Diseño y control de una trefiladora
Abstract
Este trabajo final de grado consiste en el diseño de una máquina trefiladora destinada a reducir la sección de un hilo de cobre en una sección deseada. Para ello se utilizan tres dados de trefilado, y para ejercer la fuerza necesaria para atravesarlos se utiliza un motor que acciona el carrete donde el hilo de salida se enrolla. También se utiliza un segundo motor para controlar la dirección de enrollado del material. El rango de funcionamiento de estos motores hace necesario el uso de variadores de frecuencia, especialmente cuando se quiere controlar el proceso de forma que la tensión sobre el hilo se mantenga constante. Para llevarlo a cabo se utiliza el control de tensión, que como su nombre indica, se encargará de mantener constante la tensión mediante la medida continua de esta magnitud. Para el diseño de la máquina se realiza un estudio de fuerzas y se obtienen los valores que permiten dimensionar y elegir los componentes más importantes de la trefiladora. También se realiza un estudio eléctrico de la máquina, donde se proporcionan los elementos de protección y se acompañan con planos de conexionado. Finalmente se realiza un modelo de la máquina en Simulink y se implementa el control de tensión, considerando que el variador del motor del carrete funciona con la técnica de control de orientación de campo. Los resultados de las simulaciones devuelven el comportamiento de la máquina y del hilo de cobre cuando el objetivo es mantener constante la tensión.
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TRABAJO FINAL DE GRADO Grado en Ingeniería Eléctrica DISEÑO Y CONTROL DE UNA TREFILADORA Memoria – Presupuesto – Planos – Anexos Autor: Marco Tulio Paredes Fajardo Director: Guillermo Yeste Mayoral Convocatoria: Junio 2020
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Contenido: 1. MEMORIA Capítulo 1: Antecedentes Capítulo 2: Estado del arte Capítulo 3: Diseño de una trefiladora Capítulo 4: Control de la trefiladora 2. PRESUPUESTO 3. PLANOS 4. ANEXOS
TRABAJO FINAL DE GRADO Grado en Ingeniería Eléctrica DISEÑO Y CONTROL DE UNA TREFILADORA 1. Memoria Autor: Marco Tulio Paredes Fajardo Director: Guillermo Yeste Mayoral Convocatoria: Mayo 2020
Diseño y Control de una trefiladora vii RESUM Aquest treball final de grau consisteix en el disseny d’una màquina trefiladora destinada a reduir la secció d’un fil de coure en una secció desitjada. Per fer-ho s’utilitzen tres daus de trefilat, i per aplicar la força necessària per travessar-los s’utilitza un motor que acciona el rodet on el fil de sortida es bobina. També s’utilitza un segon motor per controlar la direcció del bobinat del fil. El rang de funcionament d’ambdós motors fa que sigui necessari l’ús de variadors de freqüència, i més encara quan es vol controlar el procés de trefilat de forma que la tensió sobre el fil es mantingui constant. Per portar-ho a terme s’utilitza el control de tensió, que com el seu nom indica, s’encarregarà de mantenir constant la tensió mitjançant una mesura contínua d’aquesta magnitud. Per al disseny de la màquina es realitza un estudi de forces i s’obtenen els valors que permeten dimensionar y seleccionar els components més importants de la trefiladora. També es realitza un estudi elèctric de la màquina, on es proporcionen els elements de protecció i s’adjunten els plànols de connexionat. Finalment es realitza un model de la màquina en Simulink i s’implementa el control de tensió, tenint present que el variador de freqüència del motor del rodet funciona amb la tècnica de control d’orientació de camp. Els resultats de les simulacions retornen el comportament de la màquina i del fil de coure quan l’objectiu és mantenir la tensió constant.
Diseño y Control de una trefiladora viii RESUMEN Este trabajo final de grado consiste en el diseño de una máquina trefiladora destinada a reducir la sección de un hilo de cobre en una sección deseada. Para ello se utilizan tres dados de trefilado, y para ejercer la fuerza necesaria para atravesarlos se utiliza un motor que acciona el carrete donde el hilo de salida se enrolla. También se utiliza un segundo motor para controlar la dirección de enrollado del material. El rango de funcionamiento de estos motores hace necesario el uso de variadores de frecuencia, especialmente cuando se quiere controlar el proceso de forma que la tensión sobre el hilo se mantenga constante. Para llevarlo a cabo se utiliza el control de tensión, que como su nombre indica, se encargará de mantener constante la tensión mediante la medida continua de esta magnitud. Para el diseño de la máquina se realiza un estudio de fuerzas y se obtienen los valores que permiten dimensionar y elegir los componentes más importantes de la trefiladora. También se realiza un estudio eléctrico de la máquina, donde se proporcionan los elementos de protección y se acompañan con planos de conexionado. Finalmente se realiza un modelo de la máquina en Simulink y se implementa el control de tensión, considerando que el variador del motor del carrete funciona con la técnica de control de orientación de campo. Los resultados de las simulaciones devuelven el comportamiento de la máquina y del hilo de cobre cuando el objetivo es mantener constante la tensión.
Diseño y Control de una trefiladora ix ABSTRACT The goal of this bachelor’s thesis is the designing of a wire drawing machine destinated to reduce the section of a copper wire to a desired section. To do this, three drawing dies are used, and in order to apply the tension needed to cross them, a motor is used that drives a spool where the wire is wound. A second motor is used to control the winding direction of the wire. The operating range of both motors makes it necessary to use a variable frequency drive, especially when the process control is based on keeping the wire tension constant. This is done by using the tension control technique, that will manage to keep the tension constant whit a continuous measurement of this magnitude. For the design of the machine a study of forces is carried out, and the obtained values allow to size and select the main components of the drawing machine. An electrical study is also carried out, where the protection devices are provided altogether with the connection plans. Finally, a machine model is developed in Simulink and the voltage control technique is implemented, considering that the variable frequency drive of the spool motor works with field-oriented control technique. The simulation results give us the behavior of the system when the goal is to keep the wire tension constant.
Diseño y Control de una trefiladora xvi ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1.- Diagrama de bloques de un accionamiento eléctrico [1].................................................. 4 Figura 2.- Partes constitutivas de un motor de CC [1]. ..................................................................... 5 Figura 3.- Curvas par-velocidad de un motor de CC de excitación independiente al variar la tensión del inducido [1]. ..................................................................................................................... 6 Figura 4.- Regiones de regulación de velocidad de un motor de CC [1]. ......................................... 7 Figura 5.- Regulación de velocidad de motores de CC mediante rectificadores controlados [1]. .... 8 Figura 6.- Regulación de velocidad de motores de CC mediante chopper de dos cuadrantes [1]. ... 8 Figura 7.- Esquema del control en lazo cerrado de velocidad y par de un motor de CC [4]. ........... 8 Figura 8.- Rotor de jaula de ardilla de un motor de inducción [1]. ................................................... 9 Figura 9.- Curva típica de par-velocidad de un motor asíncrono [1]. ............................................. 10 Figura 10.- Esquema equivalente por fase del motor de inducción trifásico [1]............................. 11 Figura 11.- Regiones de regulación de velocidad de un motor de inducción con control V/f [1, 4]. .......................................................................................................................................................... 12 Figura 12.- Arquitectura básica de un variador de velocidad de CA [10]. ..................................... 13 Figura 13.- Esquema del control V/f en lazo abierto (a) y cerrado (b) [12]. ................................... 13 Figura 14.- Transformaciones realizadas en un control por orientación de flujo............................ 14 Figura 15.- Diagrama de bloques de un control FOC directo [15]. ................................................ 15 Figura 16.- Curva característica de par-ángulo de carga del motor síncrono [1]. ........................... 17 Figura 17.- Esquema equivalente del motor síncrono [1]. .............................................................. 17 Figura 18.- Curvas características de par-velocidad del motor síncrono con control escalar [1]. .. 18 Figura 19.- Esquema de principio de un variador de frecuencia (adaptado de [18, 20]). ............... 20 Figura 20.- Tensión trifásica resultante del variador de frecuencia [18]. ....................................... 21 Figura 21.- Tensión PWM de una fase de salida de un variador de frecuencia [18]. ..................... 22 Figura 22.- Tensión PWM generada y corriente suministrada al motor por el VFD [9]. ............... 23 Figura 23.- Cuadrantes de funcionamiento de un accionamiento eléctrico [1]. .............................. 23 Figura 24.- Clasificación de las técnicas de control de un VFD para un motor de inducción [8]. . 25 Figura 25.- Elementos de protección en un VFD [26]. ................................................................... 27 Figura 26.- Contacto directo (a) e indirecto (b) [10]. ...................................................................... 27 Figura 27.- Disposición altamente recomendada del cableado en un VFD [27]. ............................ 29 Figura 28.- Efecto del tipo de rectificador sobre la corriente de salida del VFD [2]. ..................... 30 Figura 29.- Curvas típicas de los métodos más comunes de frenado de motores [25]. .................. 30 Figura 30.- Diagrama de un VFD con freno dinámico [25]. ........................................................... 31 Figura 31.- Variadores de mercado con capacidad regenerativa [25]. ............................................ 32 Figura 32.- Esquemas simplificados de las técnicas de control de motores de CA [2]. .................. 32 Figura 33.- Diagrama de bloques del funcionamiento del DTC [2]................................................ 33 Figura 34.- Descripción del procedimiento de dimensionado de un accionamiento eléctrico [2]. . 35 Figura 35.- Curvas características de una carga de par constante [3]. ............................................ 38 Figura 36.- Curvas características de una carga de par variable [3]. .............................................. 39 Figura 37.- Curvas características de una carga de potencia constante [3]. .................................... 39 Figura 38.- Imagen promocional de la gama de variadores del fabricante ABB [21]. ................... 41 Figura 39.- Demo del variador ACS880-01 del fabricante ABB [40] ............................................ 44 Figura 40.- Algunas estaciones de trabajo del fabricante Rockwell Automation [41].................... 45
Diseño y Control de una trefiladora xvii Figura 41.- Algunas estaciones de trabajo del fabricante Yaskawa [42, 43]. .................................. 45 Figura 42.- Demo modelo LabVolt 3356 del fabricante FESTO [44]. ............................................ 46 Figura 43-. Demo modular configurada para el control de una bomba centrífuga [45]. ................. 47 Figura 44.- Variedad de módulos que ofrece el fabricante Schneider [45]. .................................... 47 Figura 45.- Demo modular modelo LabVolt 8036 del fabricante FESTO [44]. ............................. 48 Figura 46.- Algunos de los módulos que incorpora la demo modelo LabVolt 8036 [44]. .............. 48 Figura 47.- Demos específicas del fabricante Schneider [46]. ........................................................ 49 Figura 48.- Demo de eficiencia energética del fabricante ABB [47]. ............................................. 49 Figura 49.- Proceso de una trefiladora más una bobinadora [50, 51]. ............................................. 52 Figura 50.- Ejemplo del proceso de bobinado [52]. ........................................................................ 52 Figura 51.- Ejemplo del control de bobinado en un variador del fabricante ABB [55]. ................. 53 Figura 52.- Ejemplos de máquinas de trefilado del fabricante JACOM [50]. ................................. 53 Figura 53.- Elementos principales de una máquina de trefilado [56]. ............................................. 54 Figura 54.- Dado de reducción (a) y proceso de bobinado (b) en una trefiladora [57, 58]. ............ 54 Figura 55.- Técnicas básicas de bobinado [59]. .............................................................................. 55 Figura 56.- Esquema del control de tensión en lazo cerrado de una bobinadora [61]. .................... 56 Figura 57.- Relación entre la tensión, par y el radio del carrete de bobinado [62]. ......................... 57 Figura 58.- Estructura típica de una máquina con control de tensión [63]. ..................................... 58 Figura 59.- Zonas de tensión en la estructura típica de una bobinadora [63]. ................................. 58 Figura 60.- Funcionamiento básico del control de tensión en lazo abierto [63]. ............................. 59 Figura 61.- Métodos para el control de tensión en lazo abierto [63]. .............................................. 60 Figura 62.- Funcionamiento básico del control de tensión en lazo cerrado [63]. ............................ 61 Figura 63.- Métodos para medir la tensión en el control de tensión de lazo cerrado [63]. .............. 61 Figura 64.- Esquema típico del control maestro-esclavo. ............................................................... 62 Figura 65.- Ejemplo del control maestro-esclavo aplicado a un proceso de tensión [69]. .............. 63 Figura 66.- Ejemplo de la configuración maestro con velocidad y esclavo con par [71]. ............... 63 Figura 67.- Esquema de la trefiladora que se diseñará. ................................................................... 64 Figura 68.- Parámetros asociados al trefilado de un cable [51]. ...................................................... 66 Figura 69.- Esquema de tensiones (fuerzas) presenten en la estructura de diseño. ......................... 68 Figura 70.- Dimensionado previo de la estructura de la bobinadora (medidas en mm). ................. 68 Figura 71.- Curva par-velocidad de la trefiladora. .......................................................................... 73 Figura 72.- Sistema de transmisión del motor de bobinado. ........................................................... 75 Figura 73.- Curva típica de la capacidad de carga en un motor de inducción [2]. .......................... 77 Figura 74.- Ejemplo del tipo de motor elegido para la bobinadora [72]. ........................................ 78 Figura 75.- Modelo de variador ACS380 (izquierda) y ACS355 (derecha) del fabricante ABB [73, 74]. .................................................................................................................................................... 79 Figura 76.- Ejemplo del modelo de plataforma deslizante elegida [75]. ......................................... 82 Figura 77.- Ejemplo del tipo de motor de guiado elegido [76]. ...................................................... 83 Figura 78.- Ejemplo del VFD elegido para el motor de guiado [77]. .............................................. 84 Figura 79.- Diagrama de conexión de los cables de entrada y salida de los variadores [78, 79]. ... 85 Figura 80.- Protecciones mínimas externas que requieren los variadores elegidos [78, 79]. .......... 85 Figura 81.- Recomendación del fabricante de variadores para la disposición del cableado eléctrico [78, 79]. ............................................................................................................................................ 87 Figura 82.- Esquema de la parte eléctrica de la máquina. ............................................................... 89 Figura 83.- Elementos recomendados para la estructura de la máquina [80]. ................................. 90
Diseño y Control de una trefiladora xviii Figura 84.- Dispositivos de protección elegidos [Fuente: datasheet del producto – Anexos-]. ...... 92 Figura 85.- Dispositivos de mando y señalización elegidos [Fuente: datasheets -Anexos-]. ......... 94 Figura 86.- Otros componentes de la trefiladora [Fuente: datasheet del producto -Anexos-]. ....... 96 Figura 87.- Representación de la estructura para obtener unas medidas orientativas (en mm). ..... 97 Figura 88.- Botonera de la máquina trefiladora. ............................................................................. 98 Figura 89.- Lazos de control en el control de la trefiladora. ........................................................... 99 Figura 90.- Esquema básico de los elementos de la trefiladora para la modelización de su control. ........................................................................................................................................................ 101 Figura 91.- Modelo de la red eléctrica y tensiones obtenidas en Simulink. .................................. 102 Figura 92.- Modelo del rectificador del variador y tensión obtenida en Simulink. ...................... 103 Figura 93.- Modelo del rectificador más bus CC implementado en Simulink. ............................. 103 Figura 94.- Implementación del variador de frecuencia en Simulink. .......................................... 104 Figura 95.- Tensiones a la salida del variador de frecuencia. ....................................................... 104 Figura 96.- Bloque predefinido en Simulink de una máquina asíncrona. ..................................... 105 Figura 97.- Esquema monofásico equivalente del motor de bobinado [1].................................... 106 Figura 98.- Bloque predefinido de Simulink de un reductor de velocidad. .................................. 108 Figura 99.- Implementación del motor de bobinado y su reductor en Simulink. .......................... 109 Figura 100.- Implementación del modelo de la bobinadora en Simulink. .................................... 110 Figura 101.- Bloque final del modelo de la bobinadora y los parámetros iniciales. ..................... 111 Figura 102.- Resultados del modelo de la bobinadora de Simulink y del modelo propio. ........... 112 Figura 103.- Implementación en Simulink del control FOC del variador de la bobinadora. ........ 113 Figura 104.- Implementación del control de debilitamiento de campo y del modulador PWM del control FOC.................................................................................................................................... 114 Figura 105.- Implementación en Simulink del control de tensión de la trefiladora. ..................... 115 Figura 106.- Modelo completo del control de tensión de la trefiladora. ....................................... 116 Figura 107.- Curvas resultantes de la simulación del modelo implementado en Simulink. ......... 117 Figura 108.- Curva de velocidad del motor y del carrete. ............................................................. 117 Figura 109.- Velocidad lineal y angular del carrete (con el nuevo modelo). ................................ 118 Figura 110.- Potencia, tensión y par aplicado al carrete (con el nuevo modelo). ......................... 118 Figura 111.- Radio, longitud y masa del carrete (con el nuevo modelo). ..................................... 119 Figura 112.- Velocidad y par en el motor y carrete antes y después del reductor. ....................... 120 Figura 113.- Tensión y corriente en la red, y tensión en el bus CC. ............................................. 121 Figura 114.- Tensión y corriente en los devanados del estator del motor. .................................... 122 Figura 115.- Jerarquía de gestión de los residuos [85]. ................................................................. 124
Diseño y Control de una trefiladora xix ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1.- Resumen de las protecciones en una instalación con VFD (adaptado de [10]). ............... 28 Tabla 2.- Industrias y aplicaciones típicas de los variadores de velocidad [18, 35, 36]. ................. 40 Tabla 3.- Características eléctricas de varios modelos del fabricante ABB [21]. ............................ 41 Tabla 4.- Características de las zonas de tensión [63]. .................................................................... 58 Tabla 5.- Datos de partida para el diseño de la trefiladora [51]. ...................................................... 66 Tabla 6.- Resultado de las fuerzas de trefilado. ............................................................................... 69 Tabla 7.- Inercias de las poleas y carrete. ........................................................................................ 72 Tabla 8.- Fuerzas en la estructura en régimen transitorio. ............................................................... 72 Tabla 9.- Velocidades, fuerzas y pares resultantes del estudio de fuerzas. ..................................... 73 Tabla 10.- Velocidad y par antes y después del sistema de poleas. ................................................. 76 Tabla 11.- Velocidad y par en el sistema de transmisión del motor de bobinado. .......................... 76 Tabla 12.- Especificaciones del motor elegido para la bobinadora [72]. ......................................... 78 Tabla 13.- Características generales y específicas de los variadores elegidos [73, 74]. .................. 80 Tabla 14.- Características del reductor y motor de guiado [76]. ..................................................... 82 Tabla 15.- Especificaciones del VFD del motor de guiado [77]...................................................... 83 Tabla 16.- Resultado de los ensayos en vacío y cortocircuito del motor de bobinado [81]. ......... 106 Tabla 17.- Velocidades y pares iniciales y finales del motor y el carrete. ..................................... 117
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MEMORIA | Introducción 1 INTRODUCCIÓN ORIGEN Y MOTIVACIÓN DEL TRABAJO La idea general de este trabajo, que es centrarse de una forma directa o indirecta en los variadores de frecuencia, viene principalmente de haber cursado la asignatura de Accionamientos Eléctricos del plan de estudio del grado de Ingeniería Eléctrica. Al finalizar la asignatura quedaron muchos temas abiertos que despertaron mi interés, que se acrecentó en el momento que accedí a realizar prácticas en la empresa ABB. A partir de este punto y con ayuda del tutor, se orientó la idea general hacia lo que podríamos llamar el TFG inicial, cuyos objetivos se indican en el siguiente apartado. OBJETIVOS INICIALES En un primer momento el objetivo del TFG se centraba en abarcar una cantidad considerable de temas que rodean a los variadores de frecuencia, como son su instalación eléctrica, los métodos de frenado que puede aplicar, las técnicas de control que puede incluir, etc., todo ello con una orientación puramente didáctica, es decir, con el objetivo de generar material para los estudiantes de la universidad. Teniendo esto en mente se planteó la realización de dos aplicaciones industriales y escaladas, donde la primera tendría el objetivo único de permitir al estudiante entrar en contacto directo con el variador, sus conexiones y su control. Para ello, esta aplicación sería sencilla, p.e. una cinta transportadora, pero estaría incluida en lo que llamaremos una demo o estación de trabajo, que incorporaría un conjunto de periféricos accesibles al estudiante. Con esta demo el estudiante podría conectar desde cero el variador, configurar sus parámetros, alterar sus conexiones de entrada y salida para obtener un comportamiento deseado, etc. Todo esto se acompañaría con una guía de ejercicios que instruirían al estudiante en el mundo de los variadores de frecuencia. La segunda aplicación consistía en el diseño y montaje de una trefiladora, debido a la necesidad de disponer de una en la universidad. En esta aplicación el o los variadores tendrían la función de mostrar como controlan un proceso real; en este caso la trefiladora desarrollaría un trabajo real y no sería accesible para el contacto de los estudiantes. Se puede notar que con esta idea inicial el TFG queda definido como un TFG práctico, ya que se basaría principalmente en el diseño, montaje, instalación, y programación o configuración de dos aplicaciones. Para cumplir con este proceso se realizaron varias pruebas en el laboratorio de máquinas 2 de la universidad, donde inicialmente se centró en el desmontaje de un variador de frecuencia para determinar los elementos principales que lo forman. Se siguió con un estudio del manual del variador para tener el conocimiento suficiente que me permitiese poner en marcha el motor. Por último se realizaron pruebas con el variador y un motor trifásico, donde se experimentó con la modificación de varios parámetros para observar el resultado que provocaban sobre el motor. Estas pruebas iban acompañadas de las conexiones y desconexiones entre el variador y el motor.
