango de valores
Radio Button “radio” Indica una opción que puede ser
seleccionada
Check Box checkbox Indica el estado de una opción
Edit Text “edit” Elemento con texto editable
Static Text “text” Elemento con texto no editable
Pop-up Menu “popupmenu” Contiene una lista de opciones
Listbox “listbox” Muestra una lista deslizable
ToggleButton “togglebutton” Solo puede estar un estado “on” o “off”
Table “uitable” Muestra una tabla
Axes “axes” Puede mostrar gráficas o imágenes
Panel “uipanel” Agrupa los diferentes elementos
seleccionados
Button Group “uibottongroup” Permite exclusividad de selección con los
radio buttons
ActiveX
Control Crea un control en la ventana de figuras
En la parte superior contamos con las siguientes herramientas que pueden ser
utilizadas durante el diseño de la interfaz
54
Figura 24. Herramientas del GUIDE para la GUI
Herramientas de la
GUI
Figura 23. Descripción de las herramientas (Guerrero, 2018)
55
3.2 Elementos de la Interfaz gráfica de usuario
A continuación, se muestran los elementos que conforman la interfaz
Figura 25. Elementos que conforman la GUI
Tabla 4 Elementos que conforman la GUI
Numero Elemento Tag
1 Panel (uipanel1)
2 Static text (text1)
3 Static text (text2)
4 Popupmenu (popupmenu1)
5 Popupmenu (popupmenu2)
6 Static text (text3)
7 Static text (text4)
8 Togglebutton (togglebutton1)
9 Togglebutton (togglebutton2)
10 Pushbutton (puchbutton1)
11 Axes (axes1)
56
Los elementos mostrados en la figura 25, y descritos en la tabla 4 cuentan con
menú independiente de opciones para ser modificados.
Para acceder a estas opciones se da clic izquierdo en el elemento especifico al
cual se desee acceder a dicho menú.
Figura. 26 Menú de opciones del elemento
57
Las dos opciones más importantes en este menú, ya que fueron utilizadas
ampliamente son “View Callbacks” y “Property Inspector” respectivamente.
Con la opción Property Inspector podemos acceder a un menú con un conjunto
de opciones para poder realizar modificaciones en cuanto a la personalización
del elemento.
Figura 27. Menú del Property Inspector
58
La opción “View Callbacks” sirve para poder tener acceso al “archivo.m” de la
interfaz gráfica de usuario y poder realizar la programación de cada uno de los
elementos.
Cada elemento seleccionado en la GUI (excepto los statictext) cuenta con su
callback, en el cual se puede programar una subrutina que se ejecutara cuando
el elemento sea presionado.
Figura 29. Callback de popupmenu1
Figura 28. Opción View Callbacks
59
3.2.1 Callbacks de los elementos
Figura 30. Popupmenu1
60
En la figura 30, se puede observar el popupmenu1, el cual se programó en el
archivo.m de la siguiente manera como se muestra en la figura 31:
Figura 31. Código de programación del Popupmenu1
61
En la figura 31 se puede apreciar que en la función del popupmenu1 existen 3
opciones, así que solo se ejecutara una, dependiendo del valor que sea
seleccionado en el popupmenu1 de la interfaz.
En la figura 32, se puede apreciar el popupmenu2 el cual se programó tal como
se muestra en la figura 33.
Figura 32. Popupmenu2
62
Como se puede apreciar en la figura 33, existen 5 opciones en la función del
popupmenu2 y al igual que en el popupmenu1, solo se ejecutará una,
dependiendo del valor que sea seleccionado en el elemento popupmenu2 de la
interfaz.
Figura 33. Código de programación del Popupmenu2
63
Figura 34. Togglebutton1
Figura 35. Código de programación del Togglebutton1
Como se puede apreciar en la figura 35, existen dos opciones en el botón de
estado Togglebutton 1, lo que quiere decir que, si es presionado, se ejecutara
64
las acciones del primer “if”, y si está en condición de 0 o apagado, se ejecutaran
las acciones de “elseif”.
Figura 37. Togglebutton2
Figura 36. Código de programación del Togglebutton2
65
Como se puede apreciar en la figura 37, existen dos opciones en el botón de
estado Togglebutton 2, lo que quiere decir que, si es presionado, se ejecutara
las acciones del primer “if”, y si está en condición de 0 o apagado, se ejecutaran
las acciones de “elseif”.
