Inge@UAN_7 by FONDO EDITORIAL UNIVERSIDAD ANTONIO NARIÑO

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Volumen 4. Número 7 • Julio-diciembre de 2O13 • ISSN 2145-0935 • ISSN on line: 2346-1446

Rectora Marta Losada Falk Vicerrector Académico Víctor Hugo Prieto Vicerrector Administrativo Ariel Vega Vicerrector de Ciencia, Tecnología e Innovación Carlos E. Arroyave Secretaria General Martha Carvalho Directora Fondo Editorial Lorena Ruiz Serna Editora Paula Reyes Fotografía www. flickr.com, www.sxc.hu Diseño y Diagramación Héctor Suárez Castro Impresión Panamericana Formas e Impresos S.A.

Facultad de Ingeniería Universidad Antonio Nariño Calle 22 Sur No. 12D-81 Teléfonos: 209 38 88 / 239 41 98 Bogotá, Colombia ingeuan@uan.edu.co

Comité Científico Jorge Lira Chávez Ph.D en Ciencias Instituto de Geofísica-UNAM México José Alfonso Lombana Ramírez Docteur de L’Université de Toulouse-Mention Physique Universidad Politécnica de Madrid, España Jairo Chaur Bernal Ingeniero de proyectos IALE Tecnología Barcelona, España José Miguel Rodríguez Maroto Ph.D en Ciencias Químicas Dpto. Ing. Química, Facultad Ciencias Universidad de Málaga, España Edgardo Antonio Araque Vivas Doctor en Ciencias Forestales Profesor investigador en Universidad Nacional Experimental de Guayana

Esta edición contiene los artículos completos de las mejores ponencias seleccionadas para ser presentadas dentro del II Simposio de Sistemas Electromecánicos que se llevará a cabo en Barranquilla. Evento apoyado por Colciencias.

Comité Editorial Arbítros Interno PhD Paula Reyes-Herrera Universidad Antonio Nariño Ingeniería Biomédica PhD Diana Marulanda Universidad Antonio Nariño Ingeniería Mecánica PhD Juan Daniel Valderrama Universidad Antonio Nariño Ingeniería Ambiental PhD Raúl Menéndez Universidad Antonio Nariño Ingeniería de Sistemas PhD Andrés Ruiz Olaya Universidad Antonio Nariño Ingeniería Electrónica, Colombia PhD Rafael Gutierrez Universidad Antonio Nariño Ms. Emily Quiroga Universidad Antonio Nariño Ingeniería Industrial

Externo PhD William Ricardo Rodríguez Dueñas, Cedesnid - Universidad del Rosario Ingenieria Biomédica, Colombia PhD Carlos Andrés Arredondo Universidad de Medellín Ingeniería Electrica y Electrónica Colombia PhD Alberto López-Delis, Universidad de Oriente, Cuba

Externos Robinson Jiménez Moreno Maestria Automatización Industrial (Universidad Nacional de Colombia) Docente en Universidad Militar Nueva Granada y Universidad Autónoma de Colombia Email: robinson.jimenez@unimilitar.edu.co Andrés Leonardo Jutinico Alarcón Maestria en Automatización Industrial (Universidad Nacional de Colombia) Docente en Universidad Distrital “Francisco José De Caldas” Email: ajutinico@ieee.org Carlos Norberto Perez Montenegro Candidato a PhD en Automatización ( Politécnico di Torino) Turin, Italia Asistente de investigación ( Politécnico di Torino, Dipartimento di Automatica Informatica) Email: carlos.perez@polito.it

Internos Ivan Alberto Romero Mejía Docente en la Universidad Antonio Nariño, Facultad de Ingeniería Mecánica, Electromecánica, de materiales y automatización industrial. Doctor en Ciencias Pedagógicas (Universidad de Holguin, Cuba) Email: ivan.romero@uan.edu.co Rafaél Antonio Ramirez Restrepo Magister en Ingeniería Mecánica ( Universidad del Norte) Docente en Universidad Antonio Nariño. Facultad de Ingeniería Mecánica, Electromecánica, de materiales y automatización industrial. Email: rafael.ramirez@uan.edu.co Fabio Andrés Bermejo Altamar Magister en Ingeniería Mecánica ( Universidad del Norte) Docente en Universidad Antonio Nariño. Facultad de Ingeniería Mecánica, Electromecánica, de materiales y automatización industrial. Email: fbermejo@uan.edu.co Álvaro Pacheco Magister en Informática Educativa (Universidad Tecnológica Metropolitana de Chile) Docente en Universidad Antonio Nariño. Facultad de Ingeniería Mecánica, Electromecánica, de materiales y automatización industrial. Email: coordinador.electronica.bquilla@uan.edu.co

• Contenido •

Contenido

Editorial 4 Educación en Ingeniería La Filosof ía de la Ingeniería en el Contexto de la Formación del Ingeniero Pedro A. Romero, Carmen H. Romero y Kervin B. Rojas

Laboratorio virtual para la enseñanza de sistemas de control Julie Stephany Berrío P., Kelvin de Jesús Beleño S. y Edgar Francisco Arcos H.

Control y Automatización Desarrollo de ecuaciones de sintonía para controladores tipo PID aplicados al control de temperatura en intercambiadores de calor Jorge Duarte Forero y German Amador Díaz

Clasificación automática de patrones de vibraciones mecánicas en maquinaria rotativa afectada por desbalanceo Camilo Leonardo Sandoval, Andrés Alejandro Barros y Sergio Herreño

Efecto de las perturbaciones: huecos de tensión, desequilibrios de tensión y armónicos, en los motores de inducción con rotor jaula de ardilla Adolfo Andrés Jaramillo Matta

Diseño, construcción y automatización de un sistema de calibración de peso entre 100g a 500g, según la NTC1848:2007 Camilo A. Soto, John F. Corredor, Adolfo Jaramillo y Diana M. Marulanda

Energía y Medio Ambiente Selecting the optimal energy mix and sizing of a isolated microgrid

Yecid. Muñoz*, Adalberto. Ospino** Instrucciones para el autor de artículos para Inge@UAN

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UAN • ISSN 2145 - 0935 • Vol. 4 • No. 7 • p 3 • julio - diciembre de 2013

• Editorial •

Editorial En la segunda versión del “Simposio Internacional sobre Sistemas Electromecánicos – SISEM 2013”, la Facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad Antonio Nariño vincula a la sede Puerto Colombia con el ánimo de desarrollar temas relacionados con fenómenos de transformación de energía mediante sistemas electromecánicos. Algunos de los temas tratados hacen referencia al uso racional de energía y de materiales electromecánicos tales como “Inteligencia artificial aplicada a materiales electromecánicos”, “Modelado y control de sistemas fotovoltaicos” y “Calidad en el suministro de la energía eléctrica”. Además, se busca promover el uso de nuevas tecnologías en torno a los sistemas electromecánicos en la sociedad civil, en especial en la región del Atlántico. Al igual que en la primera versión, el evento mantiene su objetivo principal de integrar todas las sedes de la Universidad, con el ánimo de generar una reﬂexión en torno a temas de actualidad que tienen relación directa con los sistemas electromecánicos, Comité organizador

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• Pedro A. Romero, Carmen H. Romero, Kervin B. Rojas •

Educación en Ingeniería

La Filosof ía de la Ingeniería en el Contexto de la Formación del Ingeniero The philosophy of engineering in the context of the formation of the engineer Pedro A. Romero*, Carmen H. Romero**, Kervin B. Rojas***

Abstract The process of research, development and innovation in the area of engineering is confined to the technological scientific context dominated by physics, chemistry, geology, mathematics and other sciences derived from these basic principles of generating this knowledge science. In this sense they should be considered the following characteristics; know how attitude particular man and his environment, and retrieved in various ways including particular experience and academic formality, which brings us to the context of epistemological and scientific knowledge as objective of knowledge whose particularity is the intrinsic strength in being which allows you to analyze your potential, science whose purpose is the articulate laws for understanding various phenomena and whose medium is the fixation of knowledge for verification of this. Not only scientific knowledge is defined according to its reference scientific genesis, but it is confined to his discipline of knowledge; in this sense, it is necessary to discern in the epistemological and philosophical location of each science in order to define your method. To develop new applications or theoretical knowledge in the area of engineering, it is necessary to use appropriate tools belonging to these domains of knowledge, almost always to the hand of the developments of physics, chemistry and other sciences, so that the new advances and developments occur in the light of the developments of the sciences which have been generated. Key Words: Engineering, philosophy, science, epistemology

Resumen El proceso de investigación, desarrollo e innovación en el área de la ingeniería se circunscribe al contexto científico tecnológico dominado por la f ísica, la química, la geología, las matemáticas y otras ciencias derivadas de estas como fundamentos de ciencias generadoras de estos conocimientos. En este *

Doctor en Ciencias de la Educación, Universidad de La Costa, Facultad de Ingeniería, Email: promero@cuc.edu.co ** Doctora en Ciencias de la educación, Universidad Rafael Belloso Chacín. Doctora en Ciencias políticas, Universidad URBE de Venezuela. Post-doctorado en Gerencia de las organizaciones. Universidad de la Costa, Email: cromero11@cuc.edu.co *** Doctor en Ciencias de la Educacion de la Universidad Dr. Rafael Belloso Chacín, Venezuela. Universidad de la costa, Email:krojas4@cuc.edu.co Revista

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• La Filosof ía de la Ingeniería en el Contexto de la Formación del Ingeniero •

sentido deben considerarse las siguientes características; el saber cómo actitud particular del hombre y su entorno, y obtenido de diversas formas entre ellas la experiencia particular y la formalidad académica, lo cual nos lleva al contexto gnoseológico y científico, el conocimiento como objetivo del saber cuya particularidad es la solidez intrínseca del mismo en el ser lo cual le permite analizar su potencial, la ciencia cuyo propósito es la de articular leyes para comprensión de diversos fenómenos y cuyo medio es la fijación de conocimientos para comprobación de esta. El conocimiento científico no solo se define de acuerdo a su génesis científica referencial, sino que se circunscribe a su disciplina del saber; en este sentido es necesario discernir en la ubicación epistemológica y filosófica de cada ciencia de manera de definir su método. Para desarrollar nuevas aplicaciones o conocimientos teóricos en el área de la ingeniería es necesario utilizar herramientas adecuadas que pertenezcan a estos dominios de conocimiento, casi siempre a la mano de los desarrollos de la f ísica, la química y otras ciencias, de forma tal que los nuevos avances y desarrollos se dan a la luz de los desarrollos de las ciencias de las cuales se han generado. Palabras claves: Filosof ía, ingeniería, epistemología, ciencias

1. Introducción La epistemología es la rama de la filosof ía que tiene como objeto de estudio a la investigación científica y a su producto que es el conocimiento científico, y fundamentalmente trata con los elementos y criterios que generan este conocimiento y con las herramientas que permiten su validación. [1] la define como, “la rama de la filosof ía que estudia la investigación científica y su producto, el conocimiento científico”. Considerando la ciencia como el conocimiento obtenido a través de la aplicación del método científico en un ámbito específico, la ciencia utiliza para su desarrollo al método científico y este tiene la característica de ser objetivo y verificable, sin embargo su aplicación depende del objeto de

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estudio y en este sentido debe considerarse la diversidad que trae como consecuencia la clasificación de las ciencias. Hoy en día la ingeniería es todavía es considerada distinta a la ciencia por el hecho de entenderla como una disciplina de aplicación del conocimiento. Esta idea está lejos de la realidad ya que el solo hecho de que su estudio en las universidades esta constituidos por un compendio de ciencias formales y factuales para la comprensión de los fenómenos y leyes naturales que rigen la disciplina específica y estos son llevados de la realidad a la práctica a lo largo de su estudio y de su aplicación. La ingeniería está descrita como el conocimiento requerido, y el proceso aplicado, para concebir, diseñar, bienes y servicios, implica la existencia de dos componentes distintos a la ingeniería que son

• Pedro A. Romero, Carmen H. Romero, Kervin B. Rojas •

el conocimiento, y al proceso. El conocimiento de la ingeniería es el conjunto cada vez mayor de hechos, de experiencia y habilidades en disciplinas de la ciencia, de la ingeniería y de la tecnología y en conjunto logran una comprensión de los diversos campos de aplicación. De acuerdo a [2] existen cuatro razones para profundizar en la filosof ía de la ingeniería, siendo estas en primer lugar la de dirigir un objeto crítico para las reflexiones filosóficas. La ingeniería es una clase de actividad de autoconstrucción, donde el ser humano es representado por su sabiduría, ideales y valores, donde la práctica de la ingeniería ha desarrollado artefactos útiles y sistemas artificiales que no habían existido hasta ahora y se han traído a la realidad.

