análisis en maquinaria cnc ante variaciones de bajo voltaje y sus efectos en la calidad de la...

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Universidad Autnoma de Quertaro

Facultad de ingeniera

Anlisis en maquinaria CNC ante variaciones de bajo voltaje

y sus efectos en la calidad de la energa

Tesis

Que como parte de los requisitos para obtener el grado deDoctor en ingeniera

Presenta

M.I. David Granados Lieberman

Dirigida por

Dr. Rene de Jess Romero Troncoso

Dr. Roque Alfredo Osornio Ros

San Juan del Rio, Quertaro, Julio de 2013


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i


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i

RESUMEN

Actualmente, el uso de mquinas-herramientas de control numrico

computarizado (CNC) permite a las industrias reducir costos y tiempos de

operacin mientras se incrementa la calidad de los productos manufacturados.

Sin embargo, cualquier mal funcionamiento en el equipo puede afectar

parcialmente el proceso de manufactura o incluso provocar la interrupcin

completa en la produccin. Por otra parte, la calidad en la energa elctrica juega

un papel importante en la industria debido a la gran cantidad de problemas que se

generan ante anomalas elctricas. El anlisis clsico de la calidad de la energa

que normalmente se efecta en la industria es realizado monitoreando toda una

planta o una seccin de sta, lo cual limita el anlisis elctrico en determinadoequipo o maquinaria. Una de las principales causas de las variaciones de voltaje

es debida a la demanda repentina de grandes cargas conectadas al mismo bus

elctrico, lo cual ocasiona que cualquier repercusin en la fuente de voltaje afecte

a la maquinaria, principalmente a las cargas ms susceptibles a variaciones de

voltaje. Este trabajo se enfoca en el anlisis de la calidad de la energa en

maquinaria CNC mediante el monitoreo y procesamiento de las seales

elctricas. Los resultados obtenidos de este trabajo son la descripcin de las

condiciones del sistema elctrico durante la operacin de un torno CNC,metodologas de anlisis basadas en transformadas tiempo-frecuencia, as como

la afectacin de la rugosidad en piezas maquinadas durante variaciones de bajo

voltaje.

(Palabras clave: calidad de la energa, torno CNC, monitoreo elctrico)


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ii

SUMMARY

Currently, the use of computer numerical control (CNC) machine-tools allow theindustries to reduce cost and operating time while increasing the quality of the

manufactured products. However, any malfunction in the equipment can partially

affect the manufacturing process or even provoke the complete production

interruption. On the other hand, power quality plays an important role in the

industry due to the big amount of problems generated during electrical anomalies.

The classical power quality analysis, normally developed in the industry, is made

through monitoring the complete production plant or a section of that, which limits

the electrical analysis in certain equipment o machinery. One of the main reasonsof voltage variations is owed to the sudden demand of big loads connected to the

same electrical bus, causing that any repercussion in the voltage source affects

the machinery. It mainly affects the loads most susceptible to voltage variations.

This work focuses in the analysis of CNC machinery power quality by means of

monitoring and processing electrical signal. The results obtained and presented in

this work are the description of the electrical system condition during the CNC

lathe operation, the analysis methodologies that are based on time-frequency

transforms, as well as the repercussion in the work-piece roughest during small

voltage variations.

(Key words:power quality, CNC lathe, power monitoring)


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iii

DEDICATORIA

Dedico este trabajo a las personas que hicieron realidad este logro, a mis

padres Brenda Ivonne Lieberman Vzquez y Andrs Granados Dvila, a mi

hermano Eduardo Granados Lieberman, a toda mi familia y con todo mi amor a la

persona que ha compartido conmigo tantos anhelos, sueos y genera en m el

deseo por superarme da con da Yolanda Rojas Sandiego.


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iv

Agradecimientos:Agradecimientos:Agradecimientos:Agradecimientos:

DDDDoy Gracias a Dios por permitirme llegar a esta etapa tan importante en mivida y haberme brindado cuanto hasta ahora tengo y soy.

A mis padres Brenda I. Lieberman Vzquez y Andrs Granados Dvila, por todo su

apoyo, amor y principios que me han transmitido mediante sus palabras y su ejemplo.

A mi hermano Eduardo, que juntos hemos vivido valiosos momentos y a quien

quiero y estimo mucho.

A toda mi familia, tios, tias, primos, sobrinos, etc. En especial a mis abueles y

bisabuelos Virginia Mosqueday Adolfo Vzquez, Mara Elena Vzquez y Julia Dvila,

que siempre han credo en m y me han apoyado en el transcurso de toda mi vida.

A Yolanda Rojas S., quien es una persona muy especial en mi vida, la cual me habrindado su amor, su apoyo y con quien he compartido los ms hermosos momentos de mi

vida.

A todos mis compaeros y amigos Pabis, Carlitos, Rooney, Martin, Armando,

David, Arturo, Benigno, Mario, Arturito, Luis, Chucho, Pepe, Marco y Uriel por su apoyo

y todos los buenos momentos que pasamos.

A todos mis amigos y seres queridos con quienes he contado en diversos periodos a

lo largo de mi vida y de los cuales he recibido un gran apoyo.

Al Dr. Ren de J. Romero Troncoso y al Dr. Roque A. Osornio Rios, por la

confianza y el apoyo que me han depositado en la realizacin de esta tesis, brindndomesus conocimientos, tiempo y apoyo.

Al Concejo Nacional de Ciencia y Tecnologa (CONACYT) por el apoyo brindado

bajo la beca 312846.

A los directivos, encargados de los talleres y personal de la facultad de ingeniera

y en general a la UAQ, por el apoyo brindado y el gran esfuerzo que realizan para formar

mejores profesionistas en lo cognitivo y en lo tico.

David Granados LiebermanDavid Granados LiebermanDavid Granados LiebermanDavid Granados Lieberman


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NDICE GENERAL

PginaResumen iSummary iiDedicatorias iii

Agradecimientos ivndice general vndice de cuadros vindice de figuras vii

CAPTULO I. Introduccin 11.1. Introduccin1.2. Antecedentes 21.3. Descripcin del problema 51.4. Hiptesis y objetivos 81.5. Justificacin 9

1.6. Planteamiento general 12

CAPTULO II. Revisin de la literatura 162.1. Estado del arte 172.2. Tornos de tipo control numrico por computadora CNC 202.3. Tipos de tornos CNC 202.4. Partes principales del torno CNC 222.5. Calidad de la energa elctrica 252.6. Principal normativa referente a la CE 262.7. Disturbios elctricos 292.8. Tcnicas de anlisis para la CE 36

2.8.1. Transformada rpida de Fourier (FFT) 362.8.2. Transformada de Fourier de tiempo corto (STFT) 372.8.3. Wavelets 372.8.4. Mtodos paramtricos y paramtricos 392.8.5. Transformada S (ST) 402.8.6. Comparativa de los mtodos 41

2.9. Indicadores de la CE 43

CAPTULO III. Metodologa 473.1. Descripcin general de la metodologa 483.2. Sistema de monitoreo de CE 48

3.1.1. Sensores e instrumentacin 503.1.2. Adquisicin de seales 513.1.3. Procesamiento de seales 52

3.3. Casos de estudio 523.3.1. Repercusin en la calidad de la energa debido a

mquinas CNC 523.3.2. Repercusin de diversas cargas elctricas en una

celda de manufactura 54


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vi

3.3.3. Repercusin de torno CNC debida a variaciones debajo voltaje 57

CAPTULO IV. Resultados 614.1. Anlisis de la repercusin en la calidad de la energa

debido a mquinas CNC 62

4.2. Anlisis de la repercusin de diversas cargas elctricas enuna celda de manufactura 66

4.3. Anlisis de la repercusin de torno CNC debida avariaciones de bajo voltaje 70

CONCLUSIONES 75LITERATURA CITADA 78APNDICE A. Primer artculo indizado 84APNDICE B. Segundo artculo indizado 96


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NDICE DE CUADROS

Cuadro Pgina

1Estadstica de importacin de mquinas y herramientas enMxico 17

2 Ventajas y desventajas del uso del torno CNC 24

3Variaciones en la fuente de voltaje de acuerdo a IEEE Std.1159-1999

27

4 Variaciones en la fuente de voltaje de acuerdo a EN-50160 29

5Comparativa de los principales mtodos de anlisis deseales

41

6 ICE debido a cada caso de estudio AD, DD y valores U%. 68

7 Variaciones en torque y rugosidad debido a voltajes sags 73


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NDICE DE FIGURAS

Figura Pgina

1Anlisis de la calidad de la energa a) actual desde lasubestacin, b) propuesta en cada mquina.