Figura 38. Push button1
Figura 39. Código de programación del pushbutton1
66
En la figura 38, se puede apreciar la función del “pushbutton1”, la cual será
ejecutada cuando el elemento “push button” sea presionado, lo que hará que
tanto Togglebutton1 y Togglebutton2 tenga un valor de “0” y las constantes del
modelo de Simulink consigan un valor de 0.3, haciendo que todos los
relevadores cambien su estado a “abierto”.
Figura 40. Vista de la GUI (CIITEC, 2018)
67
3.3 Desarrollo del modelo en Simulink
Desde el entorno de Matlab se da clic izquierdo en “New”.
Donde posteriormente aparecerá un conjunto de opciones, se selecciona
“Simulink Model”.
Figura 41. Selección de un nuevo proyecto
Figura. 42 Selección de un nuevo proyecto en Simulink
68
Posteriormente aparecerá el entorno Simulink para poder realizar el modelo que
controlara las entradas digitales del Arduino y a su vez este será controlado por
la GUI.
Dando clic izquierdo en “Simulink library browser” aparecerá la siguiente lista de
elementos mostrados en la figura 45 que pueden ser utilizados para la creación
de un modelo en Simulink.
Figura. 44 Botón Simulink library browser
Figura. 43 Entorno de Simulink
69
Figura 45. Simulink library browser
70
3.3.1 Elementos utilizados en el modelo Simulink
En la imagen siguiente se pueden observar los diferentes elementos utilizados
en el modelo de Simulink:
Figura 46. Elementos que conforman el modelo en Simulink
Tabla 5 Elementos que conforman el modelo en Simulink
Numero Elemento
1 Bloque Constant
2 Bloque Switch
3 Bloque Scope
4 Bloque Digital Output
Todos los bloques switch deben ser modificados como se muestra en la figura
47, para comenzar la modificación se da doble clic izquierdo en cada bloque.
71
Figura 47. Parámetros del bloque Switch
La modificación para la selección de las salidas digitales se hace dando doble
clic izquierdo en los bloques “Digital Output” de Arduino como se muestra en la
figura 48.
72
Figura 48. Parámetros del bloque Digital Output
Para saber cuáles entradas digitales pueden ser ocupadas (en este caso para
Arduino Mega 2560), se da clic izquierdo en “view pin map”, posteriormente
aparecerá un mapa en el que se pueden consultar las entradas y salidas
digitales disponibles en las tarjetas de Arduino soportadas por Matlab.
Figura 49. Mapa de terminales disponibles en la tarjeta de Arduino (MathWorks, Matlab support packages, 2018)
73
Figura. 50 Modelo completo en Simulink
74
3.4 Conexiones
A continuación, se mostrarán las conexiones realizadas entre los diferentes
equipos utilizados.
Figura 51. Conexión de los devanados del motor trifásico en delta
75
Figura 52. Conexión entre variador de frecuencia Micromaster 440 y motor trifasico AEG
76
Figura 53. Conexiones entre Arduino Mega y Modulo de relevadores
77
Figura 54. Conexiones entre Arduino, Modulo de relevadores y entradas digitales del variador de frecuencia
Micromaster 440
78
3.5 Pruebas a la Interfaz Gráfica de Usuario
En las siguientes figuras se mostrará la operación de la GUI y el efecto en el
modelo Simulink, el cual modificará directamente al módulo de relevadores
alimentándose las entradas digitales del variador de frecuencia, el cual
controlará el motor trifásico de la forma deseada.
Figura. 55. Selección de la velocidad 1
79
Figura. 56 Gráficas de Simulink, Tensión en la salida digital 48 a 0 V
80
Figura 58. Selección de la velocidad 2
Figura 57. Gráficas de Simulink, Tensión en la salida digital 49 a 0 V
81
Figura 60. Selección de la velocidad 3
Figura. 59 Gráficas de Simulink, Tensión en la salida digital 50 a 0 V
82
Figura 62. Selección de la Velocidad 1 "Down"
Figura. 61 Gráficas de Simulink, Tensión en la salida digital 51 a 0 V
83
Figura 64. Selección de la velocidad 2 "Down"
Figura. 63 Gráficas Simulink, Tensión en salida digital 52 a 0 V
84
Figura 66. Selección de la velocidad 3 "Down"
Figura. 65 Gráficas Simulink. Tensión de salida en la entrada digital 53 a 0 V
85
Figura 68. Selección de la velocidad 4 "Down"
Figura 67. Gráficas de Simulink, Tensión de salida en salidas digitales 51 y 53 con tensión a 0 V
86
Figura 70. Selección de la velocidad 5 "Down"
Figura 69. Gráficas de Simulink, Tensión de salida en salidas digitales 52 y 53 con tensión a 0 V
87
Figura 72. Selección del Botón "Stop”
Figura 71. Gráficas de Simulink, Todas las salidas digitales con Tensión de salida
88
3.6 Modificación de valores en Variador de frecuencia Micromaster 440
En la tabla 6, se muestra paso a paso la forma en que se realizó la modificación
del variador de frecuencia Micromaster 440 en base a la lista de parámetros.
