Entramado ISSN: Universidad Libre Colombia

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1 Etramado ISSN: Uiversidad Libre Colombia Ferádez-Morales, Flavio Humberto; Erique-Duarte, Julio Moitoreo de las variables eléctricas relacioadas co u geerador trifásico Etramado, vol. 10, úm. 2, julio-diciembre, 2014, pp Uiversidad Libre Cali, Colombia Dispoible e: Cómo citar el artículo Número completo Más iformació del artículo Págia de la revista e redalyc.org Sistema de Iformació Cietífica Red de Revistas Cietíficas de América Latia, el Caribe, España y Portugal Proyecto académico si fies de lucro, desarrollado bajo la iiciativa de acceso abierto

2 Etramado Moitoreo de las variables eléctricas relacioadas co u geerador trifásico 1 Moitorig electric variables of three-phase power geerators Moitorameto das variáveis elétricas relacioadas a um gerador trifásico Flavio Humberto Ferádez-Morales Doctor e Igeiería Electróica. Profesor Titular, Grupo de Eergía y Aplicació de Nuevas Tecologías (GEANT), Uiversidad Pedagógica y Tecológica de Colombia (UPTC), Facultad Seccioal Duitama. flaviofm1@gmail.com, Julio Erique-Duarte Doctor e Ciecias Físicas. Profesor Titular, Grupo de Eergía y Aplicació de Nuevas Tecologías (GEANT), Uiversidad Pedagógica y Tecológica de Colombia (UPTC), Facultad Seccioal Duitama. julioeriqued1@gmail.com Igeiería y TEcología Resume Los geeradores trifásicos so máquias ampliamete utilizadas como fuetes de eergía eléctrica. Es comú ecotrarlos asociados a sistemas de alimetació alterativos como grupos electrógeos, microcetrales hidráulicas y geeradores eólicos. Usualmete estos geeradores, de baja y media potecia, o cueta co la istrumetació adecuada para que el usuario pueda establecer su correcto fucioamieto. E este trabajo se describe el diseño y puesta a puto de u sistema para la medició de las variables asociadas a u geerador trifásico. Se desarrollaro dos módulos: uo de tesió, que adicioalmete se ecarga de medir la frecuecia y verificar la secuecia de fase; mietras que el otro módulo mide la corriete eléctrica. El procesamieto de la iformació se realiza co microcotroladores PIC 16F873, a los cuales se adaptaro los trasformadores de medida y demás dispositivos para el acodicioamieto de las señales. Cada módulo permite la visualizació de las variables a través de ua patalla de cristal líquido. El rago de operació del sistema es de 22 a 150 VAC, co u error relativo máximo de 7.6%; mietras que la corriete puede variar 100 A, co u error relativo máximo de 6.3%. Abstract Three-phase power geerators are machies which are extesively used as electric power sources. They are commoly foud i combiatio with alterate power supply sources such as geeratig sets, small hydroelectric power facilities, ad wid power geerators. These low- ad medium-power geerators are ot usually provided with suitable devices that allow users to determie whether or ot they are operatig properly. This paper describes the desig ad implemetatio of a system for measurig variables associated with three-phase power geerators. Two modules were developed: a voltagebased module that is also used for measurig the frequecy ad checkig the phase sequece, ad a secod model that measures electric curret. Data is processed usig PIC 16F873 micro cotrollers to which measurig trasformers ad other sigal coditioig devices were adapted. Each module makes it possible to view the variables o a liquid crystal display. The system operates i the rage of 22 to 150 VAC with a maximum relative error of 7.6%. The curret ca vary by up to 100 A with a maximum relative error of 6.3%. Palabras clave Geerador trifásico, medició de tesió, corriete eléctrica, calibració, acodicioamieto de señales. Keywords Three-phase power geerator, voltage measuremet, electric curret, calibratio, sigal coditioig. 314 Uilibre Cali Fecha de recepció: Fecha de aceptació: Etramado 2014; 20:

3 Ferádez-Morales, F. Etramado Resumo Os geradores trifásicos são máquias amplamete utilizadas como fotes de eergia elétrica. É comum ecotrá-los associados a sistemas de alimetação alterativos como grupos eletrógeos, microcetrais hidráulicas e geradores eólicos. Geralmete, esses geradores, de baixa e média potêcia, ão cotam com a istrumetação adequada para que o usuário possa establecer seu correto fucioameto. Neste trabalho, descreve-se o deseho e a revisão de um sistema para a medição das variáveis associadas a um gerador trifásico. Desevolvem-se dois módulos: um de tesão, que adicioalmete se ecarrega de medir a frequêcia e verificar a sequêcia de fase; equato que o outro módulo mede a correte elétrica. O processameto da iformação é realizado com microcotroladores PIC 16F873, aos quais se adaptarão os trasformadores de medida e demais dispositivos para o acodicioamieto dos siais. Cada módulo permite a visualização das variáveis por meio de uma tela de cristal líquido. A faixa de operação do sistema é de 22 a 150 VCA, com uma margem relativa de erro máxima de 7.6%; equato que a correte pode variar 100 A, com uma margem relativa de erro máxima de 6.3%. Palavras-chave Gerador trifásico, medição de tesão, correte elétrica, calibração, acodicioameto de siais. Itroducció Los geeradores trifásicos so máquias ampliamete utilizadas como fuetes de eergía eléctrica. Es comú ecotrarlos asociados a sistemas de alimetació alterativos como grupos electrógeos, microcetrales hidráulicas y turbias eólicas, los cuales ha dado orige e el sector eléctrico a ua tedecia coocida como geeració distribuida (Di Prátula et al., 2012; Carvajal y Marí, 2013; Vargas et al., 2014). Para establecer su correcto fucioamieto es ecesario adaptar istrumetos de medida como voltímetros y amperímetros, los cuales hoy e día puede ser reemplazados por sistemas de adquisició de datos que permite el moitoreo de las variables relacioadas (Osorio et al., 2010). Los dispositivos de carga eléctrica, como motores, lumiarias, computadores, aparatos de audio y video, etre otros, está diseñados para trabajar e óptimas codicioes a u ivel de tesió fijo (Cruz et al., 2013). De subir o bajar los iveles de tesió se perturbará el correcto fucioamieto de los elemetos de carga, pudiedo llegar icluso a sufrir daños graves. Por esta razó es coveiete cotrolar que los iveles de tesió se matega e u rago determiado (Bravo y Yáez, 2009). Además, cuado se trata de cargas trifásicas es ecesario garatizar la secuecia correcta de fases ya que, e procesos dode exista motores trifásicos, ua secuecia de fase icorrecta puede ocasioar pérdidas o daños e el proceso debido a la iversió de giro de los motores. Otro parámetro importate es la frecuecia de la red, debido a los cambios que se puede presetar, especialmete cuado se trata de fuetes de alimetació auxiliar (Villablaca, 2008; Trujillo et al., 2012). E el caso de los grupos electrógeos, el moitoreo de frecuecia toma mayor importacia ya que al detectarse variació se puede predecir la existecia de ua falla e el regulador de velocidad o ua falla por sobrecarga. Los geeradores trifásicos está diseñados para producir ua potecia determiada a u voltaje fijo. Teiedo e cueta que la potecia etregada es directamete proporcioal a la corriete, cuado se supera u límite de corriete el geerador se ecotrará e sobrecarga, situació que o se debe permitir debido a que sus bobiados se recalieta, se daña el aislamieto de coductores y se puede quemar el geerador (Flores y Asiai, 2011; Trebilcock et al., 2014). E caso de que el geerador se accioe a través de u motor de combustió, se puede presetar daños mecáicos e el mismo ya que el motor tratará de etregar toda la potecia requerida por el geerador. Debido a esto, se debe moitorear la corriete que etrega el geerador para