6

2 Efectos de variaciones de voltaje en la mquinas CNC debidoa diversa maquinaria en una celda de manufactura. 7

3 Diagrama a bloques de la metodologa propuesta 124 Torno vertical CNC 205 Torno de bancada plana 216 Torno de bancada inclinada 217 Torno cabezal mvil o suizo 228 Torno automtico de husillo mltiple 229 Transitorio impulsivo 30

10 Transitorios oscilantes 3111 Variaciones de corta duracin en la red elctrica 32

12 Seal contaminada con un tercer armnico 3413 Notching 3514 Fluctuacin de tensin (flicker) 3515 Wavelet Daubechies de 20 coeficientes 3816 rbol de descomposicin Wavelet 3917 Tringulo de potencias para sistemas no senoidales 4518 Interaccin entre cargas y la CE 4819 Sistema de monitoreo elctrico basado en FPGA 4920 Diagrama a bloques del sistema de monitoreo 4921 Instrumentacin en sensores de a) voltaje y b) corriente 5022 Tarjeta para la etapa de acondicionamiento de seales 51

23 Sistema de monitoreo conectado al torno CNC 5324 Prueba de maquinado 5425 Metodologa para el caso de estudio 1 5426 Metodologa para el caso de estudio 2 55

27Puesta del experimento. (a) Torno reconvertido CNC. (b)Sistema de monitoreo de la CE conectado al torno

56

28 Diagrama del generador de sags de voltaje de una fase. 5829 Metodologa para el caso de estudio 3 5930 Medicin de la rugosidad 5931 Corrientes durante el maquinado 6232 Valores RMS de corriente 63

33 Valores RMS de voltaje 6334 Valores THD de corriente 6435 Valores THD de voltaje 6436 Valor de desbalance de corrientes 6537 Valor de desbalance de voltajes 6538 Valores potencia total 6539 Valores de factores de potencia 6640 Efecto de la fuente de voltaje debido a soldadora de arco 67


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ix

elctrico: a) ST filtrada y normalizada, b) Fase de voltaje

41Efecto de la fuente de voltaje debido a centro de maquinado:a) ST filtrada y normalizada, b) Fase de voltaje

67

42Efecto de la fuente de voltaje debido a cortadora de plasma:a) ST filtrada y normalizada, b) Fase de voltaje

68

43Efecto de la fuente de voltaje debido a motor de induccin: a)

ST filtrada y normalizada, b) Fase de voltaje68

44

Seales elctricas: a) Voltaje de entrada del torno CNC, b)corriente de entrada del torno CNC, c) voltaje de entrada delmotor del husillo, d) corriente de alimentacin del motor delhusillo

71

45Seales de corrientes en los servo-amplificadores: a) eje z, b)eje x

71

46RMS de las seales de vibraciones: a) porta-herramientas ejeX, b) porta-herramientas eje Y, c) porta-herramientas eje Z, d)husillo eje X, e) husillo eje Y, f) husillo eje Z

72

47Repercusin de sags en CNC a) Velocidades en el husillo, b)Rugosidad de la pieza, c) Potencia, d)Torque

73


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1

CAPTULO I

Introduccin


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2

1.1. INTRODUCCIN

Actualmente, el uso de mquinas-herramientas de control numrico

computarizado (CNC) permite a las industrias reducir costos y tiempos de

operacin mientras se incrementa la calidad de los productos manufacturados.Sin embargo, cualquier mal funcionamiento en el equipo puede afectar

parcialmente el proceso de manufactura o incluso provocar la interrupcin

completa en la produccin. Por otra parte, la calidad en la energa elctrica juega

un papel importante en la industria debido a la gran cantidad de problemas que se

generan ante anomalas elctricas. La calidad de la energa elctrica (CE) es un

trmino que asocia la calidad de la seal del suministro de voltaje y corriente

consumida por la carga. Una mala calidad en los sistemas elctricos ocasiona

innumerables problemas a los equipos elctricos, lo cual representa en laindustria altos costos y tiempos perdidos. Este trabajo se enfoca en el anlisis de

la calidad de la energa en maquinaria CNC mediante el monitoreo y

procesamiento de las seales elctricas. El desarrollo de este proyecto es parte

fundamental para la realizacin de estudios, que ofrezcan un aporte a problemas

elctricos relacionados con maquinaria CNC. Los resultados obtenidos de este

trabajo son la descripcin de las condiciones del sistema elctrico durante la

operacin de un torno CNC, metodologas de anlisis basadas en transformadas

tiempo-frecuencia, as como la afectacin de la rugosidad en piezas maquinadas

durante variaciones de bajo voltaje.

1.2. ANTECEDENTES

La calidad de la energa elctrica (CE) es un trmino que asocia la calidad

de la seal del suministro de voltaje y corriente consumida por la carga la cual

puede ser lineal o no lineal. Esta calidad est referida a una onda senoidal ideal

compuesta de una sola componente fundamental con amplitud constante y sin

desviaciones en frecuencia (Bollen, 2003). La calidad de la energa elctrica

depende de varias caractersticas que incluyen el contenido armnico,

desequilibrio de tensin entre fases, cambios rpidos de tensin, severidad de

parpadeos (Flickers), huecos de tensin (Dips), interrupciones, transitorios, etc.


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3

Uno de los principales fuentes de anomalas en la red elctrica son las

cargas no lineales, las cuales son aquellas que al ser alimentadas por una onda

senoidal consumen una corriente no lineal, por ejemplo, hornos de arco elctrico,

variadores de velocidad (Capua y Landi, 2001), mquinas soldadoras, balastroselectrnicos, sistemas alimentados con fuentes conmutadas, entre otras. Estas

cargas inducen armnicos en el suministro de voltaje que generan problemas

como: disminucin de la vida til de mquinas de induccin, vibraciones

mecnicas, mala operacin de bancos de capacitores, error en instrumentos de

medicin, interferencia telefnica, falso accionamiento de sistemas de proteccin

(Podesta et al., 2002), corrientes excesivas en el neutro, sobrecalentamiento de

transformadores, motores y cableado en general.

El estndar IEEE-519 (1999) establece los lmites de contenido armnico

en la lnea as como la distorsin armnica del voltaje de alimentacin, mientras

que el IEEE-1159 (1995) clasifica fenmenos electromagnticos como: impulsos,

oscilaciones, sobretensiones, subtensiones, interrupciones, offset DC,

fluctuaciones de tensin y frecuencia, entre otros.

Por otra parte el monitoreo de la CE es una herramienta que permite

realizar anlisis y diagnsticos tanto tcnicos como econmicos en la industria,

pro viendo soluciones a problemas generados por la presencia de anomalas

elctricas. Las soluciones identificadas hasta ahora acerca del monitoreo de la CE

son: artculos reportados en congresos internacionales, revistas indexadas e

instrumentos ya disponibles en el mercado (Fluke Corporation, Extech

Instruments Corporation, Hioki Corporation). Estos ltimos presentan la principal

desventaja de un alto costo, adems de no contar con procesamiento para

anlisis de fenmenos no estacionarios.

En la Universidad Autnoma de Quertaro se ha adquirido una gran

experiencia en trabajos relacionados con mquinas CNC, FPGA (arreglo

programable de compuertas en campo de sus siglas en ingls Field

Programmable Gate Arrays), instrumentacin de diversas variables fsicas y

procesamiento digital de seales. En el caso del monitoreo de variables fsicas


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como velocidad, aceleracin y jerk Santiago et al. (2008), propusieron una

metodologa para la reconstruccin de la dinmica de una mquina CNC usando

tcnicas de procesamiento digital de seales, las cuales fueron implementadas en

un FPGA.

Correspondiente al monitoreo de la corriente, Romero et al. (2004)

presentaron un algoritmo para el procesamiento de las seales de corriente en

mquinas CNC proponiendo un sistema de monitoreo de la condicin de las

herramientas que permite la deteccin de su ruptura. Franco et al. (2006)

desarrollaron un sistema para el monitoreo de la seal de corriente en los

servomotores para determinar los daos o desgaste de la maquinaria. Este

trabajo fue desarrollado a partir de la de trasformada Wavelet para encontrar las

frecuencias originadas por la fuerza de corte de la mquina, los algoritmosdiseados fueron implementados en un FPGA realizando el monitoreo en lnea y

fueron probados en una mquina CNC Baker-422 bajo distintas condiciones de

corte. Posteriormente, Franco et al.(2008) realizaron un sistema de monitoreo de

fallas sobre este sistema.

Se cuenta con trabajos publicados en revistas internacionales indizadas por

parte de profesores titulares, adems de varios trabajos de tesis relacionados al

tema. Como parte de los trabajos publicados Romero et al. (2003) presentaron un

anlisis de la corriente del controlador para estimar la influencia de las seales

indeseadas con la finalidad de determinar los parmetros ptimos para el

acondicionamiento de la seal en un FPGA. Adems, Romero et al. (2004)

presentaron un sistema de deteccin de ruptura de herramienta para mquinas

fresadoras CNC empleando tambin un FPGA.

Los trabajos relevantes y relacionados con el monitoreo de variables se

describen a continuacin. Rangel et al. (2008) realiz el monitoreo de la corriente

y las vibraciones de un motor de induccin para la deteccin de barras rotas.

Adems se cuenta con trabajos correspondientes al anlisis de la calidad de la

energa elctrica. Lara et al.(2008) presentaron un analizador de la calidad de la

energa de bajo costo, el cual realiza la medicin de diversos parmetros que

afectan a la calidad de la energa por medio de un FPGA y el desplegado de los


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resultados y del espectro en frecuencias por medio de un monitor. Por otra parte

Granados (2009) desarroll un instrumento para la medicin de la frecuencia del

sistema elctrico a partir de la forma de la seal de corriente e implementando el

algoritmo de la transformada Chirp Z en un FPGA.

