NUEVO ENFOQUE EN EL MODELAMIENTO Y DISEO DE UNA MAQUINA AUTOMATIZADA PARA LA ELABORACION DE DEVANADOS ESTATORICOSAUTORES:Alva Paredes, Miguel Angel; Miguel_Alva_Paredes@hotmail.com Caldern Huamn, Jean Pierre Jos; jeanpierrejosecalderonhuaman@gmail.com Cumpa Guzmn, Prospero Alfonso; Cumpaguzmanalfonso@gmail.com ASESOR:Del guila Vela, Edgar; edgar_del_aguila@hotmail.com Mendoza Trujillo, Elmer; emendoza5@hotmail.com UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAOFacultad de Ingeniera Elctrica y Electrnica -Escuela Profesional de Ingeniera Elctrica Ciudad Universitaria, Av. Juan Pablo II 306, Bellavista Callao Telfono (01) 453-0165, E-mail: decfiee@unac.pe

CODIGO: E1_097_UNAC

HOJA 20

Resumen En la actualidad las maquinas elctricas rotativas como motores y generadores, forman parte vital del desarrollo industrial de los pases del orbe, por lo que para su buen funcionamiento y una mejor calidad de servicio, es necesario tener un plan de anlisis completo y constante en su elaboracin y construccin. Asimismo, cabe indicar que los problemas presentes en estos tipos de mquinas son tanto de origen elctrico, trmico y mecnico; lo cual sern motivo de estudio. En el presente proyecto de investigacin intitulado: Nuevo enfoque en el modelamiento y diseo de una maquina automatizada para la elaboracin de devanados estatricos; se desarrollar el modelamiento de una mquina para la elaboracin de devanados estatricos de motores y generadores, cuya funcin de la maquina bobinadora es reducir los tiempos en la etapa de elaboracin y mejorar el proceso de la calidad de los devanados estatricos. Para ello vamos hacer uso de herramientas modernas en el anlisis y sntesis del modelamiento y diseo de la mquina, especficamente sobre la base de la automatizacin de los procesos, destacando la optimizacin frente a los procesos convencionales existentes en el estado del arte a nivel de los devanados estatricos. Palabras claves-- Modelamiento, anlisis, sntesis, maquinas rotativas, devanados estatricos.ABSTRACT Today rotating electrical machines such as motors and generators are a vital part of the industrial development of countries of the world, making for smooth operation and better quality of service; you must have a plan of complete and consistent analysis in its development and construction. It should also be noted that the problems in these types of machines are both electrical, thermal and mechanical origin; which are being studied. In this research project entitled: "New approach to the modeling and design of an automated machine for the manufacture of stator windings"; modeling a machine for the production of stator windings of motors and generators, whose function is to reduce winding machine time at the stage of development and improve the process quality of the stator windings will develop. To do this we make use of modern tools in the analysis and synthesis modeling and machine design, specifically based on the automation of processes, highlighting the optimization over existing conventional processes in the art at the level of stator windings. Keywords-- Modeling, analysis, synthesis, rotating machines, stator windings.

INTRODUCCINLas maquinas elctricas rotativas, como lo motores y generadores de corriente alterna, forman parte vital de la industria a nivel mundial. Y como tal la industria impone tres caractersticas esenciales en estas mquinas; confiabilidad, economa y una larga vida til. Al lograr un equilibrio entre estas caractersticas, consideramos que estas mquinas ofrecen una mejor calidad de servicio, es decir un buen porcentaje de eficiencia. Para llegar a tal equilibrio, es determinante como primer punto conocer su principio de funcionamiento, y como segundo punto la constitucin mecnica elctrica.Las maquinas elaboradoras de devanados tienen diversos productos finales, como por ejemplo: devanados de inducidos, devanados de transformadores, devanados estatricos de mquinas rotativas, pero en esta investigacin hablaremos de su aplicacin en la elaboracin de devanados estatricos de mquinas rotativas utilizados en la fabricacin de motores y generadores; para ello desarrollaremos el modelamiento y diseo basndonos en el estado del arte actual. Para desarrollar el nuevo enfoque haremos uso de herramientas modernas en el anlisis y sntesis del modelamiento y diseo del equipo, especficamente basndose en la automatizacin de los procesos, destacando la optimizacin frente a los procesos convencionales existentes en el estado del arte a nivel de los devanados estatricos.PLANTEAMIENTO DEL ESTUDIOLas maquinas elctricas rotativas, estn expuestas a diferentes tipos de fallas. Las cuales pueden ser clasificadas; segn nuestro criterio; en FALLAS DE ORIGEN INTERNO y FALLAS DE ORIGEN EXTERNO. Para materia de nuestra investigacin analizaremos la relacin que existe entre una FALLA DE ORIGEN INTERNO y el ASPECTO CONSTRUCTIVO de la maquina elctrica rotativa. Por ejemplo las fallas en la simetra de los devanados se producen por defectos de construccin, este problema se da generalmente en mquinas elctricas rotativas que han sido rebobinadas en talleres sin seguir normas tcnicas establecidas. Con los resultados cualitativos adquiridos proyectaremos un recurso para enfrentar este tipo de fallas.Para lo cual contemplaremos como nuestra unidad de estudio a los DEVANADOS ESTATORICO de las maquinas elctricas rotativas. Para lo cual consideramos seguir el siguiente ciclo.RECOPILAR IMFORMACIONEsta primera etapa, debe apuntar a reunir informacin confiable; como clculos y consideraciones que se deben tomar en cuenta; para el modelamiento en la elaboracin de DEVANADOS ESATORICOS. IDENTIFICAR EL PROCESOReunida la informacin necesaria, debemos identificar los pasos que se deben seguir en el proceso de elaboracin de devanados estatricos.CONTROLAR EL PROCESOIdentificados los pasos que se siguen en el proceso de elaboracin de devanados estatricos. Se debe disear un sistema de control para tal proceso.AUTOMATIZAR EL PROCESOCon el sistema de control definido para tal proceso, se debe automatizar tal sistema de control.