2. Desarrollo La literatura en la filosof ía de la tecnología está comenzando a tratar la ingeniería, pero no es muy extensa. Uno podría indagar en las razones de esta carencia, pero no está claro que sea provechoso. Aparentemente es un problema asociado a la herencia positivista de concentrar en ciencia “pura” los postulados filosóficos con la opinión que la ingeniería es “simplemente” el uso o aplicación de la ciencia a los problemas del mundo real. Los campos de la ingeniería contienen una variedad de asuntos del interés a los filósofos. Entre éstos están el proceso de diseño, la naturaleza del conocimiento de la ingeniería, el social y ético, las implicaciones de los proyectos de la ingeniería, y la gama de relaciones entre la ingeniería y las ciencias. Los ingenieros no toman simplemente el conocimiento y comprenden lo que los científicos crean, estos lo aplican al mundo y generan su propio conocimiento y en algunos casos crean teorías diferentes. En la epistemología de la ingeniería, o el estudio de la teoría de la ingeniería y el conocimiento, es una tarea importante para la filosof ía de ingeniería. La tarea es substancial en contraste con los volúmenes incontables que analizan la epistemología científica, la epistemológica ingeniería es relativamente escasa. Revista

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Una forma de ver cómo altamente la materialidad tecnológica se ha desarrollado, y cómo ambos obligan y tiene en cuenta la búsqueda del ideal humano, es seguramente una tarea central de los filósofos. La misma vida de la filosof ía arraigada exactamente en este mundo artificial verdadero. Hasta cierto punto, si a los filósofos les importa o no, la filosof ía se asocia naturalmente a la práctica de la ingeniería. En segundo lugar, la ingeniería puede funcionar como un laboratorio de pensamiento de los filósofos para probar sus discusiones filosóficas. Ejemplos de varias tesis filosóficas referentes a tecnología y a la ingeniería verifican este punto. Discusiones tales como la tecnología que era manual ha llegado a ser autónoma, y es regida por la racionalidad instrumental, no podría sostenerse simplemente, ella había sido probada con las prácticas de la ingeniería. De hecho, siendo asociado inseparablemente con la ética y la moral, la ingeniería es humanidad en la acción. La ingeniería no sólo se sujeta a la racionalidad instrumental, también a la racionalidad comunicativa. Hay siempre alternativas a cierto diseño de ingeniería, y la idea de solamente una mejor solución al problema de la ingeniería es apenas una ilusión. . En tercer lugar, la filosof ía puede aprender a ser modesta y prudente después del ejemplo de la ingeniería. La filosof ía representa una búsqueda de la certeza, de la necesidad y de la verdad universal. En comparación, el mundo de la ingeniería se caracteriza por el conocimiento y las opciones locales, situacionales, específicas y contingentes. Al contrario a las presunciones comunes, la filosof ía está lejos más ambicioso y arrogante que la ingeniería haciendo frente al mundo real. Históricamente el discurso, la mayor parte de las atrocidades y los desastres resultaron de ideologías filosóficas, más que por fallas de la ingeniería. En cuarto lugar se concluye que filosof ía es ingeniería, con la ingeniería, la filosof ía llegará a ser más sí mismo. De hecho, una de las metas más importantes de la filosof ía es revelar maneras de vida alternativamente posibles, y uno de las funciones fundamentales de la inge-

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• La Filosof ía de la Ingeniería en el Contexto de la Formación del Ingeniero •

niería son la de realizar tales posibilidades, y al mismo tiempo abrir nuevas posibilidades. En este sentido, los ideales de la filosof ía y el de la ingeniería son muy similares el uno al otro, y la creatividad en filosof ía se puede ser paralela al de la ingeniería. Con la aparición de la metatecnología, las relaciones en medio de la ingeniería y la filosof ía son de profundización y se consiguen más cerca, y la ingeniería alcanza un significado más cercano a la filosof ía. [3] afirma que “ la ciencia apunta al construir teorías que son verdad, mientras que la ingeniería apunta a hacer cosas que trabajan; la ciencia y la ingeniería tienen diferentes objetivos, los modelos o teorías para las ciencias, artefactos o procesos para los ingenieros, la ciencia se encamina hacia la comprensión del mundo, la ingeniería se encamina hacia su cambio”. Hay visiones numerosas alrededor de en qué se distinguen la ciencia y la ingeniería. Una la caracterización de la distinción es que la ciencia se orienta a construir teorías que son verdades, mientras que la ingeniería se orienta a hacer cosas que trabajan. Las disciplinas tienen diversas orientaciones, los modelos o las teorías para la ciencia, los artefactos o los procesos para los ingenieros. Las razones para perseguir éstos resultados son distintas. El objetivo de la ciencia es entender el mundo, y el de la ingeniería, cambiarlo. Esta distinción puedo indicar porqué la filosof ía de la ingeniería comienza a formarse. Un aspecto clave de la filosof ía es la búsqueda de la pregunta ¿tenemos conocimiento genuino sobre el mundo alrededor de nosotros? Los

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filósofos preguntan cómo nosotros adquirimos tal conocimiento y si podemos no estar completamente conscientes que nuestro conocimiento es genuino. La meta de la ciencia es de encontrar la verdad y la comprensión es de interés del filósofo porque la ciencia tiene como objetivo el desarrollo de nuevos conocimientos. Puede ser que como los objetivos de la ingeniería son fundamentalmente la práctica, no se estimule en función de esto las reflexiones filosóficas. Sin embargo, la ingeniería juega realmente un papel importante en la adquisición conocimientos. En un inicio, la ingeniería se fundamenta en la teoría científica para el conocimiento. La mayoría teorías f ísicas fundamentales son apoyados por datos experimentales que no serían alcanzables sin la ingeniería. Los aceleradores de partícula construidos para revelar los bloques huecos fundamentales de la naturaleza no serían posibles sin impresionante hazañas de la ingeniería. Otro ejemplo la prueba de gravedad satelital, un producto de la ingeniería más que de la ciencia pura para medir nuestro entendimiento de la estructura del tiempo y espacio y la naturaleza de la gravedad. Dado que muchas teorías científicas que buscan conocimiento sobre el mundo impliquen la ingeniería en ese esfuerzo, la ingeniería debe seguramente ser de interés a los filósofos. Hay preguntas pertinentes a ser respondidas por ejemplo, cómo la comprobación los productos de la ingeniería pueden ayudarnos a tener acceso al conocimiento sobre el mundo, cuál es exactamente el papel de objetos manufacturados en encontrar conocimiento, y cómo es su confiabilidad. Sin embargo, la ingeniería puede ser vista como entrega de conocimiento de muchas formas más que ayudando a la ciencia. Hay una distinción útil en filosof ía entre el saber que (knowing that), el saber cómo (knowing how). Sé sabe que Caracas es el capital de Venezuela, y sé sabe cómo montar una bicicleta. Ésta es una distinción importante que se ve obscurecida por la palabra conocimiento, está sola palabra cuando se toma en consideración, esclarece que la búsqueda de los ingenieros es adquirir el conocimiento en todos sus esfuerzos.

• Pedro A. Romero, Carmen H. Romero, Kervin B. Rojas •

La ingeniería es el saber cómo (know-how): los ingenieros saben construir un edificio, un puente para tráfico vehicular, y los ingenieros saben construir un acelerador de partículas para realizar experimentos. Esta última clase de conocimientos técnicos representa conocimientos referentes a algunas de las características más fundamentales de la naturaleza. La ingeniería como una consecuencia del conocimiento acertado alrededor de cómo controlar los materiales y procesos para traer resultados deseados. Es una manera de conseguir la naturaleza delas cosas; un viaje del descubrimiento tanto como es la ciencia. Por lo tanto la ingeniería proporciona un estudio de caso útil para filósofos que investigan alrededor el estado del conocimiento humano. La ciencia y la ingeniería, aunque se complemente, tienen diversos propósitos y no utilizan exactamente la misma clase de conocimiento. La lógica de la ciencia es la lógica del qué-es; la lógica de la ingeniería es la lógica de que podría ser, la lógica de que puede ser posible. La ciencia está orientada y determinada por lo que ya existe.; La ingeniería es orientada por propósitos y objetivos hacia lo que todavía no existe. La verdad es el propósito de la ciencia; para producir cosas útiles y generar la ventaja humana es el propósito de la ingeniería. En ciencia, la verdad es un extremo; en la ingeniería la verdad es un medio para generar utilidades para la humanidad. La ciencia es, para muchos científicos y filósofos, un fin en sí; pero las actividades de la ingeniería son un medio para la producción de cosas útiles y la generación de beneficios. En la declaración de Budapest sobre la ciencia y el uso del saber científico con motivo de la conferencia mundial sobre la ciencia para el siglo XXI de la UNESCO, en el preámbulo aparte dos declara textualmente: “El saber científico ha dado lugar a notables innovaciones sumamente beneficiosas para la humanidad. La esperanza de vida ha aumentado de manera considerable y se han descubierto tratamientos para muchas enfermedades. La producción agrícola se ha incrementado enormemente en muchos lugares del mundo para atender las crecientes necesidades de la población. Está al Revista

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alcance de la humanidad el liberarse de los trabajos penosos gracias al progreso tecnológico y a la explotación de nuevas fuentes de energía, que también han permitido que surgiera una gama compleja y cada vez mayor de productos y procedimientos industriales. Las tecnologías basadas en nuevos métodos de comunicación, tratamiento de la información e informática han suscitado oportunidades y tareas sin precedentes para el quehacer científico y para la sociedad en general. La profundización ininterrumpida de los conocimientos científicos sobre el origen, las funciones y la evolución del universo y de la vida dota de la humanidad de enfoques conceptuales y pragmáticos que ejercen una influencia profunda en su conducta y sus perspectivas”. Éste es una de las razones por las que hay un aumento conocimiento en las áreas de habilidades del espíritu emprendedor y motivación en la preparación (académica y/o corporativa) de los futuros ingenieros. Es la ingeniería el proceso que está convirtiendo el nuevo conocimiento de la ciencia y lo está dirigiendo en nuevos programas informáticos y soporte f ísico, teléfonos móviles que pueden conectar al Internet, televisión digital, implantes médicos, nuevas drogas, productos farmacéuticos, máquinas que pueden aprender, etc., los procesos de ingeniería convierten al conocimiento científico, de ingeniería y otros en experiencias útiles, aunque la ciencia y la ingeniería se entrelazan, la ingeniería no es un subconjunto de la ciencia. La innovación es la introducción acertada algo nuevo. En el contexto de la economía se relaciona con algo del uso práctico que tiene contenido técnico significativo y alcanza éxito comercial. En el contexto de la sociedad se relaciona con las mejoras en la calidad de vida. La innovación puede ser enteramente nueva, por ejemplo el primer teléfono portátil, o una versión perceptiblemente mejor algo que existe ya. La declaración de Budapest sustenta que hoy más que nunca, la ciencia y sus aplicaciones son indispensables para desarrollo. Mediante programas de educación innovadores e investigación, las autoridades gubernamentales, y el sector privado deben prestar más apoyo a la construcción de una capacidad científica y tecnológica adecuada y compartida de manera