Como se podr observar en los trabajos citados aun falta por explorar el

campo de la calidad de la energa elctrica, principalmente en los sistemas que

influyen en el deterioro de la misma y donde las mquinas herramienta del tipo

CNC son parte del origen del problema. El anlisis del comportamiento de

fenmenos de alteracin de las seales de corriente y voltaje durante intervalos

pequeos de tiempo se ha desarrollado mediante diversas tcnicas, sin embargo,

la falta de vinculacin de estas con su origen, no ha permitido contemplar su

relacin ante las caractersticas propias de cada sistema. Por otra parte, noexisten estudios detallados de la repercusin de variaciones de voltaje en

mquinas CNC, que permitan conocer la afectacin de los diferentes

componentes que la integran y su repercusin con los productos obtenidos. La

experiencia adquirida en la realizacin de proyectos por parte del grupo HSP en la

UAQ en la parte de instrumentacin, procesamiento de seales y el mismo

anlisis de la calidad de la energa, brinda el potencial de atacar esta

problemtica mediante un sistema de monitoreo y anlisis de calidad de la

energa en tiempo real, desarrollando algoritmos de procesamiento digital de

seales e implementando tecnologa propia y arquitectura abierta usando FPGA,

adems de cumplir con los requerimientos de la maquinaria CNC.

1.3. DESCRIPCIN DEL PROBLEMA

El anlisis clsico de la calidad de la energa que se efecta en la industria

y es presentado en la literatura revisada se ilustra en la figura 1.a, en la cual la

calidad de la energa es analizada en toda la planta o una seccin de sta.

Mientras que en la figura 1.b se presenta el anlisis de la calidad de la energa de

manera independiente entre cada una de la maquinaria, siendo esto algo que no

se ha desarrollado hasta el momento.


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(a)

(b)

Fig.1. Anlisis de la calidad de la energa a) actual desde la subestacin, b)

propuesta en cada mquina.

Por otra parte, una de las principales causas de las variaciones de voltaje

es debida a la demanda repentina de grandes potencias. Dentro de las celdas de

manufactura los diversos equipos empleados son conectados al mismo bus

elctrico, lo cual ocasiona que cualquier repercusin que tengan las mquinas en

el suministro de voltaje afectar a las otras, principalmente a las ms susceptibles

a variaciones de voltaje. En la figura 2 se muestra un esquema donde se ilustran

los efectos indeseables a la calidad de la energa de diversas mquinas

conectadas al mismo bus de alimentacin, principalmente variaciones de bajovoltaje generados durante la activacin de los equipos.


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Fig.2. Efectos de variaciones de voltaje en la mquina CNC debido a diversa

maquinaria en una celda de manufactura.

De manera resumida la presente investigacin se enfoca en el monitoreo y

procesamiento de las seales de voltaje y corriente de la mquina CNC para

conocer las condiciones de calidad de la energa, el monitoreo durante su

dinmica y el estudio de algoritmos para la correcta estimacin de los parmetros.

Esto conlleva a un sistema ms confiable que con los mtodos tradicionales,

permitiendo un anlisis en periodos cortos y enfocados al estudio de los efectos

generados de cada una de las mquinas monitoreadas. As mismo, esta

investigacin comprende el anlisis de los efectos de variaciones de bajo voltaje

en la lnea en las mquinas CNC a travs del monitoreo de diversas variables

involucradas en la operacin de la misma como velocidades en los motores,vibraciones, etc.

Entre las situaciones que generan una mayor dificultad para el estudio

propuesto, se encuentra la contribucin de anomalas presentes en la red

elctrica independientes a la maquinaria que se busque analizar, como son los

armnicos, desfasamiento de la corriente, falta de regulacin de voltaje de la red,

un sistema de tierras adecuado, etc.

Como parte del problema y aportacin cientfica, se debe encontrar una

metodologa adecuada sobre el anlisis de fenmenos transitorios que brinden las

mejores caractersticas en trminos de resolucin y exactitud, esto a partir de

tcnicas como Wavelets, mtodos paramtricos y no paramtricos o su

combinacin. Otra caracterstica importante que debe tener la metodologa es una


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8

convergencia adecuada en el tiempo en el que se susciten los fenmenos, esto

debido a que los efectos en la transicin de los sistemas analizados se presentan

en lapsos de tiempo pequeos.

La instrumentacin de un sistema trifsico, como es el caso, demanda lanecesidad de contar con un sistema de adquisicin de datos multicanales para

realizar el estudio simultaneo de las corrientes y voltajes propios de la mquina.

Estas son 3 seales para el monitoreo de voltajes y 3 para corrientes,

correspondientes a cada una de las fases, as como otra seal para la medicin

de la corriente generada en el neutro del transformador de alimentacin.

1.4. HIPTESIS Y OBJETIVOS

Hiptesis:

Mediante el uso de tcnicas como FFT, wavelets, mtodos paramtricos,

no paramtricos su combinacin, se puede aumentar en resolucin y precisin

la medicin de parmetros elctricos en una mquina CNC para determinar la

afectacin en la calidad de la energa elctrica que lo reportado con otros trabajos

o equipos existentes. As mismo, variaciones temporales de bajo voltaje durante

la operacin de la mquina CNC repercute a los diferentes componentes de la

maquinaria y por consiguiente en el proceso de maquinado.

Objetivos:

1. Implementar modelos matemticos para el anlisis de la calidad de la

energa en estado estable y transitorio aplicado a mquinas CNC

mediante herramientas como la transformada de Fourier, Wavelets,

mtodos paramtricos, no paramtricos su combinacin.


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2. Desarrollar e integrar tecnologa propia en monitoreo y anlisis de la

calidad de la energa basada en la tecnologa FPGA para

procesamiento de seales en lnea y a bajo costo.

3. Generar fundamentos para el desarrollo de un producto, robusto ycompetitivo con los analizadores existentes mediante los modelos

matemticos e implementacin digital para responder a las necesidades

de la industria y soportar investigaciones posteriores en el campo de la

CE.

4. Realizar un anlisis de los efectos producidos en mquinas CNC ante la

presencia de variaciones temporales de bajo voltaje.

1.5. JUSTIFICACIN

La razn principal para analizar y diagnosticar el estado de una mquina es

conocer los efectos que tienen en la repercusin de la CE. En referencia con el

maquinado, dependiendo del material y del acabado final que se requiere en la

pieza, el proceso puede llevarse de una manera convencional en baja o alta

velocidad, el maquinado de alta velocidad requiere de tcnicas de movimiento

rpido entre la herramienta y el portaherramientas en proporcin al incremento de

velocidad en el husillo, dichos cambios y dependiendo del uso de diversas partes

del equipo, varan la demanda de consumo de energa; de igual manera, la

inadecuada dinmica de movimiento con que se realiza el control, una mala

fijacin de la mquina, una mala sujecin de la pieza, velocidad de corte,

aceleracin del maquinado, etc. repercuten en el sistema elctrico generando

desequilibrio en las fases de alimentacin, generacin de armoniacos, desfase

entre la corriente y el voltaje, etc. Lo cual exige tcnicas apropiadas que brinde

una correcta informacin de los efectos en la lnea. Los factores que afectan a la

calidad de la energa deben ser analizadas por un dispositivo de monitoreo

flexible a los diferentes tipos de mquina CNC, el dispositivo debe proporcionar la

evaluacin y diagnstico de calidad de la energa como un factor de ayuda en los


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programas de mantenimiento preventivo as como la determinacin de la causa y

la correccin del problema que presentan.

Los trabajos realizados hasta el momento referentes al CE de la energa y

su anlisis estn dirigidos en su mayora a toda una planta y realizados duranteperiodos de largo plazo. Por otra parte existen trabajos enfocados a los efectos de

la calidad de la energa en motores, transformadores, equipos de conmutacin,

entre otros, sin embargo, el impacto de mquinas CNC en la calidad de la energa

no es un tema abordado hasta el momento, por lo que no existe un equipo

incorporado a las mquinas CNC que brinde el estado de sus condiciones

elctricas. El equipo existente en el mercado es utilizado de manera externa y no

cuenta con todos los parmetros necesarios para el desarrollo de un buen

anlisis.

Con respecto a los tornos CNC, diversos trabajos muestran la repercusin

en los acabados superficiales de maquinado debidos a diferentes condiciones de

operacin del torno que van desde los parmetros de maquinado apropiados de

acuerdo al tipo de material como velocidad de corte, profundidad y tasa de avance

hasta condiciones de mal funcionamiento por parte de los componentes del

sistema como ruptura de herramientas, errores en controladores, desbalanceo del

chuck o vibraciones generadas por diferentes fallas o fuentes externas entre

otras. Los diferentes estudios muestran diversos factores que repercuten en el

acabado superficial de las piezas, sin embargo no existen estudios de la

afectacin debida a anomalas en la fuente de alimentacin elctrica, de forma

que estos permitan mostrar el comportamiento de los principales componentes del

torno, as como la afectacin en la calidad superficial durante la presencia de

disturbios elctricos. Para lo cual, es necesario realizar un monitoreo completo de

las diferentes variables fsicas que intervienen en la operacin del torno durante

los disturbios elctricos, de forma que esto permita realizar un anlisis en su

interpretacin y relacionar su comportamiento con la afectacin en las diferentes

partes de la mquina y en el proceso de maquinado. Debido a la diversidad que

existe de mquinas-herramienta es necesario contar con un sistema de monitoreo

flexible que pueda ser reconfigurado para las caractersticas particulares de cada

mquina-herramienta.