Diseño y Control de una trefiladora 2 Por último, se debe añadir que estos objetivos iniciales se tuvieron que reorientar o adaptar en mitad del proceso debido al surgimiento del virus COVID-19. OBJETIVOS FINALES En las nuevas circunstancias, se opta por aprovechar el material avanzado hasta el momento (un recopilatorio de información de todo tipo de los variadores de frecuencia, y un estado del arte de las estaciones de trabajo tipo demo) y redirigir el trabajo de forma que se diseñe y se simule una aplicación indeterminada en el contexto de los variadores de frecuencia. Esta aplicación se decide que sea la trefiladora comentada anteriormente, pero en este caso se considera que el estudiante pueda tener un contacto con ella, y por ello se describe a lo largo de este trabajo una serie de elementos que permitirán al estudiante acceder al variador y a ciertas entradas y salidas. La trefiladora, como tal, se encargará de reducir la sección de un hilo de cobre determinado para obtener una sección también determinada, que se enrollará en un carrete mediante la acción de una bobinadora, que no es más que un carrete accionado por un motor. El hilo de cobre entrará al carrete después de ser correctamente guiado, ya que de otra forma se podría enrollar mucha cantidad de cobre en un solo sitio del carrete. Este guiado lo realizará una plataforma de deslizamiento, que se moverá linealmente en el plano horizontal por la acción de un segundo motor, que llamaremos motor de guiado. A partir de este punto se debe definir en más detalle la aplicación para cumplir con los siguientes objetivos: - Poder dimensionar los elementos principales de la trefiladora, como podría ser el motor y el variador de frecuencia, entre otros. - Seleccionar los elementos principales de acuerdo con los existentes en el mercado. - Desarrollar el diseño de la estructura de la trefiladora, que sustentará y albergará al resto de componentes (motores, variadores, cableado, protecciones, …). - Controlar el proceso de trefilado de acuerdo con la técnica de control de tensión que tiene el objetivo de mantener contante la tensión (en Newton) del hilo de cobre. - Generar un modelo de la máquina y simularlo para comprobar su comportamiento con el control de tensión. Para esta etapa se utilizará el software Simulink de Matlab, ampliamente utilizado para simular sistemas dinámicos lineales o no lineales. - Aprovechar el modelo generado en Simulink para incorporar más bloques que permitan, por ejemplo, comparar los tipos de controles presentes en un variador de frecuencia. En este sentido se incluiría una pequeña guía de ejercicios tipo guía de prácticas para que el estudiante pueda interactuar con el modelo. - Realizar un listado de los pasos a seguir para poner en marcha el variador de frecuencia, introducir los parámetros del motor y modificar los necesarios para implementar el control de tensión.
MEMORIA | Introducción 3 ALCANCE Para cumplir con los objetivos fijados en el anterior apartado, se definen las siguientes tareas a realizar (algunas de las cuales ya se realizaron durante el TFG inicial): - Estudio y/o estado del arte de estaciones de trabajo tipo demo para obtener la información necesaria sobre los elementos que podría incluir la trefiladora para permitir una mayor interacción con el estudiante. - Estudio de las trefiladoras y bobinadoras, para entender el funcionamiento típico, las limitaciones, los controles que se pueden aplicar, los elementos que suelen incluir, las expresiones que rigen su comportamiento, y en general, para dar una base informativa de este tipo de aplicación. - Estudio de manuales de variadores de frecuencia. Este punto se puede realizar en el momento de elegir el/los variador/es, y tendría la función de entender las conexiones eléctricas a realizar, y las entradas y salidas a utilizar, entre otros. Desde un principio se decide que el modelo implementado y generado en Simulink solo abarcará a la bobinadora, ya que es la encargada de enrollar el hilo de cobre al mismo tiempo que mantiene constante la tensión de dicho hilo. ESTRUCTURA DEL TRABAJO Como es propio de un trabajo de este tipo, la información se dividirá entre 4 documentos: la memoria, el presupuesto, los planos y los anexos. Centrándonos en la memoria, donde tendrá lugar los pasos realizados para el diseño y control de la trefiladora, se establece que estará formada de 4 capítulos: 1) Antecedentes: donde se recoge brevemente información relevante sobre los variadores de frecuencia, que se obtuvo durante el TFG inicial. 2) Estado del arte: donde se añade la información obtenida después de la investigación sobre las demos, las trefiladoras y bobinadoras. 3) Diseño de la trefiladora: se indican todos los pasos seguidos, desde la definición de la aplicación, el cálculo de fuerzas y dimensionado de componentes, hasta la selección de componentes de mercado y la realización de los planos eléctricos para la conexión de las protecciones, motores y variadores, entre otros. 4) Control de la trefiladora: que incluye los pasos realizados para generar los distintos bloques de la bobinadora (p.e. motor, variador de frecuencia, carga) que una vez conectados y simulados permitirán observar el comportamiento del sistema cuando se pretende mantener constante la tensión del hilo de cobre. Como se ha indicado, la información de la memoria se complementa con los planos y con los anexos, que contendrá las hojas de datos y/o catálogos de los componentes seleccionados.
Diseño y Control de una trefiladora 4 ANTECEDENTES En este punto se introduce el motor eléctrico y el variador de velocidad en el contexto de un accionamiento eléctrico, y luego se aporta información básica y específica de motores eléctricos industriales y de los variadores de velocidad de corriente alterna (CA). 1.1. INTRODUCCIÓN AL ACCIONAMIENTO ELÉCTRICO Un accionamiento eléctrico es “un sistema capaz de convertir energía eléctrica en mecánica, produciendo un trabajo útil y manteniendo el control sobre el proceso de conversión” [1]. Su funcionamiento se basa en la interacción de los bloques que muestra la Figura 1. El objetivo es desarrollar una actividad o proceso mediante la interacción del motor con la carga, elemento final que realiza el trabajo productivo. Para ello se alimenta el motor mediante un convertidor electrónico, que se encargará generalmente de regular la velocidad. El motor mueve la carga directamente o a través de un acoplamiento mecánico, y dispone, así como la carga, de sistemas de medida que captan señales (p.e. de corrientes o velocidad) para enviarlas al sistema de control, que actúa sobre el convertidor electrónico según su algoritmo. El conjunto convertidor electrónico-sistema de control forman lo que usualmente se conoce como variador de velocidad en el contexto de un accionamiento eléctrico. Figura 1.- Diagrama de bloques de un accionamiento eléctrico [1]. El dimensionado de un accionamiento eléctrico está ligado a las demandas de la carga, ya que define el tipo de motor eléctrico necesario y las características (de par-velocidad y velocidad-corriente) que debe cumplir, así como la necesidad de un variador de velocidad, que adaptará el motor a la aplicación, en caso de que sus características nominales no sean compatibles [1]. Un factor importante en el dimensionado son las normativas aplicables, como las relativas a máquinas, compatibilidad electromagnética (EMC, del inglés Electromagnetic Compatibility) y el Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión (REBT). A pesar de la definición y componentes de un accionamiento eléctrico, es muy común asociar este nombre sólo al variador de velocidad por su función de “accionar el motor”.
MEMORIA | Capítulo 1: Antecedentes 5 1.2. CONTROL DE MOTORES INDUSTRIALES Para entender el control de los motores eléctricos industriales se realizará una breve introducción a los motores de corriente continua (CC) y alterna (CA), y seguidamente se presenta una revisión de la evolución del control de estos, desde la aparición de los variadores de velocidad de CC, hasta los modernos variadores de velocidad de CA. Previamente, es necesario saber que en un proceso accionado por un motor eléctrico, la energía se transfiere mediante el eje del motor, que indica su estado a partir de dos cantidades físicas, la velocidad y el par, que serán las variables de control. En la práctica se controla cualquiera de las dos, de forma que cuando se controla el par, la velocidad la determina la carga, y en caso de controlar la velocidad, es la carga la que fija el par [1–3]. 1.2.1. El motor de CC 1.2.1.1. Introducción El motor de CC tiene, incluso a día de hoy, una gran relevancia por su alta flexibilidad y facilidad para el control de velocidad y par. No obstante, su alto coste de mantenimiento ha disminuido su uso en contraposición con los económicos motores de inducción. Como el resto de motores eléctrico, se compone básicamente de un estátor con el devanado inductor (o de excitación), y un rotor con el devanado inducido (ver Figura 2). Su funcionamiento se basa en aplicar una tensión de CC a ambos devanados, que producen sus respectivos flujos magnéticos, que al interactuar originan un par de rotación que obliga al motor a girar. Figura 2.- Partes constitutivas de un motor de CC [1]. Según el tipo de excitación, los motores de CC se pueden clasificar en motores serie, de derivación, compuestos y de excitación independiente. Este último es especialmente interesante debido a que presenta una magnifica regulación de velocidad, y su esquema base se presenta en la Figura 2. Independientemente del tipo de motor, las expresiones básicas que gobiernan su comportamiento se indican a continuación.
Diseño y Control de una trefiladora 12 𝐸 = 4 , 44 𝑘 · 𝑓 · 𝑁 · Φ = 𝑉 [ 𝑉 ] → Φ = = [ 𝑊𝑏 ] (9) donde V es la tensión de alimentación, y f la frecuencia de alimentación. Esta expresión nos dice que una reducción de la frecuencia produciría un aumento del flujo magnético m. Un aumento excesivo puede llevar a la saturación magnética del motor y al incremento de la corriente hasta valores peligrosos. Para evitar que esto ocurra, se debe variar la tensión en la misma proporción que la frecuencia [1, 4]. Esta forma de regular la velocidad se conoce como control escalar (se controla la magnitud del flujo magnético) o tensiónfrecuencia (V/f, V/Hz), y controla la velocidad síncrona del motor, que es proporcional a la frecuencia de alimentación según (6). La proporcionalidad entre tensión y frecuencia se mantiene hasta que la tensión llega a su valor nominal. En este punto, y al igual que el motor de CC, se definen dos regiones de trabajo delimitadas por la tensión nominal y que se pueden apreciar en la Figura 11. Región 1 (par constante): el motor funciona a velocidades (frecuencias) inferiores a la nominal. El motor puede producir el par máximo en todo el rango de velocidades, pero cuando la frecuencia es muy pequeña, la influencia de la resistencia del estátor deja de ser despreciable. Por esta razón, en la mayoría de variadores de velocidad de CA que implementan el control escalar, la curva tensión vs frecuencia no inicia en cero, sino en un valor determinado de tensión que se suele conocer como boost voltage. Región 2 (potencia constante, conocido como debilitamiento de campo): al igual que el motor de CC, es la región en la que la velocidad supera su valor nominal. Dado que la tensión se mantiene constante, el flujo se reduce, dando el nombre de debilitamiento de campo. Figura 11.- Regiones de regulación de velocidad de un motor de inducción con control V/f [1, 4]. Es posible obtener una tercera región de funcionamiento, donde el motor gira a velocidades mucho más altas, pero en estas condiciones no se puede mantener la potencia constante. Este control se puede realizar en la práctica mediante la arquitectura de convertidores electrónicos que muestra la siguiente figura.
MEMORIA | Capítulo 1: Antecedentes 13 Figura 12.- Arquitectura básica de un variador de velocidad de CA [10]. Esta arquitectura se explicará con más detalle en el apartado 1.3.2. , pero de momento es importante saber que toma la frecuencia fija de entrada y mediante sus componentes es capaz de generar una frecuencia de salida (la que alimenta al motor) diferente. En otras palabras, permite desacoplar la frecuencia de entrada y de salida. Las características más importantes es este control son [2, 5, 11]: - Se necesita muy poca información del motor. - El motor puede funcionar a muy altas frecuencias (>1000 Hz). - Es el único control que permite que varios motores funcionen con el mismo variador de velocidad de CA (siguiendo las mismas consignas de velocidad, marcha y paro). - Control robusto frente a los cambios de carga. - En aplicaciones de par variable se debería utilizar un patrón V/f de par variable, para aumentar el rendimiento y eficiencia de la aplicación. - Utiliza un modulador para simular la onda sinusoidal de salida. El control escalar se puede configurar en lazo abierto o cerrado. Como se ha comentado, la diferencia entre estos dos es que el lazo cerrado recibe una retroalimentación de la velocidad del motor mediante el uso de sensores tipo encóder (ver Figura 13). Figura 13.- Esquema del control V/f en lazo abierto (a) y cerrado (b) [12]. Aunque presente varias características positivas, este control es también conocido por su mala precisión de velocidad, especialmente a valores bajos, su incapacidad de controlar el
Diseño y Control de una trefiladora 14 par y no garantizar el par máximo, y sobre todo por no ser adecuado para el funcionamiento en régimen transitorio, ya que su razonamiento se deriva del motor en régimen permanente (esto permite simplificar considerablemente las expresiones dinámicas del motor). Control vectorial: El motor de CC siempre ha sido y continúa siendo un referente para comparar cuán bueno o efectivo es un control para motores de CA. En este sentido, con el control anterior solo se consigue controlar la velocidad, por lo tanto, aún es necesario un control para regular el par desarrollado por el motor. Este control es el conocido como control vectorial, y se basa en controlar tanto la magnitud como la fase del flujo magnético [1]. Las técnicas más conocidas son el control vectorial de flujo (FOC, del inglés Field-Oriented Control) y el control directo de par (DTC, Direct Torque Control). La primera de ellas se desarrolla a continuación, y la segunda se explica en el apartado 1.3.7. En un motor de CA, a diferencia de un motor de CC, no se puede controlar el flujo y el par de forma separada, ya que se encuentran acoplados. El control vectorial tipo FOC permite desacoplarlas siguiendo una serie de transformaciones y procesos matemáticos: En primer lugar, el conjunto de las corrientes del estátor, Ia, Ib e Ic, se representa por un solo vector neto (que llamaremos Is), que gira a la velocidad de sincronismo en el plano espacial de las tres fases de corriente. Dado que la proyección de este vector en un plano sólo necesita dos ejes para ser representado, se procede a descomponerlo en I e I sobre el plano formado por el eje (horizontal) y el eje (vertical). En este punto se ha conseguido eliminar una de las corrientes en el proceso conocido como transformación de Clarke. Por último, las componentes I e I se reflejan sobre un nuevo sistema de ejes. Este nuevo sistema, formado por el eje de cuadratura -q- (vertical) y el eje directo -d- (horizontal), gira a la velocidad de sincronismo. Las corrientes en esta situación se conocen como Id e Iq respectivamente, y giran a la misma velocidad de sincronismo. Esta transformación se conoce como transformación de Park, y permite obtener dos corrientes continuas. De un análisis más profundo se extrae que la corriente Id es la encargada de generar el flujo del motor, y es análoga a la corriente de excitación (del estátor) del motor CC. La corriente Iq, es la encargada de generar el par (análoga a la corriente del inducido del motor de CC). Figura 14.- Transformaciones realizadas en un control por orientación de flujo.
MEMORIA | Capítulo 1: Antecedentes 15 El funcionamiento, por lo tanto, de la técnica FOC se basa en medir las corrientes del estátor para transformarlas en las componentes desacopladas Id e Iq, que se compararán con los valores deseados. De esta comparación resultarán las tensiones necesarias para variar el par o el flujo del motor, pero antes se deben aplicar transformadas inversas para pasar del plano d-q al plano de fases y obtener las tensiones de cada devanado. Para realizar estas transformaciones matemáticas (de Clarke y Park) es necesario conocer el ángulo del flujo del rotor, ya que el eje d se orienta o alinea con el eje del flujo del rotor, y este varía en todo momento. En la práctica, este control se puede implementar con la estructura de convertidor vista en la Figura 12, donde se variará la conmutación de los IGBT del inversor. Como se ha mencionado, la técnica FOC requiere saber la posición del flujo del rotor. Según los métodos para obtener esta posición, se distingue [5, 8, 13, 14]: FOC directo (lazo cerrado): se utilizan sensores de flujo o se determina la posición con la medida de las corrientes y tensiones del estátor. Este método es insensible a la variación de los parámetros del motor, y su implementación puede resultar relativamente difícil debido a la instalación del sensor. A bajas velocidades el sensor no puede obtener buenas lecturas por el ruido producido por los armónicos. FOC indirecto (lazo abierto): este método no utiliza sensores, y por ello se suele conocer como control vectorial sensorless (sin sensor). La posición del flujo del rotor se obtiene mediante un modelo de motor, donde intervienen especialmente las corrientes del estátor y el deslizamiento. Al ser un enfoque en lazo abierto, resulta muy sensible a la variación de los parámetros del motor. La siguiente figura es un ejemplo de la estructura típica de un control FOC directo, donde se pueden distinguir los bloques de cálculo de Clarke y Park, la comparación de las corrientes en el plano d-q, el modulador (indicado como SVPWM), y la lectura de la posición del flujo del rotor. Figura 15.- Diagrama de bloques de un control FOC directo [15]. En los motores de inducción, la consigna Id suele ser un valor constante y equivalente al flujo necesario para que se produzca el fenómeno de inducción.
Diseño y Control de una trefiladora 16 La aparición de esta técnica de control ha hecho que los motores de inducción alcancen prestaciones de regulación de velocidad equiparables a la de los motores de CC, sobre todo por la alta eficacia en el control en régimen permanente y transitorio. Las características generales más importantes son [2, 3, 8, 11]: - Control desacoplado de par y flujo. - Control robusto y preciso, incluso en su topología de lazo abierto. - Permite generar el par máximo a velocidad cero. - La orientación de flujo se consigue por medios electrónicos, en lugar de sistemas mecánicos que requieren mantenimiento (como el conmutador en motores de CC). - Alta reacción a las variaciones de la carga. - El par se controla indirectamente mediante la corriente Iq en el plano d-q. - Requiere de un modulador, que ralentiza la comunicación entre señales. - Tiene un coste elevado. 1.2.3. El motor síncrono 1.2.3.1. Introducción Este motor de CA, se compone de un devanado inductor (o de excitación), localizado en el rotor y alimentado por corriente continua, y un devanado inducido trifásico en el estátor, recorrido por una corriente alterna. Al igual que el motor de inducción, las corrientes del estátor generan un campo magnético giratorio, pero en este caso, interaccionan con el campo constante y estacionario del rotor. De esta interacción resulta el par que permite girar el eje del motor. En estos motores, la inercia del rotor es tan grande que no es posible arrancar desde el reposo. Por ello, el rotor suele incorporar una jaula de ardilla para permitir un arranque igual al de los motores asíncronos. Los motores más típicos de este tipo son el motor síncrono de imanes permanentes que usa imanes en el rotor para crear el campo magnético constante, y el motor de reluctancia que, a diferencia del resto, no utiliza imanes ni devanados en el rotor, sino que presenta unas rutas especificas por las que circulará el flujo magnético [1, 4]. Se puede observar que en el funcionamiento de este motor no interviene ningún deslizamiento. Esto indica que la velocidad del eje del motor es la velocidad síncrona del campo magnético del estátor. Esta velocidad viene dada por la siguiente expresión: 𝑛 = 𝑛 = 60 𝑓 𝑝 [ 𝑟𝑝𝑚 ] (10) que muestra la proporcionalidad que existe con la frecuencia f de la red.
MEMORIA | Capítulo 1: Antecedentes 17 Una de las características más importantes de este motor no es la curva par-velocidad sino la curva par-ángulo de carga. Esta curva muestra cuando el funcionamiento es de motor o freno, e incluso cómo se puede conseguir desarrollar el par máximo. El ángulo de carga es el ángulo que forma la fuerza contraelectromotriz E0 y la tensión V de suministro (ver el esquema equivalente de la Figura 17). La Figura 16 muestra cómo evoluciona el par en función de la variación de este ángulo. Un punto importante es el indicado por B, que nos dice que para generar el par máximo, el ángulo de carga debe ser de 90º. Figura 16.- Curva característica de par-ángulo de carga del motor síncrono [1]. Figura 17.- Esquema equivalente del motor síncrono [1]. 1.2.3.2. Control de velocidad y par Control escalar: Claramente, y al igual que el motor de inducción, la forma más fácil de regular la velocidad es mediante la variación de la frecuencia de alimentación. Sin embargo, al realizar un pequeño estudio del comportamiento del flujo, se obtiene una expresión muy parecida a la de la expresión (9). En otras palabras, la velocidad se debe regular mediante la variación proporcional de la frecuencia y la tensión de alimentación para mantener el flujo del estátor constante. Este método de regulación ya se ha explicado: es el control tensión-frecuencia. Al aplicar el control tensión-frecuencia se obtiene un conjunto de curvas como las que muestra la Figura 18. Se puede observar que las curvas obtenidas son totalmente distintas a las del motor de inducción. Esto es porque la velocidad en este motor es siempre constante, y cada variación de la magnitud V/f definirá una velocidad constante distinta.