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• La Filosof ía de la Ingeniería en el Contexto de la Formación del Ingeniero •

equitativa, fundamento que es indispensable para un desarrollo económico, social, cultural y ambiental racional. Esta necesidad es fundamentalmente apremiante en los países en vías de desarrollo. El desarrollo tecnológico apremia una base científica sólida y debe orientarse hacia modos de producción seguros y no contaminantes, una utilización de los recursos más eficaz y productos más tolerantes para el medio ambiente. La ciencia y la tecnología también deben orientarse decididamente hacia perspectivas que mejoren el empleo, la competitividad y la justicia social. Hay que aumentar las inversiones en ciencia y tecnología encaminadas a estos objetivos y a conocer y proteger mejor la base de recursos naturales del planeta, la diversidad biológica y los sistemas de sustentación de la vida. El objetivo debe ser avanzar hacia unas estrategias de desarrollo sostenible mediante la integración de las dimensiones económicas, sociales, culturales y ambientales. La palabra tecnología puede ser utilizada para hacer referencia a una colección de técnicas. En este contexto, es el conocimiento de cómo combinar recursos para producir de productos necesarios, para solucionar problemas, satisfacer necesidades, e incluye métodos, técnicas, habilidades, procesos, herramientas y materias primas. Las tecnologías afectan perceptiblemente al ser humano y otras en la capacidad de controlar y de adaptarse a sus ambientes naturales. Los seres humanos comenzaron a usar tecnología con la conversión de recursos naturales en herramientas simples. El descubrimiento prehistórico de la capacidad de controlar el fuego aumentó las fuentes disponibles de alimento y la invención de la rueda ayudó a seres humanos en viajar adentro y controlar su ambiente. Los progresos tecnológicos recientes, incluyendo la prensa, la telefonía, y la web, han disminuido las barreras f ísicas en la comunicación y ha permitido a los seres humanos obrar recíprocamente y libremente en una escala global. Sin embargo, no toda la tecnología se ha utilizado para los propósitos pacíficos; el desarrollo de armas de la energía destructiva cada vez mayor ha progresado a través de la historia, de los clubs a las armas nucleares. Desde los años 60, la filosof ía de la tecnología se ha estado convirtiendo en una alternativa a la filosof ía de la humanidad de

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la tecnología. Ha ganado ímpetu en los últimos 10 o 15 años, y ahora se está convirtiendo en la forma dominante de filosof ía de la tecnología. Esta forma de la filosof ía de la tecnología se puede llamar el analítica y es referida refiere a las relaciones entre la tecnología y la sociedad como con la tecnología sí mismo. No se puede ver a la tecnología como una caja negra sino como un fenómeno que merece su estudio. Normalmente se conoce a la tecnología como práctica, básicamente la práctica de la ingeniería. El análisis de esta práctica, sus metas, sus conceptos y sus métodos, están relacionados con varios temas de la filosof ía. Pocas prácticas en nuestra sociedad son tan estrechamente vinculadas como ciencia y tecnología. La ciencia experimental es hoy en día crucial dependiente en la tecnología para la realización de sus ajustes de la investigación y para la creación de las circunstancias en las cuales un fenómeno llegará a ser observable. La investigación teórica dentro de la tecnología ha venido ser a menudo indistinguible de la investigación teórica en la ciencia, haciendo ciencia de ingeniería en gran parte continua con ciencia general. Esto es relativamente un reciente desarrollo, no más que centenario, y es responsable de grandes diferencias entre la tecnología moderna y tradicional, arte-como técnicas. El entrenamiento educativo que los científicos y los ingenieros de reciben comienzan ser en gran parte idénticos y diverge solamente gradualmente en una ciencia o plan de estudios de ingeniería. Puede ser que por lo tanto sea pensado que hay semejanzas igualmente fuertes entre la filosof ía de la ciencia y la filosof ía de la tecnología. Casi el contrario es verdad, sin embargo. Desde entonces la revolución científica, sobre todo, el siglo XVII, caracterizado por sus dos innovaciones importantes, el método experimental y la articulación matemática de teorías científicas, la reflexión filosófica en ciencia ha concentrado en el método por el cual el conocimiento científico es generado, en las razones de pensar teorías científicas para ser verdad, y en la naturaleza de la evidencia y las razones para aceptar una teoría y rechazar otra. Sería dif ícil

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encontrar filósofos de la ciencia con preguntas que no se haya planteado la comunidad científica, de sus preocupaciones, de sus puntos de vista, de sus intuiciones, de sus discusiones y de opciones, como meta fundamental. La filosof ía de la tecnología, en cambio, ha no hecho caso tradicionalmente en gran parte de la comunidad de ingenieros y se ha ocupado casi exclusivamente del lugar de la tecnología, y de su significado para la sociedad humana, para la cultura humana, y su existencia. Los filósofos de la ciencia parecen dejar preguntas que se dirigen alegremente a otras disciplinas filosóficas, o a los estudios históricos. Una diferencia principal entre el desarrollo histórico de la tecnología moderna con respecto a la ciencia moderna, que puede por lo menos explicar en parte esta situación, es que la ciencia emergió en el siglo XVII de la filosof ía . Las respuestas que Galileo, Huygens, Newton, y otros dieron, por quienes iniciaron la alianza del empirismo y de la descripción matemática que es tan característica para la ciencia moderna, eran respuestas a las preguntas que habían pertenecido desde la antigüedad, al asunto principal de la filosof ía. La ciencia, por lo tanto, guardó la atención de filósofos. La filosof ía de la ciencia es una transformación de la epistemología teniendo en cuenta la aparición de la ciencia. La realidad fundacional de las división de los átomos, el estado de la causalidad y de la probabilidad, las cuestiones del espacio y del tiempo, la naturaleza del mundo quántico que se discutían animadamente durante el final del diecinueve y el principio del siglo pasado son una ilustración de esta relación estrecha entre los científicos y filósofos. Ninguna intimidad ha existido nunca entre esos mismos filósofos y técnicos; sus mundos apenas convergen. Para estar seguro, se podría dar continuidad a las preguntas centrales de la filosof ía, teniendo que hacer con la acción humana y la racionalidad práctica, y los acercamientos de la tecnología de la manera y sistematiza la solución de problemas prácticos. Esta continuidad aparece solamente por la retrospección, sin embargo, la debilidad en el desarrollo histórico es a lo más, un acercamiento lento en Revista

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la dirección de estos pensamientos filosóficos en la acción y la racionalidad, no lejos de ella esta es su génesis. Es perceptiblemente que se haya reconocido que tecnología es la sola manera dominante inesperada de contestar todas las preguntas referentes a la acción humana, comparable a la ciencia como la sola manera dominante de contestar todas las preguntas referentes al conocimiento humano. Sin embargo, esta no es simplemente una interpretación que la tecnología puede ser la suma total de acción racional, también es necesario indagar sobre el asimiento que tiene en la sociedad moderna debido al esfuerzo de todos los aspectos de la vida humana dentro del paradigma de la racionalidad y eficacia máxima. En este sentido el acercamiento de la filosof ía y la tecnología que ha dominado el discusión durante el siglo pasado es abiertamente crítico y la tecnología: tiende a tener un juicio negativo, todas las cosas consideradas, de la tecnología de la manera que ha afectado a la sociedad humana y a la cultura, o concentra en los efectos negativos de la tecnología sobre sociedad humana y cultura. Esto no significa necesariamente que la tecnología sí mismo está precisada como la causa directa de estos progresos negativos. La

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• La Filosof ía de la Ingeniería en el Contexto de la Formación del Ingeniero •

distinción entre la ciencia, la ingeniería y la tecnología no está siempre clara. La ciencia es la investigación o el estudio razonada de fenómenos, descubrimiento dirigido aguantando principios entre elementos del mundo fenomenal empleando técnicas formales tales como el método científico. Las tecnologías no son generalmente exclusivamente productos de la ciencia, porque tienen que satisfacer requisitos tales como utilidad, beneficios y seguridad. La ingeniería es el proceso orientado a diseñar y hacer las herramientas y sistemas para explotar los fenómenos naturales a través de medios humanos prácticos, a menudo (pero no siempre) usando resultados y técnicas de la ciencia. El desarrollo de la tecnología puede dibujar sobre muchos campos del conocimiento, incluyendo conocimiento científico, que puede ser matemático, lingüístico, e histórico, para alcanzar un cierto resultado práctico. La tecnología es a menudo una consecuencia de la ciencia y de la ingeniería, aunque la tecnología es una actividad humana precede los dos campos. Por ejemplo, la ciencia pudo estudiar el flujo de electrones en conductores eléctricos, usando las herramientas existentes y el conocimiento. Este conocimiento descubierto se puede entonces utilizar por los ingenieros para crear las nuevas herramientas, por ejemplo los semiconductores, las computadoras, y otras formas de tecnología avanzada. En este sentido, los científicos y los ingenieros pueden ambos ser considerados como los tecnólogos; los tres campos se consideran a menudo como uno para los propósitos de la investigación y de la referencia. Las relaciones exactas entre la ciencia y la tecnología particularmente han sido discutidas por los científicos, los historiadores, y los responsables políticos en el siglo veinte, en parte porque el discusión puede informar a la financiación de la ciencia básica y aplicada. Posterior a la Segunda Guerra Mundial, por ejemplo, en los Estados Unidos era considerado extensamente que la tecnología era simplemente ciencia aplicada; y para financiar ciencia básica era necesario cosechar resultados tecnológicos

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a su debido tiempo Los nuevos productos, las nuevas industrias, y más trabajos requieren adiciones continuas al conocimiento de las leyes de la naturaleza. Este nuevo conocimiento esencial se puede obtener solamente con investigación científica básica; Al final de la década de los sesenta, sin embargo, esta visión declinó, llevando hacia iniciativas para financiar la ciencia para las tareas específicas (iniciativas resistidas por la comunidad científica). [4] sugiere que “la diversidad de las ciencias está de manifiesto en cuanto que atendemos a sus objetos y sus técnicas; y se disipa en cuanto que se llega al método general que subyace en aquellas técnicas”. En la figura 1 se muestra la diversificación de las ciencias. Fig. 1. Diversidad de las ciencias.

Considerando la diversificación de las ciencias, [5] propone un modelo que abre el camino a una comprensión epistemológica de la ingeniería en el contexto científico e inicia una comprensión filosófica al contrastar la realidad que subyace en la ingeniería con la difusión sin fundamento de ser mera aplicación y no como fuente generadora de conocimiento científico. El modelo propuesto considera cuatro dimensiones de la ingeniería que son la dimensión de las ciencias básicas, la dimensión de las ciencias sociales, la dimensión del diseño y la dimensión de la práctica profesional. La dimensión de las ciencias básicas le da la visión a la ingeniería como ejecutora de las ciencias naturales y exactas enfatizando los valores y el rigor de la lógica y visualizando al conocimiento como producido a través del análisis y la experimentación. La investigación es la práctica cotidiana

• Pedro A. Romero, Carmen H. Romero, Kervin B. Rojas •

de esta dimensión donde el descubrimiento de conocimientos es el principio fundamental. La dimensión social ve al ingeniero no como un tecnólogo sino como un experto social en su habilidad para reconocer la naturaleza del mundo y la complejidad social de los grupos de trabajo en los cuales se desarrolla; la creación de valores económicos y sociales y la creencia de la satisfacción de los usuarios finales es el valor central de esta dimensión. La dimensión del diseño ve a la ingeniería como ejecutora del arte del diseño. Su valor fundamental es el pensamiento sistémico más que el pensamiento analítico que caracteriza a la ciencia tradicional; típicos valores de esta dimensión incluyen la exploración de alternativas y el compromiso. Su práctica está fundamentada en la visión holística, contextual e integradora del mundo más que la visión parcializada. La cuarta dimensión ve a la ingeniería como el arte de hacer cosas, valorando la habilidad de cambiar a la humanidad y superando la complejidad con la flexibilidad y la perseverancia. Esto corresponde al arte del hombre transformador de su entorno f ísico a través de la fabricación de bienes y servicios. Al considerar a las cuatro dimensiones como un compendio transdisciplinar observamos una integración epistemológica de las cuatro dimensiones al momento de interactuar unas con otras y generar bases de conocimiento interrelacionadas.

tivismo. La dimensión del diseño es dif ícil de enclaustrar dentro de una tendencia dada su naturaleza intuitiva y la dimensión de la realización práctica es eminentemente constructivista. En función de este análisis es necesario plantearse las cuatro preguntas fundamentales de la teoría del conocimiento para después relacionarlo directamente con la generación de conocimiento de la ingeniería y demostrar la fundamentación epistemológica que la rige de acuerdo a la propuesta dimensional planteada. La certeza del proceso científico de la ingeniería se fundamenta en su proceso de enseñanza en sus diversos niveles, desde la licenciatura hasta el posdoctorado, considerando por supuesto la investigación científica [6] en los centros de investigación y desarrollo, de forma tal que el proceso de inserción de los conceptos de la filosof ía de la ingeniería es fundamental y debe incorporarse en forma transversal en todos los niveles de formación de los futuros ingenieros para consolidar su posición transformadora dentro de la sociedad del siglo XXI.