PLANTEAMIENTO DE LOS OBJETIVOSEl objetivo del proyecto investigacin intitulado: Nuevo enfoque en el modelamiento y diseo de una maquina automatizada para la elaboracin de devanados estatricos; consiste en reducir el tiempo en la elaboracin de devanados estatricos y mejorar en el proceso la calidad de los devanados, segn requerimientos de la industria y considerando las normas establecidas.Modelar una maquina automatizada elaboradora de devanados.Disear la maquina automatizada elaboradora de devanados.PLANTEAMIAMIENTO HIPOTESISMediante el modelamiento y diseo de una maquina automatizada ser posible determinar y mejorar cada uno de los procesos en la elaboracin de devanados estatricos.Mediante el modelamiento de una maquina automatizada ser posible determinar la funcin de cada uno de los procesos en la elaboracin de devanados estatricos.Mediante el diseo de una maquina automatizada ser posible mejorar el proceso en la elaboracin de devanados estatricos.MARCO TEORICOEn la tabla 1 se describe el significado de las variables empleadas en el clculo y sus respectivas unidades.SimDescripcinUnd

Longitud activamm

Altura de coronamm

Ancho del dientemm

Dimetro internomm

Dimetro exterior mm

Flujo por poloMx

Induccin en la coronaG

Induccin en el entre hierroG

Induccin en el dienteG

N de ranurasN

FrecuenciaHz

PotenciaHp

TensinV

eficiencia-

Factor de potencia-

Corriente nominalA

Velocidad asncronarpm

Ranuras por poloN

Bobinas por ranuraN

Boninas por grupoN

Nmero de gruposN

Numero Conductores por fase poloN

Numero de espiras por bobinaN

Paso de BobinaN

Alambres en paraleloN

Numero de polosN

Circuitos en paraleloN

Factor de paso N

Factor de distribucinN

Paso completoN

Paso recortadoN

Paso PolarN

N de fasesN

Angulo entre ranuras

eConstante de numero de capasN

Tabla 1 Smbolos y Unidades de las Variables a Utilizar.ELEMENTOS PRESENTES EN UN DEVANADO ESTATORIOLa figura 1, menciona cuales son los elementos presentes en un devanado estatricos de 4 polos, con 2 bobinas por grupo y 2 grupos por fase.

Figura 1. Elementos presentes en un devanado estatricos de 4 polosPARAMETROS DEL CLCULO:VELOCIDAD SINCRONA (RPM)El devanado de los motores asncronos da origen a un campo magntico giratorio cuya velocidad, est definida:

Ecuacin (1)ANGULO ELCTRICO O MAGNETICOSLa mayor parte de las mquinas elctricas son de construccin simtrica. Esto significa que sus devanados y sus ncleos magnticos son tales que generan polos magnticos Norte y Sur que se suceden alternativamente, de forma que la distribucin del campo magntico a lo largo del entrehierro se repite para cada par de polos. Por consiguiente, la distribucin del campo magntico en el entrehierro es una funcin peridica donde cada ciclo abarca dos polos magnticos consecutivos (un par de polos). Adems, los devanados inductor e inducido tienen igual nmero de polos. Por lo tanto, el nmero de polos de una mquina es siempre par. Se designa por Np/2 al nmero de pares de polos y, por consiguiente, el nmero de polos de una mquina es Np.Un ciclo magntico (es decir, un par de polos) corresponda un ngulo de 360 grados elctricos. Dado que el campo magntico en el entrehierro tiene una distribucin que se repite cada par de polos, en una vuelta completa del rotor se recorren Np/2 ciclos magnticos completos; se define al ngulo elctrico como:

Ecuacin (2)CONEXIONESExisten 2 tipos de conexiones: CONEXIN ESTRELLALa conexin estrella se designa por la letra Y. Se consigue uniendo los terminales finales de las 3 fases en un punto comn, el cual denominamos neutro.

Figura 2. Esquema - Conexin Estrella CONEXIN TRIANGULOLa conexin triangulo se designa por el smbolo. Se consigue uniendo el final de una fase con el principio de la siguiente, hasta cerrar la conexin formando un tringulo .Es una conexin sin neutro. Tambin se denomina conexin delta.

Figura 3. Esquema - Conexin TrianguloCONEXIN INTERNASegn como se dispongan los grupos polares de una fase existen devanados por polos opuestos y por polos consecuentes. POR POLOS OPUESTOSPara realizar un bobinado por polos hay que conectar el final del primer grupo polar con el final del segundo, el principio del segundo con el principio del tercero, el final del tercero con el final del cuarto, etc. Es decir, se conectan principios con principios y finales con finales.