Diseño y Control de una trefiladora 18 Figura 18.- Curvas características de par-velocidad del motor síncrono con control escalar [1]. A pesar de la diferencia en las curvas, el comportamiento obtenido del control escalar es muy similar al obtenido en el motor de inducción: para velocidades inferiores a la nominal, el motor puede generar el par máximo; para velocidades superiores, la tensión se mantiene constante en el valor nominal y se entra en el funcionamiento de debilitamiento de campo. Un esquema típico para el control de este motor mediante la técnica V/f es el ya presentado para el motor de inducción en la Figura 13. Se recuerda que esta técnica controla la velocidad síncrona del motor, y por lo tanto es totalmente aplicable al motor síncrono. Control vectorial: El control tensión-frecuencia no puede controlar el par. Con un estudio más profundo del motor se llega a la misma conclusión que con los motores de inducción: el par y el flujo no están desacoplados. Para desacoplarlos se utiliza el control vectorial ya comentado. Si se utiliza la técnica FOC, el funcionamiento sería el mismo descrito para el motor asíncrono, y se podría utilizar el mismo esquema de la Figura 15 como ejemplo. La diferencia más relevante con el control FOC de los motores de inducción es en el cálculo de la posición del flujo del rotor, ya que influye el deslizamiento del motor. En los motores síncronos no existe el fenómeno de inducción, por lo que no tiene sentido controlar el flujo. De hecho, en el control FOC de motores síncronos, se pretende que la componente Id que no genera par sea nula, y que la componente Iq permita controlar al motor en su punto de potencia máxima, el mismo punto dado para un ángulo de carga de 90º. 1.2.3.3. Características Para este motor las características más destacables son [1, 4]: - Su funcionamiento en modo generador es frecuente en centrales eléctricas como la hidráulica o la térmica, o para centrales de bombeo. - Este motor solo desarrolla par cuando el rotor gira en sincronismo con la velocidad del campo magnético del estator.
MEMORIA | Capítulo 1: Antecedentes 19 - Pueden necesitar de otros motores para el arranque, debido a la alta inercia del rotor. - Los motores de grandes potencias pueden regular el factor de potencia. - Cuando trabaja en modo de regulación de velocidad, puede conseguir prestaciones mayores a las del motor de inducción (mejor controlabilidad y mayor precisión). - Tienen un coste más elevado que el motor de inducción, pero presenta un mayor rendimiento y eficiencia. 1.3. EL VARIADOR DE FRECUENCIA 1.3.1. Introducción al variador de frecuencia Como ya se ha indicado en el apartado 1.1, un variador de velocidad de CA (comúnmente conocido como variador de frecuencia o sólo variador) es necesario cuando las características nominales del motor no son compatibles con las demandas de la carga. Su funcionamiento fundamental se basa en controlar el flujo de potencia que se transfiere de la red eléctrica al motor [1, 6, 16]. Para está función, el variador funciona estrechamente con el sistema de control y medición (ver Figura 1). El sistema de control, constituido de circuitos integrados, microprocesadores e incluso procesadores digitales de señal, se encarga de la supervisión de la operación del motor, de controlar los interruptores del variador, de la mejora del rendimiento y la estabilidad de todo el sistema, e incluso de llevar a cabo ciertas funciones de protección, entre otros [5, 17]. Es común que incorpore ciertos periféricos como el panel de control, entradas/salidas digitales y analógicas y tarjetas de comunicaciones, que permiten flexibilizar e incluso personalizar el control de la aplicación [18]. Se encuentra aislado eléctricamente del circuito de potencia (del variador y motor) para evitar la influencia de los armónicos generados por estos, y que pueden llevar a un funcionamiento anómalo de todo el accionamiento eléctrico [1]. El sistema de medición es también esencial, ya que un accionamiento eléctrico debe disponer de dispositivos para la medida de corrientes, , velocidad de giro, etc., para la protección y correcto funcionamiento del variador, y sobre todo para realimentar el sistema de control. En general, un variador de velocidad (de CC o CA) supone una ventaja importante en el ahorro energético, especialmente en la actualidad, donde la demanda energética ha crecido a niveles récords, debido al incremento de la población y la industrialización. Con estos incrementos viene asociado el de los motores eléctricos, que suponen aproximadamente el 90 % del consumo eléctrico en las industrias [19]. Se estima que con un variador de frecuencia, la eficiencia de los motores de CA mejora hasta el punto de permitir un ahorro energético entre el 25 % y el 75 %, dependiendo de la aplicación [16]. Esta eficiencia se consigue mediante el control del flujo de potencia antes comentado, que también favorece en la reducción de costes, tiempos de espera y el aumento de producción, entre otros [20].
Diseño y Control de una trefiladora 20 Existe una gran diversidad de variadores de velocidad, pero todos ellos tienen una característica en común: todos convierten la tensión y frecuencia fija de la red en una tensión y frecuencia variable que se suministra al motor [3]. Esto permite ajustar de forma fácil y rápida la velocidad (e incluso el par) del motor a la demandada por la carga [7]. 1.3.1.1. Denominaciones El variador de velocidad de CA ha recibido con el tiempo una gran variedad de nombres, como son: accionamiento de CA, accionamiento de velocidad variable (VSD, del inglés Variable Speed Drive), accionamiento de frecuencia variable (VFD), convertidor de frecuencia, accionamiento de velocidad o frecuencia ajustable (AFD, del inglés Adjustable Frequency Drive), o sólo variador o convertidor [3, 7, 18, 20–22]. La mayoría de denominaciones son una traducción literal del inglés, pero en español es común nombrarlos por convertidores o variadores de frecuencia (por la capacidad de variar la frecuencia de la tensión suministrada al motor), y se suelen abreviar por las siglas VFD. 1.3.2. Funcionamiento y elementos que lo componen Un VFD está formado básicamente de tres elementos: un rectificador, un bus de continua (también conocido como DC link) y un inversor. La Figura 19 muestra su topología de convertidor electrónico, donde se muestran las etapas de conversión, así como los tres elementos mencionados y las curvas obtenidas antes y después de cada conversión. Figura 19.- Esquema de principio de un variador de frecuencia (adaptado de [18, 20]).
MEMORIA | Capítulo 1: Antecedentes 21 Como se observa, a la entrada del VFD se sitúa la red eléctrica trifásica, y a la salida, el motor que se desea controlar. Entre estos dispositivos se suelen ubicar elementos de protección y filtrado para mejorar el funcionamiento y seguridad del conjunto. Rectificador: El primer elemento que se suele encontrar en un VFD son los varistores, que se encargan de eliminar cualquier transitorio o pico de tensión que se genera con la conmutación de elementos conectados a la misma red (p.e. relés y contactores). Después se encuentra el rectificador trifásico o puente de diodos, que como su nombre indica, se encarga de rectificar la onda de CA de entrada (curva 1) en una onda de CC (curva 2). Puede estar compuesto de diodos de potencia, y en caso de regeneración de energía, por transistores IGBT [10]. Bus CC: Después del rectificador se encuentra el conjunto inductancia-condensador, que forma un filtro LC que suaviza la onda de CC de salida del rectificador (curva 3). Esta parte es la conocida como bus CC, en la que los condensadores, además de filtrar, se comportan como una batería, almacenando la energía de entrada para mantener un nivel constante de tensión, y por lo tanto removiendo el rizado y mejorando el factor de potencia [18]. Para la carga de los condensadores se utiliza un circuito de carga suave o precarga, que permite cargar el banco de condensadores de forma segura, es decir, mediante una carga lenta (reducción de corriente), ya que de lo contrario actuarían como un cortocircuito al estar inicialmente descargados. Este circuito está formado por un contactor y una resistencia; cuando los condensadores están cargados, el contactor cortocircuita la resistencia [18, 23]. Inversor: La última parte del VFD es el inversor, compuesto por IGBT que, mediante su conmutación controlada, permiten generar las tensiones de CA de salida, de amplitud y frecuencia variable (curva 4), mediante el uso de la técnica de modulación de ancho de pulso (PWM, del inglés Pulse Width Modulation). Como se observará en la Figura 19, este bloque está formado de 3 parejas de IGBT (una para cada fase de tensión): cada IGBT de la pareja se utiliza para construir la parte superior de la fase y el otro para la parte inferior. El resultado se muestra en la siguiente figura, donde se aprecian las 3 fases de tensión, que no son realmente curvas sinusoidales, sin embargo, el motor las ve como tal [18]. Figura 20.- Tensión trifásica resultante del variador de frecuencia [18].
Diseño y Control de una trefiladora 28 Contactos directos: Para los circuitos que incluyen VFD, existe una variedad de situaciones de contacto directo, y la protección de las personas dependerá del esquema de conexión a tierra: - Esquemas TT y TN-S: ante un contacto accidental se puede prever una protección complementaria por encima del variador, que sería un DDR (diferencial) de 30 mA. - Esquema IT: en este esquema no es aplicable ninguna protección, ya que no se podría distinguir la corriente de defecto de la normal de funcionamiento. Por ello, en este esquema es de suma importancia garantizar el aislamiento de las partes activas. Contactos indirectos: - Esquema TT y TN-S: según el esquema y dónde se produzca el defecto de aislamiento, la protección podría ser un DDR o estar integrada en el propio variador. - Esquema IT: dependiendo dónde se produce el defecto, la protección podría ser, en la mayoría de los casos, situar una protección contra sobreintensidades aguas arriba del variador. En otros casos el propio variador podría actuar. La siguiente tabla muestra un resumen de las protecciones que incluye el variador, así como aquellas complementarias como el interruptor automático, el relé de sobrecarga o el DDR que especifica el fabricante Schneider en el documento [10]. Tabla 1.- Resumen de las protecciones en una instalación con VFD (adaptado de [10]). Protección a asegurar Protección asegurada por el variador (generalmente) Protección exterior Sobrecarga cable Sí Inútil si el VFD ya tiene Sobrecarga motor Sí Inútil si el VFD ya tiene Cortocircuito aguas abajo Sí Calentamiento del VFD Sí Sobretensión Sí Bajada de tensión Sí Corte de fase Sí Cortocircuito aguas arriba Interruptor automático Defecto interno Interruptor automático Contacto indirecto Sí DDR 300 mA Defecto por contacto directo DDR 30 mA 1.3.5.3. Otros elementos de protección A continuación se introducen otros dispositivos o recomendaciones, en su mayoría opcionales, que o bien protegen los circuitos del VFD y motor, o mejoran la interacción entre la red, el variador y el motor. Distribución de los cables: un punto importante en la instalación del variador, es seguir las indicaciones del fabricante respecto a la disposición de los cables de control y potencia del variador, y que se especifican en la Figura 27. Con estas recomendaciones
MEMORIA | Capítulo 1: Antecedentes 29 se evita que la parte de control reciba interferencias electromagnéticas debido a los cambios de tensión en la parte de potencia que generan armónicos [2, 27]. Figura 27.- Disposición altamente recomendada del cableado en un VFD [27]. Inductancias CA y CC: se suelen utilizar para mejorar el factor de potencia del suministro del variador y reducir los armónicos de corriente [26–28]. Filtro del ruido de entrada/salida (tipo LC, du/dt): reducen el ruido de la línea de alimentación que entra al variador o al motor, y permiten cumplir con ciertas regulaciones respecto a las comunicaciones e interferencias [26, 28]. Resistencia de frenado: permite la disipación en forma de calor de la energía cinética que genera el motor cuando está frenando. La resistencia evita que la tensión del bus CC suba a valores peligrosamente altos. Se conecta al variador mediante un circuito separado y un chopper [26, 27]. Anillos de ferrita: se suelen utilizar para eliminar perturbaciones de alta frecuencia, además de reducir las puntas de tensión provocadas por la conmutación de los IGBT. Se recomienda ubicarlos lo más próximos al VFD [2, 26, 27]. Apantallamiento de los cables: otra forma de reducir las posibles interferencias entre los circuitos de potencia y control involucrados en un accionamiento, es mediante el apantallamiento de los cables (recubrimiento o funda metálica). Conexión a tierra: como se muestra en la Figura 25, el variador y el motor deben tener tierras separadas para derivar las corrientes producidas por sus propios defectos. Además, los apantallamientos comentados anteriormente, deben ir todos conectados a tierra para asegurar que las emisiones se derivan a tierra [2, 28]. Filtrado de armónicos: una forma de reducir los armónicos es mediante reactancias o algún tipo de filtro. Otra forma es mediante la alteración de la estructura del variador, esto es, mediante el uso de un rectificador de más de 6 pulsos (interruptores). La siguiente figura muestra cómo afecta a la onda de corriente suministrada al motor, el tipo de rectificador utilizado.
Diseño y Control de una trefiladora 30 Los armónicos, de tensión o corriente, se crean a partir de cargas no lineales conectadas al sistema de potencia (como el VFD o la iluminación LED). Entre los muchos efectos se destaca el sobrecalentamiento de los transformadores, cables y condensadores, el disparo accidental de interruptores y elementos de protección, y el falseo de datos medidos. Figura 28.- Efecto del tipo de rectificador sobre la corriente de salida del VFD [2]. 1.3.6. Métodos de frenado y paro Un variador de frecuencia puede incluir uno o varios métodos de frenado y paro del motor, que dependen de los requisitos de la aplicación y del motor, así como de la capacidad regenerativa del variador. A continuación se explican brevemente los métodos más comunes con el apoyo de las curvas de la figura siguiente [3, 25]. Figura 29.- Curvas típicas de los métodos más comunes de frenado de motores [25]. Coast to stop: es la manera más simple de parar un motor, y consiste en desconectar la alimentación para que la velocidad se reduzca por la fricción y la inercia combinada del motor y carga. Este método puede ser inadecuado para aplicaciones con alta inercia. El variador no tiene ningún control sobre el motor. Parada de rampa: el VFD reduce la frecuencia de salida desde el valor actual hasta 0 Hz en un periodo determinado, de forma que la velocidad del motor decrecerá en proporción.
MEMORIA | Capítulo 1: Antecedentes 31 Este método causa una subida de tensión en el bus CC, y el tiempo de deceleración es esencial para evitar que este aumento supere el máximo de tensión permitida en el bus. Frenado por inyección CC: consiste en aplicar una tensión CC en los devanados del estátor, que creará un campo magnético constante y no rotatorio que, al interactuar con el campo del rotor, produce un par contrario a la rotación que acabará frenando al motor. La rapidez de este tipo de frenado puede causar una disipación importante de energía en forma de calor, en el estátor y núcleo del rotor. A mayor inercia, mayor será esta energía disipada. El calor excesivo y prolongado puede causar daños permanentes al motor. Frenado dinámico: en este método se incluye una resistencia conectada al bus CC mediante un dispositivo de potencia llamado chopper, que controla su conexión (como muestra la Figura 30), para disipar la energía que fluye desde el motor hasta el bus CC cuando está frenando. En otras palabras, la resistencia evita que la energía cinética del motor se disipe en sus devanados y núcleo en forma de calor. Figura 30.- Diagrama de un VFD con freno dinámico [25]. Freno regenerativo: en este método, la energía cinética acumulada por el motor durante el régimen de frenado, se devuelve a la red. Para implementarlo es necesario que el rectificador esté formado por IGBT para hacer circular la corriente en ambos sentidos. Este método es el más eficiente ya que permite ahorros significativos de energía y son especialmente eficientes en aplicaciones de transporte público como trenes o buses. Frenado de flujo: se basa en el incremento de las pérdidas del motor mediante el aumento del flujo del motor, es decir, de la corriente. Este método solo se encuentra en aquellos variadores cuyo control permite la variación del flujo como es el caso del DTC. Por lo tanto, este tipo de frenado se puede controlar de forma que incluso se pueda seguir una rampa de velocidad. La potencia de frenado está limitada por la resistencia de disipación del motor, y por ello este frenado es más útil y eficiente en motores pequeños donde dicha resistencia es mayor.
Diseño y Control de una trefiladora 32 En la Figura 31 se muestran varios VFD con capacidad regenerativa, y se puede apreciar el conjunto de condensadores e inductores colocados en la parte superior, para filtrar la potencia CA que se inyecta a la red durante la regeneración. Figura 31.- Variadores de mercado con capacidad regenerativa [25]. 1.3.7. Técnicas de control En el apartado 1.2 se introdujeron los controles más comunes de los motores de CA. Estos son: el control tensión-frecuencia (V/f), el control por orientación de flujo (FOC) y el control directo de par (DTC). Los primeros dos se explicaron con suficiente detalle para tener una idea básica de su funcionamiento. La Figura 32 vuelve a recordar el funcionamiento de estos métodos mediante la estructura más simple posible. Figura 32.- Esquemas simplificados de las técnicas de control de motores de CA [2]. A continuación se explica la técnica de control restante: el DTC.
MEMORIA | Capítulo 1: Antecedentes 33 1.3.7.1. Control directo de par (DTC) La idea de un control vectorial sin la retroalimentación de la posición del flujo del rotor se ha investigado durante años. El fabricante ABB es quien ha tomado la teoría y patentado la técnica que hoy en día se conoce como DTC [3]. Por esta razón, la explicación de este control se realizará con la documentación que este fabricante provee públicamente, especialmente mediante los documentos [2] y [6] el diagrama de bloques de la Figura 33. Figura 33.- Diagrama de bloques del funcionamiento del DTC [2]. En este diagrama anterior se pueden distinguir dos secciones fundamentales: el lazo de control de par y el de control de la velocidad, que funcionan de forma integrada (juntos). Lazo de control del par: El primer paso consiste en la medición de dos corrientes de fase del motor, de la tensión del bus CC y las posiciones de los interruptores del inversor. La información se introduce en el modelo de motor adaptable (paso 2), el cual previamente ha recogido información del motor durante la conocida como marcha de identificación. Con estos datos, el modelo aplica algoritmos matemáticos avanzados para saber el estado del motor, además de generar señales de control que representan directamente el par, el flujo del estátor y la velocidad del eje. Los valores de par y flujo se trasladan a un comparador de par y flujo, que compara estos valores cada 25 s con los de referencia (consigna). Los comparadores utilizan una banda de histéresis estrecha alrededor de la referencia, donde a la salida se genera el estado del par y del flujo, es decir, si están por debajo o por encima del valor de referencia (paso 3). Los dos estados se alimentan al selector de pulsos óptimos (paso 4), que determina el vector de tensión óptimo, es decir, la lógica de conmutación del inversor, que en otras palabras
Diseño y Control de una trefiladora 34 determina cuando y qué IGBT deben conmutar para obtener en el eje, el par y velocidad deseados. Este selector trabaja gracias a un DSP de 40 MHz, que trasmite las señales por enlaces ópticos, consiguiendo una transmisión elevada de datos: cada 25 s se suministra un pulso óptimo al inversor. A diferencia de los accionamientos con PWM convencionales, con el DTC se pueden ahorrar hasta un 30 % de las conmutaciones del inversor, ya que solo conmutan cuando son realmente necesarios. Lazo de control de velocidad: El controlador de referencia de par puede recibir una referencia externa (paso 5) o interna mediante el lazo de control de velocidad (paso 6). Cuando se utiliza una referencia de velocidad, el control DTC funciona con dos lazos de control: uno interno de par y uno externo de velocidad. El bloque de control de velocidad está formado por un regulador PID y un compensador de aceleración. Se puede comprobar, que cuando se controla la velocidad, se compara la referencia con el valor real de velocidad que devuelve el modelo de motor. Por último, se encuentra el controlador de referencia de flujo (paso 7), que determina el valor absoluto del flujo del estátor, y que se utiliza en el comparador de flujo para generar la señal de estado de flujo. La capacidad de controlar este valor absoluto permite realizar funciones tales como la optimización del flujo (para minimizar las pérdidas y reducir el ruido del motor) o frenado de flujo. En todo momento se puede controlar el par o la velocidad, pero nunca ambos al mismo tiempo, dado que el punto de trabajo en el que tiene que trabajar el motor en su curva de parvelocidad depende de las características de la carga [29]. Características: Partiendo de las propiedades del funcionamiento descrito, se pueden comentar las siguientes características [2, 5, 8, 13, 29]: - Control directo y desacoplado del par y del flujo. - Se puede utilizar con la mayoría de motores industriales: asíncronos, síncronos, síncronos de imanes permanentes, e incluso con los síncronos de reluctancia. - Control preciso del par en un gran rango de velocidades. - Puede generar un par de arranque completo a velocidad cero y mantener un par del 100 % en todo el rango de velocidades (incluso a velocidad cero) con o sin retroalimentación de velocidad. - Excelente linealidad del par (perfecto para aplicaciones tipo bobinadoras). - Alta precisión de la velocidad en régimen estacionario y transitorio. - La conmutación óptima de los IGBT se determina en cada ciclo de control de 25 s, lo que permite al VFD ajustarse más fácilmente a los requisitos instantáneos de la carga. De hecho, se considera que un DTC es hasta 10 veces más rápido que cualquier accionamiento de CA o de CC.