idetificar la posible ocurrecia de ua sobrecarga geerado ua señal de alarma co el fi de tomar los correctivos a que haya lugar. E este trabajo se describe el diseño y puesta a puto de u sistema para la medició de las variables asociadas a u geerador trifásico. Se desarrollaro dos módulos: uo de tesió, que adicioalmete se ecarga de medir frecuecia y verificar la secuecia de fase, mietras que el otro módulo mide la corriete eléctrica. El procesamieto de la iformació se realiza co microcotroladores PIC 16F873, a los cuales se 315 Moitoreo de las variables eléctricas relacioadas co u geerador trifásico

4 Etramado adaptaro los trasformadores de medida y demás dispositivos para el acodicioamieto de las señales. Cada módulo permite la visualizació de las variables a través de ua patalla de cristal líquido. A cotiuació se preseta el diseño del sistema de moitoreo propuesto. Luego se describe la puesta a puto de los módulos, se muestra las curvas de calibració y se brida las coclusioes respectivas. 1. Materiales y métodos 1.1. Módulo de tesió Este módulo se ecarga de medir la tesió, la frecuecia y verificar la secuecia de fase. Como dispositivo de procesamieto se utilizó u microcotrolador PIC16F873, el cual captura la iformació y la almacea para su posterior visualizació e ua patalla de cristal líquido, LCD, como se ilustra e la Figura 1. El módulo cueta co tres trasformadores de tesió, de relació de trasformació de 120V/6V e coexió YY. La tesió de fase obteida e el secudario de los trasformadores se rectifica a través de tres puetes rectificadores, uo por fase, obteiedo ua señal DC, co la ayuda de u codesador, que se reduce a la mitad mediate divisores de tesió. Esta señal DC es proporcioal a la tesió de fase que se está midiedo e el primario de los trasformadores; la señal obteida e los divisores de tesió se coecta a tres pies del coversor aálogo-digital del microcotrolador para efectuar la medida de tesió e cada fase R, S y T, (Ver Figura 1). Para medir la frecuecia se coecta u optoacoplador a cada secudario de los trasformadores; co cada ciclo positivo se geera u pulso a ivel TTL como se muestra e la Figura 2, los pulsos de cada fase R, S y T se igresa a tres etradas de u multiplexor/ demultiplexor MC14051B, co el fi de eviar por u caal de salida los pulsos de la fase seleccioada; los pulsos igresa a u pi del microcotrolador para ser cotados durate 60 segudos. La selecció de pulsos de fase que igresa al pi está habilitada por el mismo microcotrolador a través de los pies de cotrol del MC14051B, de esta forma se mide periódicamete la frecuecia e cada fase. Co esta cofiguració se puede medir la frecuecia cuado sólo fucioe ua o dos fases. Para la secuecia de fase se tiee e cueta que cuado se iicia el pulso del optoacoplador de la fase R (paso de 0 a 5V o flaco ascedete), el pulso del optoacoplador de la fase S debe estar e ivel bajo (0V) y el pulso del optoacoplador de la fase T debe estar a ivel alto (5V), como aparece e la Figura 2. Si o se cumple esta codició la secuecia de fase es icorrecta y se cargará dicha iformació e u registro para ser visualizada. Figura 1. Diagrama del módulo sesor de tesió 316 Fuete: Los autores Uilibre Cali

5 Ferádez-Morales, F. Etramado Figura 2. Sistema trifásico y pulsos obteidos e los optoacopladores La ecuació 4 es la base para la programació del microcotrolador que da iicio al proceso de calibració del módulo Módulo de corriete Para la fució de trasferecia de este módulo se parte de la ecuació de relació de trasformació para los trasformadores de tesió, que e este caso vale 20. E los secudarios de los trasformadores se tiee u rectificador de oda completa por cada fase, co u codesador que se carga a la tesió Vc. Ecuació 1 Vc = 2 *V 2rms Dode Vc es la tesió e el codesador y V2rms es la tesió rms del secudario. E las etradas del coversor aálogo-digital