Referencias [1] M. Bunge Epistemología, ciencia de la ciencia Barcelona: Ariel, 1980. [2] C. Mitcham De la tecnología a la ética: experiencias del siglo XX posibilidades del siglo XXI Revista CTS, N5, volumen 2, Junio 2005. [3] N. McCarthy A world of things, not facts. The Netherlands: Abstracts of the workshop of philosophy & engineering, 2007.

Conclusiones

[4] M. Bunge La investigación científica Barcelona: Ariel, 1989.

Al considerar las tradiciones epistemológicas de cada dimensión se observa una contribución eminentemente positivista en las ciencias básicas, así mismo esta tradición puede observarse en la manera como se interpreta el conocimiento en la dimensión de las ciencias sociales, sin embargo se nota una tendencia hacia el construc-

[5] A. Dias Toward an epistemology of engineering London: Workshop o philosophy of engineering, The Royal Academy of Engineering, 2008.

Revista

UAN

[6] P. Romero Método general para la investigación en ingeniería Maracaibo, URBE, Tesis Doctoral, 2011.

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• Virtual laboratory for teaching control systems •

Educación en Ingeniería

Virtual laboratory for teaching control systems

Laboratorio virtual para la enseñanza de sistemas de control Julie Stephany Berrío P.*, Kelvin de Jesús Beleño S.** y Edgar Francisco Arcos H.***

Abstract This article shows the process of creation and implementation of a virtual laboratory, which was developed as a class project by students of Mechatronics Engineering at the Autonoma del Caribe University, in order to support the knowledge acquired in the classroom and provide educational support to people interested in learning control systems. Students were trained in modeling dynamic and control systems using the Easy Java Simulation EJS software, which was designed for the creation of discrete computer simulations for training purposes. EJS allows dynamically display of several states of the components of a system, where each state is defined by a number of variables that change over time due to the iteration algorithm. The tendency of the virtualization of the course content makes indispensable the internet use as a key tool for learning outside the classroom, through the implementation of dynamic systems in EJS, it generates HTML files that allow us to post the created simulations in Java applets (applications within a Web page) on the website relating to the class. This project pursues to use, implement and build educational tools for visualization of phenomena described by a series of models governed by physical and electrical laws, supporting content learned in class while the student can be part of it expanding the database with their proposals. keywords: virtual, laboratory, teaching, engineering, control.

Resumen El presente artículo muestra el proceso de creación y puesta en marcha de un laboratorio virtual, que fue desarrollado a través de proyectos de aula por los estudiantes de Ingeniería Mecatrónica de la Universidad Autónoma del Caribe, con el fin de soportar los conocimientos adquiridos en las asignaturas de control clásico y control digital, sirviendo asimismo de apoyo didáctico a las personas interesadas en el aprendizaje del tema. Los estudiantes fueron instruidos en la Fecha Recibido: 2013-08-18 Fecha Aprobado: 2013-10-15 * Magister en Ingenieria, Universidad Autonoma del Caribe, Email: julie.berrio@ uac.edu.co ** Magister en Ingenieria, Universidad Autonoma del Caribe , Email: kelvin.beleno@ uac.edu.co *** Magister en Ingenieria, Universidad Autonoma del Caribe , Email: edgar.arcos@ uac.edu.co

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• Julie Stephany Berrío P., Kelvin de Jesús Beleño S. y Edgar Francisco Arcos H. •

creación de modelos de sistemas dinámicos y de control utilizando la herramienta software Easy Java Simulation EJS, la cual fue diseñada para la creación de simulaciones discretas por computador con fines pedagógicos, permitiendo visualizar de forma dinámica los diferentes estados de los componentes de un sistema, donde cada estado está definido por una serie de variables que cambian respecto al tiempo a causa de la iteración de un algoritmo. La tendencia de la virtualización de los contenidos de las asignaturas hace indispensable el uso del internet como herramienta clave para el aprendizaje fuera del aula de clase, a través de la implementación de los sistemas dinámicos y sus estrategias de control en EJS, se generan ficheros HTML que permiten publicar las simulaciones creadas en la forma de applets (aplicaciones dentro de una página Web) en la página web correspondiente a la asignatura. Con este proyecto se busca utilizar, implementar y construir instrumentos didácticos para la visualización sistemas de control para fenómenos descritos por una serie de modelos regidos por leyes f ísicas y eléctricas, que soporten contenidos vistos en clase y al mismo tiempo el estudiante pueda ser parte de la misma desarrollando la base de datos con sus propuestas. Palabras clave: laboratorio, virtual, enseñanza, ingeniería, control.

1. Introducción La estructuración de información haciendo uso de medios hipermedia y multimedia, y las redes de comunicación descentralizadas e interconectadas, como el Internet, reflejan ser atractivos instrumentos para la ejecución de metodologías de soporte a la enseñanza de asignaturas que poseen una componente experimental poco dinámica. Uno de los recursos de aprendizaje electrónico o e-learning que es más atrayente corresponde a los e-laboratorios [1]. En el marco de los e-laboratorios, los módulos infaltables para la realización de actividades prácticas son los laboratorios virtuales y remotos, accesibles a través de diferentes redes de comunicación o entornos computacionales, en donde el estudiante efectúa las prácticas de una forma lo más análogo posible a como si estuviese realizándolas en un laboratorio clásico, simulando e interactuando con equipos virtuales. Esta tendencia para la ejecución de experimentos, manifiestan una disposición de las entidades educativas para que los dispositivos y herramientas de un laboratorio real, sean más asequibles para los alumnos a partir de cualquier sitio vía internet. Los laboratorios virtuales son aplicaciones web que simulan la forma de operar de un laboratorio real, posibilitando a los estuRevista

diantes realizar las prácticas en un ambiente con condiciones similares a uno con componentes f ísicos y reales [2]. Los laboratorios remotos, por otro lado suministran una interfaz virtual a un laboratorio real, así aquellas instituciones que no tienen acceso a cierto equipo de laboratorio de alto nivel (debido a sus costos o asequibilidad) consiguen llevar a cabo experimentaciones en un laboratorio de forma remota, con acceso a los materiales de una establecimiento central [3]. El laboratorio virtual pretende ambientarse en un laboratorio tradicional, donde los experimentos se realizan paso a paso, siguiendo un procedimiento en el que se visualizan herramientas y fenómenos por medio de entes dinámicos como imágenes o animaciones, obteniendo resultados numéricos y gráficos [4]. El control automático ha desempeñado una función vital en el avance de la ingeniería y la ciencia. Además de su extrema importancia en los sistemas de vehículos espaciales, de guiado de misiles, robóticos y similares, el control automático se ha vuelto una parte importante e integral de los procesos modernos industriales y de manufactura. Debido a que los avances en la teoría y la práctica del control automático aportan los medios para obtener un desempeño óptimo de los sistemas dinámicos (sistema f ísico

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cuyo estado evoluciona con el tiempo), mejorar la productividad, aligerar la carga de muchas operaciones manuales y repetitivas y rutinarias, así como de otras actividades, casi todos los ingenieros y científicos deben tener un buen conocimiento de este campo. [5] Los sistemas de control en tiempo discreto son aquellos sistemas en los cuales una o más variables pueden cambiar solo en valores discretos de tiempo. El intervalo de tiempo entre estos dos instantes discretos se supone que es lo suficientemente corto de modo que el dato para el tiempo entre estos se pueda aproximar mediante una interpolación sencilla. Los sistemas de control en tiempo discreto difieren de los sistemas de control en tiempo continuo en que las señales para los primeros están en la forma de datos muestreados o en la forma digital. Si en el sistema de control está involucrada una computadora digital como un controlador los datos muestreados se deben convertir a datos digitales. Los sistemas en tiempo continuo, cuyas señales son continuas en el tiempo, se pueden describir mediante ecuaciones diferenciales. Los sistemas en tiempo discreto, los cuales involucran señales de datos muestreados o señales digitales y posiblemente señales en tiempo continuo, también se pueden describir mediante ecuaciones en diferencias después de la apropiada discretización de las señales en tiempo continuo.[6] En los cursos de control clásico y digital de la Universidad Autónoma del Caribe (AUC) se in-

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troduce al estudiante en la metodología del control de sistemas dinámicos para diseñar, simular, analizar y presentar diferentes modelos de control sobre sistemas invariantes en el tiempo, estos pueden ser de tipo f ísico, mecánico, eléctrico y/o electromecánico. Así, resulta beneficioso para el proceso de aprendizaje que además del análisis, modelado y diseño de controladores de todos estos sistemas, el estudiante pueda interactuar con ellos de una forma dinámica, donde pueda observar animaciones de los procesos mientras contempla el comportamiento temporal, al mismo tiempo que realiza cambios en estos. El laboratorio virtual alimentado por trabajos de curso de los estudiantes de sexto y octavo semestre de Ingeniería Mecatrónica de la AUC, busca facilitar el aprendizaje y comprensión de las temáticas de las asignaturas. El laboratorio traslada la teoría del salón de clase directamente a la web, donde podrá ser consultada, revisada y asimilada por las personas interesadas en el tema, desde cualquier locación y hora, brindado de esta forma mayor flexibilidad tanto al estudiante como al docente en la metodología de aprendizaje, enseñanza y comunicación.

2. Lenguaje de programación Java es un lenguaje de programación gratuito, que se ha dispuesto básicamente al diseño de aplicaciones para Internet, muchas de las cuales sirven como recursos multimedia para ser utilizados en el mundo educativo, ya sea integrado en una página web, o como archivos autocontenidos. Una de las principales ventajas de Java es que sus programas funcionan en cualquier equipo con independencia de su arquitectura o sistema operativo. Esto se ha conseguido mediante el uso de un software intérprete de los programas, conocido normalmente Java Runtime Environment (JRE). Uno de los éxitos de Java son los applets, pequeños programas que consiguen ser integrados dentro de una página web para ofrecer la interactividad que el simple código HTML no consigue suministrar, brindando información gráfica modificable por variables controladas por el usuario.