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Contar con el monitoreo de los parmetros elctricos en mquinas CNC

permite plantear estrategias para mejorar la calidad de la energa en la industria

cumpliendo con normas como IEEE Std. 1159 (IEEE Recommended Practice for

Monitoring Electric Power Quality, 1995) y IEEE Std. 519 (RecommendedPractices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems,

1999). Esto conlleva a un ahorro sustancial en el consumo de energa, la calidad

de los productos, as como la prevencin y proteccin de los equipos.

Realizar estudios sobre los efectos de la maquinaria en la calidad de la

energa y los efectos de perturbaciones elctricas en la maquinaria permite

desarrollar nuevas metodologas y algoritmos para su adecuado anlisis y

contribuir en nuevos planteamientos que muestren la afectacin de una malacalidad de la energa en procesos y equipos de mayor vulnerabilidad mediante

bases tericas y su corroboracin experimental. As mismo, esto permite el

desarrollo de controladores, planeacin de la puesta en marcha del equipo, una

utilizacin adecuada de protecciones o dispositivos especiales, as como la

adecuada incorporacin del equipo al sistema elctrico de acuerdo a las

diferentes ramificaciones y capacidades de instalacin con las que cuente la

industria, adems de permitir optimizar los ciclos efectuados durante el proceso

de maquinado y brindar soluciones para mejorar la confiabilidad en el

funcionamiento de la maquinaria manteniendo la calidad en los productos.

Resolver el problema del monitoreo y anlisis de la calidad de la energa,

beneficiara la industria de la regin en diferentes factores como ahorro de primas,

disminucin del personal experto en el rea. Adems, descifrar el origen de

anomalas en el sistema elctrico permitira reducir costos de produccin por

piezas mal maquinadas, ahorro en mantenimiento correctivo y aplicar a tiempo un

programa de mantenimiento preventivo, ahorro en la compra de analizadores

espectrales, etc.


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1.6. Planteamiento general

La metodologa general que se desarrollan en este trabajo se muestra en la

figura 3 y consiste en la descripcin de los algoritmos revisados para realizar el

anlisis de la calidad de la energa, esta metodologa es programada mediante unlenguaje de descripcin de hardware (VHDL) y en software Matlab, adems se

usa un sistema de adquisicin de las seales de voltaje y corriente. A

continuacin se describe cada uno de los elementos que se desarrollarn en la

metodologa propuesta.

Primeramente se cubre la revisin bibliogrfica exhaustiva sobre el tema

realizando una comparativa de la teora y las tcnicas utilizadas en el rea de

procesamiento digital de seales aplicada a anlisis espectral de seales

estacionarias como la FFT y no estacionarias como Wavelet, mtodos

paramtricos y no paramtricos o la combinacin entre ellas y se determina en

base a este estudio la mejor tcnica a utilizar en cuanto a resolucin, precisin y

tiempo de cmputo.

Fig.3. Diagrama a bloques de la metodologa propuesta.

Para cubrir una de las necesidades fundamentales en el monitoreo de las

condiciones del sistema elctrico, se desarroll un sistema de monitoreo de la CE,

basado en un sistema de adquisicin genrico basado en FPGA, el cual cuenta

con un mdulo de control, dicho mdulo se encarga de adquirir 7 seales, 3 de

voltaje y 4 de corriente propios de la maquinaria CNC, posteriormente son

guardados en una RAM. La tarjeta de adquisicin consiste en sensores de voltaje


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y corriente, acondicionamiento de las seales, convertidor analgico digital y

tranceiver. La descripcin general de las partes que compone el instrumento son:

o Sensores: Los sensores de corriente empleados son del tipo gancho

o de efecto Hall, mientras que para la medicin de los de voltaje esrequerido un divisor de voltaje. Estos tipos de sensores son

seleccionados debido principalmente a las caractersticas que tienen

en cuanto a precisin y ancho de banda. Adems se utilizarn

acelermetros para medir las vibraciones en partes claves de la

maquinaria y encoders para conocer la velocidad en los motores.

o Acondicionador de la seal: consiste en un amplificador el cual es

recomendado por el fabricante del sensor.

o Convertidor analgico digital: Es el encargado de obtener la

informacin de la seal de forma discreta para el posterior

procesamiento de la informacin. Se utiliza un convertidor que

cuenta con las caractersticas requeridas del sistema.

o Tranceiver:Ser el elemento encargado de permitir la comunicacin

con el FPGA.

o Core Procesamiento: Es el mdulo donde se obtiene el

procesamiento de los datos adquiridos mediante los sensores con el

fin de analizar la seal. Este mdulo realiza de forma simultnea el

procesamiento para cada seal.

o Mdulo complementario: Dentro de estos bloques se realiza un

mdulo para comunicacin con la PC mediante alguna interfaz como

RS-232 o USB, con la finalidad de analizar, almacenar, comparar y

desplegar la informacin por medio de la PC.

Por otra parte para inducir perturbaciones en la red elctrica y poder

realizar estudios de su repercusin en la maquinaria es necesaria la realizacin


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de un generador de bajos voltajes.Este sistema tendr la capacidad de generar

variaciones de voltaje en la alimentacin de la maquinaria, con la funcionalidad de

poder variar la magnitud y duracin del disturbio elctrico.

En relacin a las pruebas desarrolladas en necesario cubrir los siguientespuntos

La repercusin en la calidad de la energa debido a mquinas CNC.

La repercusin de diversas cargas elctricas en una celda de

manufactura.

Y la repercusin de torno CNC debida a variaciones de bajo voltaje.

As mismo se realizan pruebas finales para el anlisis estadstico de los

resultados como media y varianza. Adems los resultados son comparados con

los obtenidos por otros trabajos y/o instrumentos. En relacin a la afectacin en

mquinas CNC debida a variaciones de voltaje, se disea un sistema para la

generacin de dichas variaciones que permita controlar su duracin y magnitud,

as como la instrumentacin para el monitoreo de diversas variables involucradas

en la operacin de la maquinaria, permitiendo realizar su anlisis sobre las

pruebas desarrolladas.

Una vez desarrolladas las pruebas en la maquinaria CNC, se aplican los

algoritmos necesarios para los diferentes casos de estudio. El procesamiento

digital de seales es una tcnica que convierte seales del mundo real

(usualmente en forma analgica) en datos digitales que luego pueden ser

analizados. Este anlisis es realizado en forma digital, una vez que una seal ha

sido convertida a valores discretos, sus componentes pueden ser aislados,

analizados y reordenados ms fcilmente que en su primitiva forma analgica. En

estricto rigor, el procesamiento digital de seales se refiere al procesamiento

electrnico de seales tales como sonido, radio y microondas usando tcnicas

matemticas para realizar transformaciones o extraer informacin. En la prctica,

las caractersticas del procesamiento digital de seales las hace adecuadas para

muchos propsitos, tales como procesamiento de grficos de alta calidad y

simulaciones en ingeniera. Eventualmente cuando se ha completado el

procesamiento, los datos digitales pueden volverse atrs como seales


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analgicas, con una calidad mejorada. Por ejemplo: filtrar ruido de una seal,

remover interferencias, amplificar y/o suprimir frecuencias, encriptar informacin

analizar una corriente compleja en sus componentes esenciales.


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CAPTULO IIRevisin de

la literatura


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Los trabajos realizados sobre la calidad de la energa, por lo general son

sistemas dependientes de una PC para realizar el procesamiento de la seal

(Podest et al., 2002; Salem et al., 2005; Aiello et al., 2004; Wei et al., 2006;

Abdullah y Sha'ameri, 2005). Al utilizar una PC son incapaces de ejecutar el

monitoreo en tiempo real debido al sistema operativo inherente, adems dedisminuir su portabilidad.

La mayora de las tcnicas utilizadas para la estimacin de parmetros

elctricos estn basadas en la Transformada Rpida de Fourier (Batista et al.,

2003), otro tipo de tcnicas como el mtodo de Welch (no paramtrica) y

autorregresiva (paramtrica) han sido utilizados como mtodos de estimacin

espectral para detectar transitorios en sistemas de potencia (Nassifet al., 2005).

De manera semejante, otros modelos autorregresivos como Yule-Walker, Burg ytcnicas como la trasformada Wavelet y periodogramas (Alkan e Yilmaz, 2007)

han sido aplicados para el estudio de inter-armnicos y la presencia de

oscilaciones en la tensin (Soliman y Hawary, 2000), la transformada Wavelet

tambin ha sido empleada para la clasificacin de las perturbaciones de tensin

(Matzet al., 2007; Serkanet al., 2009). Estos mtodos han sido comparados en

trminos de su resolucin en frecuencia y los efectos en la determinacin de los

componentes espectrales.