MEMORIA | Capítulo 1: Antecedentes 35 - No es necesario un modulador PWM, ni el cálculo de complicadas transformaciones matemáticas como la transformada de Clarke o Park. - Alto rizado del par, flujo y corriente resultante debido a los comparadores de histéresis. - La resistencia del estátor influye significativamente en los cálculos del modelo motor cuando se trabaja a bajas velocidades. - El DTC no funciona correctamente con varios motores en paralelo, ya que no tiene la información individual del estado de cada uno de ellos. - A bajas frecuencias puede producir un alto nivel de ruido. 1.3.8. Dimensionado de un accionamiento eléctrico De forma general, en [2] se describe esquemáticamente el procedimiento para dimensionar un accionamiento eléctrico. Este esquema se muestra en la Figura 34 donde se observa que el dimensionado comienza por conocer las características de la red y de la carga o proceso (p.e. curva par-velocidad, rango de velocidades) para seleccionar el motor más adecuado. El variador se debe seleccionar de acuerdo con las características de la red, del motor elegido y del tipo de carga. Figura 34.- Descripción del procedimiento de dimensionado de un accionamiento eléctrico [2]. Otros aspectos a tener en cuenta en este dimensionado, y que no se reflejan en la figura anterior son [2, 4]:
Diseño y Control de una trefiladora 36 - El entorno de ubicación para conocer las restricciones de espacio, peso y ventilación. - La precisión en el proceso (puede ayudar a identificar el control del variador). - La capacidad de sobrecarga necesaria del motor. - El cuadrante de trabajo y tipo de frenado (define si se desea una operación regenerativa, y si el frenado debe ser rápido y/o controlado). - La interacción de otros elementos en la red de alimentación, para conocer las posibles distorsiones y la necesidad de variadores con una baja tasa de armónicos. En algunas situaciones solo se requiere seleccionar el variador, por ejemplo, en industrias que ya tienen un proceso y quieren mejorar su eficiencia. En este sentido, el fabricante ABB especifica los siguientes pasos para seleccionar uno de sus modelos: - Paso 1: identificar la aplicación y las posibles demandas del variador de velocidad. - Paso 2: entender la carga, es decir, su inercia, aceleración y deceleración, rango de velocidades, requisitos de sobrecarga, etc. - Paso 3: obtener la información de la placa de características del motor. - Paso 4: elegir un VFD cuyas características coincidan con las obtenidas previamente. - Paso 5: si el variador no suministra la corriente necesaria para producir el par requerido en situaciones nominales y de sobrecarga, volver al paso 4. - Paso 6: si la envolvente del variador no puede soportar el entorno, volver al paso 4. - Paso 7: si el variador no contiene todas las características requeridas por el proceso, p.e. protocolos de comunicación o el nº de entradas/salidas, volver al paso 4. - Paso 8: si el variador no incorpora el control necesario (p.e. V/f o DTC), volver al paso 4. Para la selección del variador puede ser interesante el uso de software de dimensionado como el programa DriveSize de ABB, que permite configurar gran variedad de parámetros de la carga y del motor, y devuelve un conjunto de resultados numéricos y gráficos, junto con los modelos (de motor también) que podrían encajar con las características introducidas [30]. 1.3.9. Características generales de un VFD Las características más destacables de un VFD a nivel funcional y estructural se listan a continuación [2, 6, 9, 16, 17, 21]: - Permiten coincidir el par y la velocidad del motor a los requisitos de la carga, mediante la regulación y/o control de estas dos variables. - Pueden utilizarse con nuevas tecnologías de motores de CA como los síncronos de imanes permanentes o los de reluctancia. - Incorporan gran variedad de medidas de protección, así como elementos de filtrado para la eliminación de interferencias. - Pueden incorporar varios métodos de frenado o paro.
MEMORIA | Capítulo 1: Antecedentes 37 - Pueden incorporar varias técnicas de control según la precisión que se quiera conseguir en la aplicación y el tipo de carga. - Permiten configurar y/o programar gran cantidad de parámetros, como las tasas de aceleración y deceleración, la posibilidad de evitar velocidades peligrosas, etc. - Incorporan un conjunto de entradas/salidas digitales y analógicas, así como terminales, que permiten la posibilidad de un control local e incluso remoto. - Existen modelos que pueden funcionar a 4 cuadrantes (regeneración de energía), permitiendo mejorar su eficiencia y la de la aplicación. - En la mayoría de casos tienen eficiencias entre el 95 % y el 98 % [22]. - Pueden incorporar software específico para la aplicación en la que se utilizarán. 1.3.9.1. Ventajas Las ventajas más importantes que se pueden destacar son [2, 5, 6, 12, 13, 25, 31–33]: - Ahorros significativos de energía durante la vida útil del equipo, que pueden llegar hasta el 50 % (valor medio). - Incremento de la eficiencia y vida útil de las máquinas de CA utilizadas. - Eliminación de componentes mecánicos caros y voluminosos que suelen necesitar mantenimiento (p.e. sistemas de engranajes o válvulas). - Regulación y control de la velocidad y del par de manera precisa dependiendo de la técnica de control utilizada. Esto permite operar el motor en el par máximo sobre un amplio rango de velocidades, incluso a velocidad cero. - Reducción de la corriente de arranque requerida por el motor. - Mejora del factor de potencia y calidad de la energía con la disminución de la tasa de armónicos. - Reducción de los costes de mantenimiento de las máquinas con arranques más suaves, la eliminación de vibraciones (disminución del ruido), la reducción de picos de corriente y del estrés térmico y mecánico. - Reducción de la inactividad en las plantas de producción, lo que mejora la productividad, calidad y seguridad en el desarrollo de las actividades. - No es necesario el uso de frenos mecánicos. A pesar de los beneficios de los VFD, se estima que solo alrededor de un 12 % del total de motores eléctricos industriales instalados en el mundo son controlados con VFD. Esto es probablemente debido a la relativamente alta inversión inicial que supone un VFD [31]. 1.3.9.2. Inconvenientes Algunos de los inconvenientes principales de un VFD son:
Diseño y Control de una trefiladora 44 2.2.1. Demos generales Este tipo de demo es muy común encontrarla en cada fabricante de variadores de frecuencia, ya que es una forma de dar a conocer su producto y especialmente las características que lo diferencian del resto de fabricantes. En este contexto se destaca en primer lugar la demo de un variador ACS880-01 del fabricante ABB que muestra la siguiente figura. Figura 39.- Demo del variador ACS880-01 del fabricante ABB [40] El objetivo principal es el contacto con uno de los últimos modelos de variador que ha fabricado ABB. Para ello la demo permite: acceder al panel de control para la entrada y modificación de parámetros, la visualización de la velocidad, la posibilidad de entrada de velocidad de referencia y la aplicación de un par externo mediante un freno mecánico. Del mismo modo, el fabricante Rockwell Automation ofrece varias estaciones de trabajo (ver Figura 40), que entre sus múltiples funciones permiten observar el control en lazo cerrado, la simulación de fallas, y la posibilidad de cablear los diferentes elementos.
MEMORIA | Capítulo 2: Estado del arte 45 Yaskawa, otro de los grandes fabricantes a nivel mundial, tiene también una variedad de demos que, entre muchos objetivos, destaca: - La orientación de las demos a estudiantes que puedan practicar la instalación eléctrica del variador de frecuencia y el motor, así como la configuración de las entradas y salidas de control. - El objetivo de hacer que el estudiante aprende sobre la puesta en marcha de un VFD; el ajuste y modificación de parámetros mediante el panel de control para realizar funciones específicas; programar funciones desde las entradas/salidas, … Figura 40.- Algunas estaciones de trabajo del fabricante Rockwell Automation [41]. Figura 41.- Algunas estaciones de trabajo del fabricante Yaskawa [42, 43]. Por último, se presenta la demo LabVolt 3356 del fabricante FESTO. A diferencia del resto de estaciones de trabajo (donde el objetivo se enfoca en conocer el variador concreto del fabricante), este modelo está enfocado en la realización de ejercicios para entender el funcionamiento y características de los VFD de forma genérica. En la Figura 42 se puede observar que la demo está formada por un variador Allen Bradley y una carga tipo polea, accionada por un motor de inducción. Además, contiene pulsadores y conexiones para realizar un control local, y diversos elementos de protección. La demo permite aprender sobre operaciones avanzadas como sería el funcionamiento con PLCs y HMI.
Diseño y Control de una trefiladora 46 Figura 42.- Demo modelo LabVolt 3356 del fabricante FESTO [44]. 2.2.2. Demos modulares Este tipo de estaciones de trabajo presentan una gran flexibilidad en las operaciones que se quieran realizar con el VFD, ya que se forman de módulos que se corresponden a las partes principales de un accionamiento eléctrico en el contexto de una demo: alimentación, protecciones, variador, motor, carga y botoneras (p.e. los pulsadores, potenciómetros y puntos de conexión). Para cada una de estas partes existe una gran variedad de módulos, lo que permite que la demo se pueda personalizar. Debido a esta capacidad de personalización, la demo se lleva a cabo en una bancada que suele ocupar un espacio considerable. En este tipo de demo se destaca al fabricante Schneider y FESTO. La Figura 43 muestra un ejemplo de una demo configurada para operar con un ventilador centrífugo, con el que se pretende estabilizar una bola entre las dos líneas verdes del tubo acoplado a la bomba. Se puede observar que esta demo se trata de una bancada de aluminio donde se añaden los módulos necesarios que se pueden personalizar (ver Figura 44). Cada módulo tiene las mismas dimensiones, e incorpora una serie de puntos de conexión para que el estudiante u operario realice el cableado necesario para el correcto funcionamiento de la aplicación.
MEMORIA | Capítulo 2: Estado del arte 47 Figura 43-. Demo modular configurada para el control de una bomba centrífuga [45]. Figura 44.- Variedad de módulos que ofrece el fabricante Schneider [45]. Por parte del fabricante FESTO se presenta el modelo LabVolt 8036 que incluye una serie de módulos predefinidos (ver Figura 46) para objetivos específicos, pero que se pueden personalizar.
Diseño y Control de una trefiladora 48 Figura 45.- Demo modular modelo LabVolt 8036 del fabricante FESTO [44]. Figura 46.- Algunos de los módulos que incorpora la demo modelo LabVolt 8036 [44]. Entre la gran variedad de características se destacan: - La incorporación con la demo de contenido didáctico sobre motores, cableado, circuitos de control, variadores de frecuencia, PLC o sensores, entre otros. - La demo permite cubrir cuatro niveles de conocimiento: controles básicos de motores eléctricos, el uso de PLC para el control de motores, el funcionamiento de variadores de velocidad de CC y CA, y los sensores fotoeléctricos y de proximidad. - Además de los módulos de la Figura 46, la demo incluye módulos de pulsadores, interruptores, relés, portafusibles, volante de inercia, fuente de alimentación, resistencia de arranque, diodos de potencia y sensores tipo inductivo y capacitivo, entre otros.
MEMORIA | Capítulo 2: Estado del arte 49 2.2.3. Demos específicas En el contexto de estas demos se presenta el banco de prueba de cargas con motores asíncronos que muestra la Figura 47a, el banco de elevación con control vectorial de la Figura 47b, y la demo de eficiencia energética del fabricante ABB de la Figura 48. Figura 47.- Demos específicas del fabricante Schneider [46]. Figura 48.- Demo de eficiencia energética del fabricante ABB [47].
Diseño y Control de una trefiladora 50 La primera de las demos tiene el objetivo de formar al estudiante u operador en los diferentes tipos de cargas mecánicas: bombas, ventiladores, quipos de elevación, cintas transportadoras, etc. Para ello, la demo es capaz de funcionar produciendo varios tipos de par: constante, lineal, cuadrático, hiperbólico y manual. Para hacer esto, el banco incluye dos motores acoplados cara a cara. Uno de ellos es comandado por un VFD interno, y el otro por un VFD externo al banco. Además, el banco de pruebas incluye resistencias de frenado, freno mecánico, interruptores para inducir fallas y varias entradas de control [46]. La segunda demo está diseñada para abordar el comportamiento de los motores asíncronos cuando accionan una carga en elevación. Previo a ello, se introducen los objetivos del estudio dinámico, de par, inercia y elongación del sistema. Esta demo pretende destacar las ventajas de usar de un VFD con control vectorial en lazo cerrado en comparación con un control en lazo abierto [46]. Finalmente, la demo del fabricante ABB está diseñada para demostrar el ahorro energético que se puede conseguir con uno de sus modelos de VFD en un sistema de ventilación. La demostración se realiza mediante la medida de la corriente absorbida en dos situaciones: cuando el caudal de aire se controla mediante un dámper y cuando se hace mediante un VFD para intentar que el globo se mantenga a una distancia determinada. La demo incorpora un PLC y un HMI para mostrar gráficas en tiempo real de la potencia y corriente [47]. 2.2.4. Componentes típicos que incluyen las demos Con este estudio de estaciones de trabajo que se pueden encontrar en el mercado, se intentaba obtener un punto de partida respecto a los componentes y funcionalidades que podría incluir la demo que inicialmente se iba a diseñar y montar. A pesar de que este objetivo no se llevará a cabo, el estudio sí aporta información sobre las funcionalidades que se podrían incluir en el diseño y modelo simulado de la trefiladora, y más importante aún, señala muchos de los componentes que una demo o banco de pruebas de carácter docente debe tener desde el punto de vista estructural y de seguridad (protecciones eléctricas). Partiendo del punto anterior, se listan a continuación los componentes típicos que se derivan de este estudio, y que se pueden encontrar en la mayoría de las demos comentadas: Elementos de señalización, medición y conexión: - Indicadores luminosos de velocidad y corriente en el motor, del estado del sistema y de fallos. - Terminales para conexión estrella-triángulo del motor; para conexión de sensores para referencia de velocidad; para medición de tensiones y corrientes con multímetros; para entradas/salidas digitales y analógicas para el control local del VFD; para permitir comunicaciones con el VFD (p.e. USB, Ethernet, fibra óptica); para la conexión entre el VFD y el motor. - Sensor de temperatura, de velocidad, de corriente, etc.
MEMORIA | Capítulo 2: Estado del arte 51 Elementos de control y protección: - PLC, HMI, variador de velocidad de CC o CA. - Interruptores para simular fallos/averías; pulsadores para paro-marcha, cambio de sentido, encendido y apagado; potenciómetros para la regulación local de la velocidad; selectores. - Paro de emergencia. - Interruptor de alimentación general y del sistema de control (24 VCC); magnetotérmicos, fusibles, relés; disyuntor con candado. Otros: - Resistencias de frenado; reóstatos ajustables. - Motor, freno mecánico. - Aplicación: ventilador, poleas. - Fuente de alimentación. 2.3. ESTUDIO PREVIO DE LAS TREFILADORAS La aplicación que se diseñará en este trabajo es una trefiladora cuyo material resultante es enrollado en un carrete mediante una bobinadora. Para entender el funcionamiento de estos dos procesos se adjunta la información de los siguientes apartados, que reúne una descripción del funcionamiento y de las partes que lo componen, y de los métodos para implementar el control de tensión sobre el material con el que se trabaja. Para mayor comprensión se nombrará trefiladora al conjunto de los procesos de trefilado y bobinado, y alambre al material que se trabaja. 2.3.1. Funcionamiento del proceso de trefilación y bobinado El proceso de trefilado consiste en someter un material (p.e. alambre de acero) a una deformación en frío con el objetivo de reducir su diámetro, consiguiendo una longitud mayor. Por lo tanto, una trefiladora es la máquina que lleva a cabo este proceso. En el otro extremo de la trefiladora se suele ubicar una bobinadora accionada por un motor que proporcionará la fuerza necesaria para tirar del material [48, 49]. La Figura 49 muestra el proceso genérico de una trefiladora trabajando en conjunto con una bobinadora. Se puede apreciar el elemento reductor de sección, el dado (die), que se muestra en más detalle. Adicionalmente, la Figura 50 muestra el ejemplo del proceso de una bobinadora, donde se aprecian la gran variedad de elementos que intervienen con el fin de realizar el bobinado de la forma más precisa alrededor del núcleo de un carrete.
Diseño y Control de una trefiladora 52 Figura 49.- Proceso de una trefiladora más una bobinadora [50, 51]. Figura 50.- Ejemplo del proceso de bobinado [52]. 2.3.1.1. Desafíos en el proceso de trefilación y bobinado El desafío más importante en el proceso de trefilado+bobinado es controlar la tensión del material de forma que sea constante, proporcionando un proceso continuo y preciso. Algunos factores a tener en cuente durante el diseño de estos procesos son los transitorios que pueden producir perturbaciones en el alambre, hasta el punto que su tensión se vea superada y se rompa. También es importante considerar el grosor del alambre, el esfuerzo aplicado según el material, el tipo de dado utilizado y la temperatura del sistema [53, 54]. De forma general, este proceso debe cumplir los siguientes requisitos: - Arranques que no generen golpes de tensión que puedan romper el alambre. - Aplicar una tensión constante sobre el cable para impedir roturas o deformaciones. 2.3.1.2. Automatización del proceso Los variadores prometen grandes prestaciones en el control de estos procesos, sobre todo cuando pueden incluir software específico para controlar la tensión del material.
MEMORIA | Capítulo 2: Estado del arte 53 La inclusión del VFD en el proceso permite eliminar algunos elementos mecánicos que arrastran mantenimiento debido al desgaste. También se mejora la continuidad en el proceso con la reducción de paros de planta y con la posibilidad de mantenimiento preventivo [48]. La siguiente figura muestra el esquema de control de bobinado incorporado en el VFD modelo DS800 del fabricante ABB. Se observa que el control incorpora medidas de compensación de pérdidas, fricciones e inercias, y un calculador del diámetro del carrete de bobinado. Estas características incrementan el rendimiento del proceso, asegurando la máxima eficiencia y precisión, además de las propias ventajas que pueda suponer el variador. Figura 51.- Ejemplo del control de bobinado en un variador del fabricante ABB [55]. 2.3.2. Máquinas de trefilado y bobinado Las siguientes imágenes muestran máquinas reales de trefilado. Se puede apreciar que se trata de máquinas grandes y sobre todo largas, ya que suelen incorporar diferentes zonas de trefilado y de bobinado. En algunas máquinas se incorporan procesos de afilado y cortado del cable, e incluso de soldadura. También es frecuente el uso de lubricado y sistemas de refrigeración para evitar que el alambre supere una temperatura que lo deforme o rompa. Figura 52.- Ejemplos de máquinas de trefilado del fabricante JACOM [50].
Diseño y Control de una trefiladora 60 o El alambre está sujeto a picos constantes de subida y bajada debido a las variaciones aplicadas por el operario. - Automáticamente con la lectura del diámetro (uso de un sensor). o Es la solución más común. o No admite la intervención de un operario. o Es fácil de configurar y permite un alto ratio del diámetro del rollo. - Automáticamente con el cálculo del diámetro. o Comúnmente utilizado en estaciones de rebobinado. o Compensa fácilmente los transitorios en las fases de velocidad. o Permite un alto ratio del diámetro del rollo. o Puede ser difícil de configurar, ya que requiere de la señal de la velocidad de línea del alambre y de rotación del rollo. o Requiere de un reseteo. Figura 61.- Métodos para el control de tensión en lazo abierto [63]. La elección del tipo de configuración dependerá de la precisión deseada, de la construcción mecánica, el grado de automatización y de las tasas de aceleración/deceleración que se pretenden conseguir [63]. Características: - Solo hay compensación del cambio en el diámetro del rollo. - No compensa los transitorios o errores de tensiones producidos en las diferentes fases de velocidad. - Es muy estable pero poco preciso. - Depende fuertemente de las partes mecánicas. 2.4.4.2. Control en lazo cerrado A diferencia del lazo abierto, en este control se obtiene una retroalimentación de la tensión del alambre que se compara con el valor de referencia para corregir las variaciones. El esquema base se muestra a continuación:
MEMORIA | Capítulo 2: Estado del arte 61 Figura 62.- Funcionamiento básico del control de tensión en lazo cerrado [63]. Retroalimentación: La lectura o sensado de la tensión se puede obtener mediante los siguientes métodos [55, 62, 63, 66, 67]: - Medida directa mediante sensores de tensión (células de carga). o Para aplicaciones tipo cortadoras, laminadoras y revestidoras que arrastran materiales pesados con bajas tasas de aceleración/deceleración. o Se aceptan picos de tensión, aunque no hay una absorción de los transitorios. - Medida indirecta mediante un brazo balancín (dancer arm). o Para aplicaciones tipo impresora y con funcionamiento intermitente. o Absorbe los picos de tensión ya que proporciona un almacenamiento para absorber los transitorios. o Requiere de más espacio que las células de carga y pueden requerir calibración periódica. - Mediante un lazo libre (free loop). o Para aplicaciones tipo máquinas textiles y con muy baja tensión. o Presentan las mismas ventajas y desventajas del brazo balancín, con adición de que requiere menos espacio y no funciona como almacenamiento para absorber los transitorios en los cambios de fase. Figura 63.- Métodos para medir la tensión en el control de tensión de lazo cerrado [63].