del PIC16F873 se toma la mitad de la tesió Vc, para adaptarlo al rago de operació del coversor, por medio de u divisor de tesió y se tiee: Ecuació 2 V AN = Vc 2 = 2 *V 2rms 2 Siedo VAN la tesió e el coversor aálogo digital. Despejado V2rms de la ecuació 2 se tiee: Ecuació 3 Fuete: Los autores V 2rms = 2 * V AN Reemplazado ésta ecuació e la relació de trasformació, se tiee que la fució de trasferecia teórica para tesió e el primario, V1rms es: E el sistema propuesto se tiee u módulo sesor de corriete para el geerador trifásico. Este módulo se ecarga de medir la corriete de cada fase R, S y T y de guardar periódicamete los valores e los registros de u PIC16F873, para su posterior visualizació e ua patalla LCD. El módulo fucioa co tres trasformadores de corriete de relació de 100/5 A. E los termiales de los secudarios se coloca ua resistecia de 3.3 Ω, co el objetivo de teer ua diferecia de potecial e sus termiales. Este voltaje se rectifica a través de tres puetes rectificadores de oda completa y co la ayuda de tres codesadores se logra ua tesió DC. Esta tesió, proporcioal a la corriete que circula por el primario de los trasformadores, se reduce a la quita parte mediate divisores de tesió y se coecta a tres pies del coversor aálogo/digital del PIC16F873, para realizar la medida de corriete e cada fase, (ver Figura 3, pág 318). Para la fució de trasferecia de este módulo se parte de la ecuació de relació de trasformació para los trasformadores de corriete, que e este caso vale 20. Por ley de Ohm, I2rms e la resistecia de 3.3 Ω es: Ecuació 5 I 2rms = V 2rms R Dode I2rms es la corriete rms del secudario, V2rms es la tesió rms e la resistecia de 3.3 W y R es la resistecia de 3.3 Ω. De modo que la corriete e el primario, I1rms, vedrá dada por: Ecuació 6 Ecuació 4 V 1rms = 20 * 2 * V AN I 1rms = 20 * V 2rms R 317 Moitoreo de las variables eléctricas relacioadas co u geerador trifásico

6 Etramado Figura 3. Diagrama del módulo sesor de corriete Fuete: Los autores De los termiales de las tres resistecias (ua para cada fase) se toma la tesió para los rectificadores de oda completa co sus tres codesadores que se carga a la tesió Vc dada por la Ecuació 1. E las etradas del coversor aálogo/digital del PIC16F873 se toma la quita parte de la tesió Vc por medio de u divisor de tesió y se tiee: Ecuació 7 Despejado la ecuació 7 V2rms, se tiee: Ecuació 8 V AN = Vc 5 = 2 *V 2rms 5 V 2rms = 5 2 * 2 * V AN Remplazado la ecuació 8 e la ecuació 6 se tiee: Simplificado e la ecuació 9 se tiee: Ecuació 10 Como las resistecias utilizadas so de 3.3 Ω, se reemplaza este valor e la ecuació 10 y se obtiee la fució de trasferecia teórica para este módulo. Ecuació 11 I 1rms = 50 * 2 * V AN R I 1rms = * V AN Esta fució de trasferecia es la base para la programació del microcotrolador ecargado de procesar los datos de corriete para cada fase. 2. Resultados y discusió 318 Ecuació 9 I 1rms = 20 * 5 2 * 2 * V AN R E éste apartado se preseta el ajuste de las fucioes de trasferecia y se hace la descripció de las pruebas hechas a cada módulo para verificar su correcto fucioamieto. Uilibre Cali

7 Ferádez-Morales, F. Etramado 2.1. Pruebas e el módulo sesor de tesió Este módulo se puso a prueba utilizado ua fuete trifásica variable etre 0 y 125 Vrms (voltaje de fase). Co el módulo programado co la ecuació 4, ecuació de trasferecia teórica para tesió, se obtuviero las lecturas que se muestra e la Figura 4. E la Figura 4 se observa que el valor míimo registrado por el módulo es de 22 Vrms; ésta situació se explica debido a la tesió umbral de los diodos del puete rectificador, los cuales coduce aproximadamete a partir de 0.7 VDC. Figura 4. Gráfica de lecturas de prueba para el módulo sesor de tesió Ecuació 14 b = 1 V fi m * Siedo el úmero de lecturas. V AN i La pediete para la ueva fució de trasferecia se obtiee a partir