república bolivariana de venezuela la maquinaria y en especial por haberme dejado disponer de la...
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República Bolivariana de Venezuela
Universidad Nueva Esparta
Facultad de Ingeniería
Escuela de Ingeniería Electrónica
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL CONTROL ELECTRÓNICO DE UNA
PLANTA ELÉCTRICA CATERPILLAR DE 75KVA PARA LA EMPRESA
CORPORACIÓN LABEX C.A.
Tutor: Elaborado por:
Ing. Sardi, José Br. Hauser, Javier
C.I. 12.984.967
Enero, 2009
Caracas, Venezuela
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL CONTROL ELECTRÓNICO DE UNA PLANTA ELÉCTRICA
CATERPILLAR DE 75KVA PARA LA EMPRESA CORPORACIÓN LABEX C.A. by Hauser, Javier is licensed
under a Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-CompartirIgual 3.0 Unported License.
II
República Bolivariana de Venezuela
Universidad Nueva Esparta
Facultad de Ingeniería
Escuela de Ingeniería Electrónica
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL CONTROL ELECTRÓNICO DE UNA
PLANTA ELÉCTRICA CATERPILLAR DE 75KVA PARA LA EMPRESA
CORPORACIÓN LABEX C.A.
JURADO: __________________ JURADO: ___________________
__________________ ___________________
Cédula de Identidad Cédula de Identidad
__________________ __________________
Firma Firma
Enero, 2009
Caracas - Venezuela
III
AGRADECIMIENTOS
Agradezco a la empresa Corporación Labex C.A. por haber confiado en mí
toda la maquinaria y en especial por haberme dejado disponer de la planta
eléctrica marca Caterpillar la cual es el centro de experimento en este trabajo de
grado.
Agradezco al Ing. José Sardi Goitia, que es el tutor de este trabajo de
grado, el cual me apoyo en todo momento en la elaboración y planificación de la
misma.
Agradezco a mis padres, por estar siempre a mi lado apoyándome en todo.
Agradezco a mi esposa por haber tenido tanta paciencia y estar a mi lado
en todas las ocasiones que elaboré mi trabajo de grado.
IV
DEDICATORIA
Todo el esfuerzo y la dedicación con la que elabore la tesis se la ofrezco a
DIOS, por ser como soy, a mis padres, por enseñarme a ser la buena persona que
soy, por la educación que me han dado y estar juntos a mí en todos los momentos
de la vida, a mis hermanos, porque siempre me guían y me ayudan, a mí tía por
estar siempre pendiente de mí, a mí esposa, por compartir todos los momentos
conmigo y darme la mayor alegría de mi vida, por la cual estoy luchando para salir
adelante: mi hija Fiorella.
El esfuerzo, la dedicación y las muchas horas de lectura, cálculos y
fabricación de los equipos dio sus frutos.
Me siento muy contento y satisfecho de los equipos que creé e instalé, y sé
que estoy listo para salir al campo de trabajo, competir y ser un excelente
profesional.
Gracias a todos…
Atentamente.
Javier Hauser M.
V
República Bolivariana de Venezuela
Universidad Nueva Esparta
Facultad de Ingeniería
Escuela de Ingeniería Electrónica
RESUMEN DE TRABAJO DE GRADO
Titulo del Trabajo de Grado: Diseño e implementación del control electrónico de
una planta eléctrica Caterpillar de 75kva para la empresa Corporación Labex C.A.
Autor: Hauser Javier.
Tutor: Ing. Sardi José.
Institución donde se realizó la Investigación: Corporación Labex, C.A.
Palabras Claves: Planta eléctrica, Gobernador, Regulador de voltaje, Supervisor.
Resumen:
El mundo actual en que vivimos con los nuevos adelantos, las personas se
rige principalmente por la electricidad, ya que ella nos ayuda a hacer más fácil
nuestro día a día. Esto es posible gracias a los generadores eléctricos, los cuales
son movidos por diferentes tipos de fuerzas como pueden ser, la hidraulica, la
térmica, la nuclear, etc. Para cada tipo de fuerza existe una máquina que
transforma dicha fuerza en una fuerza mecánica giratoria y de ese modo generar
electricidad. Estas máquinas necesitan sistemas de control que regulen los
procesos y este es el fin del presente trabajo de investigación, ya que se diseñó el
sistema de control de una planta eléctrica, la cual transforma la energía térmica
VI
que se produce al explotar el combustible dentro de los cilindros en energía
mecánica gracias a la rotación del cigüeñal y finalmente en energía eléctrica
Más específicamente, en el presente trabajo se diseño y se implemento el
sistema de control electrónico para una planta eléctrica Caterpillar de 75KVA
perteneciente a la empresa Corporación Labex C.A. utilizando un micro
controlador para la supervisión de la máquina, un servomotor para el control de
velocidad y un tarjeta electrónica con circuitos de control de potencia con
retroalimentación para la regulación de voltaje.
El tipo de investigación empleado corresponde a un proyecto factible,
debido a que se desea dar solución a un problema específico como lo es el diseño
y desarrollo de un sistema eléctrico-electrónico innovador, capaz de controlar
todos los procesos de la planta eléctrica. Este proyecto se apoya en una
investigación documental, como de campo.
Es necesaria la automatización de esta planta eléctrica ya que las maquinas
de la empresa Corporación Labex trabajan con una frecuencia de 60Hz y 120V por
cada fase del sistema trifásico.
VII
Bolivariana republic of Venezuela University Nueva Esparta
Faculty of Engineering
School of Electronic Engineering
SUMMARY OF WORK OF DEGREE
I title of the Work of Degree: Design and implementation of the electronic control of
an electrical plant Caterpillar of 75kVA for the company Labex Corporation C.A.
Author: Hauser Javier.
Advisor: Ing. Sardi Jose.
Institution where the Investigation was made: Labex corporation, C.A.
Key words: Electrical plant, Governing, Voltage regulator , Supervisor.
Summary:
The present world in which we lived with the new advances, the people
govern themselves mainly by the electricity, since she helps us to make our day to
day easier. This is possible thanks to the generator ELTs, which are moved by
different types from forces as can be, the hydraulics, the thermal one, the nuclear
one, etc. For each type of force a machine exists that transforms this force into a
revolving mechanical force and that way to generate electricity. These machines
need systems control that regulate the processes and this it is the aim of the
present work of investigation, since the system of control of an electrical plant was
designed, which transforms the thermal energy that finally takes place when
exploding the fuel within the cylinders in mechanical energy thanks to the rotation
of the crank and in electrical energy
More specifically, in the present work design and I implement the system of
control for an electrical plant Caterpillar of 75KVA pertaining to the company Labex
VIII
Corporation C.A. using micro controller for the supervision of the machine, an
actuator for the speed control and an electronic card with circuits of control of
power with feedback for the voltage regulation.
The used type of investigation corresponds to a feasible project, because it
is desired to give solution to a specific problem as it is it the design and
development of innovating an electrical-electronic system, able to control all the
processes of the electrical plant. This project leans in an investigation
documentary, like of field.
The automatization of this electrical plant is necessary since the machines
of the company Labex Corporation work with a frequency of 60Hz and 120V by
each phase of the three-phase system.
IX
ÍNDICE
ÍNDICE GENERAL
AGRADECIMIENTOS ............................................................................................ III DEDICATORIA ...................................................................................................... IV
RESUMEN DE TRABAJO DE GRADO ................................................................. V
SUMMARY OF WORK OF DEGREE ................................................................... VII ÍNDICE DE ILUSTRACIONES ............................................................................... XI ÍNDICE DE TABLAS ............................................................................................ XII INTRODUCCIÓN ................................................................................................. XIII CAPITULO I ............................................................................................................. 1
Problema de la investigación ................................................................................ 1
1.1 Planteamiento del problema ....................................................................... 1
1.2 Objetivos ..................................................................................................... 2
1.2.1 Objetivo general ................................................................................... 2
1.2.2 Objetivos específicos ........................................................................... 2
1.3 Justificación ................................................................................................ 3
1.4 Delimitaciones ............................................................................................ 4
1.5 Limitaciones ................................................................................................ 4
CAPITULO II ............................................................................................................ 5
Marco teórico ........................................................................................................ 5
2.1 Antecedentes .............................................................................................. 5
2.1.1 Tesis ..................................................................................................... 5
2.1.2 Tesis ..................................................................................................... 6
2.1.3 Producto ............................................................................................... 6
2.2 Bases teóricas ............................................................................................ 7
2.2.1 Micro controladores .............................................................................. 7
Recursos Auxiliares ...................................................................................... 9
Microcontroladores PIC ............................................................................... 10
2.2.2 Sistema trifásico ................................................................................. 11
2.2.3 Generadores AC ................................................................................ 12
2.2.4 Grupo electrógeno .............................................................................. 13
2.2.5 Sistema .............................................................................................. 15
2.2.6 Sistema de control .............................................................................. 16
2.2.7 Automatización ................................................................................... 18
2.2.8 Dispositivos de medición .................................................................... 19
2.2.9 Elementos de mando y señalización .................................................. 20
2.2.10 Motores Diesel ................................................................................. 22
2.3 Términos Básicos ..................................................................................... 23
2.4 Sistema de variables ................................................................................ 26
2.4.1 Cuadro de Variables ........................................................................... 26
CAPITULO III ......................................................................................................... 29
Marco Metodológico ........................................................................................... 29
3.1 Tipo de investigación ................................................................................ 29
3.2 Diseño de la investigación ........................................................................ 30
3.3 Población y Muestra ................................................................................. 31
3.3.1 Población ........................................................................................... 32
X
3.3.2 Muestra .............................................................................................. 33
3.3.3 Recolección de datos ......................................................................... 35
3.3.3.1 Encuesta ...................................................................................... 37
3.3.4. Técnicas de procesamiento y análisis de datos........................... 37
CAPITULO IV ........................................................................................................ 45
Sistema propuesto ............................................................................................. 45
4.1 Diagrama en bloque ................................................................................. 45
4.1.1 Gobernador ........................................................................................ 45
4.1.2 Regulador de voltaje .......................................................................... 47
4.1.3 Supervisor .......................................................................................... 47
4.2 Actuales sistemas de control ya existentes en el mercado ....................... 49
4.2.1 Gobernadores .................................................................................... 49
4.2.1.1 Gobernadores mecánicos ............................................................ 49
4.2.1.2 Gobernadores electrónicos .......................................................... 51
4.3 Funcionamiento que deberá tener la planta eléctrica. .................................. 53
4.4 Diseño y selección de los componentes a utilizar. ................................... 54
4.4.1 Componentes del gobernador ............................................................ 54
Fuente: El autor ........................................................................................... 56
4.4.2 Componentes del regulador de voltaje ............................................... 56
4.4.3 Componentes del supervisor .............................................................. 57
Fuente: El autor. .......................................................................................... 59
4.5.1 Diseño del circuito de regulación de voltaje ....................................... 59
4.5.2 Diseño del circuito del gobernador ..................................................... 62
4.5.3 Diseño del circuito supervisor ............................................................ 66
4.6 Diseño de la programación del micro controlador. .................................... 70
4.7 Construcción del regulador de voltaje, gobernador y supervisor .............. 78
4.8 Prueba de los circuitos de control. ............................................................ 79
4.8.1 Pruebas del gobernador ..................................................................... 79
4.8.2 Pruebas del regulador de voltaje ........................................................ 80
4.8.3 Prueba del supervisor ........................................................................ 81
4.9 Implementación del sistema ..................................................................... 82
Recursos humanos .............................................................................................. 83
4.3 Recursos técnicos .................................................................................... 83
4.4 Recursos administrativos .......................................................................... 84
4.4 Cronograma de actividades ...................................................................... 85
Conclusión ........................................................................................................... 86
Recomendaciones ............................................................................................... 88
Bibliografía ........................................................................................................... 89
Anexos .................................................................................................................. 90
Anexo A. La Encuesta. ....................................................................................... 91
XI
ÍNDICE DE ILUSTRACIONES
Ilustración 1. Microcontroladores PIC .................................................................... 11
Ilustración 2. Tensiones en un sistema trifásico..................................................... 12
Ilustración 3. Generador de una Central Hidroeléctrica ......................................... 13
Ilustración 4. Grupo electrógeno Caterpillar ........................................................... 14
Ilustración 5. Sistema de control a lazo cerrado. ................................................... 16
Ilustración 6. Sistema de control a lazo abierto. ..................................................... 18
Ilustración 7. Pulsador industrial ............................................................................ 20
Ilustración 8. Relay final de carrera ........................................................................ 21
Ilustración 9. Contactor de cuatro contactos .......................................................... 22
Ilustración 10. Motor Diesel de cuatro tiempos ...................................................... 23
Ilustración 11. Resultados de la pregunta 1 de la encuesta aplicada. ................... 40
Ilustración 12. Resultados de la pregunta 2 de la encuesta aplicada. ................... 41
Ilustración 13. Resultados de la pregunta 3 de la encuesta aplicada. ................... 42
Ilustración 14. Resultados de la pregunta 4 de la encuesta aplicada. ................... 43
Ilustración 15. Resultados de la pregunta 5 de la encuesta aplicada. ................... 44
Ilustración 16. Gobernador .................................................................................... 46
Ilustración 17. Regulador de voltaje ....................................................................... 47
Ilustración 18. Supervisor ...................................................................................... 49
Ilustración 19. Gobernador mecánico. ................................................................... 50
Ilustración 20. Péndulo de aceleración. ................................................................. 50
Ilustración 21. Gobernador electrónico. ................................................................. 52
Ilustración 22. Diagrama en bloques de los componentes principales ................... 56
Ilustración 23. Componentes del regulador de voltaje ........................................... 57
Ilustración 24. Micro controlador de la marca Micro Chip, modelo PIC16F870 ..... 58
Ilustración 25. Componentes principales del supervisor. ....................................... 59
Ilustración 26. Diagrama del regulador de voltaje. ................................................. 61
Ilustración 27. Esquema del gobernador ............................................................... 65
Ilustración 28. Esquema del supervisor ................................................................. 69
Ilustración 29. Circuito gobernador en protoboard. ................................................ 79
XII
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Cuadro de Variables ................................................................................ 26
Tabla 2. Resultados de la encuesta ....................................................................... 39
Tabla 3 Función de cada pata del micro controlador en el circuito de supervisión 66
Tabla 4. Recursos Humanos.................................................................................. 83
Tabla 5. Recursos Técnicos .................................................................................. 83
Tabla 6. Recursos Administrativos ......................................................................... 84
Tabla 7. Cronograma de actividades ..................................................................... 85
XIII
INTRODUCCIÓN
Corporación Labex C.A. es una empresa de artes gráficas que se dedica a
la impresión de etiquetas, formas continuas y material de empaque. Toda imprenta
tiene máquinas eléctricas con consumos elevados. Debido a las altas corrientes es
necesario una acometida eléctrica que pueda soportar estas cargas. Dependiendo
del caso se pueden tomar dos opciones, una es colocar un banco de
transformadores trifásico y conectarse a la red eléctrica local y la segunda es
utilizar plantas eléctricas. Se eligió la opción de colocar una planta eléctrica para
surtir de electricidad a un galpón de Corporación Labex C.A. ya que en el galpón
se colocarán máquinas de impresión flexo grafica y no debe fallar la electricidad
en el momento que estas estén funcionando, ya que el material que se esta
imprimiendo en ese momento habría que botarlo por fallas en la impresión.