Tabla 6 Modificación de valores en Micromaster 440 (SIEMENS, 2018)
No. Parámetro Programación Explicación
1. P010 30 Guía básica para ajuste de parámetros
importantes.
2. P970 1 Reinicio de todos los parámetros a valores de
fabrica
3. P010 1 Guía básica para ajuste de parámetros
importantes.
4. P003 1 Nivel de acceso a usuario, seleccionado en
Estándar
5. P100 2 Determina los ajustes de Potencia,
seleccionado Norteamérica [kW], 60 Hz
6. P304 220 Tensión nominal del motor en [V]
7. P305 2.1 Corriente nominal del motor en [A]
8. P307 0.370 Potencia nominal del motor en [kW]
9. P308 0.72 Factor de potencia nominal del motor (cosPhi)
10. P310 50 Frecuencia nominal del motor en [Hz]
11. P311 1360 Velocidad nominal del motor en [rpm]
12. P700 2 Selección de la fuente para la orden digital,
seleccionando el modo por terminales
13. P1000 3 Selección de la consigna de frecuencia
14. P1080 0 Ajusta la Frecuencia mínima del motor en
[Hz]
15. P1082 50 Ajusta la Frecuencia máxima del motor en
[Hz]
89
16. P1120 5 Tiempo utilizado por el motor para acelerar de
un punto de frecuencia a otro.
17. P1121 3 Tiempo utilizado por el motor para
desacelerar de un punto de frecuencia a otro.
18. P3900 1 Fin de la puesta en servicio rápida
Una vez terminada la Modificación básica, se procede a la modificación de las
entradas digitales.
1. P700 2
Selección de la fuente de la orden digital,
verificando que este seleccionado el modo
por terminales
2. P003 3 Nivel de acceso a usuario, seleccionado en
Experto
3. P010 0 Preparado para marcha
4. P0701 16
Selecciona la función de la entrada digital 1,
seleccionando Frec. Fija
(sel. dir. +Marcha)
5. P0702 16
Selecciona la función de la entrada digital 2,
seleccionando Frec. Fija
(sel. dir. +Marcha)
6. P0703 16
Selecciona la función de la entrada digital 3,
seleccionando Frec. Fija
(sel. dir. +Marcha)
7. P0704 16
Selecciona la función de la entrada digital 4,
seleccionando Frec. Fija
(sel. dir. +Marcha)
8. P0705 16
Selecciona la función de la entrada digital 5,
seleccionando Frec. Fija
(sel. dir. +Marcha)
9. P0706 16 Selecciona la función de la entrada digital 6,
90
seleccionando Frec. Fija
(sel. Dir. +Marcha)
10. P1001 5 Define la consigna de la frecuencia fija 1 en
[Hz]
11. P1002 25 Define la consigna de la frecuencia fija 2 en
[Hz]
12. P1003 50 Define la consigna de la frecuencia fija 3 en
[Hz]
13. P1004 -3 Define la consigna de la frecuencia fija 4 en
[Hz]
14. P1005 -10 Define la consigna de la frecuencia fija 5 en
[Hz]
15. P1006 -15 Define la consigna de la frecuencia fija 6 en
[Hz]
Finaliza la Modificación de las entradas digitales.
91
Capítulo 4
Análisis de Resultados
92
Capítulo 4: Análisis de Resultados
A continuación, se muestran una serie de gráficas, resultado de la puesta en
marcha del motor trifásico, los datos mostrados en las siguientes gráficas fueron
resultado de 10 diferentes pruebas tomando en cuenta diferentes parámetros
de Frecuencia contra Tensión, R.p.m y Corriente, las mediciones fueron
tomadas del BOP (Basic Operator Panel) integrado en el variador de frecuencia.
4.1 Gráficas
Figura 73. Gráfica Frecuencia – Tensión
En la gráfica anterior se puede apreciar que la frecuencia aumenta de manera
proporcional a la tensión.
Los datos para realizar las gráficas fueron obtenidos del variador de frecuencia,
específicamente del BOP e ingresando a la lista de parámetros siguientes:
r0021: Frecuencia real. (SIEMENS, 2018, pág. 23)
r0025: Tensión de salida. (SIEMENS, 2018, pág. 23)
93
Figura 74. Gráfica de Frecuencia - R.p.m.