de los datos experimetales de la Figura 4, que e este caso tiee u valor de Igualmete, el térmio idepediete para la ueva fució de trasferecia es Reemplazado los valores ateriores e la ecuació 12 se obtiee la ueva fució de trasferecia para la tesió: Ecuació 15 V f = 31.55*V AN Como el térmio idepediete e muy pequeño cuado se compara co los valores de Vf, se puede despreciar, dado como resultado la ueva fució de trasferecia: V1rms = V f ; la ecuació así obteida se utiliza e la programació del microcotrolador e el módulo sesor de tesió. Ecuació 16 Fuete: Los autores Para ajustar la ecuació a los valores reales se calcula ua ueva fució de trasferecia, co el uso del método de míimos cuadrados (Leithold, 2000), a partir de los valores medidos e la etrada del coversor Aálogo/Digital (VAN) y e u voltímetro de referecia (V f ): Ecuació 12 Dode m es la pediete de la recta de regresió y b es el térmio idepediete. Ecuació 13 m = V f = m *V AN + b ( V AN i *V fi ) V AN i * V fi ( V AN i ) 2 V AN i 2 V 1rms = 31.55*V AN Al reprogramar el módulo de tesió co la ueva fució de trasferecia, dada por la ecuació 16, se obtiee u error relativo que varía etre 0.1 y 7.6 %. Se observa que el error relativo para iveles de tesió meores a 60 V es más alto, mietras que para iveles de tesió mayores de 60 V el error relativo dismiuye Pruebas e el módulo sesor de corriete Este módulo se puso a prueba utilizado u baco de cargas que permite variar el flujo de corriete etre 0 y 40 A, mediate ueve cargas resistivas. Co el módulo programado co la ecuació 11se obtuviero las lecturas que se muestra e la Figura 5. Se observa que e el módulo se tiee lecturas a partir de 7 A debido a que los diodos del puete rectificador coduce aproximadamete a partir de 0.7 V DC 319 Moitoreo de las variables eléctricas relacioadas co u geerador trifásico

8 Etramado Figura 5. Gráfica de lecturas de prueba para el módulo sesor de corriete La pediete para la ueva fució de trasferecia se obtiee a partir de los datos experimetales de la Figura 5, que e este caso tiee u valor de Igualmete, el térmio idepediete para la ueva fució de trasferecia es Reemplazado los valores ateriores e la ecuació 17 se obtiee la ueva fució de trasferecia para la corriete: Ecuació 20 I rms = *V AN Al reprogramar el módulo de corriete co la ueva fució de trasferecia, dada por la ecuació 20, se obtiee u error relativo que varía etre 0.9 y 6.3 %. El error se da pricipalmete porque e el módulo o se visualiza las décimas de la variable. 320 Fuete: Los autores Para ajustar la ecuació a los valores reales se calcula ua ueva fució de trasferecia, utilizado el método de míimos cuadrados co los valores medidos e la etrada del coversor aálogo/digital (V AN ) y e el amperímetro de referecia (Irms): Ecuació 17 I rms = m *V AN + b Dode m es la pediete de la recta de regresió y b es el térmio idepediete. Ecuació 18 m = ( V AN i * I rims ) V AN i * I rims ( V AN i ) 2 Siedo el úmero de lecturas. Ecuació 19 b = 1 I rims m * V AN i V AN i 2 3. Coclusioes Co el diseño de este sistema se preseta ua alterativa para el moitoreo de las variables asociadas al fucioamieto de u geerador trifásico. Se desarrollaro dos módulos para la medició de tesió, corriete, frecuecia y secuecia de fases cuyo estado se almacea para su visualizació. Adicioalmete, esta iformació se puede trasferir a u computador para el moitoreo y cotrol de las variables asociadas al geerador trifásico. Se logró u rago de operació de 22 a 150 VAC, co u error relativo máximo de 7.6%; mietras que la corriete puede variar 100 A, co u error relativo máximo de 6.3%. El sistema desarrollado permite la lectura, e tiempo real, de la corriete, voltaje, frecuecia y secuecia de fases asociadas a u geerador trifásico. La iformació obteida es más cofiable que la etregada por los istrumetos aálogos, usualmete asociados a geeradores de baja y media potecia. Para el moitoreo de tesioes y corrietes co ragos mayores a los aquí presetados, se recomieda reemplazar los elemetos sesores por los adecuados. Por ejemplo, el módulo sesor de corriete tiee trasformadores de relació de 100/5 A, lo que limita la medida hasta ua corriete de 100 A. Si embargo, al reemplazar los trasformadores por uos co relació 200/5 A, el límite se icremetaría a 200 A. Se puede Uilibre Cali