Figura 4. Bobinado Monofsico Concntricos Conectados por Polos Opuestos 2 Polos 1 Bobina por Ranura 2 Grupos por fase 4 Bobinas por Grupo - 24 Ranuras POR POLOS COSECUENTESPara realizar un bobinado por polos consecuentes se unen el final de un grupo polar con el principio del siguiente. Es decir, se conectan finales con principios.

Figura 5. Bobinado Trifsico Concntricos Conectados por Polos Consecuentes 4 Polos 1 Bobina por Ranura 2 Grupos por fase 3 Bobinas por Grupo - 36 RanurasFACTOR DE CONEXIN (a)Existen 2 tipos de conexiones:CONEXIONFACTOR DE CONEXIN (a)

Estrella (Y)

Triangulo ()1

Tabla 2 Factores de Conexin para el ClculoDATOS DEL BOBINADOBOBINAS POR RANURAS (Br)Es un concepto que hace referencia a cuantos lados de bobina se encuentran en una ranura. 1 Bobina por Ranura: Cuando solo existe un lado de bobina por ranura. 2 Bobinas por Ranura: Cuando en cada ranura existe 2 lados de bobina.

Figura 6. Esquema representativo del devanado de una y dos bobinas por ranura.NUMERO DE GRUPOS (Bg)En los devanados de corriente alterna las bobinas de una misma fase correspondientes a un mismo polo forman un grupo polar. Un grupo polar es, pues, un conjunto de bobinas de la misma fase conectadas en serie, alojadas en ranuras contiguas y arrolladas alrededor de un mismo polo. Los grupos polares se conectan entre s en serie o formando varias ramas en paralelo idnticas para, as, constituir una fase del devanado.Segn como se dispongan los grupos polares de una fase existen devanados por polos opuestos y por polos consecuentes.Por polos opuestos el nmero de grupos se define como:

Ecuacin (3)Por polos consecuentes el nmero de grupos de define como:

Ecuacin (4)NUMERO DE ESPIRAS POR BOBINA (Ne)Es el parmetro que define el bobinado variando este valor se trata de obtener un flujo por polo el cual haga cumplir los parmetros de magnticos (inducciones) mximos y mnimos establecidos.PASO DE BOBINA (Pb)Se define como la separacin medida en ranuras que existe entre los lados de una bobina. Se mide contando el nmero de ranuras que hay entre los dos lados de la PASO DE BOBINALaPASO: 1-6-8LADO DE BOBINA

Figura 7. Paso de un grupo de bobinas de un devanadoBOBINAS POR GRUPO (Bg)Es el nmero de bobinas que conforman un grupo y est definido bajo la siguiente ecuacin:

Ecuacin (5)Donde e = constante de nmeros de bobinas por ranuras Para 1 bobina por ranura e =1 Para 2 bobinas por ranura e=2AMPLITUD DE BOBINA (A)Es la separacin medida en ranuras que existe entre los lados de una bobina.

Figura 8. Paso de bobina 1 6 8 de un devanado trifsico de dos bobinas por grupoFACTOR DE BOBINADOEn el caso de un devanado del tipo imbricado.

Ecuacin (6)En el caso de un devanado del tipo concntrico.

Ecuacin (7)CLASIFICACIN DE LOS DEVANADOS:DEVANADOS CONCNTRICOSSon aquellas donde los grupos estn elaborados por bobinas de distinto paso, la diferencia de pasos entre 2 bobinas consecutivas es de 2 pasos.

Figura 9. Devanado Concntrico DEVANADOS IMBRICADOSSon aquellos donde los grupos estn elaborados por bobinas del mismo paso.

Figura 10. Devanado Imbricado DATOS DEL PAQUETE MAGNETICOSon las medidas de longitud en milmetros del paquete magntico del estator que estn conformado por lminas de hierro al silicio, estas medidas son de suma importancia al momento de realizar los clculos.Las medias ms importantes del paquete magntico son: LONGITUD ACTIVA (La)

Figura 11. Identificando la Longitud Activa ALTURA DE LA CORONA (Hc) ANCHO DEL DIENTE (Ad)

Figura 12. Identificando Altura de Corona Ancho de Diente DIAMETRO INTERIOR (Di)

Figura 13. Identificando el Dimetro Interno DIAMETRO EXTERIOR (De)

Figura 14. Identificando del Dimetro ExternoESTADO DEL ARTE En la actualidad existen maquinas elaboradoras de devanados tanto para la fabricacin como para el mantenimiento de las maquinas elctricas, estas se pueden clasificar como manuales, semiautomticas y automticas en esta investigacin se plantea un nuevo enfoque en una maquina elaboradora de devanados automtica que a diferencia de las existentes desarrollara un software para el clculo de los devanados estatricos basados en normas NEMA para la fabricacin de mquinas elctricas rotativas y presentara casos para programar la mquina, estos casos depender en qu estado se encuentre la mquina y que parmetros se puedan obtener de la mquina. Hasta el momento se obtenido una base terica para el modelamiento y diseo de la mquina elaboradora de devanados estatricos, adems de los clculos necesarios para la elaboracin de devanados estatricos.En los talleres de bobinado se disponen de mquinas elaboradoras de devanados manuales, para la elaboracin de devanados estatricos.