En este momento la empresa Corporación Labex C.A. tiene en inventario
una planta eléctrica de 75KVA de potencia trifásica, marca Caterpillar, y se quiere
utilizar para este fin. El estado actual de la misma es inoperable a causa de que
todo el sistema de control eléctrico y electrónico no funciona. El propósito de este
trabajo de grado es diseñar e implementar los circuitos de control electrónico
necesarios para que sea operable la planta eléctrica y así surtir de electricidad al
galpón de Corporación Labex C.A.
En el Capitulo I se van a exponer cuales son los problemas que tiene la
planta eléctrica Caterpillar de la empresa Corporación Labex C.A; Que hace
necesario el uso de una planta eléctrica en sus instalaciones. También se
presentaran los objetivos general y específicos y de ese modo concretar el modo
como se abordará el tema. En la justificación se mencionarán las bondades que
tiene el sistema propuesto; En las delimitaciones se establecerán los límites de
diseño.
XIV
En el Capitulo II que tiene como nombre Marco Teórico se expondrá la
información ya existente sobre el tema. Como punto número uno se tienen los
antecedentes que son fuentes documentales las cuales proveen información útil;
Como punto número dos se tienen las bases teóricas que es un pequeño resumen
de las características que tienen algunos componentes que se van a utilizar en
este trabajo; Como punto número tres se mencionaran los términos básicos de
palabras poco comunes presentadas en el trabajo de grado y para terminar el
capitulo se expone el sistema de variables por medio de un cuadro que señala las
características de cada objetivo especifico.
El Capitulo III se llama Marco Metodológico y se refiere al tipo de
investigación y al diseño de la investigación donde se ubica el trabajo de grado.
El Capitulo IV se llama Sistema Propuesto, desde en el se expone todas los
pasos que se hicieron para lograr los objetivos. Se presenta el diagrama en bloque
del sistema que se va a construir. Los recursos humanos y recursos
administrativos.
1
CAPITULO I
Problema de la investigación
1.1 Planteamiento del problema
La empresa Corporación Labex C.A. se dedica a la impresión de diferentes
materiales de empaques y de etiquetas con dos métodos de impresión que son,
Tipográfica y flexo gráfica. La empresa tiene una planta eléctrica, marca
Caterpillar, fabricada en el año 1980 con un motor 3304 de 90Hp acoplado a un
generador de 75KVA trifásico con una tensión de 208 voltios entre líneas. Esta
planta funcionó seis años desde 1980 hasta 1986 como sistema de emergencia a
apagones de luz en esta misma empresa. Con el pasar de los años el personal
técnico de mantenimiento no cumplió con su labor apropiadamente haciendo que
la planta eléctrica se fuera deteriorando lentamente hasta quedar inoperable.
La empresa tiene la necesidad de reparar la planta eléctrica porque van a
abrir un nuevo galpón en otro lado de la ciudad. La empresa no quiere conectarse
a la red eléctrica nacional porque el costo inicial de la acometida eléctrica es muy
elevado aproximadamente 160.000Bs.F.y el costo para la puesta en
funcionamiento de la planta eléctrica es menor aproximadamente 20.000Bs.F.
Para que la planta eléctrica funcione adecuadamente con todos los
requerimientos y exigencias eléctricas que necesita la empresa, se va a diseñar e
implementar toda la parte de control electrónico.
El sistema se compone de tres partes fundamentales:
Un sistema de control que va a regular la velocidad del motor. Esta se
controla por la cantidad de combustible que se inyecta a los cilindros y ésta
2
a su vez se acciona por medio de un servomotor, el sistema se
retroalimenta por un magnetic pick up, que se encuentra acoplado al
volante dentado del motor.
Un sistema de control que va a regular el voltaje de salida del generador
Un control digital, el cual se encarga de: la puesta en marcha, parada de
emergencia, arranque automático del grupo electrógeno.
1.2 Objetivos
1.2.1 Objetivo general
Diseñar e implementar un control electrónico para una planta eléctrica
Caterpillar de 75KVA de la empresa Corporación Labex C.A.
1.2.2 Objetivos específicos
Indagar sobre los actuales sistemas de control ya existentes en el mercado.
Investigar sobre el funcionamiento que deberá tener la planta eléctrica.
Diseñar y seleccionar los componentes de los circuito de regulación de
voltaje, gobernador y supervisor.
Diseñar la programación del micro controlador.
Construir el regulador de voltaje, gobernador y supervisor
Probar los circuitos de control.
Implementar el sistema.
3
1.3 Justificación
La automatización de la planta eléctrica Caterpillar, beneficia a la empresa
Corporación Labex C.A. además que la planta eléctrica es necesaria porque
algunos de los equipos que están instalados en el galpón necesitan una fuente de
electricidad confiable.
Por tal motivo se quiere reactivar la planta eléctrica Caterpillar de 75KVA.
Para hacer esto realidad, es necesario diseñar los sistemas de control electrónico,
luego probarlos y finalmente implementarlos.
Los beneficios teóricos que se aportan, van desde el estudio de generación
de electricidad, pasando por estudios de electrónica de control y de potencia y
terminando con estudios de sistemas de control tanto de lazo abierto como de lazo
cerrado.
En el aspecto práctico se adquirió conocimientos de construcción de
tarjetas electrónicas, mediciones en campo, verificación de resultados con
respecto a los diseños preliminares y todo con la finalidad de generar la
electricidad confiable que necesitan las maquinas de Corporacion Labex C.A.
En el aspecto metodológico el presente trabajo de grado va a servir para
aportar información técnica, tanto de cálculos como de construcción para la
posibilidad de una futura venta de equipos para automatizar equipos de
generación de electricidad.
Todo el diseño es 100% con intelecto venezolano.
4
1.4 Delimitaciones
Geográfica: La investigación, el diseño y el montaje de los circuitos se
realizaron en la vivienda del autor en la Urb. Alto Hatillo, Av. Colina, Vistalvalle,
Caracas. Las pruebas se hicieron en la empresa Corporación Labex C.A. en
Turumo, calle Las Industrias, Galpón 25, Caracas.
Temporal: El presente trabajo de investigación tendrá una duración de
nueve meses, desde el mes de Mayo de 2008, hasta el mes de Febrero de 2009.
Técnica: El área de investigación es electrónica de control y electrónica de
potencia. El proyecto solo va a abarcar tres circuitos, el de regulación de voltaje, el
gobernador y el supervisor, específicamente para la planta eléctrica modelo 3304
de la marca Caterpillar, con una potencia de 75KVA de Corporación Labex C.A. Si
en algún momento se quiere realizar una modificación que no está prevista en
este trabajo habrá que pedir permiso y autorización a la empresa Corporación
Labex C.A.
1.5 Limitaciones
Debido al tamaño y el peso de la planta eléctrica Caterpillar de 75KVA, es
dificultoso el traslado de la misma, por esa causa las posibles revisiones se harán
en el sitio donde esta instalada que es en las instalaciones de Corporación Labex
C.A.
5
CAPITULO II
Marco teórico
2.1 Antecedentes
2.1.1 Tesis
En los grupos electrógenos más avanzados se utilizan micro controladores
para operar todos los procesos que se hagan, la tomas de muestra de los
sensores y las comunicaciones entre la planta eléctrica y computadores externos.
De esa manera no es necesario estar en el grupo electrógeno para poder controlar
los acontecimientos que surjan de improvisto ya que eso lo hará el micro
controlador.
Monclus S., Oriol, (Junio, 2005), “Sistema remoto para la captación masiva de
información” esta investigación se realizó para optar por el título de Ingeniero
Técnico Industrial en Electrónica Industrial en la Universidad Rovira I Virgili en
Tarragona, España. Trata de cómo manejar, almacenar información y controlar los
diferentes impulsos en un micro controlador.
El aporte que da este antecedente para la presente tesis es muy útil porque
sirve como referencia para hacer el código fuente y un bosquejo de las posiciones
de las instrucciones a realizar por el grupo electrógeno.
6
2.1.2 Tesis
En las plantas eléctricas de pequeño tamaño como es el caso del grupo
electrógeno Caterpillar 3304 de 75KVA, es un factor muy importante la regulación
de voltaje, ya que cuando se conectan nuevas cargas a las ya conectadas,
aunque sean relativamente pequeñas el voltaje disminuye considerablemente. Por
esta causa el sistema de regulación tiene que ser muy eficiente para poder
corregir las variaciones de carga que pudieran existir en un momento determinado.
Briseño A., David G., (Junio de 2006), “Desarrollo e implementación de un
acondicionador de línea electrónica de 2000va de potencia con transformador
Booster controlado por un inversor”, esta investigación se realizó para optar por el
titulo de Ingeniero Electrónico en la Universidad Nueva Esparta de Caracas,
Venezuela. En esta tesis se señalan los posibles circuitos de reguladores para
voltaje, las características de los mismos, las características de una línea con
regulación, líneas sin regulación y posee teoría sobre electrónica de potencia.
La información que se encuentra en el trabajo de investigación antes
mencionado aporta información valiosa para la construcción del regulador de
voltaje por la forma en que hace el testeo del voltaje de salida, que será el mismo
de la presenta investigación.
2.1.3 Producto
Todos los grupos electrógenos de un tamaño mayor a 5KVA necesitan una
forma de mantener las revoluciones por minuto (RPM) del motor siempre estables,
ya que con cambios en la carga aumentan o disminuyen las RPM según sea el
7
caso. Para solucionar ese problema se crearon los gobernadores de inyección de
combustible, que son sistemas electrónicos con retroalimentación constante de las
RPM del motor y dependiendo de ellas se encarga el gobernador de incrementar o
disminuir en paso de combustible al motor.
WOODWARD, EPG, (2003). Es un gobernador electrónico, capaz de
controlar grandes sistemas electrógenos tanto diesel como de gas y turbinas. Se
compone de tres piezas la primera es el controlador electrónico que se encarga de
verificar la velocidad del motor y mantenerlo siempre a las mismas RPM, detecta
sobre carga, sobre velocidad y además tiene retroalimentación con el actuador
para así poder limitar el paso de combustible en la puesta en marcha del motor. La
siguiente pieza son los actuadores que con ellos se regula el paso de combustible
y por último y no menos importante es el sensor magnético que se coloca en el
volante dentado del motor y con él se testea la velocidad del motor.
Este producto sirve como referencia para realizar el diseño y la construcción
del gobernador ya que contiene todo lo necesario para controlar el motor modelo
3304 de la marca Caterpillar.
2.2 Bases teóricas
2.2.1 Micro controladores
Un micro controlador es un dispositivo que dentro de él tiene varios
circuitos. Estos funcionan como una computadora al tener una CPU, memorias y
unidades de entrada y salida (E/S). Según Wikipedia (2007)
Los micro controladores son circuitos especializados ya que se programan
para que ejecuten instrucciones muy específicas para cada proceso de E/S. Por
8
eso, es que mayormente se utilizan para controlar un conjunto de circuitos como
podrían ser los electrodomésticos que nos facilitan la vida en las tareas del hogar.
Algunos de los posibles dispositivos de E/S pueden ser: convertidores
analógicos a digital y viceversa, temporizadores, buses de interfaz, etc. Los micro
controladores se programan por medio de un lenguaje de programación. En ese
lenguaje se dan las instrucciones al micro controlador de las cosas que deberá
hacer. Si no se programa el micro controlador no hará nada.
Un micro controlador generalmente tiene un generador de reloj integrado y
una pequeña cantidad de memoria RAM y ROM EPROM EEPROM, significando
que para hacerlo funcionar, todo lo que se necesita son unos pocos programas de
control y un cristal de sincronización. Además de esto, los micro controladores
disponen generalmente de una gran variedad de dispositivos de entrada/salida,
como convertidores de analógico a digital, temporizadores, UARTs y buses de
interfaz serie especializados, como I2C y CAN. Frecuentemente, estos dispositivos
integrados pueden ser controlados por instrucciones de procesadores
especializados. Los modernos micro controladores utilizan un lenguaje de
programación tipo BASIC.
Es importante destacar el uso de micro controladores ya que reducen
considerablemente el diseño del circuito a realizar, aminorando sus costos y su
peso ahorrando espacio.
Las partes principales de un micro controlador son las siguientes:
Procesador.
Memoria ROM
Memoria RAM.
Buses de comunicación.
9
Recursos Auxiliares
Algunos de los principales recursos auxiliares de los micros controladores
son:
Timers
Se emplean cuando se requiere controlar periodos de tiempo
(temporizadores) y para llevar la cuenta de acontecimientos que suceden en el
exterior (contadores).
Para ello, se carga un valor en un registro, y a partir de dicho valor el
registro se va incrementando o decrementando, a medida que el micro
controlador recibe impulsos de reloj, una vez que el registro se desborde o
llegue a 0, se produce un aviso llamado bandera.
Watchdog
Como un micro controlador funciona sin la intervención de la mano humana,
Los micro controladores poseen un watchdog, que traducido al español es
“Perro Guardián”. Este consiste en un temporizador que, cuando se desborda y
pasa por 0, produce un reset automáticamente en el sistema.
Para la correcta utilización del Perro Guardián, se debe diseñar un
programa de forma que se inicialice antes de que éste provoque un reset. Este
recurso es muy útil, si llegase a ocurrir una falla en la maquina, de esta forma
no podrá inicializarse el Watchdog, y por consiguiente provocará el reset del
programa.
Estado de reposo o bajo consumo
Este recurso es usado cuando el micro controlador espera a que ocurra un
acontecimiento externo, para volverse a poner en funcionamiento. Para ahorrar
energía, los micro controladores disponen de una instrucción especial, que les
10
pasa al estado de reposo o de bajo consumo, en el cual los requerimientos de
potencia son mínimos. Al activarse una interrupción (cambio de flanco en
alguna de las entradas del micro controlador) ocasionada por el acontecimiento
esperado, el micro controlador reanuda su trabajo
Conversor A/D y conversor D/A
Los microcontroladores que poseen conversores A/D (Analógico-Digital) y D/A
(Digital-Analógico) son capaces de procesar cualquier tipo de señal analógica
discretizandola en tantos bits como se halla programado el micro controlador
(resolución de entrada analógica) y en le caso de D/A, se realiza con una
resolución de 256 bits generalmente para luego pasar por un R2R interno del
micro controlador.
Puertos de comunicación
Los micro controladores pueden comunicarse con otros dispositivos externos,
otros buses de microprocesadores, buses de sistemas y pueden ser adaptados
con otros elementos bajo normas y protocolos. Algunos modelos disponen de
recursos que permiten directamente esta tarea, entre los que destacan:
1. UART, adaptador de comunicación serie asíncrona.
2. USART, adaptador de comunicación serie síncrona y asíncrona
3. Puerta paralela esclava para poder conectarse con los buses de otros
microprocesadores.