9 Ferádez-Morales, F. Etramado utilizar cada módulo sesor idepedietemete como istrumeto digital de medida de las variables específicas. Teiedo e cueta la importacia de la automatizació e la idustria, co el sistema desarrollado se observa la versatilidad de los microcotroladores e la obteció de dispositivos de gra fucioalidad e sistemas de cotrol a bajo costo y volume reducido. CONFLICTO DE INTERESES Los autores declara o teer igú coflicto de itereses. NOTAS 1. Artículo producto del proyecto de ivestigació Desarrollo de u sistema automático para la medició de los parámetros de operació e u motor diésel asociado a u grupo electrógeo. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. BRAVO DE LAS CASAS, Marta y YANEZ BOZA, Yumil. Retos a las proteccioes eléctricas e las redes de distribució co geeració distribuida. E: Igeiare. Rev. chil. ig. [olie]. vol.17, No. 1, (2009); p ISSN Dispoible e: < arttext&pid=s &lg=es&rm=iso> CARVAJAL QUINTERO, Sadra Ximea y MARÍN JIMÉNEZ, Jua David. Impacto de la geeració distribuida e el sistema eléctrico de potecia colombiao: u efoque diámico. E: Tecura [e líea] No. 17 (Eero-Marzo, 2013); Dispoible e: [Fecha de cosulta: 23 de mayo de 2014] ISSN X. 5. FLORES, Roberto y ASIAIN, Tomás I. Diagóstico de Fallas e Máquias Eléctricas Rotatorias Utilizado la Técica de Espectros de Frecuecia de Badas Laterales. E: If. tecol. [olie]. Vol.22, No. 4 (2011). Dispoible e: < [Citado ], ISSN LEITHOLD, Louis. El cálculo. 7 ed. México: Uiversidad Iberoamericaa, p ISBN: OSORIO, Joh Eduar; PEREZ RAMIREZ, Jua Daiel y RODRIGUEZ BARRERA, Mario Alberto. Implemetació de u sistema de adquisició de datos para moitorear ua máquia de corriete directa. E: Tecura [olie]. Vol.14, No. 27 (2010). Dispoible e: < php?script=sci_arttext&pid=s x &lg= es&rm=iso>. [Citado ] ISSN X. 8. TREBILCOCK, Mauel; SANTAMARIA, Fracisco y ALARCON, Jorge A. Aálisis de estabilidad trasitoria e u sistema idustrial co geeració propia itercoectado co el sistema de potecia. E: If. tecol. [olie]. Vol.25, No. 1(2014). Dispoible e: < arttextpid=s lg=esrm=iso>. [Citado ] ISSN TRUJILLO RODRIGUEZ, César Leoardo; DIAZ ALDANA, Nelso Leoardo y HERNANDEZ MORA, Joha Alexader. Diseño de cotroladores para u covertidor flyback, operado e modo itercoectado a red, para aplicacioes fotovoltaicas. Rev.fac.ig.uiv. Atioquia [olie]. 2012,.65 [citado ], pp Dispoible e: < php?script=sci_arttext&pid=s &lg= es&rm=iso>. ISSN VARGAS, Fracisco; CORREA, Rosa y RAMIREZ, Jua M. OPERACIÓN DESCENTRALIZADA EN GRANDES SISTEMAS DE POTENCIA USANDO ALGORITMOS GENÉTICOS. E. If. tecol. [olie]. Vol. 25, No. 1 (2014). Dispoible e: < [Citado ] ISSN VILLABLANCA MARTINEZ, Miguel. Medidores del mañaa. E: Igeiare. Rev. chil. ig., Arica, Vol. 16, No. 3 (2008) Dispoible e < php?script=sci_arttext&pid=s &l g=es&rm=iso>. [Citado ] DOI: /S CRUZ-ARDILA, Jua Carlos; CARDONA-GOMEZ, Jua Carlos y HERNANDEZ-PORRAS, Diego Mauricio. Aplicació electróica para el ahorro de eergía eléctrica utilizado ua eergía alterativa. E: Etramado [olie].vol.9, No. 2 (2013). p Dispoible e: < php?script=sci_arttext&pid=s &lg= es&rm=iso>. [Citado ] ISSN DI PRATULA, Horacio R; GUILLERMO, Eduardo; ROSSI, Adrea P y BOCERO, Rodolfo. Turbias Eólicas: Optimizació e el Pre-Diagóstico de Fallas e el Geerador. E: If. tecol. [olie]. Vol.23, No. 1 (2012). Dispoible e: < [Citado ] ISSN Moitoreo de las variables eléctricas relacioadas co u geerador trifásico