• Julie Stephany Berrío P., Kelvin de Jesús Beleño S. y Edgar Francisco Arcos H. •

Easy Java Simulations, es una herramienta de software de código abierto, escrito en el lenguaje de programación Java y creado para la realización de programas informáticos que pretenden imitar, con objetivos académicos o científicos, un fenómeno a través de la visualización de los diferentes estados que puede tener. Cada uno de estos estados es descrito por un conjunto de variables que cambian en el tiempo debido a la iteración de un algoritmo dado. En la creación de una simulación con la ayuda de EJS, el usuario no programa la simulación a nivel de la escritura de código, en cambio, el usuario está trabajando a nivel conceptual superior, declarando la organización de las ecuaciones y otras expresiones matemáticas que operan la simulación. EJS se encarga de los aspectos técnicos de la codificación de la simulación en el lenguaje de programación Java, permitiendo así al usuario concentrarse en el contenido de la simulación. En EJS, las simulaciones se crean detallando un modelo para el sistema y montando un panorama que visualiza el estado del modelo permanentemente y responde de forma interactiva a los cambios realizados por el usuario. Las simulaciones se describen en función del paradigma modelovista. El modelo, describe el fenómeno que está bajo estudio, en término de variables y relaciones entre ellas (que corresponden a las leyes que gobiernan el fenómeno), expresadas mediante algoritmos en un computador. La vista, muestra una representación de los diferentes estados que el fenómeno puede tener. Esta representación se puede realizar en una forma esquemática o con cierto realismo. [7]

3. Resultados de las estrategias de control Los sistemas de control poseen cierto grado de funcionamiento autónomo, estos se componen de elementos tecnológicos utilizados para medir, controlar y actuar sobre la respuesta dinámica del sistema. Por la naturaleza de los procesos y de las estrategias de control que se implementan, los sistemas de control se pueden clasificar como sistemas de control discretos (estrategias basaRevista

das en eventos) y sistemas de control continuos (estrategias regulatorias). Para mejorar las características de funcionamiento del sistema de acuerdo a ciertas especificaciones deseadas, se puede lograr si se introduce en seria con la planta un bloque llamado controlador, cuya característica debe ser tal que permita lograr dichas especificaciones. El diseño de sistemas de control o controlador, parte de la identificación de los requerimientos y restricciones de la planta, proceso o equipo a controlar, para la definición de especificaciones técnicas, condiciones de uso y las leyes o esquemas de control automáticos a emplear, así como su configuración, instalación y evaluación. Fig. 1: Sistema electro-mecánico de un servomotor modelado en EJS.

Entre los variados sistemas propuestos, se modeló y controló el sistema de un servomotor mostrado en la Fig. 1, se realizó el modelado matemático (cuya función de transferencia se representa en (1)).

G(s) =

1 (1) s ( s + 1)

Luego de obtener la función de transferencia del sistema, se realizó el análisis analítico y posteriormente el diseño del controlador en tiempo continúo. Como requerimientos de control se

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tuvo en cuenta un máximo sobreimpulso de 5% y un tiempo de asentamiento de 4s (valores que pueden ser modificados dependiendo los requerimientos del sistema). Así, se realizó el cálculo de la función de transferencia cuyo comportamiento sería el deseado, para luego obtener los parámetros de un controlador (2) proporcional-integral-derivativo PID, cuyos valores son presentados en (3), (4) y (5).

  1 C pid ( s )= K pc 1 + + Tdc s   Tic s 

(2)

Kpc = 2.25 (3)

sistema completo. Una vez obtenido el modelo final, se puede formular el análisis de tal manera que los parámetros del sistema en el modelo se hacen variar (fácilmente en las simulaciones) para producir varias soluciones y validar su comportamiento. De la misma manera se implementó un controlador digital, que permite direccionar el panel solar (modelado en la Fig. 3.) en una posición tal que sea posible aprovechar la energía producida por el sol. Fig. 3: Sistema de posicionamiento de un panel solar modelado en EJS.

Tic = 34.50 (4) Tdc = 0.68 (5) Con estos parámetros se pone en marcha el sistema total en el software EJS, haciendo uso de las ecuaciones diferenciales que representan tanto al controlador como a la planta, el EJS es el encargado de mostrar una animación de los movimientos de los componentes del mismo y las variables del sistema respecto al tiempo, que para este caso corresponde a la posición angular del eje del servomotor (ver Fig. 2). Fig. 2. Grafica de posición angular (en radianes) correspondiente al eje del sistema del servomotor respecto al tiempo en EJS.

El principal parámetro a controlar del panel solar es la inclinación, el modelo matemático que describe el sistema está representado en por la función de trasferencia:

G (s) =

2500 s + 25s 2

(6)

Aplicando el retenedor de orden cero (ZOH) se obtiene la planta discretizada, utilizando un tiempo de muestreo de 0.02 seg

G( z) =

Cualquier sistema está formado por componentes, el análisis debe iniciarse obteniendo un modelo matemático de cada componente y combinando esos modelos (sistema dinámico y de control) con el objeto de construir un modelo del

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0.4261z + 0.3608 z − 1.607 z + 0.6065 2

(7)

Para obtener las variables del controlador discreto (8) que cumpla con las condiciones de diseño de un sobreimpulso 20% y un tiempo de asentamiento de 10 segundos, se calcula la ecuación deseada discreta, multiplicando la ecuación del PID discreto y la función de transferencia de la planta discretizada.

• Julie Stephany Berrío P., Kelvin de Jesús Beleño S. y Edgar Francisco Arcos H. •

 Ts ( z − 1)Td C ( z ) = K pd 1 + + Ts  Tid ( z − 1)

  (8) 

Fig. 5: Control de un motor DC simulado en EJS.

Kpd = 0.068 (9) Tid = 0.576 (10) Tdd = 0.010 (11) La respuesta del sistema controlado se puede observar en la Fig. 4, donde se esquematiza la evolución en el tiempo de la inclinación del módulo solar, referente a una consigna definida por sensores de intensidad lumínica.

Fig. 6: Control presión en un pistón simulado en EJS.

Fig. 4. Gráfica de posición angular (en radianes) correspondiente al ángulo del panel solar respecto al tiempo en EJS.

4. Distribución en la red

De igual forma los estudiantes de los cursos de control clásico y digital de la Universidad Autónoma del Caribe, crearon múltiples modelos de sistemas con sus respectivos controladores (algunos de los cuales se encuentra ilustrados en las Fig. 5 y Fig. 4), que fueron simulados, animados y analizados por medio de su implementación en un software distribuido y desarrollado libremente como lo es Java. Estos modelos son puestos a disposición de los interesados en el tema a través de la plataforma de medios y recursos tecnológicos académicos de la Universidad. Como las simulaciones se utilizaran con fines didácticos, los diseños se dotaron con ventanas sencillas de visualización del proceso, y elementos interactivos que pudiesen ser maniobrados por los alumnos para cambiar la dinámica de los sistemas (por ejemplo los valores de referencia o consigna de las variables a controlar) durante el desarrollo de un experimento. Revista

La Universidad Autónoma del Caribe cuenta con una plataforma de medios y recurso tecnológico académico denominada Myrta (figura 4), basado en el sistema de gestión de aprendizaje Moodle, la cual es una aplicación web gratuita utilizada para crear sitios de aprendizaje efectivo en línea. El objetivo del proyecto de la creación del laboratorio virtual de sistemas de control a través de Moodle, es facilitar a los instructores herramientas para gestionar y promover el aprendizaje de dicho curso. Al estar todos estos datos disponibles en línea, permite escalar la cobertura de acceso a la información a cientos de miles de estudiantes. El EJS permite distribuir las simulaciones creadas en varios formatos: como un fichero JAR comprimido, autoejecutable y autocontenido, así que solo se necesita distribuir este fichero a los estudiantes y éstos lo podrán ejecutar haciendo doble-click sobre él. Otra opción es crear un “paquete Launcher” (o ‘lanzador’), este es un fichero JAR comprimido, autoejecutable y autocontenido, con varias simulaciones creadas con EJS listas para ser usadas. De igual forma se puede crear un conjunto de ficheros HTML que permiten

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publicar varias simulaciones creadas con EJS en la forma de applets (aplicaciones dentro de una página Web), los applets de Java se ejecutan por los navegadores con altos niveles de seguridad para el usuario, así que un applet de Java normal no puede acceder al disco duro del computador. Como última opción EJS permite crear un fichero comprimido ZIP con todos los ficheros que utiliza su simulación. Ésta es la opción que se debe elegir si quiere enviar una simulación por correo a los estudiantes que también usan EJS, ya que el fichero ZIP resultante es de unos pocos KB [8].

Conclusiones El laboratorio virtual para la enseñanza de sistemas de control clásico y digital permitió instaurar un vínculo entre los adelantos de la investigación en enseñanza del curso y las TIC. Se manejó como un instrumento adicional a los medios didácticos usuales, con el ánimo de lograr un trabajo educativo más personalizado, planteando trabajos que beneficien la enseñanza efectiva de los estudiantes, en el estudio de los sistemas dinámicos, integrando las TIC con los adelantos de la investigación didáctica. Comenzando con esta experiencia piloto, se verifica el aumento de la motivación de los alumnos, que generalmente presentan dificultades de aprendizaje en el tema de estudio de análisis de sistemas. Los resultados obtenidos constatan que los alumnos se sienten motivados tanto en la creación, como en la utilización del laboratorio virtual, valorándolo positivamente, revelando que les permite optimizar su aprendizaje en el caso de fenómenos arduos de vislumbrar e imaginar gráficamente, así como en aquellos con gran desarrollo matemático. La composición de un ambiente interactivo que proporciona animaciones en el desarrollo de laboratorios virtuales para la enseñanza de sistemas de control, da origen a la participación activa de los alumnos en su proceso de aprendizaje autónomo. El laboratorio virtual puede ser utilizado para formación en línea o como apoyo a la formación presencial (blended learning). Como trabajo futuro, el laboratorio será implementado en una página web abierta a todas las personas intere-

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sadas en el tema, agregando además módulos de actividad, con el fin de construir comunidades colaborativas y participativas de aprendizaje alrededor del estudio de los sistemas de control.

Agradecimientos Los autores expresan su agradecimiento a los estudiantes de la Universidad Autónoma del Caribe del programa de Ingeniería Mecatrónica que hicieron parte del proyecto y colaboraron activamente en la construcción del laboratorio virtual.

Referencias [1] L. Rosado y J.R. Herreros, “Laboratorios virtuales y remotos en la enseñanza de la Física y materias afines”, Didáctica de la Física y sus nuevas Tendencias, Madrid, UNED, pp. 415603, 2002. [2] L. Rosado y J.R. Herreros, “Internet y Multimedia en Didáctica e Investigación de la Física”, Tratado teórico práctico para profesores y doctorandos, Madrid, UNED, 2004. [3] L. Gil, E. Blanco y J.M. Aulí, “Software educativo orientado a la experimentación”, I Congreso Internacional de Docencia Universitaria e Innovación, Barcelona, Spain, Universidad de Barcelona, 2000, pp. 118. [4] O. Boix, S. Fillet y J. Bergas, “Nuevas posibilidades en laboratorios remotos de enseñanzas técnicas.” Congreso Virtual CIVE 2002, Internet: http://www.cibereduca.com [5] K. Ogata; Ingeniería de control moderna, Pearson-Prentice Hall, Tercera edición, México. 2000. 998 p. [6] K. Ogata; Sistemas de control en tiempo discreto, Prentice Hall, Segunda Edición, México, 2000. 729 p. [6] Martín, C. Dormido, S. Pastor, R. Sánchez, J. Esquembre, F. “Sistema de Levitación Magnética: Un Laboratorio Virtual en “Easy Java Simulation”, XXIV Jornadas de Automática, León, 2003. [8] Francisco Esquembre. (2009, Abril). EJS Wiki. Consultado 29 de Abril de 2013 en http:// www.um.es/fem/EjsWiki/Es/Deployment

• Jorge Duarte Forero, German Amador Diaz •

Control y Automatización

Desarrollo de ecuaciones de sintonía para controladores tipo PID aplicados al control de temperatura en intercambiadores de calor Development of equations for tuning pid controllers applied to temperature control in heat exchangers Jorge Duarte Forero*, German Amador Diaz**