Existen trabajos sobre la medicin de ciertos parmetros relacionados con

la calidad de la energa los cuales han estudiado de manera especfica a

mquinas elctricas como motores, trasformadores, generadores, etc. y no como

a un sistema que incorpore el uso en conjunto de varios elementos. Tal es el caso

del estudio de los efectos de perturbaciones en la lnea de alimentacin de

motores como variacin en la frecuencia y la distorsin de la forma de onda de la

tensin (Wakileh, 2003). Tambin se han realizados estudios con cargas variables

en motores (Yenet al., 2001), presentando resultados del comportamiento del par

en motores ante la presencia de armnicos en la lnea. Respecto a

transformadores, se han realizados estudios del tiempo de restablecimiento de la

lnea en los transitorios de voltaje (Warunaet al.,2008), problemas de saturacin

del ncleo debida a sobrevoltajes y corriente de Inrush (Bogarra et al., 2009;

Amitavaet al.,2009). Por otro lado, se han realizado estudios de los efectos de


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los armnicos en equipos (Ching et al., 1998) como variadores de velocidad,

condensadores, disyuntores, fusibles, conductores, equipos electrnicos,

iluminacin, medicin, rels de proteccin, mquinas rotativas y transformadores.

En la industria se han llevado a cabo estudios de la calidad de la energa,por ejemplo Koyiit et al. (2009) describen el efecto de la calidad de la energa

elctrica en la industria textil, realizando mediciones durante varios meses en dos

diferentes sectores y comprobando que una mala calidad de la energa puede

daar el sistema y da lugar a errores en la produccin debido a que las industrias

textiles cuentan con mquinas de alta tecnologa incluyendo tarjetas de control

electrnico y controladores de motores. Manzak y Chaitali (2000) proponen

algoritmos de planificacin que reducen al mnimo la energa en los tiempos de

trabajo de la maquinaria, de tal manera que la energa o potencia pico es mnima.Griffo et al. (2007) plantean una estrategia ptima para el control de los

compensadores activos con el objetivo de mejorar la calidad de la energa en las

empresas. Estos trabajos muestran un anlisis de la calidad de la energa

elctrica en toda una empresa o parte de ella, sin un enfoque preciso que permita

atacar esta problemtica a nivel particular para cada una de las mquinas

instaladas en la industria. Diversos trabajos enfocados a PQ en diferentes

industrias determinan que las variaciones de bajo voltaje son los disturbios

elctricos ms comunes y la principal causa de problemas relacionados con el

mal funcionamiento, daos o decrementos en la vida til de los equipos as como

interrupciones en los procesos de produccin (Bendre et al.,2006).

En relacin a diferentes causas que afectan la operacin del maquinado,

Davimet al. (2008) presentan la influencia de los parmetros de maquinado en la

calidad de la rugosidad de la superficie tales como velocidad de corte,

profundidad y esfuerzos de corte. Liang et al. (2003) realizan la optimizacin de

estos parmetros para mejorar la calidad en la rugosidad de la superficie por

medio de redes neuronales (NN). Rinconet al. (1994) muestran los efectos de las

vibraciones en el torque y las fuerzas de torque en el maquinado. Adems,

Santiago et al. (2010) proponen el diseo de un controlador para las trayectorias

empleadas por los ejes durante el maquinado para mejorar el acabado superficial.


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2.2. Tornos de tipo control numrico por computadora CNC

El torno CNC es un equipo de trabajo que permite manufacturar piezas de

distintos materiales como el acero, el hierro y el bronce, entre otros. La diferencia

con un torno convencional radica en que la mquina de control numrico tieneuna gran capacidad para producir piezas en serie con alta precisin, debido

principalmente a que todos los valores de maquinado estn guiados por el control

o computadora que lleva incorporado, cuya funcin especfica es procesar las

rdenes contenidas en un software que previamente han sido programadas para

realizar las funciones requeridas.

2.3. Tipos de tornos CNC

Existen varios tipos de tornos de acuerdo a su diseo y caractersticas, por

ejemplo:

Tornos verticales.Equipo diseado para maquinar piezas de gran tamao que

se sujetan al plato de garras u otros operadores y que por sus dimensiones o

peso, son difciles de fijar en un torno horizontal. Los tornos verticales tienen un

eje dispuesto verticalmente y un plato sobre un plano horizontal, lo que facilita el

montaje de piezas grandes y pesadas. Actualmente, la mayora de este tipo de

torno de es de tipo CNC.

Fig. 4. Torno vertical CNC

Tornos de banca plana.Pertenecen a la familia de los tornos horizontales, son

equipos diseados para producir piezas nicas o lotes de produccin pequeos,


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la bancada de este tipo de mquinas es plana y aunque permite el maquinado de

piezas grandes, el avance de los carros es mucho menor que el de la bancada

inclinada. La gran mayora de los tornos de taller tienen componentes manuales,

tales como el husillo y la torreta.

Fig. 5. Torno de bancada plana

Tornos de bancada inclinada. A diferencia de los anteriores, los tornos de

bancada inclinada se caracterizan porque producen grandes lotes de produccin,

dado que cada una de las partes de este tipo de mquina funciona

automticamente, la torreta de herramientas, por ejemplo, es automtica y en ella

se pueden ubicar de 8 a 12 herramientas que giran de acuerdo al proceso que se

est realizando. Por ser stas mquinas de banca inclinada, permiten ms

espacio en la manufactura de piezas que las de bancada plana.

Fig. 6. Torno de bancada inclinada

Torno de cabezal mvil o suizo.Se emplean para el maquinado de piezas con

dimetros pequeos, generalmente piezas de relojera y piezas para implantes

dentales o quirrgicos en titanio o en acero inoxidable. Una de las caractersticas

principales de ste tipo de mquina es que el desplazamiento longitudinal del


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desde donde se programa todo el proceso. A continuacin se describen de

manera detalladas las partes principales que componen al torno CNC.

Husillo.Es el que produce el movimiento giratorio de las piezas; por lo regular,

los tornos CNC disponen de un motor de corriente alterna que acta directamentesobre ste, a travs de una transmisin por poleas. Estos motores cuentan con un

inversor o variador de frecuencia proporcionando velocidades variables que van

desde cero hasta un valor mximo, las cuales se guardan en el programa de

ejecucin de cada pieza. A diferencia de los tornos CNC, los convencionales

utilizan, en vez de un motor, una caja de engranajes para hacer girar el husillo, se

trata de una combinacin de palancas, en las que el operario indica las

velocidades segn una tabla ya estipulada por la industria. Este sistema demanda

mayores tiempos de produccin.

Bancada. Tanto en los tornos convencionales como en los de control numrico, la

estructura de la bancada determina las dimensiones mximas con que se pueden

trabajar las piezas; en los tornos CNC fueron diseadas especialmente para

desplazamientos rpidos conservando por largos periodos de tiempo precisin en

los movimientos.

Carros desplazables. Cada carro integra un motor independiente llamado

servomotor, es decir, motores controlados con mecanismos electrnicos que

funcionan principalmente por una fuente elctrica. Estos motores emplean a su

vez un modulo de control y una etapa de potencia o servoamplificador. Se

caracterizan porque tienen movimientos o desplazamientos tan pequeos como la

micra (milsima de milmetro).

La torreta de herramienta. Las herramientas que realizan las operaciones de

mecanizado estn sujetas a una torreta de herramientas, en la cual se alojan

desde seis hasta veinte instrumentos diferentes de corte de acuerdo al trabajo de

manufactura que se ha programado previamente. Este elemento tambin

conocido como revolver, lleva incorporado un motor que lo hace girar y un sistema

hidrulico encargado de realizar su estacionamiento con una precisin que oscila

entre 0.5 milmetros y 1 micra de milmetro.


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Unidad de control de proceso.Todas las mquinas de control numrico, llevan

integrando una unidad central de procesamiento (CPU); el cual es el componente

encargado de interpretar y ejecutar un conjunto de datos insertados en una

secuencia estructurada o especfica de rdenes que constituyen el programa demecanizado. La funcin principal del CPU en un torno consiste en desarrollar las

rdenes de mando y control, de acuerdo con el programa de mecanizado que el

operario haya establecido, por ejemplo, calcular la posicin y el cambio de las

herramientas en todo el proceso de trabajo, pero tambin controlar otros factores

de maquinado como las revoluciones del husillo o copa que sujeta la pieza, los

avances y la velocidad de desplazamiento de los carros (Cruz, 2004).

Ventajas y desventajas del torno CNC

Las principales ventajas y desventajas del uso de tornos del tipo CNC se

presentan en la tabla 2 (Cruz, 2004).

Tabla 0. Ventajas y desventajas del uso del torno CNC

Ventajas Desventajas

Mayor precisin en el mecanizado de

las piezas que en los tornos

convencionales.

Necesidad de realizar un programa de

mecanizado de la primera pieza.

Permiten mecanizar piezas ms

complejas que las que se maquinan

en los tornos convencionales.

Costo elevado de las herramientas y

accesorios.

Menores tiempo de produccin.La inversin por puesta de trabajo es

elevada.

Reduccin de los errores en los

operarios.

La planificacin del trabajo debe ser

ms detallada y rigurosa.


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2.5. Calidad de la energa elctrica

La calidad de la energa (PQ) cubre diversos aspectos relacionados con

la forma de onda de voltajes y corrientes, las cuales tienen una relacin directa

con las cargas alimentadas. El trmino calidad de la energa elctrica se define

como la ausencia de disturbios que provoquen una deformacin de la onda

senoidal pura de tensin o corriente; los disturbios pueden ser: sobre-tensin,

baja tensin, interrupciones, deformacin producida por armnicas y variaciones

de la tensin que es suministrada al usuario y que pueden comprometer la

continuidad del servicio elctrico.