4. USB (Universal Serial Bus), que es un moderno bus serie para los PC.
5. Bus I2C, que es un interfaz serie de dos hilos desarrollado por Philips.
Microcontroladores PIC
La palabra PIC significa Peripheral Interface Controller (Controlador de
Interfaz Periférico) y son una familia de microcontroladores tipo RISC, que tienen
como características las siguientes: Set de instrucciones homogéneo y reducido,
11
alta velocidad, fácil manejo, bajo consumo y un pequeño tamaño. (Ver ilustración
1).
Ilustración 1. Microcontroladores PIC
Fuente: Wikipedia
Existen diferentes series de micro controladores PIC entre las que se
pueden citar: PIC 12CXXX, PIC 14XXXX, PIC 16XXX y PIC 17XXX.
Estos dispositivos pueden conseguirse de 8 bits, 12 bits, con tecnología
CMOS, con memoria de programa, un banco de memoria RAM y registro de uso
general, además de presentar, dependiendo del modelo, algunos de los recursos
auxiliares previamente explicados.
El PIC posee un juego de instrucciones que puede variar desde 35 hasta 70.
La empresa Microchip además de fabricar y distribuir los microcontroladores
PIC ofrece un entorno de desarrollo semi-gratuito, que es el programa MPLAB-
IDE. Con esta aplicación se puede programar, compilar, simular, grabar, etc.
2.2.2 Sistema trifásico
El sistema trifásico es un sistema de tres tensiones alternas que están
desfasadas 120º una de la otra como sale en el ilustración 2. La tensión entre dos
fases debe ser de 208Vac para el caso la planta eléctrica Caterpillar de
12
Corporación Labex C.A. El transporte de la corriente en uno de estos sistemas se
realiza por medio de 3 conductores activos, los cuales se denominan R, S, T
además se puede usar un cuarto conductor para el neutro.
Ilustración 2. Tensiones en un sistema trifásico
Fuente: Wikipedia, Sistemas trifásicos (2007)
En los sistemas trifásicos de América, la frecuencia es de 60Hz y 120Vac
en cada fase.
2.2.3 Generadores AC
Un generador eléctrico es todo dispositivo capaz de mantener una
diferencia de potencial eléctrico entre dos de sus puntos, llamados polos. Los
generadores eléctricos son máquinas destinadas a transformar la energía
mecánica en eléctrica. Esta transformación se consigue por la acción de un campo
magnético sobre los conductores eléctricos dispuestos sobre una armadura o
estator. Si mecánicamente se produce un movimiento entre los conductores y el
campo, se generara una fuerza electromotriz (F.E.M.). Wikipedia (2007). En la
ilustración 3 se puede observar un generador de 3Mba. De una central
hidroeléctrica.
13
Ilustración 3. Generador de una Central Hidroeléctrica
Fuente: Wikipedia, Generadores AC (2007)
2.2.4 Grupo electrógeno
Un grupo electrógeno es una máquina que mueve un generador de
electricidad a través de un motor de combustión interna. Son comúnmente
utilizados cuando hay déficit en la generación de energía eléctrica de algún lugar;
Cuando hay frecuentes cortes en el suministro eléctrico o cuando se debe
alimentar una carga importante como hospitales o aeropuertos. Se puede ver en la
ilustración 4.
Una de las utilidades más comunes es la de generar electricidad en
aquellos lugares donde no hay suministro eléctrico, generalmente son zonas
apartadas con pocas infraestructuras y muy poco habitadas. Otro caso sería en
locales de pública concurrencia, hospitales, fábricas, etc., que a falta de energía
eléctrica de red, necesiten de otra fuente de energía alterna para abastecerse.
Un grupo electrógeno consta de las siguientes partes:
Motor diesel. El motor diesel que acciona el Grupo Electrógeno ha sido
seleccionado por su fiabilidad y por el hecho de que se ha diseñado
específicamente para accionar grupos Electrógenos.
14
Sistema eléctrico del motor. El sistema eléctrico del motor es 12 o 24 VCC,
con el negativo conectado a tierra. El sistema incluye un motor de arranque
eléctrico, una batería, sensores y dispositivos de alarmas de los que disponga el
motor. Normalmente, un motor dispone de un sensor de presión de aceite y otro
de temperatura.
Alternador. La energía eléctrica de salida se produce por medio de un
alternador, auto excitado, auto regulado y sin escobillas acoplado con precisión al
motor.
Depósito de combustible y bancada. El motor y el alternador están
acoplados y montados sobre una bancada de acero de gran resistencia. La
bancada incluye un depósito de combustible.
Sistema de control. Se puede instalar diferentes tipos de paneles y sistemas
de control para controlar el funcionamiento y salida del grupo y para protegerlo
contra posibles fallos en el funcionamiento.
Ilustración 4. Grupo electrógeno Caterpillar
Fuente: Archivo del autor
Interruptor automático de salida. Para proteger al alternador, se suministra
un interruptor automático de salida adecuado para el modelo y régimen de salida
del Grupo Electrógeno con control manual. Para grupos Electrógenos con control
15
automático se protege el alternador mediante contactores adecuados para el
modelo adecuado y régimen de salida.
Para la regulación automática de la velocidad del motor se emplean una
tarjeta electrónica de control para la señal de entrada pick-up y salida del
actuador. El pick-up es un dispositivo magnético que se instala justo en el
engranaje situado en el volante del motor. El pick-up detecta la velocidad del
motor, produce una salida de voltaje debido al movimiento del engranaje que se
mueve a través del campo magnético de la punta del pick-up. El actuador sirve
para controlar la velocidad del motor en condiciones de carga. Cuando la carga es
muy elevada la velocidad del motor debe aumentar para proporcionar la potencia
requerida y, cuando la carga es baja, la velocidad disminuye, es decir, el
fundamento del actuador es controlar de forma automática el régimen de velocidad
del motor sin aceleraciones bruscas, generando la potencia del motor de forma
continua. Normalmente el actuador se acopla al dispositivo de entrada del fuel-oil
del motor.
2.2.5 Sistema
Según Wikipedia (2006), “Es una entidad material formada por partes
organizadas, sus componentes, que interactúan entre sí de manera que las
propiedades del conjunto, sin contradecirlas, no pueden deducirse por completo
de las propiedades de las partes”.
Según Ogata (2003), “Un sistema es una combinación de componentes
que actúan juntos y realizan un objetivo determinado. Un sistema no
necesariamente esta limitado a los sistemas físicos… ”.
De acuerdo a las definiciones anteriormente planteadas se puede concluir
que un sistema no es más que un conjunto de componentes organizados de tal
forma que interactúen entre sí, con la finalidad de lograr un objetivo. Esta
16
definición puede aplicarse a muchas ramas, tales como: Filosofía, Matemática,
Economía, etc.
2.2.6 Sistema de control
En el área industrial un sistema de control está definido por un conjunto de
componentes combinados entre sí, los cuales son capaces de regular su conducta
o la del sistema, para de esta forma obtener la respuesta deseada. Existen
diferentes tipos sistemas de control los cuales pueden dividirse en:
1. Sistemas de control realimentados o a lazo cerrado: Estos sistemas
mantienen una relación entrada vs salida, y utilizan esta diferencia
como medio de control. (ver Ilustración 5). Dichos sistemas son
usados para conseguir un control más exacto, la señal a ser
controlada debe ser realimentada y comparada con la entrada de
referencia del sistema, y ser enviada una señal actuante la cual será
proporcional a la diferencia existente entre la entrada y la salida a
través del sistema para así corregir el error.
Ilustración 5. Sistema de control a lazo cerrado.
Fuente: El Autor
17
Hostetter, Gene (1990), presentan ventajas a los sistemas de control
realimentados de las cuales se extrae lo siguiente:
Pequeña Sensibilidad a los cambios. Los diferentes sistemas pueden
ser diseñados para tratar de obtener error cero, a pesar de los cambios
en la planta.
Incremento en la rapidez de respuesta y anchura de banda. La
retroalimentación puede utilizarse para incrementar la gama de
frecuencias sobre la cual un sistema responde y hacer que responda
más satisfactoriamente a las necesidades propuestas.
Incremento en la exactitud. El sistema a lazo cerrado se puede diseñar
para llevar a cero el error entre las respuestas deseada y la medida.
Reducidos efectos de las perturbaciones. Se pueden atenuar
notablemente los efectos de perturbaciones al sistema.
2. Sistemas de control a lazo abierto: La salida del sistema no
proporciona efecto sobre la acción de control. (ver ilustración 6).
Los componentes de un sistema de control no realimentado se
pueden dividir en: Controlador y los Procesos Controlados.
Ogata, Katsuhiko (2005), En los sistemas a lazo abierto, la salida
no se compara con la entrada de referencia, a cada entrada de
referencia le corresponde una condición de operación fija, como
resultado la precisión del sistema depende de la calibración. Ante la
presencia de perturbaciones, un sistema de control a lazo abierto no
realiza la tarea deseada
Rodríguez, Daniel (1995), afirma que los sistemas de control de
lazo abierto son muy utilizados en aplicaciones no críticas, esto
gracias a su simplicidad y economía.
18
Ilustración 6. Sistema de control a lazo abierto.
Fuente: Kuo, Benjamín C. Automatic Control System.
2.2.7 Automatización
La automatización es un conjunto de técnicas cuyo objetivo primordial es el
control de maquinarias sin la intervención humana.
Actualmente se han reconocido bases científicas y conceptuales que definen
la automatización como una ciencia con fundamentos bien definidos. En cuanto a
este planteamiento Borrel, Máximo y otros (1995), expresan:
...En todas las aplicaciones de la automatización
puede reconocerse no solo el interés en definir y estudiar los
medios para llevar a cabo transformaciones de energía, sino
también las modalidades según las cuales dichas
transformaciones han de cumplirse. En otros términos, no es
importante, a fines de la automatización, la estructura intima
de las máquinas, ya sean motoras u operadoras, sino más
bien el estudio de las leyes exteriores, de la organización y
de los encadenamientos mutuos que han de cumplirse entre
ellas o entre sus partes. (p 366).
19
Por lo anteriormente expuesto, puede definirse que la automatización, como
ciencia, estudia las leyes que regulan el intercambio de información, entre las
partes que conforman un sistema.
López, G (2006), expresa:
La automatización hoy en día es más requerida que
nunca para que una industria mantenga la competitividad,
los niveles de producción y los estándares de calidad
exigidos en los mercados internos y externos. Gran cantidad
de maquinaria y equipos de funcionamiento en las distintas
industrias latinoamericanas carecen de la tecnología
apropiada para producir en forma eficiente. La adquisición
de modernos equipos representa altas inversiones que no
siempre son adecuadas o indispensables.
2.2.8 Dispositivos de medición
Con respecto a los dispositivos de medición Maloney (1997), expresa:
Todo el control industrial depende de la capacidad de
medir con exactitud y rapidez el valor de la variable
controlada. De modo general, se ha encontrado que la mejor
manera de medir el valor de una variable controlada es
convertirla en una señal eléctrica de algún tipo y detectar la
señal eléctrica con un dispositivo eléctrico de medición. (p.
337).
Estos dispositivos son sumamente necesarios, ya que, son los encargados
de transformar una señal física de cualquier tipo en una señal eléctrica, la cual es
mucho más fácil de manejar.
20
2.2.9 Elementos de mando y señalización
Conforman el conjunto de elementos que deben introducirse para señalizar
cada uno de los estados que tiene una máquina, y de los mecanismos que se
encargan de enviar señales de control a la máquina.
Entre estos se tienen:
Elementos de retención:
Son empleados generalmente para generar la señal de inicio del
sistema, o de un posible paro momentáneo o de emergencia. El
dispositivo de este tipo más común es el Pulsador. (Ilustración 7).
Ilustración 7. Pulsador industrial
Fuente: biltron
21
Interruptores mecánicos de final de carrera:
Estos interruptores son capaces de detectar la presencia o la
ausencia de cualquier elemento, mediante el contacto entre un
interruptor situado en el mismo y el elemento a controlar. (Ilustración
8).
Ilustración 8. Relay final de carrera
Fuente: Blackthunder
Contactores:
Estos dispositivos eléctricos son capaces de manejar señales
de encendido y apagado. Están formados por una bobina y una serie
de contactos (abiertos o cerrados dependiendo del tipo de
configuración). Su principio de funcionamiento se basa en inducir
una corriente a través de la bobina, la cual a su vez, generará un
campo magnético, haciendo conmutar los contactos. Se utilizan para
regular secuencias lógicas con cargas de alta impedancia y sistemas
de alta potencia. (Ilustración 9).
22
Ilustración 9. Contactor de cuatro contactos
Fuente: thermaldevices
2.2.10 Motores Diesel
El motor diesel es un motor térmico de combustión interna en el cual el
encendido se logra por la temperatura elevada que produce la compresión
del aire en el interior del cilindro.
Un motor diesel funciona mediante la ignición del combustible al ser
inyectado en una cámara de combustión que contiene aire a una
temperatura superior a la temperatura de auto combustión, sin necesidad
de chispa. La temperatura que inicia la combustión procede de la elevación
de la presión que se produce en el segundo tiempo que es la compresión.
El combustible se inyecta en la parte superior de la cámara de compresión
a gran presión, de forma que se atomiza y se mezcla con el aire a alta
temperatura y presión. Como resultado, la mezcla se quema muy
rápidamente. Esta combustión ocasiona que el gas contenido en la cámara
se expanda, impulsando el pistón hacia abajo. La biela transmite este
movimiento al cigüeñal, al que hace girar, transformando el movimiento
lineal del pistón en un movimiento de rotación, en la ilustración 10 se puede
ver el motor Diesel internamente.
23
Ilustración 10. Motor Diesel de cuatro tiempos
Fuente: Club Volkswagen Polo de España
2.3 Términos Básicos
A
AC Corriente alterna es la corriente eléctrica que varia su
magnitud y sentido cíclicamente.1
C
Corriente Según Wikipedia (2006), Es el flujo de portadores de carga
eléctrica, normalmente a través de un cable metálico o
1 El autor.
24
cualquier otro conductor eléctrico, debido a la diferencia de
potencial creada por un generador de corriente.
Corriente Alterna Según Wikipedia(2007), Es la corriente eléctrica en la
que su magnitud y sentido cambian cíclicamente.
F
F.E.M. Fuerza electro motriz es toda energía capaz de mantener una
Diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito
abierto.2
Fusible Según Wikipedia (2006), Es un dispositivo, constituido por un
hilo o lámina de un metal o aleación de bajo punto de fusión,
que se intercala en un punto determinado de una instalación
eléctrica para que se funda, por Efecto Joule, cuando la
intensidad de corriente supere, por un cortocircuito o un
exceso de carga, un determinado valor que pudiera hacer
peligrar la integridad de los conductores de la instalación con
el consiguiente riesgo de incendio o destrucción de otros
elementos.
M
Microprocesador: Según Maloney (1997). Es un circuito integrado que
trae las instrucciones de programa, las decodifica, y las
ejecuta.
P
Planta Según Ogata (2003). Una planta puede ser una parte de un
equipo, tal vez un conjunto de elementos de una máquina que
funcionan juntos, y cuyo objetivo es efectuar una operación
particular.
2 Wikipedia, Fuerza electro motriz.
25
K
KVA. Kilo voltios amperios y es la potencia aparente. Se utiliza
principalmente para determinar la capacidad de los equipos y
cables de alimentación a una carga eléctrica3.