Diseño y Control de una trefiladora 62 Características: - Alta precisión, pero con riesgo de inestabilidad. - El control permite compensar la fricción e inercia estática y dinámica. - La tensión se controla en todas las fases de velocidad. - Puede ser complejo de configurar. 2.5. CONTROL MAESTRO-ESCLAVO 2.5.1. Funcionamiento del control El control maestro-esclavo o maestro-seguidor se aplica a dos o más motores que presentan cierto grado de acoplamiento (p.e. mediante engranajes, cadenas o correas). Uno de los motores se designa como el maestro, funcionando generalmente en control de velocidad, y proporcionando una consigna de velocidad o par al resto de motores, considerados como seguidores o esclavos [68, 69]. Un esquema típico de este control se muestra en la Figura 64, con la que se puede razonar que cuando una perturbación afecta el maestro, el esclavo también la recibe. Figura 64.- Esquema típico del control maestro-esclavo. La siguiente figura es un ejemplo de cómo se aplicaría este control a un proceso donde el material se suele tensar, como es el caso de las bobinadoras. Se puede observar que el maestro es quien recibe señales de control del exterior y se encuentra conectado al esclavo para proporcionar la consigna [65]. Este control se lleva a cabo con variadores de frecuencia. Este control es típico en aplicaciones de transportadores, polipastos, bobinadoras, prensas de impresión [69, 70]. Se suele utilizar para procesos donde se pueda compartir la carga, para la sincronización de motores o redundancia. El primer de ellos es el más típico y consiste en procesos en que varios motores se encuentran acoplados para mover una carga mecánica. Con la carga compartida se reparte la cantidad de par a aplicar entre los motores involucrados. Esto solo es posible si cada motor tiene su propio variador [65, 71].
MEMORIA | Capítulo 2: Estado del arte 63 Figura 65.- Ejemplo del control maestro-esclavo aplicado a un proceso de tensión [69]. 2.5.2. Implementaciones Existen diferentes formas de implementar la operación del control maestro-esclavo. Lo más común es el maestro trabajando en control de velocidad y el resto de unidades con referencia de par o velocidad. Por lo general, un seguidor debe trabajar con [65, 70]: a) Control de velocidad: cuando el usuario desea que varios motores funcionen a la misma velocidad. Esta configuración se utiliza cuando los ejes del motor maestro y esclavo están acoplados flexiblemente, de forma que puede existir una diferencia de velocidad entre ellos. b) Control de par: el maestro, funcionando en modo de control de velocidad, proporciona la referencia de par al esclavo. Esta configuración es típica en aplicaciones de carga compartida, y para llevarla a cabo los motores maestro y esclavo deben estar acoplados fijamente, de forma que no sea posible una variación de velocidad. Figura 66.- Ejemplo de la configuración maestro con velocidad y esclavo con par [71].
Diseño y Control de una trefiladora 64 DISEÑO DE UNA TREFILADORA 3.1. DESCRIPCIÓN DE LA APLICACIÓN 3.1.1. Objetivos y funcionamiento La trefiladora que se diseñará presenta el esquema y los componentes que se ven en la siguiente figura. El objetivo es reducir el diámetro de un hilo de cobre de 5,19 mm (utilizado en redes de transmisión y distribución) a 3,5 mm para su aplicación, por ejemplo, en redes eléctricas de menor potencia. Para esta reducción se debe tener en cuenta que, para cables de un diámetro inferior a 6 mm, la disminución de sección debe estar comprendida entre el 10 % y el 25 % [51], para no perder propiedades del material. Por esta razón se utilizará en el diseño tres dados o hileras de trefilado (dado 1, 2 y 3). El funcionamiento de la trefiladora consistirá en tomar el hilo de cobre (puro y desnudo) que se encuentra en el carrete inicial (1), y hacerlo pasar consecutivamente por los dados de trefilado (3). El hilo resultante pasa por una serie de poleas para mantener un correcto nivel de tensión en el hilo. Una de las poleas es una célula de carga (5), que hace la función de detección de la tensión del hilo y permitirá el control de tensión de la bobinadora. El hilo de cobre se enrolla en el carrete de bobinado (10), que se encuentra accionado por un motor eléctrico. Previamente debe pasar por una plataforma de deslizamiento lineal (7), que guía el hilo para su correcto enrollado. Esta plataforma está accionada por otro motor eléctrico. Figura 67.- Esquema de la trefiladora que se diseñará.
MEMORIA | Capítulo 3: Diseño de una trefiladora 65 En esta Figura 67 se puede apreciar que la trefiladora se compone básicamente de dos procesos: el trefilado y el bobinado. Para ello se incluye una serie de elementos como son las guías (para mantener la dirección del hilo) y las poleas. Ambos procesos se llevan a cabo principalmente por el motor de bobinado (motor 2), que proporciona la fuerza y par necesario para vencer las fricciones, inercias, y especialmente la fuerza que oponen los dados de trefilado. El uso de una célula de carga indica que el control que se realizará será en lazo cerrado, como se ha explicado en el estado del arte. 3.1.2. Consideraciones para el trefilado Existen ciertas consideraciones que se deben tener en cuenta a la hora de trefilar, pero que no se contemplan en el diseño: a) Para pasar el hilo de cobre desnudo por primera vez por los dados, es necesario que tengan la punta afilada para estirar manualmente el hilo. Aplicando esto al diseño, se considerará que el hilo ya está previamente afilado con un diámetro igual o inferior al resultante del último dado (dado 3). Además, se considerará que los dados y sus estructuras de soporte se pueden mover para facilitar el estirado manual. b) En algunas situaciones, y dependiendo del tipo de material que se trefila o del acabado que se desea obtener, se suele utilizar lubricante para facilitar la reducción. En este diseño no se contempla el uso de lubricante, pero en caso de utilizarse, podría consistir en un pequeño cubículo con lubricante, por el que se desplazará el cable antes de pasar por los dados (p.e. como muestra la Figura 49). c) El carrete de bobinado debe presentar una estructura que permita un buen acoplamiento con el motor o eje de transmisión. d) En trefiladoras industriales es común el uso de sensores para calcular la longitud de alambre o cable bobinado, y principalmente para poder generar bobinas con longitudes (y pesos) distintos. En este diseño, la longitud se puede determinar utilizando un sensor tipo encóder localizado en cualquiera de las poleas (se debe restar la longitud de cable no enrollado, entre la polea y el carrete). 3.1.3. Datos para el diseño Para el diseño estructural y el estudio de fuerzas en la trefiladora, es necesario definir ciertos elementos y parámetros. A continuación se indican: - Tipo de material; diámetro de entrada y el deseado a la salida. - Nº de dados de trefilado, su ángulo de reducción y el coeficiente de fricción. - Diámetro y masa de las poleas que se utilizarán. - Dimensiones del carrete de bobinado, su masa cuando está vacío y lleno del hilo. Se considerará que el carrete que utilizará la máquina será siempre el mismo. - Velocidad de trefilado.
Diseño y Control de una trefiladora 66 La tabla siguiente recoge los datos para el diseño. Tabla 5.- Datos de partida para el diseño de la trefiladora [51]. Material del proceso Tipo Coeficiente de Resistencia K Factor de endurecimiento n Diámetro entrada D o Diámetro salida D f Cobre puro y desnudo 99,9% 300 MPa 0,5 5,19 mm 3,5 mm Dados Carrete Nº dados Coeficiente fricción, Ángulo de reducción, Dimensiones Radio lleno rc2 3 0,07 18º Radio vacío rc1=32,5 mm Long.: 150 mm Masa: 2 kg 65 mm (masa: 13 kg) Polea 1 Polea 2 Polea 3 Velocidad de trefilado Masa (kg) 0,7 (m p1 ) 0,6 (m p2 ) 0,7 (m p3 ) 0,1 m/s Radio (mm) 50 (r p1 ) 33 (r p2 ) 50 (r p3 ) 3.1.4. Expresiones para el cálculo de la fuerza de trefilado En este apartado se adjuntas las expresiones necesarias para determinar la fuerza para trefilar el hilo de cobre. La figura que sigue indica los parámetros que dichas expresiones contienen. Figura 68.- Parámetros asociados al trefilado de un cable [51]. Área inicial: 𝐴 = 𝜋 · 𝐷 2 [ 𝑚 𝑚 ] (13) Área final: 𝐴 = 𝜋 · 𝐷 2 [ 𝑚 𝑚 ] (14)
MEMORIA | Capítulo 3: Diseño de una trefiladora 67 Reducción del trabajo en frio: 𝑟 ( % ) = 𝐴 − 𝐴 𝐴 · 100 = 𝐷 − 𝐷 𝐷 · 100 (15) Deformación real del material: 𝜖 = ln 𝐴 𝐴 (16) Esfuerzo de fluencia promedio: 𝑌 = 𝐾 · 𝜖 1 + 𝑛 [ 𝑀𝑃𝑎 ] (17) donde K es el coeficiente de resistencia del material, y n el factor de endurecimiento. Deformación no homogénea: 𝜙 = 0 , 88 + 0 , 12 · 𝐷 𝐿𝑐 (18) donde D es el diámetro promedio, calculado como 𝐷 = 𝐷 + 𝐷 2 [ 𝑚𝑚 ] (19) y Lc es la longitud de contacto 𝐿 = 𝐷 − 𝐷 2 · sin ( 𝛼 ) [ 𝑚𝑚 ] (20) es el ángulo de reducción del dado elegido, y normalmente varía entre 6º y 20º. Esfuerzo de trefilado: 𝜎 = 𝑌 · 𝜙 · 1 + 𝜇 tan ( 𝛼 ) · ln 𝐴 𝐴 [ 𝑀𝑃𝑎 ] (21) siendo el coeficiente de fricción del trabajo realizado en el dado (0,07). Fuerza final de trefilado: 𝑭 𝒕𝒓𝒆𝒇 = 𝑨 𝒇 · 𝝈 𝒅 = 𝑨 𝒇 · 𝒀 𝒇 · 𝝓 · 𝟏 + 𝝁 𝐭𝐚𝐧 ( 𝜶 ) · 𝐥𝐧 𝑨 𝟎 𝑨 𝒇 [ 𝑁 ] (22)
Diseño y Control de una trefiladora 68 3.2. ESTUDIO DE FUERZAS Para realizar el estudio de fuerzas de la estructura presentada en la Figura 67, se facilita la siguiente figura, que muestra la disposición de los elementos vistos en perfil y en alzado, y las fuerzas de tensión que resultan en cada zona de tensión (explicado en 2.4.3. ). Figura 69.- Esquema de tensiones (fuerzas) presenten en la estructura de diseño. También es necesario tener una primera idea de la colocación de algunos elementos para determinar el ángulo de desplazamiento de la plataforma (1), y el ángulo de diferencia que existe entre la plataforma y el carrete, cuando este se encuentra vacío (2). Determinar 1 y 2: En la Figura 70 se muestran las medidas (en mm) consideradas que justifican que 1= 37º y 2= 9º (valores máximos). Se puede observar que el carrete tiene las medidas indicadas en la Tabla 5, que la separación entre la guía de salida y la plataforma deslizante es de 100 mm, y que la plataforma está alineada con el carrete lleno. Figura 70.- Dimensionado previo de la estructura de la bobinadora (medidas en mm).
MEMORIA | Capítulo 3: Diseño de una trefiladora 69 3.2.1. Determinación de la fuerza de trefilado Para el trefilado del hilo de cobre utilizado se utilizarán tres dados, cuyo proceso es: - Dado 1: reducir de 5,19 mm a 4,60 mm - Dado 2: reducir de 4,60 mm a 4,00 mm - Dado 3: reducir de 4,00 mm a 3,50 mm Los diámetros 4.60, 4.00 y 3.50 se corresponden con los diámetros de salida de los dados elegidos. El coeficiente de fricción y el ángulo de reducción se indican en la Tabla 5. Con estos diámetros se consigue una reducción inferior al 25 %. Aplicando (15) se puede comprobar que esto es así: 𝑟 ( % ) = 5 , 19 − 4 , 60 5 , 19 · 100 = 21 , 44 % 𝑟 ( % ) = 4 , 60 − 4 , 00 4 , 60 · 100 = 24 , 38 % 𝑟 ( % ) = 4 , 00 − 3 , 50 4 , 00 · 100 = 23 , 44 % Sabiendo que los dados elegidos son correctos, se procede a aplicar las expresiones del apartado 3.1.4. cuyos resultados se adjuntan en la tabla siguiente. En este punto del proceso no influye el radio del carrete. Tabla 6.- Resultado de las fuerzas de trefilado. Parámetro Dado 1 Dado 2 Dado 3 𝑫 𝟎 [ 𝒎𝒎 ] 5,19 4,60 4,00 𝑫 𝒇 [ 𝒎𝒎 ] 4,60 4,00 3,50 𝑨 𝟎 [ 𝒎 𝒎 𝟐 ] 21,15 16,62 12,57 𝑨 𝒇 [ 𝒎 𝒎 𝟐 ] 16,62 12,57 9,62 𝒓 ( % ) 21,44 24,38 23,44 𝝐 0,241 0,279 0,267 𝒀 𝒇 [ 𝑴𝑷𝒂 ] 98,26 105,74 103,36 𝝓 1,49 1,41 1,44 𝑫 [ 𝒎𝒎 ] 4,895 4,300 3,750 𝑳 𝒄 [ 𝒎𝒎 ] 0,954 0,971 0,809 𝝈 𝒅 [ 𝑴𝑷𝒂 ] 43,10 50,71 48,18 𝑭 𝒕𝒓𝒆𝒇 [ 𝑵 ] 716,3 637,2 463,6
Diseño y Control de una trefiladora 76 𝑖 = 𝐷 𝐷 = 𝑇 𝑇 = 𝑛 𝑛 (40) Considerando las velocidades y pares en el carrete cuando este se encuentra vacío y lleno, se determinan estos valores en el lado del reductor. Los resultados los recoge la Tabla 10. Tabla 10.- Velocidad y par antes y después del sistema de poleas. n (rpm) T (Nm) n (rpm) T (Nm) Carrete vacío Carrete lleno En el carrete 29,4 81,0 14,7 162,0 En el reductor 58,8 40,5 29,4 81,0 Ahora se debe elegir el reductor. Para ello se buscará un modelo que permita una potencia de entrada mínima de 250 W, y que cumpla mínimamente con el par máximo de 81 Nm que refleja la anterior tabla en el lado del reductor. Después de consultar varios catálogos se elige un reductor con relación i2= 44,1 y con un par nominal de salida de 90 Nm (se ha considerado un factor de servicio de 1). Con los datos del reductor se puede determinar la velocidad y par que desarrollaría el motor en estas condiciones. Tabla 11.- Velocidad y par en el sistema de transmisión del motor de bobinado. n (rpm) T (Nm) n (rpm) T (Nm) Carrete vacío Carrete lleno En el carrete 29,40 81,00 14,69 162,00 En el reductor 58,80 40,50 29,38 81,00 En el motor 2.591,50 0,92 1.295,80 1,84 Con los resultados de la Tabla 11, se concluye que el motor por seleccionar, tiene que desarrollar como mínimo un par de 1,84 Nm, y girar en el rango de 1.295 rpm – 2.590 rpm aproximadamente. 3.3.2. Elección del tipo de motor La elección del motor se realizará siguiendo los cálculos desarrollados en el Ejemplo 8.3 de [2], en el que justamente se trata la aplicación de una bobinadora. El planteamiento a seguir consiste en calcular la potencia si se elige un motor de 2 polos o de 4, dado que son los más próximos al rango de velocidades indicado. La potencia se determinará aplicando la siguiente expresión:
MEMORIA | Capítulo 3: Diseño de una trefiladora 77 𝑃 ≥ 𝑇 · 𝜔 𝑐 = 𝑇 · 𝑛 9 , 55 · 𝑐 [ 𝑊 ] (41) donde 𝑐 es la capacidad de carga del motor, es decir, la relación entre el par desarrollado y el par nominal (T/Tn), 𝑃 y 𝑛 son el par y velocidad nominal del motor. Figura 73.- Curva típica de la capacidad de carga en un motor de inducción [2]. Motor de 2 polos (velocidad nominal de 3.000 rpm): Para la velocidad de 2.591,50 rpm se obtiene una capacidad de carga del 98 %, y 89 % para 1.295,80 rpm, obtenidos de la figura anterior. Con estos valores, la potencia nominal mínima del motor es: 𝑃, ≥1,84·3.000 9,55·0,89 = 647,8≈650 𝑊 Si se consulta un catálogo, en este caso del fabricante ABB, se podría seleccionar el modelo M2BAX 80MA 2 (IE2) de 400 V/50 Hz, 750 W, 2.843 rpm, 2,51 Nm y 1,71 A. Motor de 4 polos (velocidad nominal de 1.500 rpm): Para la velocidad de 2.591,50 rpm se obtiene una capacidad de carga del 61 %, y 98 % para 1.295,80 rpm. Con estos valores, la potencia nominal mínima del motor es: 𝑃, ≥1,84·1.500 9,55·0,98 = 294,1≈300 𝑊 Si se consulta un catálogo, en este caso del fabricante ABB, se podría seleccionar el modelo M2BAX 71MB 4 (IE2) de 400 V/50 Hz, 370 W, 1.418 rpm, 2,5 Nm y 1,08 A.
Diseño y Control de una trefiladora 78 Se puede observar que claramente el segundo modelo es la opción más optima, ya que no está sobredimensionado respecto a la potencia de 250 W que necesita el carrete para bobinar. Además, sus características indican que puede desarrollar un par superior a 1,84 Nm, y al tener una menor potencia que el modelo de 750 W, será de menor tamaño. Por lo tanto, el motor seleccionado será el modelo de uso general M2BAX 71MB 4 (IE2) del fabricante ABB (ver Figura 74). Al presentar una velocidad nominal inferior a la máxima de 2.843 rpm, el motor se debe controlar para que funcione en el rango de debilitamiento de campo, conocido también como el rango de potencia constante, probablemente la característica que define al funcionamiento de un proceso de bobinado. A continuación se presentan las características nominales más importantes de este motor: Tabla 12.- Especificaciones del motor elegido para la bobinadora [72]. Motor de inducción modelo M2BAX 71MB 4 (IE2), ABB Pn (W) V (V) F (Hz) Nº polos n (rpm) (%) cos In (A) Is/In Tn (Nm) Tl/Tn Tb/Tn 370 400 50 4 1.418 72,7 0,69 1,08 5 2,5 2,5 3 Se debe comentar que Is/In es la relación entre la corriente de arranque y la corriente nominal, Tl/Tn es la relación entre el par de arranque y el nominal, y Tb/Tn es la relación entre el par máximo y el nominal. Figura 74.- Ejemplo del tipo de motor elegido para la bobinadora [72]. 3.4. DIMENSIONADO DEL VFD DEL MOTOR DE BOBINADO El funcionamiento del motor de bobinado fuera de sus valores nominales, como es el caso del funcionamiento en debilitamiento de campo, hace evidente la necesidad de utilizar un variador de frecuencia (lo llamaremos variador 1). Se recuerda que el motor elegido tiene una velocidad nominal de 1.418 rpm, y para el bobinado, la velocidad que tendrá que desarrollar se encontrará en el rango de 1.295 rpm – 2.590 rpm, aproximadamente.
MEMORIA | Capítulo 3: Diseño de una trefiladora 79 El dimensionado de este VFD dependerá de las características, ya definidas de la red, y de la corriente que necesitará el motor para funcionar desarrollando el par que requiere la carga. Según [2], una forma bastante aproximada de determinar esta corriente es mediante la siguiente expresión: 𝑖 = 𝑇 𝑇 · 𝐼 (42) Con las especificaciones del motor elegido, y el par de la carga de 1,84 Nm, se determina que esta corriente es 𝑖 =1,84 2,5 · 1,08=0,795 𝐴 En este punto, sabemos que el variador debe ser trifásico de 400 V, con una corriente mínima de 0,795 A, y una potencia nominal mínima de 370 W. Además, debe incluir como mínimo una entrada analógica para el sensor de tensión (célula de carga) y dos entradas digitales para el paro y marcha externo (con pulsadores). Consultando el catálogo de variadores de ABB, se descubre que hay una cierta variedad de VFD que encajarían con estas especificaciones. Sin embargo, esta variedad se acota cuando se consultan los variadores destinados para maquinarias. De esta forma, son dos los modelos que podrían cumplir con los requisitos, y que justamente son frecuentemente utilizados con bobinadoras. Estos modelos son el ACS355 y el ACS380. Figura 75.- Modelo de variador ACS380 (izquierda) y ACS355 (derecha) del fabricante ABB [73, 74]. Las versiones específicas de los modelos comentados son el ACS355-03E-01A2-4 y el ACS380-040S-01A8-4.