La principal fuente de anomalas en el suministro elctrico es debida a

seales armnicas producidas por cargas no lineales, las cuales son todas

aquellas cargas elctricas que no tienen una relacin lineal entre el voltaje y la

corriente. Las cargas no lineales ms comunes son:

Controles electrnicos de velocidad para motores de CD y CA.

UPSs y PCs.

Hornos de induccin.

Transformadores de ncleos saturados.

Alumbrado fluorescente y lmparas con balastros electrnicos.

Las corrientes armnicas generadas por cargas no lineales, estn

desfasadas noventa grados con respecto al voltaje que las produce, fluyendo una

potencia distorsionante de la fuente a la red elctrica y viceversa, que solo es

consumida como prdidas por efecto Joule que se transforman en calor, de forma

equivalente a la potencia reactiva fundamental relacionada al factor de potencia

de desplazamiento.

Algunos de los efectos nocivos producidos por el flujo de corrientes

armnicas son:

Calentamiento excesivo en transformadores, generadores, motores y

conductores elctricos, reduciendo su tiempo de uso.

Vibracin en motores y generadores.

Falla de bancos de capacitores automticos o generacin de resonancias.


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Problemas de funcionamiento en dispositivos electrnicos sensibles.

Interferencia en sistemas de telecomunicaciones.

Los efectos dependern de la proporcin que existe entre la carga no

lineal y la carga total del sistema, aunado a que se debe mantener la distorsin

dentro de los lmites establecidos por las normas.

2.6. Principal normativa referente a la CE

Entre las principales entidades de regulacin para el monitoreo de la PQ

se encuentran el estndar IEC 61000-4-30, la norma IEEE Std. 1159-1995 y la

norma europea EN-50160. Los estndares sobre monitoreo PQ proveen losmnimos requerimientos para establecer las condiciones necesarias en la

estimacin de la PQ de forma que los analizadores desarrollados por diferentes

empresas obtengan los mismos resultados, en esta seccin se presenta una

descripcin de cuada una de estas normativas as como una discusin sobre

algunos de los aspectos que no son cubiertos en las mismas.

Norma IEEE Std. 1159-2009IEEE Recommended Practice for Monitoring

Electric Power Quality.

La norma Norma IEEE Std. 1159-2009 fue desarrollada dentro de las

Sociedades IEEE y las Normas de Coordinacin de Comits de la Asociacin de

Normas del IEEE (IEEE-SA), a travs de un consenso aprobada por el American

National Standards Institute, el estndar 1159-2009 provee los pasos para el

monitoreo del sistema elctrico monofsicos y polifsicos de corriente alterna y la

gua para un apropiado entendimiento de los resultados obtenidos, adems

describe los diversos tipos de fenmenos electromagnticos que se presentan en

las redes elctricas (Transitorios, variaciones de corta duracin y larga duracin,

desequilibrio de la tensin, distorsin de la forma de onda, fluctuaciones de

tensin y variaciones de la frecuencia).


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Esta normativa no define la manera de obtencin de la magnitud y duracin

de los disturbios elctricos, as mismo para casos particulares que raramente se

presentan como disturbios en una sola fase no son cubiertos en esta norma. Por

otra parte, segn el estndar 1159-2009 cada anomala pertenece solo a un tipo

de disturbio lo que genera una problemtica ante la presencia de alguna anomalaen la red elctrica cuyas caractersticas al ser separadas en tiempo satisfaga dos

diferentes tipos de disturbios.

Los disturbios elctricos son anormalidades en el voltaje o la corriente, los

cuales presentan variaciones de magnitud o valores RMS respecto a su valor

nominal durante un intervalo de tiempo. Dependiendo de los umbrales de estas

caractersticas son categorizados en los estndares IEEE 1159-199 como

variaciones de corta o larga duracin las cuales son mostradas en las tablas 3.

Tabla 3. Variaciones en la fuente de voltaje de acuerdo a IEEE Std. 1159-1999.

Categora Duracin

Magnitud

de voltaje

(p.u.)

Variaciones

de corta

duracin

Instantneo

Sag0.5 a 30

ciclos0.1 a 0.9

Swell0.5 a 30

ciclos1.1 a 1.8

Momentneo

interrupcin 0.5 a 3 sec. < 0.1

Sag30 ciclos a

3s0.1 a 0.9

Swell30 ciclos a 3

s1.1 a 1.4

Temporal

Interrupcin 3 s a 1 min. 1 min. 0

Bajo voltaje > 1 min. 0.8 a 0.9

Sobre voltaje > 1 min. 1.1 a 1.2


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Standard IEC 61000-4-30 Testing and measurement techniques.

El IEC (International Electrotechnical Commission) a travs del StandardIEC 61000-4-30 establece los procedimientos para los instrumentos de medicin

de parmetros elctricos de manera confiable. Este estndar estable dos clases

de requerimientos de medida, la clase A es el requerimiento de medida de ms

exigencia proporcionando una mayor precisin mientras la clase B es la de menor

exigencia. Este estndar abarca una variedad de fenmenos elctricos tales como

frecuencia de alimentacin, magnitud de la tensin de alimentacin, flicker,

armnicos e interarmnicos, fluctuaciones de tensin (Huecos y sobretensiones),

interrupciones, desequilibrios en la tensin de alimentacin, transmisin deseales a travs de la alimentacin y cambios rpidos de tensin. Sin embargo,

bajo determinadas circunstancias los periodos de tiempo establecidos en este

estndar para el monitoreo de algunos eventos hace difcil comprobar su

medicin, ya que las estimaciones de los resultados obtenidos para diferentes

periodos de tiempo varan. Por otra parte no especfica la tasa de muestreo que

se debe utilizar para la medicin, lo cual en caso de no ser suficiente repercute en

determinar la existencia de algunos fenmenos.

Norma europea EN-50160Voltage characteristics of electricity supplied by

public distribution systems

Este estndar define y describe los valores que caracterizan la tensin de

alimentacin suministrada al cliente en servicios de distribucin publica de baja

(Hasta 1KV) y media tensin (Desde 1 KV hasta 35 KV), tales como: frecuencia,

amplitud de la tensin, variaciones de la tensin, variaciones rpidas de la tensin

(amplitud y severidad del parpadeo), huecos de tensin, interrupciones breves y

las interrupciones largas del suministro, sobretensiones temporales y transitorias,

desequilibrio de la tensin suministrada, tensiones armnicas e interarmnicas y

transmisin de seales de informacin. Un problema con este estndar es que

solo cubre los requerimientos para la medicin de los voltajes, adems de no ser


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suficientes los lineamientos establecidos para identificar la responsabilidad de

problemas por parte del cliente o del proveedor de servicios presentes en la red

elctrica como huecos de tensin. Por otra parte en conexiones tipo Delta las

mediciones son tpicamente limitadas a voltajes line-to-line, lo cual esconde la

presencia algunos fenmenos ocasionando que no se han tomados en cuentapara su anlisis.

La tabla 4 muestra las variaciones de la fuente de voltaje de acuerdo a EN-50160.

Tabla 4. Variaciones en la fuente de voltaje de acuerdo a EN-50160 [61][7]

Variaciones en la fuente de

voltaje

Magnitud Duracin

Cambios rapidos de voltaje% 90 10 ms varios

ciclos

(recuperacion)

Dips 90% < 1 % 10 ms < 60 s

Interrupciones

en la fuente

de voltaje

Cortas < 1 %< 3 min

Largas < 1 %> 3 min

Sobrevoltajes temporales > 110 %Varios ciclos -

das

Sobrevoltajes transitorios > 110 % 1-100 s

2.7. Disturbios elctricos

Los diferentes tipos de perturbaciones o fenmenos electromagnticos que

pueden ocurrir en un sistema elctrico de potencia y que se consideran en el

estudio de la calidad de la energa estn basados en la norma IEEE Std. 1159-

1995 (IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality).

Bsicamente la clasificacin de los fenmenos electromagnticos se da en siete

categoras segn sean las caractersticas de su espectro armnico, su duracin y


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su amplitud. Se tienen entonces fenmenos transitorios, variaciones de corta

duracin, variaciones de larga duracin, desbalances de tensin, distorsin de la

forma de onda, fluctuaciones de la tensin y variaciones de la frecuencia. A

continuacin se describe a detalle cada uno de ellos.

Transitorios electromagnticos.

Son variaciones en la tensin y/o en la corriente y que tienen como

duracin mxima unas cuantas decenas de milisegundos. Los fenmenos

transitorios son clasificados en dos tipos, de acuerdo a la caracterstica de la

forma de onda transitoria.

Transitorio Impulsivo Transitorio Oscilante

El transitorio impulsivo (Ver Fig. 9) es tpicamente ocasionado por

descargas atmosfricas. Se caracteriza por ser un fenmeno de muy corta

duracin (desde nanosegundos hasta algunos milisegundos)

Fig. 9. Transitorio impulsivo

Los transitorios oscilantes, de acuerdo a su contenido espectral se

clasifican en alta, media o baja frecuencia (Ver Fig. 10). Los transitorios oscilantesde alta frecuencia contienen componentes de frecuencia mayor a 500kHz y su

duracin es de algunos microsegundos. En su mayora son debidos a algn tipo

de switcheo. Estos fenmenos son encontrados tpicamente en las redes de sub-

trasmisin y distribucin y se deben entre otras cosas a la energizacin de bancos

de capacitores, transformadores o a ferro-resonancia.