R
Relé Según Wikipedia (2006), Un relé es una bobina
electromagnética con par de contactos que se abren o cierran
dependiendo de la configuración.
RPM Revoluciones por minuto, es la cantidad de vueltas que da un
objeto por minuto4.
V
Voltaje Es la diferencia de potencial que existe entre dos terminales5.
3 El autor.
4 Id.
5 Id.
26
2.4 Sistema de variables
2.4.1 Cuadro de Variables
Tabla 1. Cuadro de Variables
Objetivo Variable Dimensión Indicador Subindicador Fuente
Técnica de
Recolección
De datos
Indagar los
actuales
sistemas ya
existentes en
el mercado.
Sistemas ya
existentes en el
mercado.
Estudio de mercado.
Tecnologías,
marcas,
presupuestos.
Documental.
Fichas
técnicas e
Internet
Investigar la
teoría básica
de los
sistemas
trifásicos,
electrónicos y
micro
controladores.
Teoría de sistemas
trifásicos,
electrónicos y de
micro
controladores.
Sistemas trifásicos.
Generadores
Documental. Libros y
datasheet.
Corrientes Amp.
Voltajes V.
Factor de potencia Fp
Electrónica.
Op amp.
ICs.
Datasheet.
Micro controladores Datasheet.
27
Objetivo Variable Dimensión Indicador Subindicador Fuente
Técnica de
Recolección
De datos
Diseñar y
selección de
los
componentes
de los
circuitos de
regulación de
voltaje,
gobernador y
supervisor.
Parámetros de los
circuitos de regulación de
voltaje, gobernador y
supervisor.
Diagrama en
bloque.
Funcionamiento
básico.
Documental.
Libros,
datasheet,
Internet.
Cálculos.
Thevenin.
Norton.
Voltajes. V.
Corrientes. Amp.
Comportamiento. Funcionamiento
deseado.
Diseñar la
programación
del micro
controlador.
Programación del micro
controlador. Código.
Entrada.
Documental. Datasheet.
Salida. Campo. MPlab IDE.
Voltajes. V.
Corrientes. Amp.
28
Objetivo Variable Dimensión Indicador Subindicador Fuente
Técnica de
Recolección
De datos
Construir el
regulador
de voltaje,
gobernador
y
supervisor.
Etapas construcción de
regulador de voltaje,
gobernador y supervisor.
Etapa de
alimentación.
20 Voltios DC. V.
Campo.
Observación
y
experiencia.
15 Voltios DC. V.
05 Voltios DC. V.
Etapa de control.
Frecuencias. Fr.
Voltajes. V.
Corrientes. Amp.
Etapa de potencia. 300 Watts. W.
Probar de
los
circuitos.
Tipos de prueba.
Motor. RPM.
Campo. Medición
Generador. Voltaje de salida. V. 3θ
Grupo electrógeno.
Arranque.
Prendido.
Apagado.
Tiempos.
En operación. Entrada de
señales.
Parada. Apagado
general.
Implantar. Implantar. Normas ISO.
Documental. Fichas
técnicas. Análisis de costos. Venta.
Fuente: Autor.
29
CAPITULO III
Marco Metodológico
3.1 Tipo de investigación
La presente tesis es una investigación de tipo proyectiva, más
específicamente de proyecto factible, ya que se quiere proponer una solución a
una situación determinada, con el diseño o la creación de algo.
Las investigaciones proyectivas son “Todas aquellas investigaciones que
conducen a inventos, programas, diseños o creaciones dirigidas a cubrir una
delimitada necesidad.”6
La Universidad Pedagógica Experimental Libertador, en el Manual de
Trabajo de Grado de Especialización y Maestría y Tesis Doctorales (1998),
expresa:
El Proyecto Factible consiste en la investigación,
elaboración y desarrollo de una propuesta de un modelo
operativo viable para solucionar problemas, requerimientos o
necesidades de organizaciones o grupos sociales, puede
referirse a la formulación de políticas, programas, tecnologías,
métodos o procesos. El proyecto debe tener apoyo en una
investigación de tipo documental, de campo o un diseño que
incluya ambas modalidades. (p.7).
Este proyecto de investigación es del tipo proyecto factible por que hay que
diseñar y crear algunos dispositivos, como son los circuitos de control para la
6 Hurtado. J. (1998), (Obtenido de Metodología de la Investigación Holistica.)
30
planta eléctrica y de ese modo encontrar una solución para la empresa
Corporación Labex C.A.
3.2 Diseño de la investigación
La presente investigación utiliza dos tipos de diseño, uno de ellos es el
documental ya que se basa en la obtención de materiales impresos y otros tipos
de documentos escritos. El otro tipo de diseño que utiliza la presente investigación
es la de campo, ya que mucha información se va a recoger de fuentes que se
encuentran en constante cambio y en un contexto natural.
“En el proceso de investigación se tienen dos tipos principales, uno es el
diseño de campo y el otro es el diseño bibliográfico.”7
La Universidad Pedagógica Experimental Libertador (UPEL), en el Manual
de Trabajo de Grado de Especialización y Maestría y Tesis Doctorales (1998),
expresa:
Se entiende por investigación de campo, el análisis
sistemático de problemas en la realidad, con el propósito bien
sea de describirlo, interpretarlo, entender su naturaleza y
factores constituyentes, explicar sus causas y efecto, o predecir
su ocurrencia, haciendo uso de métodos característicos de
cualquiera de los paradigmas o enfoques de investigación
conocidos o en desarrollo. Los datos de interés son recogidos
en forma directa de la realidad; en este sentido se trata de
investigaciones a partir de datos originales o primarios. (p.5).
En correspondencia con el tipo de investigación, Hernández Sampieri,
Roberto y otros (1991), aseveran que “el diseño señala al investigador lo que debe
7 Sampieri, Fernandez y Batista (1992) (Obtenido de: metodología de la investigación)
31
hacer para alcanzar sus objetivos de estudio, contestar las interrogantes que se ha
planteado y analizar la certeza de la (s) hipótesis formuladas en un contexto en
particular”. (p.108).
Fundamentándose en lo expuesto anteriormente, si se estudia con
detenimiento los objetivos planteados y las características del problema objeto de
estudio, puede establecerse que el presente Trabajo de Grado corresponde a una
investigación de carácter mixta, la cual está compuesta por una investigación
documental, ya que se contempla el estudio descriptivo que permite obtener la
recopilación de datos relevantes y necesarios a fin de permitir llegar a un análisis,
y una investigación de campo para la recolección de datos que deben ser
obtenidos de forma directa de la realidad.
El diseño documental en el presente trabajo de investigación se utiliza
porque hay que buscar información de posibles documentos relacionados con el
tema investigado del cual saldrán los objetivos específicos “Indagar sobre los
actuales sistemas de control ya existentes en el mercado”.
El diseño de campo se utilizo porque existe la necesidad de diseñar los
diferentes circuitos propuestos, y luego de diseñarlos hay que construirlos y
verificar sus resultados, esta parte se complementa con los objetivos específicos,
“Construir el regulador de voltaje, gobernador y supervisor”, “Probar los circuitos” e
“Implantar”.
3.3 Población y Muestra
Una vez que se define el grupo al cual va dirigido el sistema de control del
grupo electrógeno, se procede a definir al área de aplicación del estudio, la cual
valida el proyecto a realizar.
32
Antes de explicar la selección de la población y la muestra, es importante
conocer los conceptos básicos de éstos términos.
De acuerdo con lo expresado por Hernández, Fernández y Baptista, la
población se refiere al conjunto para el cual serán válidas las conclusiones que se
obtengan: a los elementos o unidades (personas, instituciones, o cosas) a las
cuales se refiere la investigación, y la muestra es un subconjunto representativo
de un universo o población
Para Hernández, Fernández y Baptista las poblaciones que se pueden
estudiar son muy diversas. Este autor clasifica las poblaciones en dos tipos:
Finitas, cuando está estructurada por un número limitado de elementos e Infinita,
cuando la población es muy grande y no se conocen límites precisos de éstas. De
acuerdo con estos autores las poblaciones suelen ser muy numerosas, por lo
tanto se hace necesario recurrir al procedimiento de muestreo y define una
muestra, como una parte de la población a estudiar, mediante la cual se
busca conocer de manera aproximada las características propias de una
determinada población.
3.3.1 Población
“La población o universo de estudio se refiere al conjunto para el cual son
válidas las conclusiones que se obtengan: a los elementos o unidades”8. En
términos generales se puede expresar que la población es la totalidad del
fenómeno a estudiar, donde las unidades de la población poseen una
característica común, la cual es el objeto de estudio y da origen a los datos de la
investigación.
8 Sampieri, Fernandez y Batista (1992) (Obtenido de: metodología de la investigación)
33
En la presente investigación las unidades de análisis objeto de observación
o estudio, será un grupo de expertos en el área de repuestos para grupos
electrógenos, la búsqueda de estos expertos se hará por la guía telefónica de
paginas amarillas del año 2005, con un total de 32 empresas en todo el país.
Todas estas empresas constituyen la población o universo de estudio para
la investigación planteada, para la cual se generalizan los resultados.
Se decidió tomar esta población ya que, el sistema propuesto en esta
investigación, solo lo conocen las empresas que se dedican a la venta y
mantenimiento de plantas eléctricas.
El universo objeto de estudio, constituye una población finita, en la medida
que ésta constituida por un determinado número de elementos que con relación a
este estudio, está limitada a 32 unidades o empresas.
3.3.2 Muestra
La muestra se define como:
Un subgrupo de la población que debe ser reflejo fiel y
representación de la misma, se toma con la finalidad de
estudiar sus principales características y su tamaño
dependerá de la precisión con que el investigador desee
estimar el parámetro de la población en un nivel particular
de confianza.9
Por las características que reviste el presente estudio, a partir de la muestra
seleccionada, se hizo un muestreo no probabilístico. Se entiende como no
9 UPEL (1998) (Obtenido de: Metodología de la investigación).
34
probabilístico a, “un procedimiento de selección en el que se desconoce la
probabilidad que tienen los elementos de la población para integrar la muestra”10.
El tipo de muestreo no probabilístico que se va a emplear, va a ser un
muestreo intencional u opinático. El muestreo intencional se define como: “los
elementos son escogidos con base en criterios o juicios preestablecidos por el
investigador”.11
Se escogió el muestreo no probabilístico del tipo intencional en el presente
trabajo, porque las personas que conocen sobre el control, manipulación y
mantenimiento de plantas eléctricas tienen que ser estudiadas y preparadas en
ésta materia, ya que no se podría hacer un estudio probabilístico porque cuando le
preguntemos a alguna persona escogida al azar, no va a saber dar una repuesta
adecuada al nivel exigido.
Una vez determinada la población o universo a estudiar, se seleccionó el
tipo de muestra, la cual es una muestra representativa y se va a tomar a través de
investigaciones estadísticas por medio del estudio de fuentes directas.
Para determinar el tamaño de la muestra a estudiar, se tomó en cuenta
la siguiente ecuación 1:
Ecuación 1. Tamaño de la muestra.
n = (N. Z². p. q) / ((N-1). E2 + Z². p. q)
Fuente: Arias, Fidias. (2006). (Obtenido de: El Proyecto de Investigación)
Donde:
n= Tamaño de la población
N= Total de elementos que integran la población.
Z2= Zeta critica: Valor determinado por el nivel de confianza.
10
Arias, Fidias. (2006) (Obtenido de: El Proyecto de Investigación). 11
Arias Fidias (2006) (Obtenido de: El proyecto de investigación).
35
S= Desviación Standard (típica 15%)
e= Error muestral (típico 5%)
p= Proporción de elementos que presentan la característica (típico 50%)
q= Proporción de elementos que no presentan la característica (típico 50%)
En el caso de estudio de este Proyecto de Tesis los datos son los
siguientes:
N= 32 Empresas
Z = 1,96 ~ 2 (95% confiabilidad)
e = 5 % = 0,05
p = 50 % = 0,5
q = 50% = 0,5
n = ?
n = (N. Z². p. q) / ((N-1). E2 + Z². p. q)
32 x (1,96)² x 0,5 x 0,5
_______________________________
(32 -1) x 0,0025 + (1,96)² x (0,5) x (0,5)
n = 12 empresas aprox.
3.3.3 Recolección de datos
Según Hernández, Fernández y Baptista (1998) los instrumentos son
formularios elaborados para registrar la información obtenida durante el proceso
de recolección, los más conocidos son: instrumentos de observación, listas de
control, test psicológicos, ficha de entrevista y cuestionarios. Las técnicas
constituyen un conjunto de procedimientos que se utilizan durante el proceso de
recolección de datos
36
La aplicación de las técnicas de recolección es lo que conduce a la
obtención de información, “…la cual debe ser guardada en un medio material de
manera que los datos puedan ser recuperados, procesados, analizados e
interpretados posteriormente”.12 A este soporte de la recolección de datos se le
denomina instrumento y el mismo es cualquier recurso o dispositivo, que se utiliza
para obtener, registrar o almacenar información. La técnica e instrumento
empleado en esta Tesis de Grado para la recolección de datos es la encuesta.
12
Arias, F. (2006). (Obtenido de: El proyecto de Investigación)
37
3.3.3.1 Encuesta
“Es una técnica que pretende obtener información que suministra un grupo
o muestra de sujetos acerca de sí mismos, o en relación con un tema en
particular”13.
La encuesta puede ser oral o escrita. La oral se caracteriza por ser un
interrogatorio personalmente o por vía telefónica. Este tipo de encuesta es poco
profunda, pero de gran alcance porque son preguntas muy objetivas con respecto
al tipo de estudio a realizar.
Esta modalidad utiliza como instrumento una tarjeta con las preguntas y sus
respectivas opciones de respuesta, la cual siempre es llenada por el encuestador,
a diferencia de la encuesta escrita que “…se realiza a través de un cuestionario
autoadministrado,…., que siempre es respondido de forma escrita por el
encuestado”14. La encuesta escrita es la que se realiza mediante un cuestionario.
En este proyecto de investigación se utilizó una encuesta escrita con la
finalidad de justificar y verificar la importancia de un trabajo de investigación como
este.
3.3.4. Técnicas de procesamiento y análisis de datos.
Una vez seleccionadas las técnicas e instrumentos de recolección de datos,
es necesario establecer un conjunto de operaciones o lineamientos, que permitan
analizar e interpretar los resultados obtenidos, con el fin de organizarlos y dar
respuesta a los objetivos planteados en el trabajo de investigación.
13
Arias, F. (2006). (Obtenido de: El proyecto de Investigación) 14
Arias, F. (2006). (Obtenido de: El proyecto de Investigación)
38
Ballestrini, M. (2001) asevera que:
“En la etapa de Análisis e Interpretación de los
Resultados, se introducirán los criterios que orientaran los
procesos de codificación y tabulación de los datos; sus
técnicas de presentación; el análisis estadístico de los
mismos…. “ (p.171)
Los procesos de codificación y tabulación mencionados por el autor
anteriormente citado, comprenden lo que se denomina “Procesamiento de datos”,
el cual no es más que la forma como se clasificará la información en la
investigación, con respecto a las variables objeto de estudio.