La gráfica de la figura 74 muestra el comportamiento de la velocidad con
respecto a la frecuencia
Los datos para realizar las gráficas fueron obtenidos del variador de frecuencia,
específicamente del BOP e ingresando a la lista de parámetros siguientes:
r0021: Frecuencia real. (SIEMENS, 2018, pág. 23)
r0022: Velocidad del rotor. (SIEMENS, 2018, pág. 23)
94
Figura 75. Gráfica de Frecuencia – Corriente
La gráfica de frecuencia – corrientes se puede apreciar un aumento de corriente
al arranque del motor, precedido de un amortiguamiento a medida que el motor
sigue operando.
Los datos para realizar las gráficas fueron obtenidos del variador de frecuencia,
específicamente del BOP e ingresando a la lista de parámetros siguientes:
r0021: Frecuencia real. (SIEMENS, 2018, pág. 23)
r0027: Corriente de salida. (SIEMENS, 2018, pág. 23)
95
Recomendaciones
Se recomienda implementar este proyecto ya que puede soportar motores
desde 0.5 hasta 20 HP, así de esta manera puede ajustarse a distintos
proyectos que requieran diferentes capacidades en cuanto motores trifásicos.
Debe de verificarse todas y cada una de las conexiones a fin de evitar fallos y
retrasos; además, de realizar pruebas en vacío verificando su correcto
funcionamiento antes de implementarlo en algún otro equipo.
Los cuidados y recomendaciones principales que se deben tomar en cuenta en
la GUI son las siguientes:
Inicializar la GUI antes de energizar el variador de frecuencia, ya que el
módulo de relevadores se activa automáticamente antes de que la GUI
sea visible.
Realizar una prueba y verificar el correcto funcionamiento entre la GUI y
el módulo de relevadores, antes de energizar el variador de frecuencia.
Además, se deben de tomar en cuenta una serie de cuidados en el variador de
frecuencia como:
Asegurarse de que todas las conexiones estén debidamente sujetadas a
las terminales del variador de frecuencia.
Mantener siempre conectado a tierra.
Esperar al menos 10 minutos después de desenergizar el variador de
frecuencia antes de tocar alguna de sus terminales.
A su vez también se deben tomar en cuenta algunos cuidados con respecto al
motor como son:
Verificar que las conexiones estén debidamente sujetadas a las
terminales correspondientes que se encuentran dentro de la caja de
conexiones de motor de inducción trifásico
Evitar el contacto con el motor trifásico y sus partes móviles una vez que
este se encuentre en funcionamiento
Mantener las partes internas del motor de inducción trifásico aislado de
agentes externos como agua, objetos extraños, etc.
96
Para proyectos futuros se pueden implementar una serie de modificaciones
para un mejor rendimiento, como puede ser:
Control de velocidad mediante comunicación Bluetooth entre la interfaz
gráfica de usuario y Arduino.
Implementación de sensores para un paro automático de seguridad del
motor trifásico una vez ya instalado en la colada de aluminio
semicontinua.
Realizar un empaquetado de la interfaz gráfica de usuario a fin de
facilitar su portabilidad.
Implementar un encriptado para el control de acceso a la interfaz gráfica
de usuario.
97
Conclusión
Los resultados obtenidos en las fases de prueba, así como durante la operación
del control del motor trifásico fueron satisfactorias ya que todos los equipos
utilizados funcionaron de manera óptima y sin ningún contratiempo.
Con este proyecto se ofrece una alternativa viable para el control de un motor
trifásico por medio de una interfaz gráfica de usuario, el cual puede tener más
de una aplicación para la industria.
98
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_sp_1202.pdf
99
Anexos
100
Anexos
Glosario de conceptos y siglas
A continuación, se presentan los conceptos y siglas empleadas en este trabajo.
C.A Corriente alterna
FEM Fuerza electromotriz
FMM Fuerza magneto motriz
GUI Interfaz gráfica de usuario
GUIDE Entorno de desarrollo interactivo de interfaces gráficas de usuario
HP Unidad de medida de potencia (Horse Power)
Hz Unidad de medida de frecuencia (Hertz)
MATLAB Laboratorio de matrices (Matrix Laboratory)
TOOLBOX Complementos para aplicaciones científicas y de ingeniería
VCA Volts de corriente alterna
101
Diagrama de Flujo del Programa Matlab
102
Diagrama Eléctrico
103
Entradas digitales del variador de Frecuencia
Figura 76. Diagrama de bloques del convertidor (SIEMENS, 2018, pág. 7)