Diseño y Control de una trefiladora 80 Para saber qué modelo elegir, se adjunta a continuación las características específicas y generales que incluyen, para compararlas y justificar la opción seleccionada. Tabla 13.- Características generales y específicas de los variadores elegidos [73, 74]. ACS355-03E-01A2-4 ACS380-040S-01A8-4 Vn (V) 400 400 P n (W) 370 550 In (A) 1,2 1,8 P hd (W) 0,5 0,37 I hd (A) - 1,2 Dimensiones (mm) 169x70x187 223x70x174 Frecuencia (Hz) 0 a 599 0 a 599 Control del motor Escalar y vectorial Escalar y vectorial Tipo freno Con resistencia y chopper De flujo. Opcional de resistencia de frenado Precisión estática vel. 20 % del deslizamiento 20 % del deslizamiento Precisión dinámica vel. 1 %s con el 100% del par 1 %s con el 100% del par Respuesta del par < 10 ms con Tn < 10 ms con Tn Temp. de operación (ºC) - 10 ºC a +40 ºC - 10 ºC a +50 ºC Grado de protección IP20 IP20 Entradas Analógicas: 2 (1 para referencia de velocidad) Digitales: 5 (p.e. para marcha y paro del motor) Analógicas: 2 (1 para referencia de velocidad) Digitales: 4 (p.e. para marcha y paro del motor) Salidas Analógicas: 1 Digitales: 1 Analógicas: 1 Digitales: 2 Salida tipo relé 1 (para indicar un fallo) 1 (para indicar un fallo) Comunicaciones que soportan DeviceNet, PROFIBUS DP, POWERLINK, ControlNet, CANopen, Modbus RTU, EtherNet/IP, Modbus TCP, PROFINET IO, LonWorks y EtherC AT Modbus RTU embebido. Modulo opcional para conexiones con PROFIBUS, CANopen, EtherCAT, PROFINET, Ehternet/IP y Modbus TCP Opcionales Módulo de encóder Módulo de relé de salida (solo se puede elegir uno de estos módulos) Módulos para comunicaciones Módulo de 4 relés externos Módulo de entradas/salidas Interfaz de encóder Módulos para comunicaciones Aplicaciones típicas Transportadores, mezcladores, bobinadoras, máquinas de empaquetado y líneas de embotellado Transportadores, mezcladores, extrusoras, bobinadoras y grúas Otros Opción de monitorización remota Opción de monitorización remota Se observa que ambos modelos presentan prácticamente las mismas especificaciones. Sin embargo, el modelo ACS355 tiene un dimensionado más acorde con la potencia del motor, que justamente es de 370 W. Además, las 5 entradas digitales que tiene, permiten aplicar fácilmente una macro específica del variador para el control manual y automático. Esto es
MEMORIA | Capítulo 3: Diseño de una trefiladora 81 especialmente interesante para incorporar a la máquina trefiladora botoneras exteriores, que permitan controlar la máquina mediante pulsadores y un potenciómetro. En la Figura 75 se puede ver que el modelo ACS355 tiene más facilidad en la extracción del panel de control. Esta característica es también ventajosa, ya que permitiría al estudiante variar ciertos parámetros del variador, al mismo tiempo que observa como afectan a la máquina, estando a una distancia segura (el panel estaría conectado al variador mediante su respectivo cable de conexión, que por su longitud permitiría mantener una distancia segura de la propia máquina). Por las razones comentadas, se decide seleccionar el modelo ACS355-03E-01A2-4. 3.5. DIMENSIONADO DEL VFD Y MOTOR DE GUIADO El motor de guiado es el encargado de desplazar la plataforma de deslizamiento, que coordina el correcto bobinado del hilo de cobre. En trefiladoras industriales, este motor suele ser también de inducción trifásico, al igual que el motor de bobinado, pero de menores dimensiones. Para la máquina que se diseña en este trabajo, que podríamos considerar como una trefiladora industrial de pequeño tamaño, se propone el uso de un motor de inducción trifásico de pequeñas dimensiones. También dispondrá de su propio variador de velocidad. El par que debe desarrollar este motor será muy pequeño, ya que no debe mover una carga grande y variable. La velocidad, por otra parte, si es un parámetro determinante para seleccionarlo, ya que definirá el sistema de transmisión y la elección del motor. Velocidad lineal de la plataforma deslizante: Esta velocidad dependerá del tiempo que tarda el carrete de bobinado en enrollar una sola espira del hilo de cobre, y del desplazamiento que realiza la plataforma en este enrollado. 𝑣 = 𝑑 𝑡 = 2 𝜋 · 𝑟 𝑡 [ 𝑚 / 𝑠 ] (43) La expresión anterior relaciona la velocidad lineal del carrete (0,1 m/s), con el desplazamiento realizado en el enrollado de una espira, que se corresponde con el perímetro del carrete (el valor dependerá de cuando está vacío y lleno). El tiempo en enrollar 1 espira es: 𝑡í =2𝜋·0,0325 0,1 =2,04 𝑠 𝑡 =2𝜋·0,065 0,1 =4,08 𝑠
Diseño y Control de una trefiladora 82 El desplazamiento lineal que realiza la plataforma es justamente el equivalente al diámetro del cable (3,5 mm). Aplicando (63) se determina la velocidad lineal: 𝑣í =1,71 𝑚𝑚/𝑠; 𝑣 =0,86 𝑚𝑚/𝑠 El sistema de transmisión y el motor dependen de la velocidad angular (en rpm) del motor. Para ello, es necesario definir la plataforma, y obtener el radio de su eje. Selección de la plataforma de deslizamiento: La selección dependerá sobre todo del desplazamiento lineal (recorrido), que tendrá que ser como mínimo igual a la longitud interior del carrete de bobinado (150 mm). Se elige el modelo SLT-BB-0412-ER-S0015RG-300 del fabricante Igus, que puede funcionar perfectamente en operaciones motorizadas, con un recorrido máximo de 300 mm y una velocidad máxima de 1.000 rpm. El diámetro del eje es de 12 mm [75]. Figura 76.- Ejemplo del modelo de plataforma deslizante elegida [75]. Para esta plataforma, la velocidad de su eje sería de 2,73 rpm cuando el carrete está vacío, y de 1,36 rpm cuando está lleno. Selección del motor de guiado: Teniendo en cuenta especialmente la velocidad de la plataforma, se elige un motor de inducción trifásico de 40 W de la marca DKM. Además, se incluirá una caja reductora que el propio fabricante oferta para sus motores. La siguiente tabla muestra el modelo y características de ambos equipos: Tabla 14.- Características del reductor y motor de guiado [76]. MOTOR Modelo: 9IDGK-40-T Tipo V (V) f (Hz) Nº polos P (W) In (A) Tn (Nm) nn (rpm) Inducción 400 50 4 40 0,2 0,34 1.300 REDUCTOR Modelo: 9GBK BMH Ratio n salida máxima (rpm) T salida máximo (Nm) 1:200 8 9,8
MEMORIA | Capítulo 3: Diseño de una trefiladora 83 La transmisión del motor-reductor con la plataforma se realizará con un sistema de poleas de relación 2:1. Figura 77.- Ejemplo del tipo de motor de guiado elegido [76]. Selección del variador de frecuencia: Para la elección de este VFD se tendrá que en cuenta que el motor de guiado seguirá la consigna proveniente del motor de bobinado, y por lo tanto se requiere como mínimo de una entrada analógica. Además, dado que la plataforma debe desplazarse a derecha e izquierda, debe disponer de finales de carrera que indiquen al variador cuando cambiar de sentido de giro. Consultando el catálogo del fabricante ABB, se determina que el modelo de uso general que mejor encaja con el motor de guiado es el micro-variador ACS150. Las especificaciones del modelo concreto elegido se muestran a continuación. Tabla 15.- Especificaciones del VFD del motor de guiado [77]. Modelo: ACS150-03E-01A2-4 Vn (V) 400 Pn (W) 370 In (A) 1,2 Phd (W) 500 Dimensiones (mm) 169x70x142 Frecuencia (Hz) 0 a 500 Hz Control del motor Escalar V/f Tipo freno Resistencia de frenado Temp. de operación - 10 ºC a +40 ºC Grado de protección IP20 Entradas 5 entradas digitales 1 entrada analógica Salidas - Salida tipo relé 1 Al igual que el VFD del motor de bobinado, el ACS150 permite aplicar la macro para el control manual y automático.
Diseño y Control de una trefiladora 84 En la Tabla 15 se puede observar que el VFD elegido (lo llamaremos variador 2) está sobredimensionado respecto el motor. Esta peculiaridad era de esperar debido a las reducidas dimensiones del motor. Sin embargo, el variador seleccionado corresponde a uno de los modelos más pequeños del catálogo consultado del fabricante ABB. Figura 78.- Ejemplo del VFD elegido para el motor de guiado [77]. 3.6. PROTECCIONES DE LA TREFILADORA 3.6.1. Protecciones eléctricas Las protecciones eléctricas de la trefiladora corresponden sobre todo a las protecciones de los variadores y los motores. Como ya se indicó en el capítulo de Antecedentes, existen ciertas protecciones incluidas internamente en el variador. Consultando el manual de ambos variadores se descubren las siguientes: - Protección del motor ante cortocircuitos. - Protección del variador, los cables de alimentación y del motor contra sobrecargas de temperatura. - Protección del motor contra sobrecargas de temperatura. Ambos manuales recogen gran variedad de recomendaciones con respecto a la instalación, mantenimiento o el simple uso del variador. Por ejemplo, antes de realizar cualquier acción de cableado o mantenimiento se debe parar el motor y asegurarse que no existe tensión en los terminales de alimentación, y esperar 5 minutos a que se descarguen los condensadores del bus CC. Además se indica, por ejemplo, la conexión del conductor de tierra del motor al terminal indicado del variador, junto con las pantallas aplicadas a los cables del motor (ver Figura 79, donde se muestra también la resistencia de frenado, y una posible configuración de las protecciones externas aguas arriba del variador).
MEMORIA | Capítulo 3: Diseño de una trefiladora 85 Figura 79.- Diagrama de conexión de los cables de entrada y salida de los variadores [78, 79]. Si consultamos las protecciones externas que necesitan ambos variadores, nos encontraremos con la siguiente imagen, donde se puede observar que, como mínimo, se necesitan fusibles (o magnetotérmico) para proteger ante las sobreintensidades. Para casos de instalación y mantenimiento se debe instalar un interruptor manual y bloqueable. Figura 80.- Protecciones mínimas externas que requieren los variadores elegidos [78, 79]. En el caso de la máquina trefiladora, se utilizará un interruptor principal (de tipo seccionador/conmutador) y un magnetotérmico para todo el conjunto. Esta configuración suele ser muy típica en la industria, ya que el interruptor principal se corresponde con el último elemento que el operario debe accionar para dar tensión a la maquina o maquinarias, después de comprobar que el estado del conjunto es el correcto; se suele utilizar un solo magnetotérmico especialmente por la reducción de espacio y costes, aunque siempre es posible instalar uno para cada variador. Para proteger a las personas contra contactos directos, se utilizará un diferencial, y adicionalmente un contactor para desconectar la alimentación de ambos variadores, en caso de que la resistencia de frenado de cualquiera de ellos presente un sobrecalentamiento peligroso. Este tipo de protección la recomienda el fabricante de los variadores como una medida más para asegurar el buen funcionamiento de los variadores. Se recuerda que estas resistencias aseguran el correcto frenado de los motores. Este contactor también se podría
Diseño y Control de una trefiladora 92 interruptor magnetotérmico Acti 9 iC60 (ref. A9F79606) de 1P+N, 6 A, curva C y poder de corte de 6 kA a 230 VCA, del fabricante Schneider. Para ello se ha tenido en cuenta el consumo total de aproximadamente 1 A del amplificador y fuente de 24 VCC, además de la posible adición de más componentes. Contactor de 3 polos: Como medida de protección adicional de los variadores, se utilizará un contactor de 3 polos, que interrumpirá la alimentación de estos cuando se produzca una sobretemperatura peligrosa en las resistencias de frenado de cualquiera de los variadores, tal y como especifica el fabricante de los variadores. El modelo elegido es el TeSys K (ref. LC1K06106BLS207) de 6 A y 440 V del fabricante Schneider. La bobina se alimenta a 24 VCC, e incluye un contacto auxiliar normalmente abierto. Armario eléctrico: En este trabajo no se selecciona un armario eléctrico, pero por motivos del dimensionado de la estructura, se ha realizado un pequeño estudio de las medidas que debería cumplir teniendo en cuenta que alojará a todos los dispositivos de protección, a los variadores y sus resistencias de frenado, la fuente de alimentación y el amplificador del sensor de tensión. Con las medidas de estos componentes, se estima que el armario podría ser de 600 mm de alto por 600 mm de ancho, y 300 mm de profundidad. Deberá incorporar una placa de montaje y carriles DIN de 35 mm, entre otros. La selección definitiva de un modelo de armario dependerá de si se añaden más componentes eléctricos a la máquina. La siguiente figura muestra una imagen de ejemplo de cada uno de estos componentes. Figura 84.- Dispositivos de protección elegidos [Fuente: datasheet del producto – Anexos-].
MEMORIA | Capítulo 3: Diseño de una trefiladora 93 Dispositivos de mando y señalización: Interruptor principal: Para dar tensión a la máquina después de conectar la toma de corriente trifásica de 400 V, se utilizará un interruptor seccionador/conmutador modular de 3 polos+neutro+tierra y 12 A, tendiendo en cuenta que la corriente nominal del conjunto de variadores, fuente de alimentación CC y amplificador es de 5,4 A. Se compondrá del módulo principal de 3 polos (modelo VN12), del módulo adicional para el neutro (modelo VZN11) y tierra (modelo VZN14), y de los adicionales necesarios para su accionamiento. Todos los módulos pertenecen al fabricante Schneider. Piloto de señalización de presencia de tensión: Para indicar de la presencia de tensión en la máquina, se utilizará una luz piloto de color blanco. En especial el modelo XBABVM1 de 22 mm y 230 VAC del fabricante Schneider. Piloto de señalización de marcha del variador 1: Como se ha indicado en previos apartados, el variador 1 dispondrá de un piloto para señalizar su estado de marcha (running). Para ello se elige el modelo XB4BVB3 de color verde, de 22 mm y 24 VCC del fabricante Schneider. Pilotos de señalización de fallo en variador 1 y/o 2: Los dos variadores dispondrán de su respectivo señalizador de fallo, correspondiente a un piloto de color amarillo. El modelo elegido es el XB4BVB5 del mismo fabricante. Pulsador de marcha del variador 1: Sólo el variador 1 dispondrá de pulsador de marcha. Se elige el modelo XB7NA31 de color verde, de 20 mm y 1 contacto normalmente abierto. Pulsador de paro del variador 1: Sólo el variador 1 dispondrá de pulsador de paro. Se elige el modelo XB7NA42 de color rojo, de 20 mm y 1 contacto normalmente cerrado. Finales de carrera para la plataforma de deslizamiento: Para permitir el cambio de giro en la plataforma de deslizamiento, se utilizarán dos finales de carrera, localizados a cada extremo de la plataforma. Para ello se elige el modelo XCKN2118G11 del fabricante Telemecanique. Dispone de un contacto normalmente abierto y otro normalmente cerrado, además de un rodillo para su accionamiento. Paros de emergencia: Como es natural, una máquina como la trefiladora, requiere de al menos un pulsador de paro de emergencia. Se opta por utilizar dos de estos pulsadores, uno se ubicará en la botonera que se presenta en el próximo apartado, y el otro en un extremo de la estructura (externo).
Diseño y Control de una trefiladora 94 Se elige el modelo XB5AS8445 de 40 mm para el localizado en la botonera, y el modelo XALK178E, de montaje superficial, para localizarlo sobre la estructura (ver figura siguiente). Todos los componentes de mando y señalización elegidos se muestran en la siguiente figura, que recoge ejemplos extraídos de los respectivos datasheets. Figura 85.- Dispositivos de mando y señalización elegidos [Fuente: datasheets -Anexos-]. Otros: Plataforma de deslizamiento: Como ya indicado previamente, se utilizará la plataforma deslizante modelo SLT-BB-0412- ER-S0015RG-300 del fabricante Igus. Entre sus características se destaca su recorrido de 300 mm y su velocidad máxima de 1,5 m/min. Se recuerda que el recorrido máximo de esta plataforma es de 150 mm, y se corresponde con la longitud del carrete predefinido. Fuente de alimentación de 24 VCC: Para la alimentación de los pilotos de señalización y los pulsadores y finales de carrera, se utilizará la fuente de alimentación de 24 VCC modelo ABL8MEM24012 del fabricante Schneider. Se destaca su potencia de 30 W, y su corriente de salida de 1,2 A (más que suficiente para los pilotos con consumos de 18 mA y para las entradas del variador que consumen como máximo 200 mA en su totalidad). Además, incluye 2 terminales positivos y negativos de salida, y un LED indicador del estado de la salida. Toma de corriente trifásica: Para la conexión de la red trifásica de 400 V/50 Hz, se debe utilizar un conector hembra en la máquina. Para ello se elige el modelo PKY16F435 de 16 A y 3 polos + neutro + tierra del fabricante ABB. Esta dimensionado para cables de hasta 2,5 mm2.
MEMORIA | Capítulo 3: Diseño de una trefiladora 95 Toma de corriente monofásica: Se añadirá a la máquina una toma de corriente de 230 V, por ejemplo, para el uso de un ordenador cuando se realicen conexiones con los variadores, o incluso para la conexión con un PLC en el caso de que este dispositivo se añada en el futuro. Se elige el modelo Mureva Styl (ref. MUR36135) de 16 A del fabricante Schneider. Se incluyen otros módulos para su montaje en exterior. Célula de carga: Para medir la tensión ejercida sobre el hilo de cobre que la máquina trefilará y bobinará, se utilizará una célula de carga, que se conectará al variador 1 para realizar el control del proceso. Para su elección se debe tener en cuenta que debe tener una configuración de polea para el recorrido del hilo de cobre con el resto de poleas, y que la tensión máxima en la máquina trefiladora es de 2.490,3 N. Partiendo de esta información se elige el modelo TS- 250-PW-EC12M del fabricante MAGPOW, donde se denota por 250 la tensión máxima en kg que puede tener el cable que recorre su polea. La Figura 86 muestra un ejemplo de este modelo, donde se aprecia que es de tipo polea. Amplificador de la célula de carga: Los terminales de la célula de carga son cuatro, dos de alimentación y dos de señales; además, la salida es una señal de máximo 21 mVCC. Estas características son incompatibles con las entradas del variador de bobinado, donde dichas entradas se componen de 3 terminales (alimentación, común y señal), y aceptan señales de 0 a 10 V o de 0 a 20 mA. Para solucionar esta situación se elige un amplificador modelo TSA del mismo fabricante, que permite conectar hasta 2 sensores, alimentándolos a la tensión que les corresponde, y a la salida devuelve el terminal de señal y el común. Dados de trefilado: Para el proceso de trefilado se requieren de 3 hileras o dados de trefilado. Estas hileras se pueden diseñar y producir según las características que se deseen. Para este trabajo se consultó el catálogo de dados de diamante policristalino del fabricante Esteves Group. Poleas: La máquina dispondrá de dos poleas de 10 cm para mantener un buen nivel de tensión en el hilo de cobre. El ancho dependerá del modelo exacto que se elija. Carretes: Para el dimensionado de muchos componentes se definió que el carrete de bobinado tendría 150 mm de largo y un recorrido de enrollado de 32,5 mm. Sin embargo, resultaría interesante que la máquina aceptase una cierta variedad de carretes. Todos los componentes descritos en este subapartado se muestran a modo de ejemplo en la siguiente figura. Cada una de las imágenes pertenece al datasheet correspondiente.
Diseño y Control de una trefiladora 96 Figura 86.- Otros componentes de la trefiladora [Fuente: datasheet del producto -Anexos-]. Además de los componentes elegidos y recomendados, existen partes de la estructura que requerirán de especial atención para su diseño. Un ejemplo de esto es la estructura para colocar el carrete de entrada, ya que se debe asegurar que se puedan colocar carretes de distinto tamaño. También se debe diseñar la sujeción y colocación de los pulsadores de final de carrera. Un último caso, y más importante, sería el del carrete de bobinado, ya que su estructura debe permitir que se extraiga cuando se bobine la cantidad de material deseado. 3.9. REPRESENTACIÓN BÁSICA DE LA ESTRUCTURA Previamente se ha comentado que en este trabajo no se realizará el diseño de la estructura de la máquina de trefilado. En su lugar se realizará una representación de los elementos elegidos y recomendados, respetando sus dimensiones, para obtener las medidas orientativas que podría cumplir el diseño real de la estructura. Sin embargo, este diseño está totalmente sujeto a la distribución de los elementos, y a la distancia de separación entre ellos. La representación final de la estructura se muestra en la Figura 87, considerando que está formada del perfil de aleación de aluminio antes mencionado. En la representación realizada se podrá observar que se han dibujado solo las “barras” principales. Esto es así, ya que la intención es obtener las medidas exteriores de la estructura. Además, con este tipo de perfil es posible realizar con gran flexibilidad el montaje que se desee, y por ello, queda como estudio determinarlo. Se reitera la necesidad de estudiar el diseño específico de las sujeciones o soportes del carrete de entrada, que permita la introducción o extracción de este, siendo posible que tenga diferentes tamaños. También se debe estudiar los soportes de los dados de trefilado. Como ya se ha mencionado, estos soportes se deben desplazar fácilmente para permitir el estirado
MEMORIA | Capítulo 3: Diseño de una trefiladora 97 manual del hilo de cobre, cuando se realiza por primera vez. Las guías pueden ser cualquier elemento metálico que impida que el hilo de cobre entre a los dados y a la plataforma de deslizamiento de forma incorrecta. Por otro lado, la ubicación de los motores determinará la longitud necesaria de las correas dentadas, y del centro de masas de la máquina, ya que los podemos considerar como los elementos más pesados en la estructura. Por esta razón se podría pensar en ubicarlos lo más bajo posible, para que el centro de masas esté, a su vez, lo más bajo posible. Entre los varios elementos que puede incluir, se puede ver que se ubica la toma de corriente trifásica en un extremo, y a la altura del armario eléctrico. Además, está presente el interruptor principal (nº 14), ubicado en un lateral del armario y de color rojo-amarillo para mayor visibilidad. También está la toma de corriente de 230 V en una localización accesible, y el paro de emergencia externo (nº 17), situado en el extremo opuesto del otro. Figura 87.- Representación de la estructura para obtener unas medidas orientativas (en mm).