La codificación comprende el proceso en el que los datos son
transformados en símbolos, por lo general numéricos, lo que permite
categorizarlos, para posteriormente ser tabulados. El proceso de tabulación esta
relacionado con los procedimientos técnicos en el análisis estadístico de los datos.
En el caso de este Trabajo de Grado toda la información obtenida será
codificada y posteriormente tabulada para poder ser sometida a comparaciones y
un profundo análisis mediante la elaboración de tablas y gráficas, las cuales
permitan al autor interpretar y lograr conclusiones a través de los resultados
obtenidos.
En cuanto al presente Trabajo de Grado los resultados obtenidos pueden
apreciarse a continuación (ver Tabla 2):
39
Tabla 2. Resultados de la encuesta
Preguntas Opciones Empresas Porcentaje
1. Los repuestos que se venden
en su mayoría son:
Originales 8 67%
Otros
fabricantes 4 33%
2. Los repuestos no originales son
fabricados en:
Venezuela 0 0%
Otros 12 100%
3. Si en Venezuela se fabricaran
gobernadores de RPM, a sus
clientes les gustaría comprarlo.
SI 6 50%
NO 6 50%
4. Si en Venezuela se fabricaran
supervisores, a sus clientes les
gustaría comprarlo.
SI 4 33%
NO 8 67%
5. Si en Venezuela se fabricaran
reguladores de voltaje para el
control de la tensión, a sus
clientes les gustaría comprarlo.
SI 10 83%
NO 2 17%
Fuente: El Autor.
A continuación se presenta un análisis detallado pregunta por pregunta de
los resultados obtenidos:
Pregunta 1. Los repuestos que se venden en su mayoría son:
40
En esta pregunta se busca conocer cuales son las tendencias de los
compradores de repuestos para las plantas eléctricas, en la elección de equipos
originales o de otras marcas diferentes a la que trajo originalmente el equipo.
Ocho (8) de los encuestados expuso que compran equipos de reemplazo
originales, mientras que cuatro (4) de los encuestados expuso que no tienen
problema de comprar equipos de reemplazo no originales. A continuación se
puede ver el porcentaje de cada grupo en la ilustración 11.
Ilustración 11. Resultados de la pregunta 1 de la encuesta aplicada.
Fuente: El Autor.
Pregunta 2. Los repuestos no originales son fabricados en:
En esta pregunta se busca saber cual es la procedencia de fabricación de
los equipos no originales, con esto se quiere saber que tanta competencia y
probabilidades de éxito se tiene en el mercado nacional.
Doce (12) de los encuestados respondieron que todos los equipos son de
origen extranjero. Ver ilustración 12.
Originales 67%
Diferente fabricante
33%
Equipos originales o de diferentes fabricantes
41
Ilustración 12. Resultados de la pregunta 2 de la encuesta aplicada.
Fuente: El Autor.
Pregunta 3. Si en Venezuela se fabricaran gobernadores de RPM. A sus clientes
les gustaría comprarlo?
Se busca conocer la receptividad que tiene los compradores hacia un
producto elaborado en Venezuela.
La mitad de los encuestados respondió afirmativamente a esta pregunta
mientras que la otra mitad respondió negativamente. Ver ilustración 13.
Extranjero 100%
Nacional 0%
Origen de fabricacion
42
Ilustración 13. Resultados de la pregunta 3 de la encuesta aplicada.
Fuente: El Autor.
Pregunta 4. Si en Venezuela se fabricaran supervisores, a sus clientes les gustaría
comprarlo?
Se busca conocer la receptividad que tiene los compradores hacia un
producto elaborado en Venezuela.
Ocho (8) de los encuestados respondieron que prefieren comprar
supervisores extranjeros y cuatro (4) respondieron que si comprarían
supervisores nacionales. Ver ilustración 14.
SI 50%
NO 50%
Receptividad a gobernadores nacionales
43
Ilustración 14. Resultados de la pregunta 4 de la encuesta aplicada.
Fuente: El Autor.
Pregunta 5. Si en Venezuela se fabricaran reguladores de voltaje para el controlar
la tensión a sus clientes les gustaría comprarlo.
Se busca conocer la receptividad que tiene los compradores hacia un
producto elaborado en Venezuela.
Diez (10) de los encuestados respondieron, que no tienen ningún problema
de comprar reguladores de voltaje fabricados en Venezuela, mientras que dos (2)
de los encuestados prefieren comprar estos equipos en fabricación extranjera. Ver
ilustración 15.
SI 33%
NO 67%
Receptividad a supervisores nacionales
44
Ilustración 15. Resultados de la pregunta 5 de la encuesta aplicada.
Fuente: El Autor.
Para concluir con los resultados obtenidos en esta encuesta, se puede decir
que en el mercado nacional no existen empresas que fabriquen los equipos
anteriormente mencionados, aun así, los posibles compradores de los productos
prefieren comprar equipos de fabricación extranjera, ya que, los nacionales no les
dan suficiente confianza, a menos de que la empresa fabricante nacional tenga
servicio técnico y garantía de sus productos.
SI 83%
NO 17%
Receptividad a reguladores de voltaje nacionales
45
CAPITULO IV
Sistema propuesto
4.1 Diagrama en bloque
En las ilustraciones 16, 17 y 18 se pueden observar los diagramas en
bloque de los circuitos propuestos, en ellos hay líneas de flujo, que se encargan
de mostrarnos el sentido en que fluye la corriente. Las líneas tienen diferentes
colores a fin de identificarlas fácilmente, a continuación se indicara que
características tiene cada color.
Amarillo: Voltaje de 24,3 voltios y salen de la batería.
Naranja: Son cables de alimentación de los reguladores de voltaje
Marrón: Son cables que aportan información digital.
Azul: Son cables analógicos de corrientes medias.
Verde: Son cables que aportan información analógica.
Rojo: Líneas trifásicas que salen del generador.
4.1.1 Gobernador
Para el diagrama en bloque del gobernador en la ilustración 16, se tiene un
primer cuadro que son dos fuentes de alimentación una de ellas es de 5 voltios y
surte al controlador del servo motor y al servo motor, tienen una capacidad de 3
amperios. La fuente de 15 voltios alimenta al resto del circuito. El magnética pick
up es un sensor magnético que se encarga de testear los dientes que se
encuentran en el volante del motor y manda la señal en forma de pulsos. El
conversor de velocidad D/A detecta los pulsos provenientes del magnetic pick up y
los transforma en una señal DC. En los comparadores 1, 2 y 3 se recoge la señal
DC. del conversor de velocidad D/A y los compara con una señal de referencia,
para cada comparador la señal de referencia es diferente dependiendo de la
46
necesidad particular de cada uno, en el comparador 1 la salida está conectada al
controlador del servo motor, este es un oscilador controlado por voltaje que
modifica el ancho del pulso, la salida de este está conectada al servo motor que se
acopla a la bomba de inyección de gasolina del motor. En el comparador 2 se
controla que la velocidad del motor no sea menor de la establecida, su salida esta
acoplada a tiempo 1 que es un circuito temporizador por nivel de voltaje que se
conecta al comparador 4 y la compara con una señal de referencia, si la entrada
es mayor que la señal de referencia el comparador 4 manda una señal al micro
controlador y este apaga el equipo. En los comparadores 3 y 5 se hace lo mismo
que en los comparadores 2 y 4 pero controlando que la velocidad del motor no sea
excesiva.
Ilustración 16. Gobernador
Fuente: Autor.
Fuente de alimentación 5V. 15V.
Magnetic Pick up.
Conversor de velocidad
D/A.
Control servo motor.
Servo motor.
Señales de referencia.
Comparador 1
Comparador 2
Comparador 3
Comparador 4
Comparador 5
Tiempo 1
Tiempo 2
1
2 3
47
4.1.2 Regulador de voltaje
Para la ilustración 17 se puede observar un primer cuadro que dice
generador y otro que dice líneas trifásicas, esto es porque al excitar los campos
del generador se produce voltaje en las 3 fases, en realidad este seria un solo
componente pero para visualizarse mejor en el diagrama en bloque se tomarán
por separado. Una vez que hay voltaje en las líneas trifásicas se toma la muestra
de las tres líneas y se hace pasar por un filtro que lo rectifica, lo filtra y le baja el
voltaje para poder ser manejado en el comparador. En el comparador se introduce
una señal de referencia fija que sale de un regulador de voltaje de 20 voltios. La
salida del comparador entra en otro filtro que funciona como un circuito de
segundo orden en control, ya que sin él, el circuito oscilaría. Después pasa por un
amplificador y finalmente por la etapa de potencia donde se surte la corriente para
magnetizar los campos del generador.
Ilustración 17. Regulador de voltaje
Fuente: Autor
4.1.3 Supervisor
En la ilustración 18 se observa el diagrama en bloque del supervisor, El
único circuito que esta conectado a la batería directamente es este, ya que tiene
que controlar todas las funciones básicas de la planta eléctrica, tiene un regulador
de 5 voltios que alimenta a todo el circuito. Tiene dos swiches principales que son
Fuente de alimentación
20V.
Filtro Comparador Filtro
Amplificador
Potencia
Generador
Líneas trifásicas
Referencia
4
48
para prender la planta eléctrica y otro para apagarla. El micro controlador se
encarga de activar, desactivar y tiempos en espera de los componentes externos a
el, hay un sensor de temperatura que cuando se excede la temperatura del motor
manda una señal al micro controlador haciendo que se apague la planta eléctrica,
también hay otro sensor que es el de presión de aceite, si la presión no es
suficiente manda una señal al micro controlador y este apaga la planta eléctrica. El
micro controlador para poder controlar los componentes externos que consumen
mucha corriente, lo hace por medio de unos relés. El pre calentado se hace para
calentar los cilindros antes de que se inyecte combustible de lo contrario no hay
ignición, por falta de temperatura en los cilindros. El motor de arranque es un
motor eléctrico que gira el cigüeñal del motor haciendo que el combustible arda
dentro de los cilindros a causa de la compresión del aire y el combustible,
haciendo que el motor gire a causa de una serie de explosiones en cadena en
cada cilindro. El Solenoide de apagado se utiliza para cortar el suministro de
combustible y de esa manera apagar el motor. Finalmente solo nos queda hablar
del contactor, este es un contactor trifásico que se coloca entre el generador y el
tablero de distribución eléctrica. El se activa cuando el voltaje de las líneas este
estabilizado y se desactiva con cualquier indicio de problemas en la planta
eléctrica.
49
Ilustración 18. Supervisor
Fuente: Autor
4.2 Actuales sistemas de control ya existentes en el mercado
4.2.1 Gobernadores
En la actualidad existen dos (2) tipos fundamentales de gobernadores de
RPM para motores, uno de ellos son los gobernadores mecánicos y los otros son
gobernadores electrónicos.
4.2.1.1 Gobernadores mecánicos
Funcionan acoplándose directamente con los engranajes internos del
motor. En el momento que el motor esta en funcionamiento estos engranajes giran
haciendo que un péndulo se eleve o descienda a medida que encuentra mayor o
menor fuerza centrifuga, en el momento en que el péndulo empieza a descender
una perilla gira en sentido de aceleración. Si el péndulo en vez de descender
asciende, la perilla girara en el sentido opuesto o sea el de desaceleración. En la
Prender Apagar
Batería
Fuente 5V.
Temperatura
Presión aceite
Micro controlador
Relees
Pre calentado Solenoide
de apagado Motor de arranque
Contactor
1 2
3 4
50
ilustración 19, se muestra un gobernador mecánico y en la ilustración 20 se
muestra un péndulo de aceleración.
Ilustración 19. Gobernador mecánico.
Fuente: MRS
Ilustración 20. Péndulo de aceleración.
Fuente: Railway.
51
Así se controlan la mayoría de las plantas eléctricas más antiguas, pero aun
así la respuesta de estos equipos es muy buena.
La principal causa de que estos equipos no tengan mayor éxito, es que
cada gobernador mecánico esta adaptado para un único motor, haciendo muy
difícil y caro la producción de estos equipos para todas las marcas y modelos de
motores.
4.2.1.2 Gobernadores electrónicos
Los gobernadores electrónicos son los más utilizados ya que su adaptación
a los motores es más fácil y la configuración de los mismos muy sencilla ya que
con girar un potenciómetro y mover unos suiches ya esta configurado para
funcionar con el motor. En la ilustración 21 se muestra un gobernador electrónico.
Cada fabricante utiliza su propia tecnología para el control de los
accionadores y el testeo de las RPM. Los fabricantes de gobernadores son muy
reservados en lo que respecta a mostrar como funcionan sus tarjetas electrónicas
y componentes internos, pero lo poco que se puede ver es que cada fabricante
utiliza su propia tecnología y ninguno se parece, de la misma manera se diseñó el
gobernador de éste trabajo de investigación, todos los componentes que lleva se
escogieron uno por uno a través de una lista de integrador electronicos, que se
buscaron en el libro de componentes electrónicos de la marca NTE.
52
Ilustración 21. Gobernador electrónico.
Referencia: EFC gobernadores.
Todos los gobernadores electrónicos utilizan un sensor para realizar la
retroalimentación que es un magnetic pikup, el cual es un sensor magnético que
se coloca en la cremallera del volante y de esa manera detecta los dientes en
movimiento, haciendo que a la salida de este sensor tenga una señal cuadrada
que aumenta o disminuye la frecuencia dependiendo de la velocidad del motor.
Esta señal pulsante del magnetic pikup que llega a la tarjeta electrónica es
convertida a una señal DC con lo cual se puede comparar con una entrada
predefinida invariable. Luego el resultado arrojado por la comparación de las dos
entradas ira a otros comparadores en los cuales se determina lo que deberá hacer
el sistema electromecánico de aceleración.
Los gobernadores electrónicos utilizan diferentes sistemas
electromecánicos, los sistemas más comunes utilizan servomotores y los demás
sistemas utilizan motores paso a paso por medio de un tornillo sin fin.
53
4.3 Funcionamiento que deberá tener la planta eléctrica.
De primer lugar la planta eléctrica debe tener una llave de encendido o de
apagado, donde el encendido pone en funcionamiento el supervisor y se mantiene
a la espera de que se oprima el botón de encender la planta.
En el momento que se oprime el botón de encendido el supervisor activa el
relé de calentar los cilindros durante 30 segundos, esta acción se usa porque los
motores Diesel necesitan una temperatura elevada dentro de los cilindros para
que la mezcla pueda entrar en combustión.
Culminados los 30 segundos se desactiva el relé de calentar cilindros y se
revisa la entrada de exceso de temperatura, si el sensor de temperatura esta en
un nivel bajo quiere decir que la temperatura del motor esta bien de lo contrario
entra en modo fallo apagando el motor.
Luego de hacer la revisión de temperatura se activa el relé del motor de
arranque eléctrico, tarda 3 segundos activado y se vuelve a desactivar. En éste
momento el motor Diesel debe estar prendido a su mínima velocidad, pasados 10
segundos el supervisor revisa la entrada de presión de aceite, si el sensor de
presión de aceite indica una señal alta quiere decir que la presión de aceite esta
bien de lo contrario el supervisor entra en modo de falla apagando la planta.