Figura 15. Maquina elaboradora de devanados - ManualUtilizando este tipo de mquinas, la elaboracin de una bobina esta vulnerable al error de conteo y mala disposicin de las espiras por el simple hecho de ser manipulada por el ser humano; esto conllevara a un tiempo ms largo de reparacin por los cuidados que debe tener una persona especializada en la construccin de la misma.El proceso automatizado destinado a la fabricacin de devanados de estatores tiene un modelo complejo y completo por que construye automticamente bobinas mediante un sistema de guiado inteligente, que adems las insertan en las ranuras del estator.Entonces conocido todo esto; nuestro aporte est dividido en dos partes, primero en contribuir con la mejora continua del sistema de mantenimiento preventivo en nuestro pas y segundo en implementar controles automatizados para las tareas suplementarias en el proceso de construccin de bobinados estatricos haciendo su aplicativo ms extenso y mejorado para multitareas y produccin en serie.

Con la meta de hacer frente a las fallas en la simetra de los devanados. Se proyecta disear una maquina automatizada para la elaboracin de devanados estatricos. Par lo cual debemos recopilar e interpretar la siguiente informacin:1. PARAMETROS QUE DEFINEN UN DEVANADO ESTATORICO.

2. CALCULOS Y CONSIDERACIONES QUE MODELAN UN DEVANADO ESTATORICO.3. PASOS QUE SE SIGUEN EN LA ELABORACION MANUAL DE DEVANADOS ESTATORICOS.Con esta informacin, planteamos la lgica que debe tener la maquinas automatizada elaboradora de devanados estatricos.IDENTIFICAR UNO DE LOS SIGUIENTES CASOS EN LAS MAQUINAS ELECTRICAS ROTATIVAS

IDENTIFICAR LOS PARAMETROS NECESARIOS PARA EL CLCULO DE DEVANADOS ESTATORICOS

REALIZAR EL CLCULO NECESARIO PARA DIMENSIONAR EL DEVANADO ESTATORICOEl siguiente cuadro muestra, un clculo necesario en todos los casos mencionados antes.

Nota: A la hora de calcular el nmero de bobinas por grupo hay que tener en consideracin si se est trabajando con una capa o doble capa.El siguiente paso ser calcular el nmero de espiras por ranura que se debe elaborar. As como la seccin que estas deben tener.El siguiente cuadro se muestra los resultados de los clculos que debemos obtener al final del proceso lgico.

Tabla 3. Proyeccin de ResultadosEn el ITEM 1 hay que tener en cuenta que los valores calculados deben encontrarse dentro de los lmites establecidos. Adems segn el procedimiento de clculo que se analiz nos llev a concluir que, es ms exacto si trabajamos las inducciones en unidades de GAUSS.

VENTAJAS Y DESVENTAJES DEL PROYECTOVentajas: Suprimir el error humano en el proceso de elaboracin de devanados estatricos. Reduccin del tiempo en la elaboracin de devanados estatricos de una manera eficiente y econmica. Bajo costo a comparacin de las maquinas elaboradoras de devanados en el mercada actual. Facilidad en el manejo y programacin de la maquina elaboradora de devanados.Desventajas: La calidad del devanado estatricos no solo depender de la maquina elaboradora de devanados sino tambin de la calidad del alambre utilizado para elaborar el devanado.

PROCEDIMIENTO DEL CLCULOComo se indic en el planteamiento del estudio, el presente proyecto consta de tres etapas: Etapa de Clculo - DEVANADOS ESTATORICOS. Etapa de control - MAQUINA BOBINADORA Etapa de diseo - MAQUINA BOBINADORAETAPA DE CLCULOLa determinacin del nmero de espiras es un clculo que planteamos como solucin al nuevo enfoque en las maquinas elaboradoras de devanados estatricos, para ello se requiere ciertos parmetros elctricos del motor y parmetros geomtricos del paquete magntico, dicho clculo se realiz en una hoja excel elaborado por el grupo. A continuacin presentamos los resultados obtenidos por nuestros clculos y realizamos una comparacin con resultados reales (PROTOCOLOS DE BOBINADOS) - (Anexo N1) Datos de placa del Motor:PARAMETROSVALORES

Potencia (HP)7.5

Frecuencia (Hz)60

Tensin (V)440

Velocidad (rpm)1745

Intensidad de Corriente (A)10

Tabla 4. Datos de placa del motor Westinghouse de 7.5 HP, 440 V (MODELO: 5K4254B21)

Datos geomtricos del paquete magntico:PARAMETROS VALORES

Longitud Activa (mm)80

Altura de Corona (mm)22

Ancho del Diente (mm)7

Dimetro Interior (mm)213

Numero de Ranuras (mm)36

Tabla 5. Datos medidos del ncleo del motor Westinghouse de 7.5 HP, 440 V (MODELO: 5K4254B21)

Para el Clculo debe tenerse en cuenta que los valores de las Inducciones varan entre los siguientes valores.Induccin en el Entrehierro:

Induccin en la Corona:

Induccin en el Diente:

Resultados de Flujo e Induccin Obtenidos tras el clculo:

PARAMETROSVALORES

Flujo por Polo (Mx)536678.2123

Induccin en la Corona (G)16629.46573

Induccin en el Entrehierro (G)7031.486568

Induccin en el Diente (G)18372.20015

Tabla 6. Resultados analticos de flujo e induccin del paquete magntico del motor Westinghouse de 7.5 HP, 440 V (MODELO: 5K4254B21)