Diseño y Control de una trefiladora 98 Un elemento muy importante que se señala en la Figura 87 es la botonera (nº 15). La Figura 88 muestra la ampliación de esta zona. Se puede apreciar que en la botonera se encuentran los elementos de mando y señalización de la máquina. El pilo de tensión, ubicado entre una fase y el neutro de la red de entrada, se encenderá en el momento en que se accione el interruptor principal, que dará tensión a toda la máquina. Figura 88.- Botonera de la máquina trefiladora. Una vez la máquina esté alimentada, se puede proceder a dar marcha al variador 1 mediante el pulsador de marcha. Al hacer esto entraría en funcionamiento el control de lazo cerrado de la máquina, y para ello se accionaría el motor 1, y se enviaría la consigna de velocidad al variador 2 para accionar el motor 2. Por supuesto, la función de todo esto es trefilar y bobinar el hilo de cobre de entrada, manteniendo constante la tensión aplicada. Cuando este proceso se inicia, el piloto verde se encendería. Si se produce algún fallo en cualquiera de los variadores (p.e. se retira el panel de control o se desconecta una de las fases de algún motor) entonces el piloto amarillo correspondiente se encendería. En todo momento se podría pulsar el pulsador de paro. Por último, se observa que se incluye un paro de emergencia que debe estar al alcance de la persona que en su momento trate con la botonera. La estructura que se representa en la Figura 87 es suficientemente grande para incluir más elementos de protección o mando, como serían relés de protección, PLC, HMI, sensores, etc., y con todo ello el conjunto de pulsadores y pilotos, entre otros, que permitirían una mayor maniobrabilidad y señalización del estado del proceso. De hecho, si se consultan los manuales de los variadores, se comprobará que existen ciertas conexiones predefinidas, y con funciones específicas. Esto es interesante, sobre todo desde el punto de vista del estado del arte realizado sobre demos, ya que esta máquina, además de poder realizar un proceso específico, podría estar dotada de una serie de elementos que permitiesen explotar muchas de las opciones que tienen los variadores elegidos. Un ejemplo sería observar el funcionamiento PID del variador mediante la introducción de la consigna con un potenciómetro, y la variación de la variable controlada (p.e. presión, fuerza, caudal) mediante otro potenciómetro. También se podrían realizar ensayos para comparar los
MEMORIA | Capítulo 3: Diseño de una trefiladora 99 métodos de control que incorporan, los de frenado, las aceleraciones y deceleraciones, la capacidad de temporizar su funcionamiento e incluso de evitar ciertas velocidades. La funcionalidad de la máquina se podría incrementar sustancialmente mediante la incorporación de un PLC y un HMI para la visualización de datos. 3.10. CONTROL DE TENSIÓN En varias ocasiones se ha comentado que el proceso de trefilado y bobinado se llevará a cabo mediante el control de tensión del hilo de cobre. Para ello se utilizará un sensor de tensión, que en este caso se corresponde con la célula de carga elegida. La medida de tensión servirá como retroalimentación para el variador de bobinado, donde se comparará con el valor de tensión deseado o consigna, que se determinó como 2.490,3 N. El error generado de comparar la tensión real del material con la consigna se intentará reducir mediante un controlador PI. El variador de bobinado incluye la técnica tensión-frecuencia y la técnica de control por orientación de campo (FOC). Ya se ha mencionado que el variador controla el par o la velocidad del motor, y para el desarrollo del control de la trefiladora se considerará el control por orientación de campo en su función de control del par del motor. El tipo de FOC será indirecto, y por ello será necesario calcular el ángulo del flujo del rotor. Como resumen, el control de la trefiladora se basará en generar una referencia de par, según la medida de tensión del hilo de cobre, para controlar el par motor. En otras palabras, el control dispondrá de dos lazos de control: uno externo de tensión y uno interno de par, justo como indica la siguiente figura. En el lazo de control de par, la referencia viene dada por el lazo de control de tensión, y el par real del motor se obtiene mediante los cálculos propios del control FOC (p.e. las transformadas de Park y Clarke), donde se recuerda que la corriente Iq representa el par. Figura 89.- Lazos de control en el control de la trefiladora. Los planos eléctricos ya ilustran el conexionado necesario de los elementos que intervienen en este control. El siguiente paso consistiría en la puesta en marcha del variador 1 (introducción de los parámetros nominales e iniciales de la máquina, p.e., datos del motor,
Diseño y Control de una trefiladora 100 tasas de aceleración, deceleración, limitación de velocidades, etc.) y en la configuración de ciertos parámetros para ejecutar el control descrito, como sería el controlador PI. También se requeriría la configuración de los terminales de entrada y salida, donde se conectan los sensores y pulsadores, entre otros. La salida analógica del variador 1 indicará la velocidad del motor 1, y por ello se utilizará como entrada del variador 2, donde se configurará cual debe ser la velocidad del motor 2. En este trabajo solo se desarrolla el control que engloba el variador 1 y su motor. El estudio y elaboración de este control se lleva a cabo en el siguiente capítulo, donde se observará que se ha implementado en el programa Simulink cada uno de los elementos involucrados: red eléctrica, variador de frecuencia, motor y reductor, carga (bobinadora), control FOC y el control de tensión. Cada uno de estos bloques se explica en cada paso, siendo alguno de ellos de elaboración propia, y otros pertenecientes a las librerías de Simulink (debido a que la elaboración propia ha resultado compleja o no ha dado resultados satisfactorios).
MEMORIA | Capítulo 4: Control de la trefiladora 101 CONTROL DE LA TREFILADORA 4.1. MODELIZAZIÓN DEL CONTROL DE LA TREFILADORA EN SIMULINK 4.1.1. Introducción En el apartado 3.10 se introdujeron los elementos que intervienen en el control de la trefiladora. Este capítulo inicia con un recordatorio de estos elementos, ya que se realizará un modelo en Simulink de cada uno de ellos para obtener, en definitiva, el modelo general (exceptuando el variador y motor 2) que permita simular el comportamiento de la trefiladora, y para ser más exactos, del proceso de bobinado que se lleva a cabo. El objetivo final es verificar que el control de tensión cumple con las expectativas iniciales de bobinar el hilo de cobre trefilado manteniendo constante su tensión. La figura siguiente muestra los mencionados elementos: Figura 90.- Esquema básico de los elementos de la trefiladora para la modelización de su control. Antes de proceder con el modelizado de cada elemento, se debe tener en cuenta las siguientes consideraciones: - Se realizará un modelo discreto, es decir, la simulación y generación de señales se realizará de forma discreta, siguiendo un periodo de muestreo de 10 s (Ts). - Para el modelo del motor y el reductor se utilizarán los bloques propios que proporciona Simulink.
Diseño y Control de una trefiladora 108 sistema de poleas con un ratio de 2 (visto en el carrete). Para introducir estos elementos en Simulink se utiliza el bloque Speed reducer. Para este trabajo se configura el modelo con un ratio de 88,2 (el producto de los dos ratios anteriores), considerando la inercia y la eficiencia los valores por defecto. El bloque también requiere introducir los valores de rigidez y amortiguación del reductor en el lado de baja y alta velocidad. Después de realizar varios intentos de “prueba y error” se concluye que los valores que muestra la Figura 98 son los que dan un buen resultado en las simulaciones. Figura 98.- Bloque predefinido de Simulink de un reductor de velocidad. La unión del motor y el reductor se hace como muestra la siguiente figura, donde se aprecia que la velocidad Nh (velocidad alta en el reductor) es la propia del motor, Nl (velocidad baja
MEMORIA | Capítulo 4: Control de la trefiladora 109 en el reductor) es la velocidad del carrete de la bobinadora, Th es el par aplicado por el reductor al carrete, y Tl el par desarrollado por el motor. Figura 99.- Implementación del motor de bobinado y su reductor en Simulink. 4.1.5. Modelo de la carga (bobinadora) Para modelizar la bobinadora, se deben obtener las expresiones que gobiernan su comportamiento, y que dependerá de la tensión del material, el radio del carrete y el par motor aplicado, entre otros. A continuación se indican dichas expresiones obtenidas de [82], considerando despreciables cualquier tipo de fricción. Velocidad lineal del material bobinado: 𝑣 = 𝜔 · 𝑟 [ 𝑚 / 𝑠 ] (52) Longitud del material bobinado: 𝐿 = 𝑣 𝑑𝑡 [ 𝑚 ] (53) Radio del carrete: 𝑟 = 𝑟 + ℎ 2 𝜋 𝜔 𝑑𝑡 [ 𝑚 ] (54) Masa del material bobinado: 𝑚 = 𝑉 · 𝜌 = 𝜋 𝑙 · 𝜌 · ( 𝑟 − 𝑟 ) [ 𝑘𝑔 ] (55) Inercia inicial del carrete: 𝐽 = 1 2 𝑚 · 𝑟 [ 𝑘𝑔 · 𝑚 ] (56) Inercia variable del carrete:
Diseño y Control de una trefiladora 110 𝐽 = 𝐽 + 𝐽 = 𝐽 + 1 2 𝑚 · 𝑟 = 𝐽 + 1 2 𝜋𝑤 · 𝜌 · ( 𝑟 − 𝑟 ) [ 𝑘𝑔 · 𝑚 ] (57) El par del carrete se puede expresar como: 𝑇 = 𝐹 · 𝑟 [ 𝑁 · 𝑚 ] (58) El equilibrio dinámico de la bobinadora se describe como: 𝑇 = 𝐽 · 𝑑𝜔 𝑑𝑡 + 𝑇 [ 𝑁 · 𝑚 ] (59) donde, 𝑣 es la velocidad lineal del hilo de cobre, indicada como 0,1 m/s, 𝑟 es el radio inicial del carrete, que para este trabajo es de 32,5 mm, 𝜔 es la velocidad angular en rad/s del hilo de cobre en el carrete, ℎ es el espesor del hilo de cobre, que en este caso sería su diámetro de 35 mm, 𝑙 es el ancho del carrete, definido como 0,15 m, 𝜌 es la densidad del hilo de cobre, siendo igual a 8960 kg/m3, 𝑚 es la masa inicial del carrete, que se ha considerado como 2 kg, 𝐹 es la tensión aplicada al hilo de cobre. El valor máximo determinado es de 2.490,3 N. Al llevar estas expresiones a Simulink, se obtiene el siguiente modelo. Figura 100.- Implementación del modelo de la bobinadora en Simulink. Se puede apreciar que, por lo general, cada bloque se corresponde con algunas de las expresiones incluidas anteriormente. De todo este sistema se extrae información relevante de la bobinadora, como es su masa o incluso la longitud de hilo de cobre bobinado.
MEMORIA | Capítulo 4: Control de la trefiladora 111 Para conectar el anterior modelo con el resto, se crea un subsistema, como muestra la siguientes figura, donde también se incluye los parámetros que se deben introducir, como son los radios iniciales y finales, el diámetro del cable una vez trefilado, etc. Se señala la densidad del material, que al ser un hilo de cobre puro, corresponde a 8.960 kg/m3; el resto de valores se han indicado a lo largo de este trabajo. Figura 101.- Bloque final del modelo de la bobinadora y los parámetros iniciales. Para comprobar que este modelo es correcto, se ha utilizado un sistema completo que provee Matlab sobre una bobinadora de papel que utiliza un motor de CC. Este sistema lo incluye Simulink en sus librerías bajo el nombre de “cs_winder” [83]. Para la comprobación se simula el sistema de Simulink y se comparan los resultados con los obtenidos de la simulación del mismo sistema, pero con el modelo de la bobinadora desarrollado en este trabajo. Si el modelo es correcto se debería obtener, aproximadamente, las mismas curvas. La siguiente figura muestra el resultado obtenido de las dos simulaciones. Se puede apreciar que las curvas de velocidad, par y potencia son muy similares, y las diferencias que pueda haber provienen de algunos elementos de filtrado que incorpora el modelo de Simulink, además de la fricción que tiene en cuenta. Con todo esto se puede afirmar que el modelo de la bobinadora desarrollado funciona satisfactoriamente.
Diseño y Control de una trefiladora 112 Figura 102.- Resultados del modelo de la bobinadora de Simulink y del modelo propio. 4.1.6. Modelo del control por orientación de campo Para desarrollar el modelo del control FOC en Simulink, se seguirá el esquema presentado en la Figura 15. Previo a la presentación del modelo resultante, se introducen las expresiones necesarias para determinar el ángulo del flujo del rotor [84], teniendo presente que se debe trabajar en la zona de debilitamiento de campo, ya que el motor funcionará a una velocidad superior a sus 1.418 rpm nominales. En primer lugar se generará el sistema que permitirá al motor trabajar en la zona de debilitamiento de campo. Se recuerda que esta zona se da cuando se desea ir a velocidades superiores a la nominal. Para ello se reduce la corriente de magnetización 𝐼, que afecta directamente a la corriente 𝐼, que es la generadora del flujo del motor [84]. Teniendo en cuenta que la corriente 𝐼 disminuye en cierta proporción con el aumento de la velocidad, se propone la siguiente expresión, que describe la forma más simple de determinar esta corriente de referencia: 𝜔 ≤ 𝜔 , ∶ 𝐼 _ = 𝐼 ∗ , 𝜔 > 𝜔 , ∶ 𝐼 _ = 𝐼 ∗ · 𝜔 , 𝜔 (60) Por otra parte, el valor real de esta corriente depende proporcionalmente de la corriente 𝐼 como indica la siguiente expresión:
MEMORIA | Capítulo 4: Control de la trefiladora 113 𝐼 = 𝐼𝑑 · 1 1 + 𝑠 𝜏 ; 𝜏 = 𝐿 𝑅 (61) Comparando la corriente de referencia 𝐼 ∗ con su valor real, y aplicando un controlador PI, se obtiene 𝐼 ∗, que no es más que la referencia del flujo, que en la zona de debilitamiento de flujo será un valor en constante decrecimiento. El valor de 𝐿 y 𝑅 se corresponden con los parámetros internos del motor, mientras 𝜔, sería la velocidad máxima del motor en condiciones nominales, que resulta ser 1.418 rpm o 148,5 rad/s. El valor de 𝐼 ∗ se supondrá de 0,7 A, teniendo presente que suele ser un valor inferior a 1. Con esta información se puede obtener el ángulo del flujo del rotor como sigue: 𝜃 = 𝜔 𝑑𝑡 = ( 𝜔 + 𝜔 ) 𝑑𝑡 = 𝐼 𝜏 · 𝐼 + 𝑝 · 𝜔 𝑑𝑡 (62) donde 𝐼 es la corriente en cuadratura resultante después de aplicar la transformada de Clarke y Park a las corrientes del estátor del motor; 𝜔 es la velocidad electromagnética del motor, y 𝑝 son los pares de polos del motor. Una última expresión necesaria es la que permita obtener la referencia de la corriente en cuadratura, es decir 𝐼 ∗, a partir del par de referencia que generará el control de tensión. Esta referencia se puede obtener como: 𝐼 ∗ = 𝑇 ∗ 𝑘 · 𝐼 ; 𝑘 = 3 2 𝑝 · 𝐿 𝐿 [ 𝐴 ] (63) Con toda esta información previa ya es posible generar el modelo del control FOC. Para ello se utilizarán los bloques predefinidos en Simulink para las transformadas de Clarke y Park. Del mismo modo, para generar los pulsos PWM de conmutación de los interruptores del inversor, se utilizará el bloque PWM Generator. Todos estos detalles se pueden apreciar en la siguiente figura, y en la Figura 104. Figura 103.- Implementación en Simulink del control FOC del variador de la bobinadora.
Diseño y Control de una trefiladora 114 Se ha considerado que tanto el lazo de control de 𝐼 como 𝐼 e 𝐼 tendrán el mismo controlador PI, y por lo tanto con las mismas constantes. Con prueba y error se determina que la constante proporcional e integral de ambos controladores es de 10 y 5 respectivamente, ya que permiten obtener una respuesta satisfactoria, como se podrá verificar en los resultados comentados en los siguientes apartados. Figura 104.- Implementación del control de debilitamiento de campo y del modulador PWM del control FOC. Se puede comprobar que el debilitamiento de campo se da cuando la velocidad del motor es superior al valor máximo considerado (148,5 rad/s), ya que a partir de este punto la referencia de 𝐼 disminuirá con el incremento de la velocidad. Por otro lado, se observa el modelo creado para generar los pulsos de conmutación de los IGBT. El modelo se compone del bloque PWM Generator que generará los pulsos de acuerdo con las tensiones de entrada. 4.1.7. Modelo del control de tensión En la Figura 89 se mostró que el control de tensión consistiría en un lazo cerrado, donde se compararía la tensión medida con la consigna para generar una referencia de par mediante un controlador PI. La siguiente figura muestra precisamente este sistema implementado en Simulink, donde se puede apreciar que la tensión de referencia de 2.490,3 N no se aplica
MEMORIA | Capítulo 4: Control de la trefiladora 115 directamente como una constante, sino que se crea una rampa, cuyo valor máximo será precisamente la referencia. Con esto se pretende obtener un comportamiento más correcto y dinámico, ya que en el momento en que la máquina trefiladora entre en funcionamiento, el hilo de cobre no estará sujeto inmediatamente a la tensión de referencia. Figura 105.- Implementación en Simulink del control de tensión de la trefiladora. La salida de este bloque de control se corresponde precisamente con la entrada 1 del FOC implementado en la Figura 103. Los valores del controlador PI que han permitido obtener una buena respuesta son: kp= 5 y ki= 0,5. Los controladores PI de los lazos de corriente 𝐼, 𝐼 e 𝐼 tienen la misma forma que el mostrado en la Figura 105. 4.1.8. Resultado final En los apartados anteriores se ha podido implementar todos los bloques que completan el esquema de la Figura 90. En este punto se pueden conectar dichos bloques para obtener el sistema completo que modeliza el control de tensión de la trefiladora. La siguiente figura muestra el resultado, donde se comprueba la sucesión de elementos: red (nº 1), variador de frecuencia (nº 2), motor más reductor (nº 3) y carga (nº 4). Paralelamente a estos bloques se ejecuta el control de tensión (nº 6) y el control FOC (nº 5), que es el elemento final que generará los pulsos de conmutación del inversor del variador de frecuencia, para proporcionar al motor las corrientes requeridas según el estado de la carga, donde la variable de tensión es medida por la célula de carga. El siguiente paso es realizar simulaciones para verificar que el modelo en su conjunto funciona como es debido. Para esta tarea se dispone de los datos de la Tabla 11, donde básicamente se indica el par y la velocidad aproximada del motor y del carrete de bobinado cuando este está vacío (sin un incremento apreciable en el radio del carrete) y cuando está lleno (el carrete llega a su radio máximo de hilo bobinado). También resulta de mucha
Diseño y Control de una trefiladora 116 utilidad el sistema incluido en “cs_winder”, ya que servirá de guía respecto a las curvas que se esperan obtener en el modelo de este trabajo, y que se discuten en el siguiente apartado. Figura 106.- Modelo completo del control de tensión de la trefiladora. 4.2. REALIZACIÓN DE PRUEBAS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS Para simular el modelo completo de la Figura 106 previamente se introducen los valores requeridos por cada bloque, esto es: las constantes de los controladores PI, los parámetros nominales e internos del motor, y los datos iniciales del carrete, entre otros. Se considerará que la simulación finaliza cuando el carrete llega a su radio máximo de bobinado. A continuación se muestran varias curvas obtenidas que permitirán comprobar si el sistema funciona como se desea. La primera figura que se muestra recoge las curvas más importantes. En ella se puede ver que todas las curvas describen inicialmente una evolución ascendente, propio del carrete, que al moverse comienza a incrementar su radio, su masa, su par, etc., con el objetivo de conseguir la tensión constante de 2.490,3 N, situación en que la velocidad lineal del sistema es de 0,1 m/s. No obstante, se observa que ni la tensión alcanza su valor deseado, ni la velocidad se estabiliza en 0,1 m/s. Para averiguar dónde podría estar el problema se estudia la velocidad del motor, ya que inicialmente el motor debería alcanzar una velocidad superior a la nominal (ver Tabla 17) durante su funcionamiento en la zona de debilitamiento de campo. La Figura 108 muestra esta curva, que nos indica que el motor llega inicialmente a una velocidad inferior a los 2.000 rpm. Una conclusión que se deriva es que el motor trabaja en la zona de deslizamiento en un periodo de tiempo inferior al que debería.