Abstract The development of controllers tuning equations PI, PID based on performance criteria is a methodology widely used in recent years. There numerous scientific publications where equations are reported of tuning used to tune controllers function of a particular process, and desired response in the control loop. In this article presents the development of a tuning equations for PID controllers based on the formulation of a new comprehensive performance criterion called FAD ®, which aims error minimizing deviation above or below the Set Point to regulatory control, depending on the restrictions of a specific process that can be approximated through a model represented by a transfer function FOPDT.: Keywords: Amador-Duarte Function, Process Gain, Time Constant, Dead TIme, Transfer Function

Resumen El desarrollo de ecuaciones de sintonia de controladores PI, PID basados en criterios de desempeño es una metodologia ampliamente utilizada en los ultimos años. Existen numerosas publicaciones cientificas donde se reportan ecuaciones de sintonizacion utilizadas para sintonizar controladores en funcion de las caracteristicas de un proceso en particular, y de la respuesta deseada en el lazo de control. En este articulo se presenta el desarrollo de unas ecuaciones de sintonía para controladores tipo PID basados en la formulación de un nuevo criterio integral de desempeño denominado FAD®, el cual busca minimizar la desviación del error por encima o por debajo del Set Point para un control regulatorio, en función de la restricciónes de un proceso especifico que puede ser aproximado a traves de un modelo representado por una función de transferencia FOPDT. Palabras clave: FAD (Función Amador-Duarte), Ganancia delproceso, Constante de tiempo, Tiempo muerto, Función de transferencia, FOPDT Fecha Recibido: 2013-08-22 Fecha Aprobado: 2013-10-08 Universidad Antonio Nariño, M.Sc, Ing. Mecánica, email: jorge.duarte@uan.edu.co Universidad del Norte, Ing. Mecánico, Doctorando Uninorte, email: gjamador@ uninorte.edu.co Revista

UAN • ISSN 2145 - 0935 • Vol. 4 • No. 7 • pp 21-28 • julio - diciembre de 2013

• Desarrollo de ecuaciones de sintonía para controladores tipo PID •

1. Introducción En muchos procesos industriales es común encontrar sistemas que tengan la necesidad de una rápida estabilización ante perturbaciones en alguna entrada del proceso o cambio de set point. La operación por largos periodos de tiempo en zonas no tolerables por encima o por debajo del punto optimo de operación en un proceso especifico, conlleva en muchos casos en no conformidades en el producto final, lo cual es indeseable. Un caso típico es el calentamiento de agua para el mezclado de la pasta del papel con papel reciclado, donde se requiere que la temperatura del vapor de agua se mantenga al máximo posible y por debajo del Set Point o punto de operación. Largos periodos de tiempo por encima de la temperatura de operación en la planta, causa una degradación en la contextura de la pasta de papel. Es común la utilización de criterios de desempeños para evaluar la calidad en la respuesta de un lazo de control por retroalimentación ante una perturbación en las variables de entrada del proceso; así, la optimización de la respuesta de un lazo de control en particular dependerá del mejor índice de desempeño que se obtiene maximizando o minimizando dicho criterio. Para que un criterio de desempeño sea útil, debe ser deterministico y dinámico, que permita realizar tareas de optimización para un lazo de control determinado. Con base en lo anterior, el presente trabajo de investigación propone una nueva función de desempeño, FAD1, el cual minimiza las oscilaciones provocadas por perturbacion o cambio de set point de una variable del proceso, por arriba o por debajo del punto de operacion, dependiendo de las necesidades. Dicha funcion de desempeño, sera utilizada para desarrollar una triada de ecuaciones de sintonizacion para un controlador PID (Proporcional, Integral, Derivativo) retroalimentado basado en datos obtenidos a traves de una funcion de transferencia de primer orden mas tiempo muerto. Los resultados obtenidos seran validados mediante la sintonizacion de un controlador PID de un 1

Por las iniciales de: Funcion Amador-Duarte

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lazo de control de procesos previamente caracterizados en la literatura. Los resultados obtenidos seran comparados con los resultados arrojados por otros metodos de sintonizacion que han sido desarrollados previamente.

2. Trabajos previos La mayoría de los procesos químicos presentan una respuesta sigmoidal ante una perturbación tipo escalón en alguna de sus variables de entrada[1]. Con el objetivo de sintonizar controladores PID retroalimentados, el comportamiento puede ser modelado a través de una función de transferencia de primer orden más tiempo muerto. Por ello es común encontrar en la literatura desarrollos de ecuaciones de sintonización basados en respuestas que siguen dicho comportamiento. En los últimos 50 años, los controladores Proporcional-integral- derivativo (PID) han tenido un fuerte impacto en la industria debido a su simplicidad y fácil implementación, por lo que han aparecido una gran variedad de trabajos que presentan metodologías y reglas para determinar sus parámetros de sintonización Kc (Ganancia de Controlador), τi (Tiempo integral) y τd (Tiempo derivativo). El primer gran aporte en este sentido fue desarrollado por Ziegler et al.[6], donde se desarrollaron ecuaciones de sintonia basados en una respuesta con una razón de decaimiento de 1/4, los cuales segun experiencia de algunos expertos se pueden utilizar en un rango de 0, 1 ≤ t0/τ ≤ 0, 5. Posteriormente López et al.[4] desarrollaron un conjunto de ecuaciones de sintonia para controladores P, PI, y PID basadas en la minimización de criterios integrales tales como ISE, ITAE, ITSE o IAE. Estas fueron desarrolladas asumiendo que las funciones de transferencia cuyas entradas son las perturbaciones y la señal del controlador respectivamente son iguales en lazo cerrado por retroalimentacion. En la literatura se reporta que las ecuaciones de sintonia basadas en en criterio IAE son recomentadables para trabajar en un rango de 0, 1 ≤ t0/τ ≤ 1[5]. Castro el al.[1], desarrollo dos ecuaciones para la sintonización de un controlador PI para procesos con una relacion t0/τ ≤ 0,

• Jorge Duarte Forero, German Amador Diaz • INGE@UAN

1. Las ecuaciones obtenidas permiten sintonizar controladores para procesos incluso, sin tiempo ecuaciones demuerto, sintoniasiendo para controladores y PID basadas este uno de P, losPI,prinicipales resulen la minimización de criterios integrales tales como ISE, ecuaciones detados sintonia para controladores P, PI, PID basadas obtenidos. Recientemente,yAlfredo et al.[3] ITAE, ITSE o IAE. deEstas fueron desarrolladas asumiendo en la minimización criterios integrales tales como ISE, desarrollo ecuaciones de sintonizacion para conque lasITSE funciones transferencia cuyas entradas son las ITAE, o IAE.de Estas fueron desarrolladas asumiendo troladores difusos (FLC) que permite el calculo perturbaciones y la señal del controlador respectivamente que las funciones de transferencia cuyas entradas son son las deycerrado parametros de escalamiento para control iguales en lazo En laelliteratura perturbaciones la señalpor delretroalimentacion. controlador respectivamente son de procesos que fuertes basadas no la linealidades se reporta que las ecuaciones de sintonia en en y iguales en lazo cerrado por presenten retroalimentacion. En literatura querecomentadables se pueden modelar como procesos de criterio IAE que son parasintonia trabajar en un rango de se reporta las ecuaciones de basadas enprimer en orden mas tiempo muerto, cuyos 0, 1 ≤ t0IAE /τ ≤son 1[5]. Castro el al.[1], desarrollo dos ecuaciones criterio recomentadables para trabajar en parametros un rango de de para de un PI parados procesos con planteados utilizados como referen0, 1 ≤lat0sintonización /τ ≤proceso 1[5]. Castro el cotrolador al.[1],son desarrollo ecuaciones t0/τen ≤el0,de 1. un Lascotrolador ecuaciones permiten una relacion para la sintonización para procesos con cia presente trabajo PI deobtenidas investigacion. INGE@UAN

Figura 1. Definicion de la funcion Amador-Duarte para la minimizacion del error por encima del set point.

2 2

t0/τ ≤ 0, 1. para sintonizar controladores procesos incluso, sinpermiten tiempo Las ecuaciones obtenidas una relacion muerto, siendo este uno de prinicipales resultados obtesintonizar controladores paralosprocesos incluso, sin tiempo nidos. Recientemente, Alfredo et al.[3] desarrollo ecuaciones muerto, siendo este uno de los prinicipales resultados obte3. Descripción de la función de de sintonizacion para controladores difusos (FLC) que permite nidos. Recientemente, Alfredo et al.[3] desarrollo ecuaciones desempeño FAD el calculo de parametros de escalamiento para elque control de de sintonizacion para controladores difusos (FLC) permite variable controlada, esta lo haga alejada de zonas procesos fuertes no linealidades y que se pueden el calculoque de presenten parametros de escalamiento para el control de críticas de operación en un proceso especificado. presente propone nueva modelar como procesos de investigación, primer orden mas muerto, procesos que La presenten fuertes no linealidades ytiempo que seuna pueden función de desempeño, el cual tiene por objetivo cuyos parametros de proceso planteados como FiguraEl1.signo modelar como procesos de primer orden son mas utilizados tiempo muerto, DefinicionladeEc. la funcion la minimizacion 1, estáAmador-Duarte en función para de la zona en del el error eninvestigacion. la respuesta de uncomo lazo deerror por encimade referencia encuantificar el presente trabajo de cuyos parametros de proceso planteados son utilizados del set point. Figurala1.que Definicion de la funcion Amador-Duarte para la minimizacion es crítica la estabilización del proceso. Si del portrabajo encima por debajo del set pointerror por encima referencia encontrol el presente deoinvestigacion. del set point.