ETAPA DE CONTROLEn esta etapa se explica la lgica que posee la maquina bobinadora, todo esto en base al uso de SOFTWARES tales como: EXCEL 2013. ARDUINO 1.6.5 WINDOWS. LABVIEW 2013. PROTEUS 8 PROFESIONAL. VIRTUAL SERIAL PORT DRIVER.Con el uso de estos programas lo que buscamos es adquirir control sobre los actuadores (MOTORES). A continuacin se explicara la funcin que cumple cada programa utilizado.1. EXCEL 2013: Nos permite adquirir despus de un proceso de clculo; los parmetros finales que dimensionan a un devanado tales como: Numero de espiras por Bobina. Dimensiones del paquete magntico. Paso de bobina. Tipo de devanado: Concntrico o Imbricando2. ARDUINO 1.6.5 WINDOWS: Haremos uso del software y hardware ya que nos permite que el software elaborado se comunique e interacte con nuestros actuadores (MOTORES). Aunque existen otras opciones tales como tarjetas DAQ, Tessel, Launchpad MSP430etc. Hemos elegido a ARDUINO como tarjeta de comunicacin, ya porque nos permite la creacin de prototipos electrnicos rpidos y econmicos, con un leguaje amigable y ordenado de programacin.3. LABVIEW 2013: En este entorno se realizara la programacin principal del proyecto. El cual se enlazara con el hardware de arduino mediante un sketch (LVIFA_BASE) cargado previamente al mismo.4. PROTEUS 8 PROFESIONAL: Este software nos permitir cargar el programa elaborado en el entorno de labview, en un circuito simulado. Y observar que los actuadores (MOTORES) reciban la informacin necesaria para su correcto funcionamiento.5. VIRTUAL SERIAL PORT DRIVER: Nos permite crear un puerto serial virtual. Con la finalidad de enlazar el circuito simulado en PROTEUS 8 PROFESIONAL y el programa elaborado en LABVIEW 2013.Una vez ya explicada la funcin que cumple cada software, se pasara a describir los elementos utilizados, programas desarrollados y como se logr el enlace entre los softwares. Antes presentaremos un diagrama que explicara cmo se desarrollara el proceso de control.

A. ARDUINO MEGA 2560:Como se mencion lneas arriba, haremos uso de la tarjeta arduino 2560.

Figura 15. Tarjeta Arduino Mega 2560 R3ESPECIFICACIONES TECNICAS

MICROCONTROLLERATmega2560

OPERATING VOLTAGE5V

INPUT VOLTAGE (RECOMMENDED)7-12V

INPUT VOLTAGE (LIMIT)6-20V

DIGITAL I/O PINS54 (of which 15 provide PWM output)

ANALOG INPUT PINS16

DC CURRENT PER I/O PIN20 mA

DC CURRENT FOR 3.3V PIN50 mA

FLASH MEMORY256 KB of which 8 KB used by bootloader

SRAM8 KB

EEPROM4 KB

CLOCK SPEED16 MHz

LENGTH101.52 mm

WIDTH53.3 mm

WEIGHT37 g

Tabla 7. Especificaciones tcnica Arduino Mega 2560 R3

B. ACTUADORES MOTORES:Para la seleccin de los actuadores tenemos las siguientes opciones: Motores DC - Servo Motores - Motores Paso a Paso. Para el presente proyecto haremos uso de los MOTORES PASO A PASO. Ampliamente utilizados en los dispositivos controlados por sistemas digitales.

Figura 16. Motor Pas a Paso Unipolar

Figura 17. Motor Pas a Paso BipolarC. CIRCCUITO DE POTENCIADebido a las exigencias que presentan los motores, no podemos conectar directamente el motor a la tarjeta ARDUINO, para ello hacemos uso de un MODULO PUENTE H L298N, que me va permitir controlar al MOTOR PASO a PASO, sin que la tarjeta arduino peligre por excesiva corriente.

Figura 18. PUENTE H -L298NESPECIFICACIONES TECNICAS

CHIPL298N (ST)

CANALES2 (soporta 2 motor. DC/1 motor PAP)

VOLTAJE LGICO5V

VOLTAJE DE OPERACIN5V-35V

CONSUMO I - DIGITAL0mA - 36mA

CAPACIDAD DE CORRIENTE2A (picos de hasta 3A)

POTENCIA MXIMA25W

PESO30 g

DIMENSIONES43 * 43 * 27 mm

Tabla 8. Especificaciones tcnica PUENTE H L298N

D. LABVIEW PROGRAMACIONPara la elaboracin del programa en el entorno de labview, vamos a seguir la siguiente lgica.

Con esta lgica pasaremos a explicar la estructura del programa, y los elementos utilizados.a) Haremos uso de la librera arduino y motor stepper, que se encuentran el entorno de labview. En la siguiente imagen observamos como inicializamos estas libreras. (Anexo N 2)b) Haremos uso de una estructura WHILE LOOP. La cual nos permitir cerrar el programa en ejecucin.c) Haremos uso de una estructura EVENT STRUCUTRE. El cual est compuesto por los siguientes eventos:

Figura 19. Eventos presente en la EstructuraEvento CARGAR IMFORMACION: Cuando se active este evento, lo que se conseguir es importar los datos almacenado en el archivo EXCEL, mediante el siguiente cdigo:

Figura 20. Evento Cargar informacin Parte 11. Estos son archivos VI que se han cargado al proyecto (Maq_Bobinadora_097-UNAC.lvproj), ya que nos permiten extraer datos de un archivo EXCEL y llevarlos a labview.2. Estos indican las celdas de donde se extraern los datos. El nmero superior indica la columna, el nmero inferior indica la fila, adems el ITEM (2) superior hace referencia a la celda inicial y el ITEM (2) inferior hace referencia a la celda final.3. Con el valor de esta constante, indicamos el nmero de la de donde vamos a extraer los datos.