El tiempo de espera para que el motor Diesel se caliente es de uno 30
segundos, culminado este tiempo el supervisor activa el relé que enciende el
gobernador electrónico, una vez encendido el va acelerando el motor de la planta
eléctrica hasta que alcanza las 1800 RPM y se estabiliza a los 5 segundos, de
todos modos el supervisor espera 10 segundos y revisa las entradas de sobre
velocidad y la de sobre carga, si ninguna de las 2 están activadas quiere decir que
todo va bien, de lo contrario apagaría la planta por cualquiera de las dos fallas.
54
El siguiente paso que hace el supervisor es activar el relé que prende el
generador o lo que es igual el sistema de excitatriz. El sistema es controlado por el
regulador de voltaje, para que el sistema se estabilice y alcance los necesarios
120 voltios RMS trifásicos pasan 8 segundos, pasado este tiempo el supervisor
revisa las entradas de sobre voltaje y bajo voltaje y si todo esta bien activa el
contactor trifásico con capacidad de 225 amperios que va a la salida del
generador.
El ciclo automático concluye con la activación del contactor, desde este
punto en adelante el supervisor revisa todas las entradas anteriormente
mencionadas más la entrada de apagado una y otra vez y de ese modo el grupo
electrógeno esta protegido contra cualquier falla.
4.4 Diseño y selección de los componentes a utilizar.
En la selección de los componentes a utilizar comenzaremos con el
gobernador.
4.4.1 Componentes del gobernador
La principal función del gobernador es saber a que velocidad va el motor,
para hacer esto posible hay que obtener una señal del volante del motor la cual es
una señal cuadrada con una frecuencia variable ya que depende de la velocidad
del motor, a mayor velocidad mayor es la frecuencia y a menor velocidad pasa lo
contrario, esa señal hay que convertirla en corriente continua para que de ese
modo se pueda comparar con una señal prefijada. El componente electrónico que
se utilizo para tal fin fue un LM2907N-8 mientras que para los comparadores se
utilizaron LM741.
55
La primera etapa fue de regulación de voltaje, como el grupo electrógeno
trabaja con un voltaje de 28 voltios cuando esta encendida y los reguladores de
voltaje modelo LM78XX solo soportan 30 voltios, se decidió protegerlos por alguna
subida de voltaje inesperado y se coloco en la entrada del circuito un transistor
NTE2345 que soporta 60 voltios de colector a emisor con una regulación en la
base del mismo por medio de un diodo Zener de 28 voltios, en el emisor del
mismo se conectaron las entradas de los reguladores de voltaje LM7805 y
LM7815.
Se utilizo un LM2907N-8 el cual se encarga de convertir la señal de el
magnetic pikup en una señal DC que varia su voltaje aumentándolo o
disminuyendo dependiendo de la frecuencia proveniente del magnetic Pikup con
otra señal fija. El sensor magnético que se coloca encima del volante del motor, la
cual tiene una cremallera de dientes metálicos y al pasar rápidamente por encima
del sensor magnético, éste en su salida genera una señal AC proporcional a la
velocidad con que pasan los dientes metálicos. La señal fija en voltaje DC, de
referencia que se le coloca al LM2907-8 determina la velocidad que debe tener el
motor Diesel.
Dos comparadores se utilizaron para controlar la sobre carga y sobre
velocidad que pudiese tener el motor, estos comparadores modelo LM324 tienen
una señal de entrada que es la señal de salida del LM2907-8 y otra señal a
comparar fija que se determina con un potenciómetro el cual lo ajusta un
operador. Se colocaron dos comparadores iguales a los anteriores que se utilizan
como temporizadores, para poderle dar un tiempo al gobernador electrónico de
estabilizar la velocidad del motor antes de que los comparadores de sobre carga y
sobre velocidad se activen.
Se utilizó un oscilador que es el LM555 y se le adaptó una configuración
para que funcionase como un modulador de ancho de pulso, la frecuencia de
56
oscilación es de 50Hz con un pulso positivo que varia de 9 a 12 mili segundos
dependiendo del valor de voltaje que salga del comparador de velocidad de motor.
La parte electromecánica que se utilizo fue un servomotor con una potencia
de 12Kg por pulgada, los servomotores se controlan por modulación de ancho de
pulso y con frecuencia de 50Hz, el servomotor se acopló a la bomba de
combustible de la planta eléctrica para así poder controlar la velocidad del motor
aumentando o disminuyendo la cantidad de combustible que le llega a los
cilindros. La ilustración 22 muestra el diagrama en bloques del Gobernador.
Ilustración 22. Diagrama en bloques de los componentes principales
Fuente: El autor
4.4.2 Componentes del regulador de voltaje
La primera etapa fué de regulación de voltaje, se colocó una resistencia de
potencia de 2 Watt y un diodo Zener de 24 voltios para obtener a la salida del
regulador 24 voltios DC que alimenta al sistema de regulación.
El regulador de voltaje tiene que medir el voltaje de las tres fases que salen
del generador al mismo tiempo y para hacer esto posible con los comparadores
LM324 el voltaje se baja a niveles más manejables por medio de un divisor de
tensión el cual reduce el voltaje diez (10) veces para obtener unos 12 voltios AC,
luego pasa por un rectificador de voltaje y un condensador, el voltaje que sale de
esta etapa ya es DC, hay tres señales que provienen de las tres fases y para
Magnetic Pik up LM2907N-8 Comparadores LM555
Servomotor Salidas
57
poderlas comparar se diseñó un arreglo de resistencias para que de ese modo
salga una sola señal.
La señal se vuelve a rectificar con un condensador para quitarle los posibles
ruidos que pueda tener, luego se compara con un Amplificador Operacional (Op
Amp) modelo LM324, donde tiene una señal de referencia prefijada de 12 voltios,
el Op Amp se encarga de aumentar o disminuir el voltaje de su salida
dependiendo de las dos señales de entrada y de su retroalimentación.
La siguiente etapa es la etapa de potencia donde se utilizó un transistor
MOSFET de potencia modelo NTE251, la salida de ésta etapa se acopla el
sistema excitatriz del generador. En la ilustración 23 se muestran los componentes
principales del regulador de voltaje.
Ilustración 23. Componentes del regulador de voltaje
Fuente: El autor.
4.4.3 Componentes del supervisor
La primera etapa fue de regulación de voltaje, como el grupo electrógeno
trabaja con un voltaje de 28 voltios cuando está encendida y los reguladores de
voltaje modelo LM78XX solo soportan 30 voltios, se decidió protegerlos por alguna
subida de voltaje inesperado y se colocó en la entrada del circuito un transistor
NTE2345 que soporta 60 voltios de colector a emisor con una regulación en la
Salidas del
generador
Reductores de tensión
Comparadores NTE251
Sistema excitatriz
58
base del mismo por medio de un diodo Zener de 28 voltios, en el emisor del
mismo se conectó la entrada del regulador de voltaje LM7805.
Para poder controlar todos los procesos de la planta se usó un micro
controlador de la marca Micro Chip, específicamente el modelo PIC16F870, ya
que cuenta con 22 posibles entradas y salidas, las suficientes para controlar todo
el sistema. En la imagen N° 22 se muestra el nombre de cada pata del micro
controlador.
Ilustración 24. Micro controlador de la marca Micro Chip, modelo PIC16F870
Fuente: El autor.
Para proteger al micro controlador por sobre corriente a todas las patas que
funcionaran como salida se le colocó una resistencia de 300Ω antes que la carga y
para proteger de un exceso de voltaje en las patas que funcionaran como entrada
se colocó un diodo Zener de 5 voltios en paralelo a la pata del micro controlador y
una resistencia de 1000Ω antes que los dos componentes anteriormente
mencionados.
En las salidas que fuesen de un valor óhmico bajo se colocaron transistores
del tipo 2N2222, que a su vez van a manejar relés, estos relés están hechos para
soportar altas cargas. En la ilustración 25 se muestran los componenetes
principales del supervisor.
59
Ilustración 25. Componentes principales del supervisor.
Fuente: El autor.
4.5.1 Diseño del circuito de regulación de voltaje
Para comenzar el diseño del regulador de voltaje es necesario la colocación
de un fusible a la entrada del circuito, ya que se maneja mucha corriente para
poder magnetizar el generador. Para saber la capacidad del fusible hay que sumar
todas las cargas, el consumo que tiene el circuito no excede de 1Amp ya que son
pocos integrados, pero el transistor de potencia que surte de corriente al sistema
excitatriz del generador consume 10Amp. Si se suman da 11Amp, con que se
coloque un fisible de 12Amp va a ser suficiente.
La alimentación de la tarjeta se hace por un regulador de voltaje con diodo
Zener, el cual tiene una resistencia de 800Ω y 2Watt, conectada a la batería en
serie con un diodo Zener de 28V modelo NTE5083A.
Para poder hacer la regulación de voltaje se tiene que tomar el voltaje de
las tres fases que salen del generador y convertirlas en una sola señal DC y de
bajo voltaje. Para hacer esto posible cada fase que debe generar 120V AC RMS,
se hace pasar por un diodo modelo 1N4002 que soporta hasta 600V y 1Amp, sale
Sensores del motor
PIC Interruptores intervención humana
Regulador voltaje
Gobernador
Generador
Corte combustible
Motor de arranque
Calentador de cilindros
Relés
60
de él un voltaje DC rizado de 179V, a continuación se coloca un divisor de tensión
con resistencias de 100KΩ y 11.1KΩ, para que ahora se tenga un voltaje DC
rizado de 17.9V. La señal obtenida se pasa de nuevo por un diodo modelo 1N4148
ya que este diodo rectifica aun más señales de voltaje bajo y a de más que es
necesario porque se unirán en esta parte las tres fases, a continuación se colocan
en paralelo un condensador de 100nF y una resistencia de 6000KΩ conectado a
tierra, el condensador es para quitarle el rizado y la resistencia funciona como una
fuga de corriente para asegurar que el voltaje del condensador sea reciente.
La siguiente etapa es comparar el voltaje anteriormente mencionado en un
Op Amp modelo LM324, con otra entrada fijado por un operador, por medio de un
potenciómetro de 10KΩ, en este caso no hay retroalimentación así que solo
tendremos dos estados lógicos a la salida y para convertirla en DC se hace pasar
por una resistencia de 10KΩ y un condensador de 200µF, con esta configuración
lo que se logra es sacar el promedio de la señal con solo dos estados lógicos. A
continuación se pasa por otro LM324 el cual excita la base del transistor de
potencia para que empiece a conducir, en el emisor del transistor se conecta la
retroalimentación del Op Amp con una ganancia de uno (1).
En el circuito se colocaron dos (2) comparadores adicionales modelo
LM324, para indicar al supervisor cuando el voltaje este bajo o este alto, cada
comparador usa una señal de referencia fija por medio de un potenciómetro
ajustado por un operador. En la ilustración 26 se muestra el esquemático del
regulador de voltaje.
61
Ilustración 26. Diagrama del regulador de voltaje.
Fuente: El autor
62
4.5.2 Diseño del circuito del gobernador
Para que el circuito del gobernador pueda funcionar bien, es indispensable
que tenga una regulación de voltaje excelente, por tal motivo se diseñó de la
siguiente manera.
El primer componente que se encuentra en contacto con la batería es un
fusible con una capacidad nominal de 6Amp, a continuación un transistor modelo
NTE2345, el cual se encarga que el voltaje nunca supere los 27.3V, ya que en la
base del transistor se encuentra un diodo Zener de 28V modelo NTE5083A, en
serie con una resistencia de 5KΩ, de el emisor se conectan las entradas de los
reguladores de voltaje LM7805 y LM7815.
El siguiente componente a describir es un LM2907N-8 el cual es un
conversor de frecuencia a voltaje, su función es tomar una onda cuasi cuadrada
proveniente de el Magnetic Pikup a una señal DC con tensión variable
dependiendo de la frecuencia de entrada. A continuación se dará una breve
explicación del funcionamiento de cada pata de conexión del integrado:
En la pata N°1, se conecta el magnetic Pikup, el cual es un sensor que se encarga
de detectar los dientes que están dispuestos en forma de cremallera en el volante
del motor, con el paso de cada diente metálico por el sensor se genera un escalón
positivo en la onda de salida del sensor.
En la pata N°2 se coloca un condensador de 520pF conectado a tierra, este
condensador se utiliza para carga y descarga del mismo en sincronización con la
frecuencia de entrada, de tal manera que si la frecuencia de entrada es baja el
condensador se habrá descargado mucho antes de que el ciclo de la frecuencia
de entrada se acabe, en consecuencia el circuito interno del LM2907N-8 detecta
que la frecuencia es baja y como resultado en la salida de voltaje habrá un voltaje
bajo muy cercano a 0 voltios. En el caso de que la frecuencia fuera alta, el
condensador no tendría suficiente tiempo para descargarse provocando que a la
salida del circuito halla un voltaje alto cercano a los 15 voltios.
63
En la pata tres (3) se hace un arreglo de resistencias, el cual la función es
de mantener un valor de voltaje DC en la salida del circuito.
Las patas cuatro (4) y siete (7) se conectan y se le pone una resistencia de
10KΩ conectada a tierra, esto es porque en la pata cuatro se encuentra el emisor
del transistor que esta excitada la base con el comparador interno del integrado, al
transistor se le hace una configuración de emisor seguidor, para que de ese modo
tengamos un voltaje variable en el emisor. El emisor esta conectado con la pata
siete, porque es la entrada del comparador y se utilizo una configuración de
ganancia uno (1).
La pata cinco (5) se conecta a Vcc, porque es el colector del transistor y la
pata seis (6) también se conecta a Vcc, ya que ésta es la alimentación del
integrado.
La pata ocho (8) se conecta a tierra.
El siguiente componente a describir es un LM555, éste integrado es un
oscilador que en el circuito tiene una configuración de PWM o modulador de ancho
de pulso. Esto es necesario para poder controlar la parte electromecánica que es
un servomotor.
La pata uno (1) se conecta a tierra.
Las patas dos (2) y seis (6) se conectan juntas, se utiliza como disparo y
esta conectada con un condensador de 390nF a tierra y una conexión en paralelo
de un diodo modelo 1N4148 y una resistencia de 68KΩ, a su vez este dos
componentes conectador en paralelo se conecta enserie con un diodo del mismo
tipo que el anterior y en serie con una resistencia de 10KΩ, a trabes de esta via es
que llega el voltaje de referencia para el PWM.
64
En la pata tres (3) se conecta el servo motor ya que ésta es la salida del
LM555 y se coloca de protección una resistencia de 300Ω.
La pata cinco (5) es de control y solo se le conecta un condensador de
100nF.
La pata siete (7) es la pata de descarga, internamente el LM555 tiene un
transistor y su función es descargar el condensador de 390nF que este conectado
a las patas seis y dos.
Los de más componentes que se utilizaron en el circuito son 5
comparadores modelo LM324, el primero se utilizo para aumentar la ganancia de
tensión del convertidor de frecuencia a voltaje ya que éste no aumenta casi la
tención en su borne de salida, solo varia en 1.5 voltios su valor nominal. La
ganancia del comparador se configuro para que fuese de 5 veces el valor de
entrada y a de más se le dio un valor offset por medio de un potenciómetro.