el proceso no tolera operar por encima del set

de manera independiente, según lo requerido III. D ESCRIPCIÓN DE LA FUNCIÓN DE DESEMPEÑO FAD point, se utilizara el signo negativo, que de ambas situaciones es posible optimizar esta ya función, el cual por un proceso especifico. Como se menciono III. D ESCRIPCIÓN DE LA FUNCIÓN DE DESEMPEÑO FAD La presente investigación, propone una nueva función de ambas manera laespresente función el área bajodela utilizada en el trabajo como función situaciones posible describirá optimizar esta función, elcosto cual previamente, en muchos procesos industrialesserá esta desempeño, el cual tiene por propone objetivo una cuantificar el error de en será La presente investigación, nueva función para la obtención de ecuaciones de sintonización para procesos utilizada en el presente trabajo como función de costo curva del error contra el tiempo por encima del existe el interés por mantener la mayor parte del la respuesta el de cual un lazo control porcuantificar encima o el porerror debajo desempeño, tienedepor objetivo en que pueden serelmodelados FOPDT Orden más la obtención de ecuaciones sintonización para procesos set point, cual es el como casodede la Fig.(Primer 1. Si el signo tiempo la variable controlada por encima o porpara delrespuesta set point de manera lo requerido por la un lazo independiente, de control porsegún encima o por debajo tiempo muerto). que pueden ser modelados como FOPDT (Primer Orden más es positivo, se presenta la situación contraria, ya debajo del independiente, set point depreviamente, perturbación un proceso Como se después menciono en tiempo del set point especifico. de manera según louna requerido por quemuerto). la función describe el área bajo la curva del o cambio de set point. Para ello, se requiere del muchos procesos industriales el interés previamente, por mantener en la un proceso especifico. Comoexiste se menciono M ETODOLOGÍA error contra elIV. tiempo por debajo del set point. desarrollo una función depor costo queo por allaser mayor parte del tiempo lade variable controlada encima muchos procesos industriales existe el interés por mantener ETODOLOGÍA IV. M En la ambas situaciones es posible optimizar esta debajo parte del set point después una perturbación o cambio de Para formulación de las ecuaciones de sintonización minimizada, sedeobtengan ecuaciones de sintonimayor del tiempo la variable controlada por encima o por set point. ello, después se requiere del desarrollo de ouna función utilizo metodología empleada Alfredo debajo delPara setzación point de una perturbación cambio de deseadas, Para la seformulación deutilizada las ecuaciones depor sintonización función, el cuallaserá en el presente tra- et para controladores que permitan obtener de costo alello, ser comportamiento minimizada, obtengan ecuaciones de deseadas, al.[3], el como cual consistió en diseño dela un experimento, set point. que Para se requiere delsedesarrollo unade función se utilizo la metodología empleada por Alfredo et bajo función de a) costo para obtención de b) dicho en un de lazo control sintonización para que permitan obtener dicho evaluación de significancia de los factores y sus interacciones, de costo quedeterminado. al sercontroladores minimizada, se obtengan ecuaciones de al.[3], el cual consistió en a) diseño de un experimento, b) Matemáticamente, la función FAD ecuaciones de sintonización para procesos que comportamiento en controladores un como: lazo de control determinado. Matemác) obtención las ecuaciones a factores través de una(Primer regresión no sintonización que permitan obtener dicho evaluación significancia de los y sus interacciones, separa define puedendede ser modelados como FOPDT ticamente, la función lineal de los de datos ultimo d) validación de comportamiento en unFAD lazo se dedefine controlcomo: determinado. Matemá- c) obtención las obtenidos ecuacionesy apor través de una regresión no Orden más tiempo muerto). dichas de ecuaciones a través de suy utilización end)la validación sintonización ticamente, la función FAD se define como: lineal los datos obtenidos por ultimo de ∞ de un controlador un lazo control implementado en la dichas ecuaciones adetravés de sudeutilización en la sintonización ( e (t) ± e (t)) dt (1) de F AD = ∞ bibliografía. A continuación, hace una descripción detallada un controlador de un lazosede control implementado en la ( e (t) 2± e (t)) 4. Metodología dt (1) bibliografía. F AD = 0 de cada uno A decontinuación, los pasos realizados en eldescripción presente trabajo de se hace una detallada 2 0 investigación. de cada uno de los pasos realizados en el presente trabajo de donde donde Para la formulación de las ecuaciones de investigación. donde e (t) = Cset − C (t) sintonización utilizo la metodología V. deseadas, D ISEÑO DEseEXPERIMENTO e (t) = Cset − C (t) empleada por Alfredo et al.[3], el cual consistió La Fig. 1 muestra esquemáticamente el error cuantificado EXPERIMENTO V. D ISEÑO Para la obtención de las DE ecuaciones de sintonizacion, se en a) diseño de un experimento, b) evaluación de porLadicha cuya minimización representa la disminu- diseño un experimento factorial 33 [2], Fig. función, 1 muestra esquemáticamente el error cuantificado compuesto por tres Para la obtención de las ecuaciones de sintonizacion, se significancia de loscada factores y3 sus medio, interacciones, cióndicha de fluctuaciones por encima del setrepresenta point. Lo la anterior por función, cuya minimización disminuLa Fig. 1 muestra esquemáticamente el inerrorfactores, tres niveles uno 3(alto, y bajo). [2], compuesto por Los tres diseño uny experimento factorial dica, de quefluctuaciones a escala industrial es posible sintonizar controladores ción por encima del set point. Lo anterior in- factores, c) obtención de ecuaciones través K de cuantificado por dicha función, cuya minimiza, una b)tiempo factores ayestudiar son:las a)ganancia del aproceso tres niveles cada uno (alto, medio, y pbajo). Los que además de permitir estabilizar la variable controlada, esta muerto dica, que a escala industrial es posible sintonizar controladores regresión no lineal de los datos obtenidos y por τp ; ción representa la disminución de fluctuaciones proceso son: to , c)constante delKproceso factoresdel a estudiar a)ganancia de deltiempo proceso p , b)tiempo lo haga alejada deencima zonasestabilizar críticas dela operación en unindica, proceso que además de variable controlada, estaquemuerto ultimo d) validación deresumida dichas ecuaciones a τp ; porpermitir del set point. Lo anterior la tabla unoproceso muestra manera los factores y niveles del tde de tiempo del proceso o , c)constante especificado. lo haga alejada de zonas críticas de operación en un proceso la ende elsu experimento. través utilización la sintonización deyun tabla uno muestra de maneraenresumida los factores niveles a escala industrial es posible sintonizar contro-definidos El signo de la Ec. 1, está en función de la zona en la que es definidos en el experimento. especificado. controlador de un lazo de control implementado ladores que además dede permitir estabilizar la crítica estabilización el tolera El signola de la Ec. 1, estádelenproceso. función Si la proceso zona en no la que es Factores Bajo Medio Alto operar por encima del setdel point, se utilizara el signo no negativo, crítica la estabilización proceso. Si el proceso tolera Kp 0,5 1,5 2,5 Factores Bajo Medio Alto ya que por de encima esta manera función describirá áreanegativo, bajo la operar del setlapoint, se utilizara signo Revista el el 5 10 15 τp K 0,5 1,5 2,5 p • ISSN • pp 21-28 • julio - diciembre de 2013 to/τ7 0,1 0,3 0,5 curva pordescribirá encima del set point, el 2145 - 0935 • Vol. 4 • No. ya quedel deerror esta contra maneraellatiempo función el área bajo la UAN 5 10 15 τp p Cuadro I t o/τp cual esdel el caso la Fig. Si el signo es positivo, se point, presenta 0,1 0,3 0,5 curva errorde contra el 1. tiempo por encima del set el TABLA DE FACTORES Y NIVELES UTILIZADOS EN EL EXPERIMENTO Cuadro I la situación contraria, ya 1. que bajo cual es el caso de la Fig. Si la el función signo esdescribe positivo,elseárea presenta TABLA DE FACTORES Y NIVELES UTILIZADOS EN EL EXPERIMENTO

un incremento significativo la constantePID: de ganancia tiempo con parametros de sintonizacion de unencontrolador respecto al utilizado en el trabajo de referencia. En total se Kc , constante integral y derivativo τi , τd del controlador ejecutaron 27 corridas completamente aleatorizadas, las cuales respectivamente. Las corridas llevadas a cabo tienen como fueron realizadas a traves de simulaciones computacionales en objetivo la obtención de dichos parametros obedeciendo a la Simulink/Matlab® de un lazo de control por retroalimetacion optimización de la función costos • Desarrollo de ecuaciones de sintonía tipodePID • FAD que permita obtener depara un controladores proceso FOPDT. la minima desviación por encima set point.corresponden Lo anterior se Las variables de respuestas deldel experimento a los puedeparametros expresar como: de sintonizacion de un controlador PID: ganancia

Los efe (Kc , ) s el tiemp τp , to/τp se tiene (to/τp ) ,

en la bibliograf ía. A continuación, se hace una descripción detallada de cada uno de los pasos realizados en el presente trabajo de investigación.

Kc , constante integral y derivativo τi , τd del controlador ∞ ( e (t) − e (t)) tienen como respectivamente. Las corridas llevadas a cabo dt J (Kc , τi , τd ) = F AD = 2 obedeciendo a la objetivo la obtención de dichos parametros 0 optimización de la función de costos FAD que permita obtener La Tabla 2 muestra los resultados obtenidos el experimento. la minima desviación por encima del setenpoint. Lo anterior se Figura 2. La Tabla 2 muestra los resultados obtenidos en del En las tres primeras columnas se observa los parametros puede expresar como: el experimento. En las tres primeras columnas proceso utilizados para la obtencion de los parametros del 5. Diseño de experimento ∞ ( e (t) − e (t)) controlador optimizado. En la última columna, se observa se observa del proceso utiliza-dt los J (Kclos , τi ,parametros τd ) = F AD = 2FAD, donde resultados de la función de desempeño dos para la obtencion de los0 integral parametros del se Para la obtención de las ecuaciones de sintonizaverifica el buen comportamiento de la función de optimización, controlador optimizado. En la última columna, cion, se diseño un experimento factorial 33 [2], La Tabla 2 muestra los resultados obtenidos en el experimento. Figura 2. manejando bajas oscilaciones para un control regulatorio. se observa los resultados de la función de descompuesto por tres factores, y tres niveles cada En las tres primeras columnas se observa los parametros del empeño integral FAD, donde se verifica buen uno (alto, medio, y bajo). Los factores a estuproceso utilizados para la obtencion de loselparametros del to/τp Kp τp Kc τi τd F AD comportamiento de la función de optimización, optimizado. En la última columna, se observa los diar son: a) ganancia del proceso Kp , b) tiempo 0,5 controlador 10 0,3 5,9547 3,8866 1,6345 7,6 resultados la 3,9728 función de desempeño FAD, donde se oscilaciones paraintegral un 5,1 control 10 0,1de bajas 1,8117 1,6492 muerto del proceso to, c) constante de tiempo 1,5 manejando 1,5 regulatorio. 5 3,9628 0,9525 de0,6528 verifica el0,1buen comportamiento la función 6,3 de optimización, del proceso τp; la tabla uno muestra de manera 0,5 15 0,5 bajas3,0794 8,3262para2,6495 manejando oscilaciones un control31,9 regulatorio.

resumida los factores y niveles definidos en el experimento. Factores

Bajo

Medio

Alto

0.5

1.5

2.5

To/Tp

0.1

0.3

0.5

Cuadro 1. Tabla de factores y niveles utilizados en el experimento

1,5 2,5 0,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 1,5 0,5 2,5 0,5 1,5 1,5 0,5 2,5 0,5 1,5 0,5 1,5 1,5 0,5

5 15 K5p 15 0,5 5 1,5 5 1,5 10 0,5 10 1,5 10 2,5 0,5 15 2,5 10 2,5 5 2,5 15 2,5 15 2,5 10 2,5 5 1,5 15 0,5 5 2,5 15 0,5 10 1,5 10 1,5 5 0,5 15 2,5 0,5 1,5 0,5 1,5 1,5 0,5

0,3 1,9451 1,9493 0,9422 11,7 0,3 1,7214 5,8279 2,2252 39,6 4,2351 5,5F AD to/τ τ0,3 Kc 1,9493 τi 0,9642 τd p p 100,5 0,31,1713 5,95479,1264 3,88663,1145 1,6345 95,0 7,6 100,1 0,11,7392 3,97280,9924 1,81170,8734 1,6492 7,1 5,1 50,5 0,10,9916 3,96282,7861 0,95250,8806 0,6528 35,9 6,3 150,1 0,51,9478 3,07941,8729 8,32621,2819 2,6495 11,931,9 50,5 0,30,9875 1,94516,2134 1,94931,7634 0,9422 69,511,7 150,3 0,30,6163 1,72143,5866 5,82791,6712 2,2252 74,739,6 50,5 0,31,6845 4,23518,8349 1,94932,6298 0,9642 62,3 5,5 150,5 0,53,3518 1,17135,5521 9,12641,7561 3,1145 19,995,0 50,3 0,11,3247 1,73921,9533 0,99240,7582 0,8734 17,0 7,1 50,1 0,59,6731 0,99162,7056 2,78611,9271 0,8806 3,5 35,9 100,1 0,13,5452 1,94782,8351 1,87291,9079 1,2819 9,7 11,9 100,5 0,51,7982 0,98755,8713 6,21341,7989 1,7634 39,969,5 100,5 0,34,5173 0,61632,7861 3,58660,6749 1,6712 8,8 74,7 150,1 0,52,7457 1,68452,7056 8,83491,9079 2,6298 11,962,3 100,1 0,59,9745 3,35180,9139 5,55210,6410 1,7561 1,1 19,9 50,3 0,31,4218 1,32475,8239 1,9533 2,3784 0,7582 49,817,0 15 0,1 9,6731 2,7056 1,9271 3,5 0,1 9,7814 1,8341 1,2769 2,3 15 0,1 3,5452 2,8351 1,9079 9,7 0,3 1,9512 3,8620 1,5710 23,4 10 0,5 1,7982 5,8713 1,7989 39,9 50,5 0,51,98324,51732,7861 2,78610,9261 0,6749 20,2 8,8 150,3 0,13,8713 2,74575,8578 2,7056 2,3845 1,9079 18,311,9 Cuadro 0,9139 II 5 0,1 9,9745 0,6410 1,1 ESULTADOS DEL EXPERIMENTO 15 R0,3 1,4218 5,8239 2,3784 49,8 10 0,1 9,7814 1,8341 1,2769 2,3 10 0,3 1,9512 3,8620 1,5710 23,4 5 0,5 1,9832 2,7861 0,9261 20,2 15 0,3 3,8713 5,8578 2,3845 18,3 A NÁLISIS DE RESULTADOS Cuadro YII OBTENCIÓN DE LAS Cuadro II.RResultados del EXPERIMENTO experimento ESULTADOS DEL ECUACIONES DE SINTONIZACIÓN