Figura 21. Evento Cargar informacin Parte 24. Con esta constante indicamos cual es el archivo Excel, que almacena los datos.5. El elemento INDEX ARRAY nos permite extraer los elementos de un ARRAY.6. El elemento DECIMAL STRING TO NUMBER, nos permite convertir datos del formato string al formato numrico ya que al importar los datos del excel, ingresan al labview en formato string.7. Este elemento es un indicador que nos permite visualizar en el PANEL FRONTAL, los datos importados. Hay que tener en cuenta que estos datos son los que llegaran a los motores e indicaran cuanto y para donde deben girar.

Figura 22. Datos Cargados Excel Panel FrontalNota: Es recomendable cuando se cree un proyecto en LABVIEW, guardarlo en una carpeta independiente junto con todos los archivos VI, Excel que se cargaran en el proyecto.Evento MOTOR 1: Cuando se active este evento, va iniciar el giro del MOTOR 1.

Figura 23. Evento Motor 1Evento MOTOR 2: Cuando se active este evento, va iniciar el giro del MOTOR 2.

Figura 24. Evento Motor 2Evento MOTOR 3: Cuando se active este evento, va iniciar el giro del MOTOR 3.

Figura 25. Evento Motor 3Evento MOTOR 4: Cuando se active este evento, va iniciar el giro del MOTOR 4.

Figura 26. Evento Motor 4Como los 4 casos son similares, la siguiente explicacin se generaliza para los 4:1. Son las variables locales creadas, para que le llegue informacin necesaria a los motores.2. Es un indicador numrico que me indica el nmero de vueltas que dar el motor. Estos valores no pueden variar mientras el programa se ejecuta.3. Es un control numrico que me va a permitir controlar la velocidad de los motores.4. Es un elemento de la librera stepper, que se encuentra en el entorno labview.5. Esta constante indica el nmero del motor.El resultado final lo veremos en el panel frontal como sigue:

Figura 27. Programa PANEL FRONTALE. PROTEUS 8 SIMULACIONCon la finalidad de observar el correcto funcionamiento de nuestro programa elaborado. Como primer paso simularemos el proyecto en PROTEUS, la siguiente figura muestra el circuito de potencia que se encuentra conectado entre el ARDUINO MEGA 2560 y el MOTOR PASO A PASO. Como para el presente proyecto requerimos de 4 MOTORES, ser necesario 4 de estos circuitos.

Figura 28. ARDUINO MEGA 2560 PROTEUS 8 PROFESSIONAL1. Integrado L298N.2. Diodos Schottcky.3. Transistores BC547 - Resistencia 1K Resistencia 10K. 4. Capacitor 100nF.5. Tierra comn.6. Motor Bipolar y/o Motor Unipolar.7. Alimentacin proveniente del arduino (5V).8. Alimentacin Externa (9 12 24 V)9. Arduino MEGA 2560.Todo lo anterior simulado se encuentra fsicamente en el circuito de potencia L298N (PUENTE H). Ver Figura 18.F. VIRTUAL SERIAL PORT DRIVER.Para poder simular el cdigo elaborado, en el circuito armado seguimos los pasos.1. En el rea de trabajo del proyecto armado, hay que insertar el siguiente componente COMPIM.

Figura 29. Componente COMPIM - PROTEUS 8 PROFESSIONAL2. Realizamos la conexin, de este componente con el ARDUINO MEGA 2560, tal como muestra el siguiente esquema:

Figura 30. Conexin entre ARDUINO MEGA 2560 y COMPIM - PROTEUS 8 PROFESSIONAL3. Creamos un PUERTO SERIAL VIRTUAL, haciendo uso del programa VIRTUAL SERIAL PORT DRIVER.

Figura 31. Virtual Serial Port

Figura 32. Virtual Serial Port Puertos Virtuales COM 1 COM 2

4. Configuramos el componente COMPIM. Como se muestra en la siguiente figura.

Figura 33. Virtual Serial Port Puertos Virtuales COM 1 COM 2

5. Compilamos el sketch LVIFA _BASE y ubicamos la siguiente direccin con la siguiente extensin *.hex

Figura 34. Cargando LVIFA_BASE

Figura 35. Direccin del archivo *.hexCon la direccin ubicada, editamos el componente ARDUINO MEGA 2560, y pegamos la direccin en la opcin PROGRAMA FILE.

Figura 36. Configuracin del componente y COMPIM - PROTEUS 8 PROFESSIONAL6. Con estos pasos realizados, culminamos el enlace entre el programa elaborado en LABVIEW y el proyecto armado en PROTOUS.