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Fig. 10. Transitorios oscilantes

Variaciones de corta duracin.

Son eventos de la red elctrica con variaciones en la tensin de duracionesdesde medio ciclo hasta un minuto y en donde la magnitud puede estar en el

rango de un 10% a 120 % de su valor nominal.

De acuerdo a su duracin, estas variaciones se clasifican en:

Instantnea (0,5 a 30 ciclos)

Momentnea (de 30 ciclos a 3 segundos)

Temporal (de 3 segundos a 1 minuto)

De acuerdo al tipo de variacin de la tensin, se tienen tres categoras:

Interrupciones

Sags, Dips o Huecos de Tensin

Swells

Las interrupciones se presentan como descensos en la tensin menores a

un 10% del valor nominal durante un perodo que no excede al minuto (Ver Fig.

11). A estas perturbaciones se les conoce tambin como micro cortes. Pueden serocasionados por fallas en la red elctrica, fallas en los equipos o mal

funcionamiento de algn control.

Los sags (o dips o huecos de tensin) son descensos de la tensin a

valores del 90% al 10% del valor nominal de la onda durante un perodo de


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tiempo que no excede al minuto (Ver Fig. 11). Estos son usualmente asociados

con cortocircuitos en la red, la energizacin de grandes cargas, el arranque de

grandes motores o la conmutacin de condensadores.

Los swells son definidos por un incremento en la tensin con una duracindesde medio ciclo hasta un minuto (Ver Fig. 11). Son sobretensiones

momentneas cuyos valores tpicamente estn entre 110 y 180 % de su valor.

Son debidas a fallas en la red, maniobras o switcheos de grandes cargas.

Interrupcin Sag Swell

Fig.11. Variaciones de corta duracin en la red elctrica.

Variaciones de larga duracin

Son eventos de la red elctrica con variaciones en la tensin de duraciones

mayores a un minuto. Generalmente son debidas a variaciones en la carga o por

maniobras de reconexin en el sistema. En esta categora hay tres tipos de

fenmenos:

Sobretensiones

Subtensiones

Interrupciones

Las sobretensiones consisten en incrementos de la tensin mayores al

110% de su valor nominal. Suelen presentarse debido a la desconexin de

grandes cargas o bien fallas en la regulacin de la tensin.


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Las subtensiones son cadas de la tensin ms all del 90% de su valor

nominal. Suelen aparecer en la conexin de grandes cargas y se mantienen hasta

que el sistema de regulacin de tensin lleva la tensin a su nivel de referencia.

Desbalance de la tensin

En esta categora aparecen los fenmenos ligados a la aparicin de

componentes de secuencia negativa y cero. El desbalance de tensin es definido

como la relacin de las componentes de secuencia negativa o la componente de

secuencia negativa con respecto a la secuencia positiva. Generalmente cuando

se registran tensiones de secuencia negativa y cero son ocasionados por cargas

desbalanceadas en la red elctrica.

Distorsin de la forma de onda

Se puede definir como la desviacin en estado estable de la forma de onda

senoidal ideal y que se puede caracterizar por su contenido espectral. Se

consideran cinco tipos de distorsin de onda:

Componente de DC (DC Offset)

Armnicas

Interarmnicas

Notching

Ruido de alta frecuencia (Noise).

La presencia de una componente continua en un sistema de corriente

alterna se le conoce como componente de DC. Puede ser originada por

perturbaciones magnticas o al efecto de rectificacin de media onda. Esta

componente puede ocasionar efectos adversos en ncleos de transformadores

que pueden ser saturados en condiciones operativamente normales.

Los armnicos son tensiones o corrientes senoidales cuya frecuencia es

mltiplo entero de la frecuencia fundamental del sistema elctrico (Ver Fig. 12).

Estas distorsiones son causadas por las caractersticas de operacin no lineales

de algunas cargas elctricas tales como rectificadores y hornos de arco elctrico.


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Otros equipos que producen esta distorsin armnica son los balastros de estado

slido de los circuitos de alumbrado, los variadores de velocidad, los

rectificadores, etc. (Duran et al., 2002).

Fig.12. Seal contaminada con un tercer armnico

La repercusin de los armnicos presentes en la lnea elctrica generan

problemas tales como:

Fallas en sistemas electrnicos de control.

Calentamiento de motores, transformadores, bancos de capacitores, y

cableado en general, disminuyendo su vida til y provocando que

eventualmente fallen, ocasionando prdidas econmicas mayores debido

al paro en la lnea de produccin durante su reparacin, as como el costo

del equipo daado.

Respuesta errnea de sistemas de proteccin. Sobrecarga de conductores neutro en sistemas trifsicos.

Mediciones incorrectas de medidores Watts-Hora calibrados para ondas

senoidales puras.

Vibraciones mecnicas.

Mala compensacin de sistemas correctores de factor de potencia.

Interferencia telefnica.

Resonancia en serie y en paralelo.

Los interarmnicos son componentes de la tensin o de la corriente, cuya

frecuencia no es un mltiplo entero de la frecuencia fundamental del sistema. Las

principales fuentes de esta perturbacin son los convertidores estticos de

frecuencia, los cicloconvertidores, los hornos de induccin y de arco elctrico.


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Variaciones de la frecuencia

Las variaciones de frecuencia en el sistema elctrico estn relacionadas

con la velocidad rotacional de los generadores del sistema elctrico. La frecuenciaes un parmetro que depende del balance entre la produccin de energa y su

consumo. Cuando se producen desequilibrios repentinos entre el balance de

generacin y carga se producen cambios en la frecuencia del sistema.

2.8. Tcnicas de anlisis para la CE

Para el anlisis de las seales de voltaje y corriente es necesario conocer

primeramente las componentes que integran a las seales, esto sus componentes

armnicas. Para ello existen diversas herramientas que permiten transformar deldominio del tiempo al dominio de la frecuencia. As mismo, esta trasformacin de

espacios puede ser llevada a cabo dominios simultneos entre el tiempo y la

frecuencia, con lo que se obtiene informacin de las componentes frecuenciales

de la seal en el momento en que estas se presentan. A continuacin se

muestran las principales tcnicas de anlisis en el rea de la CE:

2.8.1. Transformada rpida de Fourier.

La forma ms comn para conocer las componentes armnicas en una

seal es mediante el uso de la transformada de Fourier. La transformada discreta

de Fourier (DFT, de sus siglas en ingls Discrete Fourier Transform) descrita en la

ecuacin (1) es optimizada aprovechando su periodicidad, lo que se conoce como

la Transformada Rpida de Fourier (FFT, de sus siglas en ingls Fast Fourier

Transform). La FFT debe su xito al hecho que el algoritmo reduce el nmero de

multiplicaciones y adiciones requeridas en el clculo respecto a la DFT.

[ ] [ ] 1,...,1,0,21

0

==

= NkenxkX

nkN

jN

n

( 1 )


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estocstico (estacionario) dada la naturaleza estocstica del mismo no es posible

determinar con absoluta precisin su densidad espectral de potencia a no ser que

dispongamos de un registro infinito de la seal.

Las tcnicas de estimacin se dividen en dos grupos:

No Paramtricas.Estn basadas siempre de una u otra forma en el clculo del

periodograma. Algunos ejemplos de tcnicas no paramtrica es calcular la

transformada de Fourier de una seal para estimar su espectro, suavizado

utilizando una ventana espectral, mtodo de Welch, etc.

Paramtricas. Consisten en suponer un determinado modelo para el proceso

estocstico (mtodo de Burg, mtodo de la covarianza modificado, MUSIC, Yule-

walker, modelos AR, MA, ARMA, la transformada Chirp Z, etc.) y en la estimacinde los parmetros de estos modelos mediante tcnicas de prediccin lineal

(filtrado lineal ptimo) u otros mtodos.

Transformada S (ST).

La ST es una wavelet compleja basada en componentes senoidales y en una

ventana de anlisis gaussiana de ancho variable y multiplicada por un factor de

fase, donde la funcin de la desviacin estndar vara inversamente con la

frecuencia. Tambin puede ser vista como una correccin de fase de la

transformada wavelet o como una ventana de tiempo variable de la transformada

de Fourier que simultneamente localiza los espectros reales e imaginarios de la

seal, esto corresponde a la ecuacin (6).

dtetgtxfS ftj 2)()(),,(

= (6)

Donde la funcin g(t) se describe en la ecuacin (7)

=2

2

2

2

1)(

t

etg (7)

La desviacin estndar () es una funcin inversa de la frecuencia como se

muestra en (8) [88]

|

1)(

fTf == (8)

Esta funcin por otra parte se presenta con algunas modificaciones con el fin de


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tener ms versatilidad en la seleccin de la funcin ventana, tal es el caso de

presentando la siguiente modificacin:

fba

baf

+

+=

22)( (9)

Donde a y b son constantes positivas las cuales controlan las oscilaciones de la

ventana.

2.8.6. Comparativa de los mtodos

A continuacin se presenta una comparativa de los diversos mtodos presentados

anteriormente.