MEMORIA | Capítulo 4: Control de la trefiladora 117 Figura 107.- Curvas resultantes de la simulación del modelo implementado en Simulink. Figura 108.- Curva de velocidad del motor y del carrete. Tabla 17.- Velocidades y pares iniciales y finales del motor y el carrete. n (rpm) T (Nm) n (rpm) T (Nm) Carrete vacío Carrete lleno En el carrete 29,40 81,00 14,69 162,00 En el motor 2.591,50 0,92 1.295,80 1,84 Después de realizar varias simulaciones modificando ciertos parámetros, se consiguen respuestas similares o peores. Esto lleva a concluir que probablemente no se ha implementado correctamente el control FOC. Ante la imposibilidad a corto plazo de solucionar el problema, se decide utilizar el bloque predefinido de Simulink para el control FOC, nombrado como Field-Oriented Controller.
Diseño y Control de una trefiladora 124 Figura 115.- Jerarquía de gestión de los residuos [85]. Se puede comprobar que antes de reciclar cualquier material debe existir un plan de prevención precisamente para evitar que se genere el residuo, o en su defecto para controlar que el residuo generado no suponga un riesgo para otros componentes o las personas. Un material averiado, como podría ser el sensor de carga, por poner un ejemplo, se debe valorar su posible reparación o como mínimo comprobar que su funcionamiento realmente se ha visto dañado. Si este es el caso se procede a valorar el tipo de material para continuar con su reciclaje adecuado, y en última instancia a su eliminación si el material no se puede reutilizar. Este esquema representaría la base a seguir en cuanto a la generación de residuos en la máquina. Los diferentes tipos de componentes que forman la trefiladora hacen que el esquema anterior se aplique a cada uno de ellos por separado, ya que el material puede ser un componente metálico, eléctrico o electrónico, y cada uno de ellos tiene una forma distinta de proceder en cada uno de los pasos señalados en el esquema.
MEMORIA | Conclusiones 125 CONCLUSIONES A lo largo de este documento se ha presentado y desarrollado el diseño y el control de la máquina trefiladora según las especificaciones y consideraciones indicadas en el apartado 3.1. Una vez finalizado este trabajo, se desprenden las siguientes conclusiones: Se ha descrito la funcionalidad de la trefiladora de reducir el diámetro de un hilo de cobre de 5,19 mm a un diámetro de 3,5 mm. De acuerdo con las expresiones aplicables, se determina que se requieren tres dados de trefilado para obtener esta reducción. Con este planteamiento inicial se elabora el esquema base de la máquina, que se muestra en la Figura 67, y que justifica el uso de los componentes allí indicados, como son el motor de bobinado y el motor de guiado. Una trefiladora es una máquina generalmente lenta, y por ello los motores no se pueden aplicar directamente a los ejes de poleas o carretes. En su lugar se pueden utilizar elementos mecánicos de reducción, o lo que sería una solución más eficiente, un variador de frecuencia. Con esta conclusión se parte para la decisión de utilizar un variador de frecuencia para cada motor. Los componentes de la estructura y la decisión de optar por variadores de frecuencia están condicionados por la forma en que se controlará el proceso de trefilado más bobinado. El control elegido es el control de tensión, que se implementará en un lazo cerrado, para el que necesitará un sensor de tensión. Se ha elegido la celda de carga como sensor debido principalmente a su facilidad de montaje. Las expresiones aplicables a las trefiladoras, y la disposición elegida de algunos componentes, permiten obtener la tensión máxima que existirá en el hilo de cobre. Esta tensión es la que permitirá que el hilo de cobre pase a través de los dados. A su vez, es la tensión que se desea mantener constante en todo momento mediante el control de tensión. Con las especificaciones del carrete de bobinado se consigue dimensionar el motor de bobinado. Por las características definidas para el proceso es necesario utilizar elementos mecánicos para reducir su velocidad, además del propio variador de frecuencia. Se comprueba que el motor de guiado sigue un proceso de dimensionado similar, después de elegir una plataforma de deslizamiento adecuada. Las características de los motores elegidos y de la red eléctrica que existirá allí donde se ubique la máquina, se desprenden lo variadores de frecuencia a utilizar. Estos variadores resultar ser el modelo ACS355 y ACS150 para el motor de bobinado y de guiado respectivamente. Se comprueba que las características eléctricas de ambos son similares, no siendo así las conexiones de entrada y salida que ofrecen. Se destaca que el primer variador incorpora el control tensión-frecuencia y el control FOC, mientras el segundo variador solo incorpora el control tensión-frecuencia. Se definen las protecciones necesarias de los elementos y las personas, según los manuales de los variadores, y teniendo en cuenta el apartado desarrollado de protecciones en el capítulo de Antecedentes. Dichas protecciones se dimensionan, y se obtienen las correspondientes del mercado. Como último paso en el diseño, se hace una breve
Diseño y Control de una trefiladora 126 introducción a las conexiones eléctricas, y se introduce una representación básica de la estructura, que podría servir como una base para el diseño real. Con respecto al estudio de las demos realizado en el estado del arte, se añade a la trefiladora una botonera que incorpora los elementos mínimos para interactuar con la máquina. Para el diseño del control en Simulink se parte, al igual que para el diseño de la máquina, de un esquema base. En este caso se trataría de dos esquemas: el de la Figura 89 que muestra la relación entre el control de tensión y el control propio del variador del motor de bobinado; y el de la Figura 90, que presenta a grandes rasgos los elementos de la máquina que se deben modelizar en Simulink. En este punto se define que el variador del motor de bobinado utilizará su control FOC en su función de controlar el par del motor. Con esta última aclaración se determina que el lazo de control de tensión generará la referencia de par para el lazo de control de par del variador. Siguiendo el esquema de la Figura 90, se comienza a diseñar el control partiendo del modelizado de la red de alimentación. Seguido de este modelo se implementa el variador de frecuencia, formado por sus bloques elementales de rectificador, bus de CC e inversor. Se opta por utilizar los bloques predefinidos del motor y el reductor, y se modeliza la carga según las ecuaciones que describen su comportamiento. Por último, se implementa el control FOC, siguiendo la teoría incluida en el capítulo de Antecedentes. Un bloque muy importante a modelizar, y que no se indica en la Figura 90, es el control de debilitamiento de campo. Es debido a la capacidad del variador de aplicar este tipo de control, que se puede utilizar el motor de 4 polos elegido. La función de este control es hacer que el motor alcance velocidades superiores a la velocidad nominal, mediante la reducción del flujo. Con la creación de todos los bloques necesarios, se procede a conectarlos, indicando los valores que requieran, ya sea los parámetros del motor o las constantes de los múltiples controladores PI que contiene el conjunto. Los resultados obtenidos al simular este sistema no son satisfactorios. Se comprueba que el motor entra en la zona de debilitamiento de campo, pero rápidamente sale de él. Esto hace que el resto de variables no presentes los valores esperados, como es la velocidad lineal que se espera sea estable a 0,1 m/s, o la potencia, que debe ser constante e igual a 250 W. Después de realizar varias verificaciones y simulaciones no se logra solucionar el problema, y antes este inconveniente se decide utilizar el control FOC incluido en las librerías de Simulink. Con este bloque sí se logra obtener el comportamiento deseado. En el apartado 4.2 se elabora una extensa explicación de las curvas obtenidas en estas simulaciones. Se comparan los valores obtenidos de par y velocidad cuando la velocidad lineal alcanza su valor de 0,1 m/s, y cuando el radio del carrete llega al valor máximo considerado de 65 mm. Con estos resultados se confirma que el modelo del variador y la carga se han creado correctamente. A pesar de que las simulaciones han generado resultados altamente satisfactorios, se debe tener en cuenta que esto es así por el uso de un bloque predefinido, por lo que un siguiente paso en el diseño del control sería elaborar un modelo de control FOC propio, con el cual se tendría plena conocimiento del funcionamiento de cada bloque que lo forma, algo que no es así cuando se trata el FOC predefinido, que incorpora bloques de cierta complejidad.
MEMORIA | Conclusiones 127 PROPUESTAS DE MEJORA Si se comparan los resultados obtenidos de tanto el diseño de la máquina como del control, con los objetivos finales expresados en la Introducción, se comprobará que existen ciertas discrepancias. Lo primero que se puede notar es que no se desarrolla el diseño de la estructura de la máquina. En otras palabras, no se adjuntan planos indicando las dimensiones exactas, junto con los materiales involucrados. Esta podría ser la primera propuesta de mejora de este trabajo, para la cual se podría tomar de referencia la representación de la máquina que se incluye en la Figura 87. Otro punto que no se ha llevado a cabo es la actualización de modelo generado en Simulink para que incorpore otros elementos que permitían a un estudiante interactuar con él. Un ejemplo de esto sería añadir otras técnicas de control como el DTC, incluyendo una interfaz que de forma intuitiva guía al estudiante en su descubrimiento del funcionamiento de los variadores de frecuencia. Al no realizarse este punto, tampoco se elaboraron las guías de ejercicios. Por último, se destaca que tampoco se logró realizar una guía o lista de instrucciones que especificaran los pasos que podría seguir el estudiante para la puesta en marcha del variador según el tipo de control que se desea implementar. Sin embargo, para este punto el fabricante de los variadores provee suficiente información para realizar esta puesta en marcha de forma autónoma. Al margen de los objetivos que no se pudieron conseguir, se debe también destacar los objetivos que sí se consiguieron, y en este sentido se ha logrado diseñar la máquina en base al dimensionado de sus componentes y a su conexionado, incluido en los planos. También se ha logrado crear un modelo general en Simulink que ha devuelto los resultados esperados, y que corroboran los cálculos realizados.
Diseño y Control de una trefiladora 128 BIBLIOGRAFÍA [1] Mora, F. Jesús Fraile Mora Sexta edición. 2008. [2] ABB. Libro de Guías Técnicas de Accionamientos de CA. En: Abb. 2014, p. 446. [3] Polka, D. Motors and drives : a practical technology guide. 2002. [4] Hughes, A. y Drury, B. Electric Motors and Drives. 2013. [5] Pérez Donsión, M. Estrategias y circuitos de control de la velocidad de los motores de inducción. En: Técnica industrial (Madrid). 2004, no. 255, p. 40-51. [6] ABB Corporation. DTC: A motor control technique for all seasons. En: . 2016, p. 11. [7] O, E.F. et al. Modelling, Simulation and Performance Analysis of A Variable Frequency Drive in Speed Control Of Induction Motor. En: International Journal of Engineering Inventions. 2013, vol. 3, no. 5, p. 2278-7461. [8] Alsofyani, I.M. y Idris, N.R.N. A review on sensorless techniques for sustainable reliablity and efficient variable frequency drives of induction motors. En: Renewable and Sustainable Energy Reviews. Elsevier, 2013, vol. 24, p. 111-121. [9] Electric, S. CT-208 Arrancadores y variadores de velocidad electrónicos.2000, p. 28. [10] Nebon, Y. Cuaderno Técnico no 204 Protecciones BT y variadores de [11] Petersen, S. Variable Frequency Drive Control Methods. 2014 [12] Dybkowski, M. Industrial Drive Systems. Current State and Development Trends. En: Power Electronics and Drives. 2016, vol. 1, no. 1, p. 5-25. [13] Jannati, M. et al. A review on Variable Speed Control techniques for efficient control of Single-Phase Induction Motors: Evolution, classification, comparison. En: Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2017, vol. 75, no. July 2015, p. 1306-1319. [14] Fiorucci, E. et al. Variable speed drive characterization: Review of measurement techniques and future trends. En: Advances in Power Electronics. 2013, vol. 2013. [15] Yu, Z. et al. Computationally Efficient Coordinate Transformation for Field-Oriented Control Using Phase Shift of Linear Hall-Effect Sensor Signals. En: IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2020, vol. 67, no. 5, p. 3442-3451. [16] Pronóstico del mercado de variadores en 2019 hasta 2023. Enlace web: https://www.marketwatch.com/press-release/. Consultado en: marzo 2020. [17] Darji, H.S. Introduction of Electrical Drives. [18] Yaskawa, eLearning module. Drive Basics. Enlace web: https://www.youtube.com/watch?v=3-cs4eEiBWo&t=21s. Consultado en: marzo 2020. [19] Blake Marchand, Efficieny and Connectivity: Key considerations in the future of drive systems. Feb, 20, 2019. Enlace web: https://www.electricalindustry.ca/latest-news/5146- efficiency-and-connectivity-key-considerations-in-the-future-of-drive-systems.
MEMORIA | Bibliografía 129 [20] ABB, What is a Drive? 2001.. [21] ABB Drives Product guide. En: Abb. 2010, [22] Khalid, N. Efficient Energy Management: Is Variable Frequency Drives the Solution. En: Procedia - Social and Behavioral Sciences. Elsevier B.V., 2014, vol. 145, p. 371-376. [23] Franchi, C.M. y Franchi, C.M. Variable Frequency Drives. En: Electrical Machine Drives. 2019, p. 237-277. [24] Convertidores de frecuencia y plataforma de automatización ABB Guía verde para obtener más beneficios en su negocio. [25] System, V.D.T. Electricity and New Energy Motor Control Using Variable-Frequency Drives. [26] Performance, H. y Control, V. High Performance Vector Control A1000. p. 167-178. [27] Usuario, M.D.E. y Controlvit, Variador de frecuencia Controlvit CV50. Salicru, Manual de usuario. [28] Free, T. Yorkland Controls Ltd. Environmental Solutions. En: Yorkland Controls. 2005, vol. 3306. [29] Navarro Salas, R. Máquinas eléctricas y sistemas de potencia - Google Books. 2017. ISBN 9702608147. [30] Drive presales tools, User manual DriveSize. Hardware manual List of related manuals. [31] Gyllensten, F., Castagnini, A. y Motors, A.B.B. Freddy Gyllensten and Alessandro Castagnini, ABB Motors and Generators, outline how variable speed drive (VSD) systems and synchronous motor technologies can provide significant energy savings in the petroleum and chemical industries. [32] Artyukhov, I.I. et al. Voltage quality problems in power supply system of boiler stations using pumps with variable-frequency drive. En: 2018 19th International Scientific Conference on Electric Power Engineering, EPE 2018 - Proceedings. IEEE, 2018, no. 10, p. 1-6. [33] ABB. ABB Industrial drives - ACS880, single drives 0.55 to 3200 kW Catalog. En: . 2015, p. 56. [34] Loads, C.T. et al. How to Select a Variable Frequency Drive Based on Load Characteristics. En: . p. 1-6. [35] ABB, Industrias y aplicaciones de variadores de frecuencia. Enlace web: https://new.abb.com/drives/es/industrias-aplicaciones. Consulatado en: marzo 2020. [36] Low voltage AC drives Industries and applications Capabilities guide. En: . [37] Harmonics, L. y Matrix, R. Low Harmonics Regenerative Matrix Converter. En: . [38] Kahn, Joel. Lenze Americas. Four trends in VFD managements. January 10, 2018. Enlace web: https://www.controleng.com/articles/four-trends-in-vfd-management/. Consultado en: marzo 2020.
Diseño y Control de una trefiladora 130 [39] J. Bartos, Frank. AC Drives stay vital for the 21st century. Sept. 10, 2004. Enlace web: https://www.controleng.com/articles/ac-drives-stay-vital-for-the-21st-century/, Consultado en: marzo 2020. [40] User ’ s manual ACS880-01 democase. En: . p. 1-16. [41] Automation, R. Workforce Development Catalog 2018. [42] Yaskawa, Start-up workshop for GA800 drives. Enlace web: https://www.yaskawa.com/support-training/training/training-schedule/installation-and- start-up-workshop-for-ga800-drives. Consultado en marzo 2020. [43] Yaskawa, GA800 application programming. Enlace web: https://www.yaskawa.com/support-training/training/training-schedule/ga800-application- programming. Consultado en: marzo 2020. [44] Neumática e hidráulica Sistemas de aprendizaje y servicios para la formación técnica. [45] Energy Training Solutions - Modular O ers Modular offers. 2018, [46] France, E.T. Training Solutions. En: Solutions. 2008, p. 13170. [47] Aprende con ABB Soluciones de control y automatización para la educación. [48] Manufacturing.net, Application overview: wire drawing. Enlace web: https://www.manufacturing.net/home/article/13241000/application-overview-wire- drawing. Consultado en: abril 2020. [49] Diseño de un Sistema de Control de Velocidad para motores en una trefiladora seca de alambres de acero mediante sistema SCADA. [50] JACOM, strategic allies. Wire drawing machine. Enlace web: https://jacomgroup.com/wire-drawing-machine/ . Consulta en: abril 2020. [51] Groover, M. Fundementals of Modern Manufacturing Materials,Processes and Systems. En: John Wiley & Sons. 2010, p. 493. [52] The, W. Product note Winder control program for ABB high performance machinery drives. [53] Cazac, V., Nuca, I. y Todos, P. AC drive control system of the wire drawing machine with DTC control and fuzzy controller. En: 2016 13th International Conference on Development and Application Systems, DAS 2016 - Conference Proceedings. IEEE, 2016, p. 126-129. [54] Federlin, L. et al. Modeling and tension control of an industrial winder with dancer mechanism. En: IFAC Proceedings Volumes (IFAC-PapersOnline). Elsevier, 2004, vol. 37, no. 15, p. 251-256. ISSN 14746670. [55] Reva, E.N. Product notes. En: Process Control and Quality. 1999, vol. 11, no. 3, p. 243-246. ISSN 0924-3089. [56] Salvador, U.D.E.E.L. Diseño y construcción de un equipo didáctico para trefilado de alambre de cobre puro. En: . 2016,
MEMORIA | Bibliografía 131 [57] Proceso d conformado mecánico, Proceso de trefilado. [58] Winding, T. SERVO apps. [59] Products, M.C. y Tension, N.I. Application note Tension control. En: . p. 1-13. [60] Pump, D.C. New Winding Technology for Converting Lines New Winding Technology for Converting Lines. En: . [61] Morozov, D. Optimizing Tension Control in Center-Driven Winders. En: . vol. 1, no. 770, p. 1-13. [62] Williams, Bryon. Web tensión control basics, Tensión Control 1020. Enlace web: https://www.montalvo.com/article-library/what-is-tension-control/, Consultado en: abril 2020. [63] Control, D., Control, L.C. y Control, A. Tension Control Systems. En: . 2000, p. 6-7. [64] Electric, W. Tension Control Systems for Light, Medium, and Heavy-Duty Tensioning. [65] Firmware manual ACS880 primary control program List of related manuals in English. [66] Whiteside, D. Basics of web tension control summary. En: TAPPI PLACE Conference 2007 - «Polymers, Laminations, Adhesives, Coatings, Extrusions». 2007, vol. 1, p. 292-314. [67] PFFC, Web tension contorl fundamentals. January 25, 2019. Enlace web: https://www.pffc-online.com/news/15515-web-tension-control-fundamentals. Consultado en: mayo 2020. [68] Emam, A.A. et al. Master-Slave Speed Control of Double Induction Motor. En: International Journal of Computational Engineering Research||Vol. 2017, vol. 03, no. May. [69] Emotron AC drive Master-follower functionality, Technical note. 2018, [70] Drives, A.C. Load Sharing Applications for AC Drives.. [71] Drives, A.C. Load Sharing Applications for AC Drives. [72] ABB. Low voltage General performance motor Data Sheet. En: . 2018, no. June. [73] ABB. ACS355 Industrial Single Drives. 2012. [74] Ltag, L.O.W.V.O. Low voltage AC drives ABB machinery drives Persistent and adaptable. [75] drylin SLT | Linear modules | Advantages drylin SLT | Linear modules | Product range Lubrication-free linear modules – drylin ® SLT. En: . p. 1365. [76] Specification, M. AC Motors 1. En: . p. 1-19. [77] Lo, A.T.A. C ATA LO G ABB micro drives Get the best out of your basic applications . En: . [78] ABB. User ’ s manual ACS355 drives List of related manuals. 2012. ISBN 0000070130. [79] ABB, User’s Manual, ACS150 drives.
Diseño y Control de una trefiladora 132 [80] RS-ONLINE, Tienda online. Enlace web: https://es.rs-online.com/web/. Consultado en: mayo 2020. [81] ABB, Low voltage general performance motor datasheet. June 2018. [82] Álvarez Salazar, Johny Antonio, Control de velocidad angular constante basado en un sistema splitter PI en una desenrolladora de papael. 8 septiembre 2013. Enlace wb: https://revistas.elpoli.edu.co/index.php/pol/article/view/381/547. Consultado en: Junio 2020. [83] Matlab Resources, Winding Machine. Enlace web: https://www.mathworks.com/help/physmod/sps/examples/winding-machine.html. Consultado en: Junio 2020. [84] Ungku Arirulddin, Ungky Anisa; Department of Electrical Power Engineering EEEB443 Control & Drives, Induction motor - vector control or field oriented control. Julio, 2008. [85] ARC, (Agencia de Residuos de Cataluña). Programa general de prevención y gestión de residuos y recursos de Cataluña. En: . 2013, p. 1-279.