Dos de los comparadores se utilizaron para controlar la sobre carga y sobre
velocidad del motor Diesel y los otros dos restantes funcionan como
temporizadores para mandar la señal al supervisor de sobre carga o sobre
velocidad. En la ilustración 27 se muestra el esquema del circuito.
65
Ilustración 27. Esquema del gobernador
Fuente: El autor
66
4.5.3 Diseño del circuito supervisor
El primer componente que se encuentra en contacto con la batería es un
fusible con una capacidad nominal de 2Amp, a continuación un transistor modelo
NTE2345, el cual se encarga que el voltaje nunca supere los 27.3V, ya que en la
base del transistor se encuentra un diodo Zener de 28V modelo NTE5083A, en
serie con una resistencia de 5KΩ, de el emisor se conecta la entrada del
regulador de voltaje LM7805.
El micro controlador se instalo sobre una base modelo DIPswiche de 28
pines para su fácil instalación y remoción de la tarjeta
A continuación se describe en la tabla tres la función que cumple cada pata
del micro controlador en el circuito de supervisión, cada pata se va a nombrar por
número de posición en la que este.
Tabla 3 Función de cada pata del micro controlador en el circuito de supervisión
Numero de pata Descripción
1 Vdd
2 LED de temperatura
3 LED presión de aceite
4 LED sobre carga
5 LED sobre velocidad
6 LED sobre voltaje
7 LED bajo voltaje
8 Vss
9 Cristal de 1Mhz
10 Cristal de 1Mhz
11 Calentar cilindros
67
12 LED todo bien
13 Contactor de salida del generador
14 Regulador de voltaje
15 Gobernador
16 Bomba de combustible
17 Solenoide de corte de combustible
18 Motor de arranque eléctrico
19 Vss
20 Vdd
21 Suiche de apagado
22 Suiche de encendido
23 Exceso de temperatura
24 Baja presión de aceite
25 Sobre carga
26 Sobre velocidad
27 Sobre voltaje
28 Bajo voltaje
Fuente: El autor.
Todos los pines que se utilizaron de entrada de información hacia el micro
controlador, tienen un regulador de voltaje de 5 voltios muy simple, eso es porque
la planta eléctrica trabaja con 24 voltios y si le llegara ese voltaje al micro
controlador se quemaría, el regulador esta compuesto de la siguiente forma, en la
más próximo a la entrada de la tarjeta se encuentra una resistencia de 300Ω a
continuación en serie un diodo Zener de 5 voltios modelo 55C4V, en serie con el
Zener una resistencia de 1.5KΩ conectada a tierra, en el nodo de la resistencia de
300Ω y el diodo Zener se conecta una resistencia de 1.4KΩ que está conectada
con uno de los pines del micro controlador.
68
De cada pin de salida del micro controlador se conecto una resistencia de
300Ω, la cual excita la base de un transistor modelo 2N2222, el colector del mismo
se conecta a la salida del regulador de voltaje de 5 voltios, mientras que el emisor
se conecta a uno de los pines de la bobina de un relé de 5 voltios y la otra pata de
la bobina se conecta a tierra.
En el circuito de supervisión se colocaron siete (7) relés, los cuales se
utilizan para mover cargas resistivas grandes, entre las cosas que se manejan
son, el motor eléctrico de arranque, el solenoide de corte de combustible, las
resistencias de calentar cilindros, gobernador, regulador de voltaje y contactor de
salida del generador. En la ilustración 28 se muestra el esquema del supervisor.
69
Ilustración 28. Esquema del supervisor
Fuente: El autor
70
4.6 Diseño de la programación del micro controlador.
Para diseñar el programa del micro controlador se utilizo el software de la
marca Micro Chip, específicamente el MPLAB IDE, en este programa se hace el
código, se compila, se simula y finalmente se graba el micro controlador con un
hardware que se conecta al puerto serial de la computadora.
El código que se grabo en el micro controlador es el siguiente:
;¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡ Javier Hauser M !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
;----------------------------------Supervisor Plantas Electricas ----------------------
LIST P=16F870
INCLUDE <P16F870.INC>
;---------------------------DEFINICIONES DE REGISTRO ----------------------------
PDel0 EQU 20H
PDel1 EQU 21H
PDel2 EQU 22H
PDel01 EQU 23H
PDel11 EQU 24H
PDel21 EQU 25H
PDel02 EQU 26H
PDel12 EQU 27H
PDel22 EQU 28H
PDel03 EQU 29H
PDel13 EQU 2AH
PDel23 EQU 2BH
PDel04 EQU 2CH
PDel14 EQU 2DH
PDel24 EQU 2EH
PDel05 EQU 2FH
PDel15 EQU 30H
PDel25 EQU 31H
71
PDel06 EQU 32H
PDel16 EQU 33H
PDel26 EQU 34H
; -------------------------------------------------COMIENZA ----------------------------------------
GOTO INICIO
;--------------------------------------------INTERRUPCION ------------------------------------------
ORG 0X04
GOTO APAGAR
;-----------------------------------------------------configuracion de bit ----------------------------------
CONFIGURACION
BSF STATUS,RP0 ;BANCO 1
CLRF PORTC
BSF STATUS,RP0
MOVLW 06H
MOVWF ADCON1
BSF STATUS,RP0
CLRF PORTA
BCF STATUS,RP0
CLRF PORTA
BSF INTCON,GIE ;ACTIVO LAS INTERRUPCIONES
BSF INTCON,INTE ;ACTIVO LA INTERRUPCION POR RB0
RETURN
;------------------------------------------------------INICIA EL PROGRAMA --------------------------------------------
INICIO
CALL CONFIGURACION
CALL USUARIO
PRENDE
CALL TEMPERATURA
CALL PRENDER
CALL ARRANQUE
CALL CALENTAR
CALL GOBERNADOR
CALL GENERADOR
CALL CONTACTOR
GOTO SUPERVISO
; ---------------------------------------------------------------USUARIO--------------------------------------------------
USUARIO
72
BCF STATUS,RP0
BTFSC PORTB,01H
RETURN
GOTO USUARIO
;--------------------------------------------------- CALIENTA CILINDROS --------------------------------------------
PRENDER
BCF STATUS,RP0 ;Banco 0
MOVLW 01H
MOVWF PORTC
PDelay movlw .191 ; 1 set number of repetitions (C)
movwf PDel0 ; 1 |
PLoop0 movlw .116 ; 1 set number of repetitions (B)
movwf PDel1 ; 1 |
PLoop1 movlw .150 ; 1 set number of repetitions (A)
movwf PDel2 ; 1 |
PLoop2 clrwdt ; 1 clear watchdog
PDelL1 goto PDelL2 ; 2 cycles delay
PDelL2 goto PDelL3 ; 2 cycles delay
PDelL3 clrwdt ; 1 cycle delay
decfsz PDel2, 1 ; 1 + (1) is the time over? (A)
goto PLoop2 ; 2 no, loop
decfsz PDel1, 1 ; 1 + (1) is the time over? (B)
goto PLoop1 ; 2 no, loop
decfsz PDel0, 1 ; 1 + (1) is the time over? (C)
goto PLoop0 ; 2 no, loop
PDelL4 goto PDelL5 ; 2 cycles delay
PDelL5 goto PDelL6 ; 2 cycles delay
PDelL6 goto PDelL7 ; 2 cycles delay
PDelL7 clrwdt ; 1 cycle delay
BCF STATUS,RP0 ;Banco 0
MOVLW 00H
MOVWF PORTC
RETURN
; ----------------------------------------------------------MOTOR DE ARRANQUE --------------------------------------
ARRANQUE
BCF STATUS,RP0 ;Banco 0
MOVLW 80H
MOVWF PORTC
PDelay1 movlw .142 ; 1 set number of repetitions (C)
movwf PDel01 ; 1 |
PLoop01 movlw .16 ; 1 set number of repetitions (B)
movwf PDel11 ; 1 |
73
PLoop11 movlw .197 ; 1 set number of repetitions (A)
movwf PDel21 ; 1 |
PLoop21 clrwdt ; 1 clear watchdog
decfsz PDel21, 1 ; 1 + (1) is the time over? (A)
goto PLoop21 ; 2 no, loop
decfsz PDel11, 1 ; 1 + (1) is the time over? (B)
goto PLoop11 ; 2 no, loop
decfsz PDel01, 1 ; 1 + (1) is the time over? (C)
goto PLoop01 ; 2 no, loop
PDelL11 goto PDelL21 ; 2 cycles delay
PDelL21 clrwdt ; 1 cycle delay
BCF STATUS,RP0 ;Banco 0
MOVLW 00H
MOVWF PORTC
RETURN
; ------------------------------------------------ESPERA PARA CALENTAR EL MOTOR -----------------------------------
TEMPERATURA
BCF STATUS,RP0
BTFSC PORTB,02H
GOTO TEMPERATURALED
RETURN
TEMPERATURALED
BCF STATUS,RP0 ;Banco 0
BSF PORTA,00H
GOTO APAGAR
; --------------------------------------------------------CALENTAR EL MOTOR ---------------------------------------------------
CALENTAR
PDelay2 movlw .214 ; 1 set number of repetitions (C)
movwf PDel02 ; 1 |
PLoop02 movlw .24 ; 1 set number of repetitions (B)
movwf PDel12 ; 1 |
PLoop12 movlw .218 ; 1 set number of repetitions (A)
movwf PDel22 ; 1 |
PLoop22 clrwdt ; 1 clear watchdog
decfsz PDel22, 1 ; 1 + (1) is the time over? (A)
goto PLoop22 ; 2 no, loop
decfsz PDel12, 1 ; 1 + (1) is the time over? (B)
goto PLoop12 ; 2 no, loop
decfsz PDel02, 1 ; 1 + (1) is the time over? (C)
goto PLoop02 ; 2 no, loop
PDelL12 goto PDelL22 ; 2 cycles delay
PDelL22 clrwdt ; 1 cycle delay
ACEITE
74
BCF STATUS,RP0
BTFSS PORTB,03H
GOTO ACEITELED
PDelay3 movlw .43 ; 1 set number of repetitions (C)
movwf PDel03 ; 1 |
PLoop03 movlw .226 ; 1 set number of repetitions (B)
movwf PDel13 ; 1 |
PLoop13 movlw .205 ; 1 set number of repetitions (A)
movwf PDel23 ; 1 |
PLoop23 clrwdt ; 1 clear watchdog
clrwdt ; 1 cycle delay
decfsz PDel23, 1 ; 1 + (1) is the time over? (A)
goto PLoop23 ; 2 no, loop
decfsz PDel13, 1 ; 1 + (1) is the time over? (B)
goto PLoop13 ; 2 no, loop
decfsz PDel03, 1 ; 1 + (1) is the time over? (C)
goto PLoop03 ; 2 no, loop
clrwdt ; 1 cycle delay
RETURN
ACEITELED
BCF STATUS,RP0 ;Banco 0
BSF PORTA,01H
GOTO APAGAR
; ---------------------------------------------------PRENDO GOBERNADOR -----------------------------------
GOBERNADOR
BCF STATUS,RP0
BSF PORTC,04H
PDelay4 movlw .54 ; 1 set number of repetitions (C)
movwf PDel04 ; 1 |
PLoop04 movlw .188 ; 1 set number of repetitions (B)
movwf PDel14 ; 1 |
PLoop14 movlw .196 ; 1 set number of repetitions (A)
movwf PDel24 ; 1 |
PLoop24 clrwdt ; 1 clear watchdog
decfsz PDel24, 1 ; 1 + (1) is the time over? (A)
goto PLoop24 ; 2 no, loop
decfsz PDel14, 1 ; 1 + (1) is the time over? (B)
goto PLoop14 ; 2 no, loop
decfsz PDel04, 1 ; 1 + (1) is the time over? (C)
goto PLoop04 ; 2 no, loop
PDelL14 goto PDelL24 ; 2 cycles delay
PDelL24 clrwdt ; 1 cycle delay
PDelL244
75
SOBRECARGA
BCF STATUS,RP0
BTFSC PORTB,04H
GOTO SOBRECARGALED
GOTO SOBREVELOCIDAD
SOBRECARGALED
BCF STATUS,RP0 ;Banco 0
BSF PORTA,02H
GOTO APAGAR
SOBREVELOCIDAD
BCF STATUS,RP0
BTFSC PORTB,05H
GOTO SOBREVELOCIDADLED
RETURN
SOBREVELOCIDADLED
BCF STATUS,RP0 ;Banco 0
BSF PORTA,03H
GOTO APAGAR
; ------------------------------------------------------------EXITO EL GENERADOR ----------------------------------------------
GENERADOR
BCF STATUS,RP0
BSF PORTC,03H
PDelay5 movlw .103 ; 1 set number of repetitions (C)
movwf PDel05 ; 1 |
PLoop05 movlw .66 ; 1 set number of repetitions (B)
movwf PDel15 ; 1 |
PLoop15 movlw .161 ; 1 set number of repetitions (A)
movwf PDel25 ; 1 |
PLoop25 clrwdt ; 1 clear watchdog
clrwdt ; 1 cycle delay
decfsz PDel25, 1 ; 1 + (1) is the time over? (A)
goto PLoop25 ; 2 no, loop
decfsz PDel15, 1 ; 1 + (1) is the time over? (B)
goto PLoop15 ; 2 no, loop
decfsz PDel05, 1 ; 1 + (1) is the time over? (C)
goto PLoop05 ; 2 no, loop
clrwdt ; 1 cycle delay
SOBREVOLTAJE
BCF STATUS,RP0
BTFSC PORTB,06H
GOTO SOBREVOLTAJELED
GOTO BAJOVOLTAJE
76
SOBREVOLTAJELED
BCF STATUS,RP0 ;Banco 0
BSF PORTA,04H
GOTO APAGAR
BAJOVOLTAJE
BCF STATUS,RP0
BTFSC PORTB,07H
GOTO BAJOVOLTAJELED
RETURN
BAJOVOLTAJELED
BCF STATUS,RP0 ;Banco 0
BSF PORTA,05H
GOTO APAGAR
;----------------------------------------------------------- CONTACTOR -------------------------------------------------------
CONTACTOR
BCF STATUS,RP0
BSF PORTC,02H
RETURN
; -----------------------------------------------------------------SUPERVISOR ---------------------------------------------------
SUPERVISO
TEMPERATURA1
BCF STATUS,RP0
BTFSC PORTB,02H
GOTO TEMPERATURALED
ACEITE1
BCF STATUS,RP0
BTFSS PORTB,03H
GOTO ACEITELED
SOBRECARGA1
BCF STATUS,RP0
BTFSC PORTB,04H
GOTO SOBRECARGALED
SOBREVELOCIDAD1
BCF STATUS,RP0
BTFSC PORTB,05H
GOTO SOBREVELOCIDADLED
SOBREVOLTAJE1
BCF STATUS,RP0
BTFSC PORTB,06H
GOTO SOBREVOLTAJELED
BAJOVOLTAJE1
BCF STATUS,RP0
BTFSC PORTB,07H
GOTO BAJOVOLTAJELED
77
TODOBIEN
BCF STATUS,RP0
BSF PORTC,01H
GOTO SUPERVISO
;-------------------------------------------- APAGA LA PLANTA ELECTRICA ----------------------------------------------
APAGAR
BCF STATUS,RP0
BCF PORTC,01H ;APAGO EL LED TODO BIEN
BCF STATUS,RP0 ;Banco 0
MOVLW 40H
MOVWF PORTC
PDelay6 movlw .43 ; 1 set number of repetitions (C)
movwf PDel06 ; 1 |
PLoop06 movlw .226 ; 1 set number of repetitions (B)
movwf PDel16 ; 1 |
PLoop16 movlw .205 ; 1 set number of repetitions (A)
movwf PDel26 ; 1 |
PLoop26 clrwdt ; 1 clear watchdog
clrwdt ; 1 cycle delay
decfsz PDel26, 1 ; 1 + (1) is the time over? (A)
goto PLoop26 ; 2 no, loop
decfsz PDel16, 1 ; 1 + (1) is the time over? (B)
goto PLoop16 ; 2 no, loop
decfsz PDel06, 1 ; 1 + (1) is the time over? (C)
goto PLoop06 ; 2 no, loop
clrwdt ; 1 cycle delay
BCF STATUS,RP0 ;Banco 0
MOVLW 00H
MOVWF PORTC
MANTENER
NOP
GOTO MANTENER
END
78
4.7 Construcción del regulador de voltaje, gobernador y supervisor
La construcción comienza con una búsqueda de los posibles componentes
a utilizar, luego de encontrarlos hay que imaginarse como se pueden conectar uno
con el otro y llevarlos a un boceto de circuito en bloques. En este punto hay que
aplicar todos los conocimientos adquiridos en la carrera, para hacer el diseño de
las conexiones bien sea con resistencias, condensadores, diodos, transistores o
algunos de los miles componentes electrónicos que existen.