EXPOSICION DE RESULTADOSETAPA CLCULOAl realizar los clculos y verificar que los parmetros de induccin que se muestran en la tabla 6, se encuentran dentro de sus rangos establecidos; podemos tener la certeza que todos los resultados del devanado estn correctamente seleccionados.Resultados del Devanado Obtenidos tras el clculo:PARAMETROS VALORES

Ranuras por Polo12

Bobinas por Ranura2

Bobinas por Grupo4

Nmero de Grupos12

Espiras por bobina12

Paso de Bobina1-11

Factor de Paso0.966

Factor de distribucin0.958

ConexinEstrella

Alambre#17

Alambres en Paralelo2

Numero Conductores por fase polo384

Numero de Polos4

Numero de Circuitos en Paralelo1

Clase de AislamientoF

Peso del Cobre (Kg)6.200

Tabla 9. Resultados analticos del devanado del motor Westinghouse de 7.5 HP, 440 V (MODELO: 5K4254B21)

En el Anexo N3 se presenta la hoja de caculo elaborado en el programa EXCEL.En el Anexo N4 se presenta el protocolo con los resultados obtenidos.

ETAPA CONTROLCon el proyecto simulado, y el programa elaborado en el ENTORNO DE LABVIEW, logramos adquirir control sobre los cuatro motores siguiendo el proceso lgico establecido.

Figura 37. Esquema completo-Simulacin Proyecto.Por lo que el siguiente cuadro muestra los resultados en la etapa de control segn lo proyectado.

PROCESOESTADO

Excel almacena resultados del calculoOK

Labview importa los datos almacenados en el excelOK

Labview crea variables locales en base a los datos importadosOK

Estas variables indican el nmero de pasos que deben girar los motoresOK

La velocidad de los motores se puede manipularOK

Los motores se movern siempre y cuando se active el botn INICIAROK

Tabla 10. Resultados de la ETAPA DE CONTROL

ETAPA DISEO SOLIDWORKResultados de la simulacin en solidworks:

Figura 38. Resultados Mecnicos SIMULACION SOLIDWORKS

Figura 39. Diseo Mecnico de la Maquina Elaboradora de Devanados

DISCUSION DE RESULTADOSLos resultados obtenidos satisfacen las incgnitas establecidas previamente. El proyecto simulado y programa elaborado como se indica en el procedimiento, cumplen con el objetivo principal en la etapa de control; controlar el giro de los motores en base a un clculo pre establecido.

FACTIBILIDAD DEL PROYECTOEn el siguiente proyecto se har un anlisis desde tres puntos de vista, el primero ser la factibilidad operacional, el segundo la factibilidad tcnica y la tercera la factibilidad econmica.La factibilidad operacional se demostr haciendo las simulaciones y animaciones de movimientos elaboradas en soliworks, desde el punto de vista mecnico el sistema se encuentra en perfecta armona con su soporte de ejes de referencias axiles y radiales.

Fig38. Bosquejo del diseo del prototipo en solidworks

El sistema de control de la maquinas es amigable con el usuario debido al interfaz con el operario, por medio de una pantalla en el mdulo de control de la mquinas, que se encuentra en la parte posterior de la mquina bobinadora.Y desde el enfoque tcnico el software aplicado para el desarrollo del proyecto son de reconocidos programas para la aplicacin de la ingeniera como el LABVIEW, ARDUINO, SOLIDWORKS, PROTEUS Y EXCEL.Desde el punto de vista econmico mercado elctrico tiene un estndar de precios para reparaciones de mquinas rotativas, y si dividimos el costo de trabajo humano con el costo de materiales para bobinar, se obtendr una visin ms amplia de los costos por trabajo del bobinador ya que el trabajo por bobinado depende de los parmetros elctricos.En la siguiente tabla presentado en el anexo N se observa una lista de con la ganancia que obtiene un bobinador por trabajo.Potencia3600 1800

HPFARELLSETICEFARELLSETICE

0.545505057

150576068

260687585

3758895110

495110105120

5110125120135

7135155150170

10160180185210

12190215210240

15230260250285

20300345340390

25360410400460

30450515490560

40550630600690

50650740700800

607808908701000

75980112010601210

901100126012001380

1001380158014801700

1501750200021002400

2002350270028003200

3002850325031003500

Tabla11. Informacin de pagos que reciben el personal de bobinado por trabajo realizado.Luego de visto las tablas de referencia del mercado elctrico se hizo un anlisis un presupuesto que conllevo a investigar precios y costos de los materiales usados en el trabajo de un motor de 7.5 HP de 4 polos; este trabajo conlleva precios en soles, resultado de un promedio de reparacin completa hecho por un taller X.

Figura 39. Resultados analticos del devanado del motor Westinghouse de 7.5 HP, 440 V (MODELO: 5K4254B21Se hizo un estudio de costos por material a usar en cada reparacinNuestro enfoque de viabilidad del prototipo a elaborar tiene soporte tcnico convincente en su aplicacin en el mercado elctrico de nuestro pas, basndose en la solucin a un problema de carcter tcnico-mecnico basndose en el principio de mantenimiento preventivo y correctivo.Se anexa el plano de la maquina elaboradora de devanados (Anexo N5)RECOMENDACIONES DEL PROYECTO1. Se recomienda al momento de hacer las pruebas de clculo, verificar los parmetros elctricos que se deber comparar con los datos de placa y estos con las dimensiones del ncleo magntico estatricos para verificar si ha sufrido alguna modificacin o reparacin anterior.2. Se recomienda que en la ETAPA DE CONTROL, al momento de crear un PROYECTO en el entorno LABVIEW; insertarlo en una carpeta independiente con los archivos VI, excel para evitar cualquier conflicto de direccin.