Tabla 5.Comparativa de los principales mtodos de anlisis de seales

METODO VENTAJAS DESVENTAJAS

STFT

Brinda un buen panorama

general cuando existen

notorios cambios en el

tiempo de las componentes

en frecuencia de la seal,

por su naturaleza respecto a

la FFT es altamente usada

debido a la sencillez en su

implementacin

Dependiendo del ancho de

ventana seleccionada se

encuentra limitada su

resolucin temporal y

frecuencial al no tener un

control sobre las

propiedades dinmicas de

la seal.

Sufre de chorreos y

componentes espurias en el

resultado

WaveletBuena resolucin

frecuencial y temporal

La obtencin de

componentes de altas

frecuencias en regiones decortas requiere de altos

recursos computacionales.

Este proceso est muy

influido por el ruido


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superpuesto a la seal y la

naturaleza iterativa de los

algoritmos basados en la

transformada wavelet que

requieren diferentesfrecuencias de muestreo de

sub-bandas de frecuencia

diferentes.

Errores al inicio y final de

los niveles de

descomposicin de la seal

Banco de

filtros

Baja complejidad

computacional [25].

La precisin en losresultados depende del

diseo del filtro, en donde

cada filtro equivale a un

rango de frecuencias

especifico, por lo diversos

rangos requieren de varios

filtros.

Transformada

S

La correccin de fase

asegura que la amplitud de

los picos son regiones de

fase estacionaria.

La fase del espectro es

referida al origen del eje del

tiempo o referida a un punto

Las componentes real e

imaginaria del espectro

pueden ser localizadas en

tiempo.

Grandes chorreos, lo cual

en ocasiones genera altos

niveles de traslapes entre

las frecuencias.


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Mtodos

Paramtricos

Una excelente resolucin en

tiempo y frecuencia

Uso de grandes recursos

computacionales y tiempo

de procesamiento

2.9. Indicadores de la CE

Para determinar el impacto de la CE se emplean los ndices de la calidad de la

energa (ICE). Las definiciones matemticas para calcular ICE se muestran en la

presente seccin, en la cual se parte de las seales de voltaje y corriente

descritas a continuacin (Lara et al, 2008 ).

=

+=N

n

non tnfVtV1

)2sin()( (10)

=

+=N

n

non tnfItI1

)2sin()( (11)

donde Vne Inson los valores pico de los armnicos de voltaje y corriente, N es el

nmero mximo de armnicos que sern analizados, fo es la frecuencia

fundamental de la lnea elctrica, ny nson la fase del n-simo armnico.

ndices en el Dominio del Tiempo. Los ndices de la calidad de la energa:

Vpico, Ipico, y Spico se obtienen en el dominio de tiempo como los valores

mximos presentes en el intervalo analizado.

))(max( tVVpico = (12)

))(max( tIIpico = (13)

[ ])()(max tItVSpico = (14)

ndices en el Dominio de la Frecuencia. Los siguientes ndices se obtienen

en el dominio de la frecuencia. Una vez aplicada la transformada rpida de

Fourier de las seales de voltajes y corrientes, se obtienen la magnitud y fase de

las componentes en frecuencia.


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Referida a la fundamental:

1001

2

2

1

===

V

V

V

VHCTHDV

N

n

n

fund , 100

1

2

2

1

===

I

I

I

IHCTHDI

N

n

n

fund (18)

Donde V1e I1son las magnitudes de las componentes fundamentales de voltaje y

corriente respectivamente.

Referida al valor rms total:

1002

2

=

=

Vrms

V

THDV

N

n

n

rms , 1002

2

=

=

Irms

I

THDI

N

n

n

rms

(19)

Factor de potencia de distorsin: El factor de potencia de distorsin describe

como la distorsin armnica de la corriente disminuye la potencia promedio

transferida a la carga.

Irms

IDPF 1= (20)

El tringulo de potencias para sistemas no senoidales de la figura 17 expresa que

la potencia aparente o total S [VA] est conformada por las componentes de

potencia de distorsin D[VAd] y la potencia resultante en el plano horizontal entre

la potencia real P[Watts] y la potencia reactiva Q[VAr].

Fig.17. Tringulo de potencias para sistemas no senoidales


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Potencia aparente: Es la potencia total consumida por el circuito igual al

producto del voltaje y corriente rms.

IrmsVrmsS = (21)

Potencia real:Es la potencia consumida por carga resistiva. Se define como:

=

=N

n

nnVnInP1

)cos(2

1 (22)

Potencia reactiva: Es la potencia almacenada en forma de campo elctrico y

magntico en cargas inductivas y capacitivas. Esta potencia representa un

consumo de energa pero no generan trabajo til.

=

=N

n

nnVnInQ1

)sin(2

1 (23)

Potencia de distorsin:Se define conforme la siguiente frmula:

222PQSD = (24)

Factor de potencia: Expresa el defasamiento entre las componentes

fundamentales de voltaje y corriente, tomando en cuenta su signo.

[Adelanto/Atraso en fase] .Se define como:

)cos( 11 =FP (25)

Donde 1es la fase de la componente fundamental de voltajey1de la corriente

(Lara et al, 2008 ).


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CAPTULO IIIMetodologa


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La instrumentacin de los sensores de corriente es conformada por una

etapa de ganancia con seleccin y un filtro antialiasing. De manera similar las

seales de voltaje son filtradas por medio de un filtro antialising. Los filtros

antialiasing son filtros butterworth de segundo orden con una frecuencia de corte

de 3 KHz. La figura 22 muestra una fotografa de la tarjeta diseada para elacondicionamiento de las seales de voltajes y corrientes.

Sensores de

corriente

Divisor de

voltaje

DB9 a DAS

Fig. 22. Tarjeta para la etapa de acondicionamiento de seales.

3.2.2. Adquisicin de seales

La etapa de conversin digital analgica puede utilizar un convertidor

analgico digital ADS7886 con una resolucin de 12 bits o puede ser

reemplazado por un ADS8341 de 16 bits. Este sistema es diseado para obtener

una tasa mxima de muestreo de 6000 muestra/s y cuenta con 20 MHz de

transmisin serial para su procesamiento en una PC. El sistema de adquisicin de

datos (ADS) recibe una seal que determina la frecuencia de muestreo deseada,

esta seal es proveniente de un controlador embebido en el FPGA.

Posteriormente las seales digitales son multiplexadas y pueden ser almacenadas

en memorias externas localizadas en la tarjeta que contiene el FPGA.


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La metodologa propuesta consiste como primer paso en obtener la transformada

S (ST) ya que es un algoritmo eficiente para la deteccin de disturbios elctricos

como sags y swells, y permite conocer el momento de la presencia de alguna

anomala en la seal de voltaje. En seguida se realiza un filtrado y normalizado de

las seales con el objeto de uniformizar el criterio de deteccin de los disturbiosentre las diferentes pruebas. La normalizacin corresponde a la diferencia entre la

media de un intervalo de la seal en condiciones normales y la seal.

Posteriormente, la seal es analizada en dos intervalos a partir del momento de la

deteccin del disturbio, estos son el intervalo previo al disturbio y durante la

presencia del disturbio. La transformada rpida de Fourier (FFT) es aplicada a

ambas secciones a partir de las cuales se evalan los PQI: RMS, THD y el

porcentaje de desbalance. Por ltimo, los resultados obtenidos son comparados

para conocer el impacto de las mquinas sobre las operaciones del torno. Lafigura 26 muestra la metodologa empleada para este caso de estudio.

Fig. 26. Metodologa para el caso de estudio 2.


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decrementos en la vida til de los equipos as como interrupciones en los

procesos de produccin

Generador de sags

Para la realizacin de este caso de estudio, fue necesario el diseo de un

generador de sags, el cual permite establecer el porcentaje en la magnitud del

disturbio y el tiempo de duracin del mismo. Para ello se utilizaron 3

autotransformadores, un transformador trifsico y 6 interruptores de estado slido

SSR (State Solid Relay, de sus siglas en ingls). En donde estos ltimos

establecen las condiciones de voltaje a la salida del generador de sags, esto es si

el voltaje es nominal o de menor magnitud, as como el tiempo de duracin del

disturbio. Para ello, la seal de activacin del disturbio es sincronizada con elsistema de monitoreo de CE para la realizacin de las pruebas. La figura 28

muestra el diagrama correspondiente a una de las fases del generador sags.

Fig. 28. Diagrama del generador de sags de voltaje de una fase.

La metodologa utilizada para este caso de estudio es mostrada en la figura

29. La figura 29.a muestra el generador de sags, as como el sistema de

adquisicin de datos y la PC. La figura 29.b muestra el torno utilizado para la

experimentacin. Posteriormente, en la figura 29.c se presentan las variables a

reportar monitoreadas durante el disturbio elctrico.


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Fig. 29. Metodologa para el caso de estudio 3.

Por ultimo las seales son analizadas y se realizan las mediciones de

rugosidad a lo largo de las piezas. La figura 30 muestra el equipo utilizado para lamedicin de la rugosidad en las piezas maquinadas.

Fig 30. Medicin de la rugosidad


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Las pruebas realizadas para este caso de estudio fueron realizadas con

diferentes magnitudes de porcentajes de sag. Cubriendo los siguientes casos:

análisis en maquinaria cnc ante variaciones de bajo voltaje y sus efectos en la calidad de la...

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