Luego que se diseñó en papel y lápiz todo el circuito hay que colocarle los
valores que deberán llevar todos los componentes, en este punto ya se tiene un
valor bastante aproximado de cada componente pero como la electrónica no
funciona con valores más o menos exactos, recurrimos a la ayuda de un programa
de diseño de circuitos electrónicos, en el cual se pondrá un valor dado al
componente y se simula, si el resultado es el deseado por el diseñador se
mantendrá el valor inicial, pero si no fue el resultado esperado habrá que
modificarse su valor hasta que el resultado sea el correcto. El programa que se
utilizo para hacer los circuitos y simularlos fue PSpice.
El diseño final de los circuitos se imprimen en papel y se empieza la
construcción de los mismos en protoboard como aparece en la imagen 29, una
vez terminado el circuito, se comienza la fase de prueba de los mismos. Una vez
terminadas las pruebas, se empieza la construcción de los mismos en baquelita y
con muchos componentes adicionales a los que se tenían en principio, como son
los disipadores, bornes de conexión, ventiladores y bases de montaje.
79
Ilustración 29. Circuito gobernador en protoboard.
Fuente: El autor-
4.8 Prueba de los circuitos de control.
4.8.1 Pruebas del gobernador
Todas las pruebas de los circuitos se realizaron conectadas a la planta
eléctrica, cada circuito se probó por separado y se corroboro que el
funcionamiento fuese el correcto de cada uno de ellos y luego se instalaron los
tres circuitos juntos para probar el funcionamiento autónomo del grupo
electrógeno.
El primer circuito que se probó fue el gobernador electrónico. Se conectaron
los cables de alimentación, los cables del Magnetic Pick up y los cables que van al
servo motor. Se construyo una base para poner el servomotor en la bomba de
inyección y conectar el brazo del servo con el acelerador.
80
Se encendió manualmente la planta y el gobernador de la misma manera,
en ese momento el servomotor empezó a acelerar la planta un poco pero no lo
suficiente así que para corregir esto hay que mover uno de los potenciómetros
dispuestos en la tarjeta para tal fin, el potenciómetro se le dio vuelta
progresivamente en el sentido de las agujas del reloj e igualmente empezaba a
aumentar la velocidad del motor, se siguió así hasta que se alcanzo las 1800RPM.
Ya con la velocidad del motor correcta, se apago la planta para iniciar el
proceso de nuevo, y verificar que el gobernador electrónico llegue solo a la
velocidad nominal. El proceso resulto satisfactorio pero estaba muy inestable así
que se desmonto y se corrigió el problema instalando un condensador de mayor
valor farádico en la salida del comparador que le da más ganancia al convertidor
de frecuencia a voltaje, se volvió a montar el circuito en la planta y se probó. El
problema se corrigió.
El próximo paso fue el de ajustar los potenciómetros de sobre carga y sobre
velocidad.
4.8.2 Pruebas del regulador de voltaje
Lo primero que se hizo fue conectar la alimentación, El sistema excitatriz al
transistor de potencia y las tres fases de salida del generador al circuito regulador
de voltaje.
Tanto la planta como el regulador de voltaje se encendieron manualmente,
al principio de las pruebas nunca llegaba electricidad del transistor al sistema
excitatriz porque se quemaba a causa del calor intenso que alcanzaba el
transistor, también se ponía en abierto por la chispa que hacia el desconectar la
bobina del sistema excitatriz a causa de la energía almacenada en la bobina o se
ponía en corto a causa del alto consumo de corriente.
81
Para poder corregir esas fallas se hicieron barias arreglos. Para acomodar
el exceso de temperatura hubo que poner un disipador para transistores de 150W
y un ventilador de 3 pulgadas de diámetro. Para corregir el problema de la chispa
producida por la bobina, hubo que poner un condensador en el emisor del
transistor de 3000mF para que absorbiera la energía almacenada en la bobina, y
por ultimo para corregir que el transistor no se pusiera en corto se tuvo que
comprar un transistor de la marca NTE ya que con las de mas marcarse
quemaban (no soportan la corriente de colector a emisor que dicen sus
características).
Ya con los problemas resueltos, lo que quedaba era ajustar el voltaje a
120V AC RMS por fase, para eso se ajusta un potenciómetro dispuesto en la
tarjeta para tal fin.
También hay que ajustar otros dos (2) potenciómetros que le indican al
supervisor cuando el voltaje este bajo o este alto.
4.8.3 Prueba del supervisor
Se colocaron los cables de alimentación, los cables del gobernador, los del
regulador, los de presión de aceite, el de temperatura, motor de arranque, calentar
cilindros, etc.
Se le dio marcha a la planta eléctrica apretando el botón de encendido, en
ese momento se activo el relé de calentar cilindros, pasados los 30 segundos se
activa el motor de arranque por 5 segundos, a los 30 segundos después se activo
el gobernador, 10s después el regulador de voltaje y por último el contactor de
salida del generador.
82
El circuito supervisor no dio problema alguno, luego de un rato se decidió
apagar para probar el sistema de apagado y se apretó el botón de apagado, el
supervisor activo el solenoide de corte de combustible y a los 10s lo desactivo. El
supervisor se pone en estado de reposo hasta que se vuelva a apretar el botón de
encendido.
De todos modos se hicieron fallas provocadas para ver el funcionamiento
del circuito supervisor, las fallas provocadas fueron: Temperatura alta, baja
presión de aceite, exceso y bajo voltaje, sobre carga y sobre velocidad. Los
resultados que se obtuvieron fue una señalización del problema en el mando de
control por medio de un LED y el apagado de la planta eléctrica.
4.9 Implementación del sistema
Luego de que los tres circuitos funcionaran en armonía uno con otros, se
busco la colocación definitiva de los componentes.
La ubicación final de los tres circuitos fue detrás de una de las tapas del
generador, debajo del mando de control.
Todos los cables se pasaron por tuberías flexibles.
A todos lo potenciómetros se le puso pega en la perilla para que no se
movieran con la vibración de la maquina.
Los botones de encendido y de apagado al igual que todos los LED se
colocaron en el mando de control.
83
Recursos humanos
Recursos Humanos
Tabla 4. Recursos Humanos
NOMBRE CATEGORÍA HORAS
MENSUALES
HORAS
TOTALES COSTO
Hauser Javier Tesista 20 180 675 Bs.F.
Sardi José Tutor 4 36 0 Bs.F.*
TOTAL 675 Bs.F.
Fuente: Autor.
* Las horas de tutoría van a ser los fines de semana y no tienen costo.
4.3 Recursos técnicos
Tabla 5. Recursos Técnicos
COMPONENTES DESCRIPCIÓN CANTIDAD PRECIO
UNITARIO COSTO
Pasivos Resistencias 85 100 8.5 Bs.F.
Condensadores 36 200 7.2 Bs.F.
Cables 15mt. 1500 22.5 Bs.F.
Baquelita 3 25000 75 Bs.F.
Estaño 2mt. 5000 10 Bs.F.
Pulsadores 10 100 1 Bs.F.
Swiche 5 1500 75 Bs.F.
Potenciómetro 10 1500 15 Bs.F.
Disipador 3 15000 45 Bs.F.
Fusible 3 5800 17.4 Bs.F.
Regleta 3 15000 45 Bs.F.
84
Activos Diodo 30 200 6 Bs.F.
Transistor 16 2000 32 Bs.F.
I.C. 10 8000 80 Bs.F.
Diodo Zener 3 230 0.69 Bs.F.
Diodo LED 20 750 15 Bs.F.
Microprocesador 1 50000 50 Bs.F.
Cristal Cuarzo 1 500 0.5 Bs.F.
Total 438.29
Bs.F.
Fuente: Autor.
4.4 Recursos administrativos
Tabla 6. Recursos Administrativos
DESCRIPCIÓN CANTIDAD COSTO
Resma de Papel 1 17 Bs.F.
Encuadernación 1 15 Bs.F.
Computadora 1 1.500 Bs.F.
Tinta de impresora 4 120 Bs.F.
Total 1.652 Bs.F.
Fuente: Autor.
85
4.4 Cronograma de actividades
Tabla 7. Cronograma de actividades
Actividades Abril
2008
Mayo
2008
Junio
2008
Julio
2008
Agosto
2008
Septiem
bre
2008
Octubre
2008
Noviem
bre
2008
Diciem
bre
2008
Indagar los actuales sistemas ya existentes en el
mercado
Estudiar la teoría básica de los sistemas trifásicos,
electrónicos y de micro controladores.
Diseño y escogencia de los componentes del
regulador de voltaje, gobernador y supervisor.
Diseño de la programación del micro controlador
Construcción del regulador de voltaje, gobernador
y supervisor
Pruebas
Implantación
Fuente: Autor
86
Conclusión
El sistema de control que se diseño en el presente trabajo de grado,
específicamente para la planta eléctrica Caterpillar de la empresa Corporación
Labex C.A. cumple con las características de la mayoría de los sistemas de control
ya existentes en el mercado y con pequeños cambios en los circuitos electrónicos
se podría instalar en otras maquinarias para generación de energía.
Con respecto a la funcionalidad de la planta eléctrica, se logró que todas las
prestaciones originales de la maquina funcionaran y logrando con el circuito
supervisor una automatización total, ya que con tocar un solo botón, la maquinaria
ejecuta todas las funciones programadas en el micro controlador.
Los resultados obtenidos de los diseños fueron los mismos que se
obtuvieron en las pruebas, demostrando que el diseño y los cálculos juegan un
papel importante para la realización de un buen producto final.
La programación y uso del micro controlador demostró ser una poderosa
herramienta para automatización de maquinas.
La construcción de los circuitos se hizo en baquelitas pre perforadas y pre
estañadas, son buenas para prototipos pero para una etapa de implementación no
son convenientes, ya que ocupan mucho espacio y las vías son poco estéticas.
En las primeras pruebas los circuitos electrónicos demostraron buen
funcionamiento pero hubo que calibrarlos por medio de los potenciómetros
instalados para tal fin, ya que sus resultados estaban un poco fuera de los
parámetros, luego de la calibración los resultados fueron los que se querían.
87
La implementación consistió en la instalación final de los equipos en el
grupo electrógeno, colocándolos con tornillos y tuberías, para que de ese modo no
se dañen con posibles perturbaciones externas.
88
Recomendaciones
En la actualidad existen métodos más fáciles de automatización, con
módulos PLC lo único que hay que hacer es la programación interna, porque el
hardware ya está listo, ya trae alimentación, pines de entrada digitales, pines de
entradas analógicas, pines de salidas digitales o analógicas, puertos de
comunicación, etc.
La programación de los mismos se hace a través de la interconexión de
bloques y en un programa con un ambiente amistoso y fácil de usar, sin tener que
escribir complicadas palabras.
Los PLC comerciales ya vienen con todas las normas de calidad que se
exigen en la industria, por eso es que las grandes empresas solo permiten que las
automatizaciones se hagan con estos equipos y no con micro controladores
caseros, como por ejemplo el micro controlador que se utilizo en este trabajo de
grado.
89
Bibliografía
ARIAS, Fidias. El proyecto de investigación. 5º edición. Caracas: Editorial
Episteme, C.A., 2006, 143 paginas. ISBN: 980-07-8529-9
BRICEÑO A., DAVID G. “Desarrollo e implementación de un
acondicionador de línea electrónica de 2000va de potencia con
transformador Booster controlado por un inversor”. Universidad Nueva
Esparta. Escuela de Ingeniera Electrónica, Junio 2006.
HURTADO, J. Metodología de la investigación holística, 1998.
INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICO SANTITO MARIÑO, Guía
Metodológica, Caracas, 2001.
MALVINO, ALBERT, Principios de electrónica. Alba, jose; López, Carlos
(trad.). Sexta edición. Madrid: Mc Graw Hill, 2000. 1111p. ISBN: 0-02-
802833-3
MONCLUS S, ORIOL, Sistema remoto para la captación masiva de
información, Caracas, 2005.
SAMPIERI; FERNANDEZ; BATISTA Metodología de la investigación, 1992.
UPEL Metodología de la investigación, Caracas, 1998.
WIKIPEDIA, Sistemas trifásicos [en línea] [ref. de 16de septiembre de
2007]. Disponible en Web:
http://es.wikipedia.org/wiki/Especial:Search?search=sistema+trifasico&go=Ir
WIKIPEDIA, Sistemas trifásicos [en línea] [ref. de 22de noviembre de 2007].
Disponible en Web: http://es.wikipedia.org/wiki/Generador_el%C3%A9ctrico
WOODWARD, EPG [en línea] [ref. de 18 de septiembre de 2007].
Disponible en Web: www.woodward.com
90
Anexos
91
Anexo A. La Encuesta.
Marque con una X la respuesta de su preferencia.
1. Los repuestos que se venden en su mayoría son:
Originales ______
De otros fabricantes ______
2. Los repuestos no originales son fabricados en:
Venezuela ______
Otros ______
3. Si en Venezuela se fabricaran gobernadores de RPM, a sus clientes les
gustaría comprarlo?
Si______
No_____
Por que: ___________________________________________________
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4. Si en Venezuela se fabricaran supervisores, a sus clientes les gustaría
comprarlo.
Si______
No_____
Por que: ___________________________________________________
5. Si en Venezuela se fabricaran reguladores de voltaje para controlar la
tensión en el generador, a sus clientes les gustaría comprarlo.
Si______
No_____
Por que: ___________________________________________________
Fuente: Elaboración Propia.