CONCLUSIONES1. Se concluye que para la fabricacin de la bobina se debe tener en cuenta los parmetros elctricos que nos permita dimensionar los moldes para la construccin de las bobinas estatricos.2. Se concluye que el desarrollo del clculo se debe tener en cuenta que las dimensiones del paquete magntico deben ser medidas la mayor exactitud posible. 3. Se concluye que los programas utilizados han cumplido con nuestras necesidades ya que nos permitieron ver el funcionamiento del proyecto en base a una simulacin.

BIBLIOGRAFIA Catlogos de fabricantes de mquinas elctricas. CORTES CHERTA. 1994. Curso moderno de mquinas elctricas rotativas. 5 Tomos. Barcelona: Editores Tcnicos Asociados. FAURE BENITO. 2000. Mquinas y accionamientos elctricos. Madrid: Colegio oficial de ingenieros navales y ocenicos. GURRUTXAGA, J. A. 1985. El fenmeno electromagntico (varios tomos). Santander: Dpto. de publicaciones de la E.T.S.I.C.C.P. de Santander. . 1979. Mquinas elctricas. Tomo II. Mosc: Editorial Mir. MARTINEZ DOMINGUEZ, F. 2001. Reparacin y bobinado de motores Elctricos. Madrid: Paraninfo. RAMIREZ VAZQUEZ, J. 1984. Enciclopedia CEAC de electricidad: Pilas y Acumuladores. Mquinas de c.c. Barcelona: Ediciones CEAC, S.A. RAMIREZ VAZQUEZ, J. 1991. 101 esquemas de bobinados de corriente Alterna. Barcelona: Ediciones CEAC, S.A. RAMIREZ VAZQUEZ, J. 1998. Enciclopedia CEAC de electricidad: Mquinas de c.a. Barcelona: Ediciones CEAC, S.A. RAMIREZ VAZQUEZ, J. 1998. Enciclopedia CEAC de electricidad: Talleres electromecnicos. Bobinados. Barcelona: Ediciones CEAC, S.A. [15] RAPP, J. 1997. Teora y clculo de los bobinados elctricos. Bilbao: Editado por el autor. SANZ FEITO. 2002. Mquinas elctricas. Madrid: Pearson Educacin. SERRANO IRIBARNEGARAY. 1989. Fundamentos de mquinas elctricas rotativas. Barcelona: Marcombo Boixareu Editores.

ANEXOS

ANEXO N1PROTOCOLO DE BOBINADOS DE UN MOTOR WESTINGHOUSE DE 7.5 HP, 440 V (MODELO: 5K4254B21)

ANEXO N2INICIACLIZACION DE LA LIBRERA ARDUINO Y STEPPER MOTOR EN EL ENTORNO DE LABVIEW.

ANEXO N3HOJA EXCEL UTILIZADA PARA EL CLCULO Y COMPRABACION DE LOS DATOS OBTENIDOS

ANEXO N4PROTOCO DE BOBINADOS DE MAQUINAS ELECTRICAS ROTATIVAS ELABORADO CON LOS RESULTADOS OBTENIDOS POR LA HOJA DE EXCEL EMPLEADA EN NUESTROS CALCULOS.

PROTOCOLO BOBINADOS DE MAQUINAS ELECTRICAS ROTATIVAS

CLIENTEFecha de recepcin:

TIPO DE MAQUINAFecha de entrega:

DATOS DE PLACA

MARCAWESTINGHOUSENTipo

POTENCIA7.5 HPF.S.Fases3

RPM1745Volt440Frecuencia60

COSAmp10IP

EfConexinMODELO5K4254B21

DATOS DEL HIERRO (mm)DATOS DEL BOBINADORECIBIDOEJECUTADO

Longitud activa La80Bobinas por Ranura2

Altura de la corona Hc22Bobinas por Grupo3

Ancho del diente Ad7Nmero de Grupos12

Dimetro Interior Di213Vueltas por Bobina17

Dimetro Exterior DePaso de Bobina1-8

Numero de Ranuras36ConexinY

Kp0.93Alambre#18

Kd0.96N de Cable ( )

PARAMETROS DE CALCULOAlambres en Paralelo3

FLUJO POR POLO(MAXWELL)518278.6575Circuitos en Paralelo1

Nmero de Salidas9

INDUCCION EN EL ENTREHIERRO (GAUSS)6083.0828Numero de Polos4

Flecha Lado de Conexin

INDUCCION EN LA CORONA (GAUSS)16343.4463Flecha Lado no Conexin

Peso Del Cobre7 Kg

INDUCCION EN EL DIENTE (GAUSS)17995.7867Clase de AislamientoF

DENSIDAD DE CORRIENTE (Amp/)DATOS DEL PERSONAL

LLENADO DE DATOS POR:MIGUEL ALVA

INTENSIDAD PERIFERICABOBINADOR:

SUPERVISOR:

OBSERVACIONES

RODAMIENTO DELANTERORODAMIENTO POSTERIOR

ARROLLAMIENTO ORIGINALCON PLACAX

ARROLLAMIENTO REBOBINADOXSIN PLACA

ANEXO N5PLANO DE LA SIMULACION EN SOLIDWORK DE MAQUINA ELABORADORA DE DEVANADOS