Los niveles de los factores, fueron seleccionados tomando como referencia los utilizados por trabajos previos[3], habiendo un incremento significativo en la constante de tiempo con respecto al utilizado en el trabajo de referencia. En total se ejecutaron 27 corridas completamente aleatorizadas, las cuales fueron realizadas a traves de simulaciones computacionales en Simulink/ VI. Matlab® de un lazo de control por retroalimetacion de un proceso FOPDT. Partiendo de los resultados del experimento, se procedió a

realizar un análisis de varianza con un intervalo de confianza 6.VI. Análisis de DE resultados y obtención A NÁLISIS RESULTADOS Y OBTENCIÓN DE LAS

Las variables de respuestas del experimento corresponden a los parametros de sintonizacion de un controlador PID: ganancia Kc , constante integral y derivativo τi , τd del controlador respectivamente. Las corridas llevadas a cabo tienen como objetivo la obtención de dichos parametros obedeciendo a la optimización de la función de costos FAD que permita obtener la minima desviación por encima del set point. Lo anterior se puede expresar como:

Universidad Antonio Nariño - Revista Facultad de Ingenierías

ECUACIONES de DE SINTONIZACIÓN de las ecuaciones sintonización

Partiendo de los resultados del experimento, se procedió a

realizar un de análisis de varianza del conexperimento, un intervalo deseconfianza Partiendo los resultados procedió a realizar un análisis de varianza con un intervalo de confianza del 95 %, con el fin de determinar el nivel de significancia de los factores estudiados y sus interacciones de segundo orden. Los efectos mas significativos para la ganancia del controlador

Figura 3.

Figura 4.

Las Fig les de cad en Figura la Fig. 4. ganancia to/τp . De Las F relacion e les de c controlad en la F to/τp . Seg gananci de tola /τ rela .D p

relacion controla to/τp . S de la r

• Jorge Duarte Forero, German Amador Diaz •

(Kc) son: Kp, to/τp, Kp, Kp, Kp * (to/τp ), to/τp * to/τp. Parael tiempo derivativo (τd) , los efectos mas significativos son: τp, to/τp, τp * (to/τp). Finalmente, para el tiempo integral (τi) , se tiene que los efectos mas significativos son: τp, to/τp , Kp * (to/ τp), τp * (to/τp). Figura 2. Efectos prinicipales de Kc

entre el tiempo derivativo e integral del controlador y la constante de tiempo del proceso y la relación to/τp. Segun lo anterior, se observa una marcada influencia de la relacion to/τp , sobre los parametros de sintonia del controlador, lo cual concuerda con las conclusiones obtenidas por otros trabajos y que han sido reportados en la literatura tecnica[5].

INGE@UAN

Figura 3. Efectos prinicipales de τd

Teniendo en cuenta en primera instancia los efectos significativos obtenidos, y un análisis controlador, lo cual concuerda con las dimensional adecuado, se conclusiones propone unobtenidas modelo por otros obtenido trabajos ya que han sido reportados en la literatura través de una regresión no lineal que tecnica[5]. en primera instancia es significativa, sus coefiTeniendo en cuenta en primera instancia los efectos signicientes son significativos, los residuos presentan ficativos obtenidos, y un análisis dimensional adecuado, se un modelo comportamiento cumple con los propone un obtenido aaleatorio través deyuna regresión no Normalidad, Homocedasticidad, lineal quesupuestos en primera de instancia es significativa, sus coeficientese independencia. Dicha regresión permitió obteson significativos, los residuos presentan un comportamiento las constantes del modelo que permitan desaleatorio yner cumple con los supuestos de Normalidad, Homocedasticidad, e independencia. Dicha regresión obtener cribir la relación existente entre permitió los parámetros las constantes del modelo permitan de describir la del relación del proceso y los que parámetros sintonía conexistente trolador. entre los parámetros del proceso y los parámetros de Las ecuaciones de sintonía propuesta sintonía del controlador. Las ecuaciones de sintonía propuesta en el presente trabajo para calcular la ganancia, en el presente trabajo para calcular la ganancia, tiempo integral tiempo integral y derivativo del controlador son: y derivativo del controlador son: −0,53 1, 5088 to %CO Kc = Kp τp %T O 0,6966 to τi = 0, 9164τp τp

Figura 4. Efectos prinicipales de τi

τd = 0, 1535τp + 0, 0521

respuesta del proceso a oscilatoria y autoregul Fig. 6, muestra compa real y la modelada co similitud en ambas res

(2) (3) (4)

Las ecuaciones 2, 3 y 4 fueron obtenidas con un R2 ajustada Las ecuaciones 2, 3 y 4 fueron obtenidas conson un de 0,68, 0,99 y 0,85 respectivamente. Dichas ecuaciones R2 ajustada de 0,68, 0,99 y 0,85 respectivamente. validas para una relación tiempo muerto-constante de tiempo to/τvalidas Las una ecuaciones 3 del proceso que este en 0, 1 ≤son p ≤ 0, 5.para Dichas ecuaciones relación y 4 estantiempo en unidades de tiempo. muerto-constante de tiempo del proceso

Figura 5.

Proceso mezclad

que este en 0, 1 ≤ to/τp ≤ 0, 5. Las ecuaciones 3 y

VII. VALIDACIÓN DEde LAS ECUACIONES DE 4 estan en unidades tiempo.

Revista

UAN • ISSN 2145 - 0935 • Vol. 4 • No. 7 • pp 21-28 • julio - diciembre de 2013 VII-A. Sintonizacion de un controlador PID de un lazo de control de temperatura en un tanque mezclador 2

C(t) %TO

SINTONIZACION OBTENIDAS

Para verificar la utilidad de las ecuaciones de sintonización obtenidas, se sintonizaran controladores de undelazo de 7. Validación de las ecuaciones control por retroalimentación de un proceso sintonizacion obtenidas descrito en la bibliografía[5]. El primer caso se hará con un proceso de Las Fig. 2, 3 y 4 muestran graficamente los mezclado donde se calienta la mezcla a través de un serpentín efectos principales de cada uno de los factores Paravapor verificar la En utilidad de las ecuaciones de que conduce de agua. el segundo caso, se sintonizara estudiados. Tal como se muestra en la Fig. un 2, se sintonización obtenidas, se sintonizaran controcontrolador de un lazo de control de temperatura en un puede ver la fuerte relacion existente entre la ladores un Ambos lazo demodelos, control tiene por retroalimentaintercambiador de de calor. como principal ganancia del controlador, la ganancia del característica prociónser de un descrito en la bibliograf ía[5]. de proceso orden superior, pero cuya respuesta en ceso y la relación to/τp . De igual manera, enlazo las abierto ante una en proceso alguna variable de El primer casoperturbación se hará con un de mezclaentrada esdo autoregulada y sin oscilaciones, que hace posible Fig.[3,4], se muestra la fuerte relacion existente donde se calienta la mezcla alotravés de un seraproximar la dinámica del proceso a través de una función de transferencia de un proceso FOPDT.

Figura25 6. Comparativo ent su aproximacion en un mod

En este proceso en

• Desarrollo de ecuaciones de sintonía para controladores tipo PID •

pentín que conduce vapor de agua. En el segundo caso, se sintonizara un controlador de un lazo de control de temperatura en un intercambiador de calor. Ambos modelos, tiene como principal característica ser de orden superior, pero cuya respuesta en lazo abierto ante una perturbación en alguna variable de entrada es autoregulada y sin oscilaciones, lo que hace posible aproximar la dinámica del proceso a través de una función de transferencia de un proceso FOPDT.

Figura 6. Comparativo entre la respuesta en lazo abierto del proceso real y su aproximacion en un modelo FOPDT

7-A. Sintonizacion de un controlador PID de un lazo de control de temperatura en un tanque mezclador2 En este ejemplo, se tomara como modelo de referencia el proceso industrial de intercambio de calor en un tanque mezclador como el que se muestra en la Fig. 5. El lazo de control del proceso, está compuesto por un controlador tipo PID, un sensor/transmisor de temperatura y una válvula de control para manejar el flujo de vapor de agua en el serpentín. El proceso, puede ser modelado como un proceso FOPDT, debido a que la respuesta del proceso ante una perturbación tipo escalón es no oscilatoria y autoregulada (con una respuesta sigmoidal). La Fig. 6, muestra comparativamente, la respuesta del proceso real y la modelada como un proceso FOPDT, mostrando la similitud en ambas respuestas.

Figura 7. Comparativo de la respuesta de un lazo de control a diferentes sintonias con Kp = 1, 95 τp = 8, 45, to = 1, 43

Figura 5. Proceso mezclado con intercambio de calor

Ejemplo 6-1.1, página 200 del libro “Principles and Practice of Automatic Process Control”, Carlos A Smith y Armando Corripio. Tercera edicion.

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En este proceso en particular, es necesario minimizar la desviación de la temperatura por encima del Set Point, como restricción para la aplicación de las ecuaciones de sintonía desarrolladas. A través de la caracterización en lazo abierto, se determino la ganancia, la constante de tiempo y tiempo muerto del proceso, esto es: Kp = 1, 95 τp = 8, 45, to = 1, 43. Esto indica en primera instancia que los parámetros del proceso están

150 150

149

40 Tiempo (min)

149,75 Amador Diaz • • Jorge Duarte Forero, German 80 0 20

Tiempo (min)

En dichas figuras, se observa una buena respuesta dentro del rango de aplicabilidad de las ecuacioFigura 7. Comparativo de la respuesta de un lazo de control a diferentes Figuradel 8. lazo Comparativo de la respuesta de un lazo de control diferentes de control sintonizado a través dea las desarrolladas en el presente = 1,de 95 τsintonización = 8, 45, t = 1, 43 sintonias conKp nes p o con Kp = 0, 5 τp = 10, to = 3 ecuaciones de sintonía FAD. El proceso, logra trabajo, ya que to/τp = 0, 17 y adicionalmente lasintonias estabilizar rápidamente y por debajo del set dinámica del proceso point, el cual es uno los principales objetivos VII-B. Sintonizacion de undecontrolador tipo PID de un lazo se puede modelar como: se puede modelar como: del proceso de optimización. Al comparar de control de temperatura de un intercambiador de con calor 3 la sintonía IAE y QDR, se puede apreciar que la Debido a que las ecuaciones de sintonización deducidas en 1, 95e−1,43s sintonía FAD presenta menos oscilaciones que (5) el presente trabajo de investigación, fueron desarrolladas a G (s) = 8, 45s + 1 dentro del rango de aplicación deeldichas partirestas de perturbaciones, es importante verificar, desempeño ecuaciones. de dichas ecuaciones ante cambios de set point. Para ello, lo que corresponde una aproximacion un proceso realdea unse utilizara un proceso de intercambio de calor que ha sido lo queacorresponde a unadeaproximacion Cabe destacar, que debido a la posibilidad de planteado en la literatura[5]. Igual que el ejemplo anterior, un proceso deproceso FOPDTreal . a un proceso de FOPDT . modelar un proceso complejo como uno de Para evaluar el desempeño del controlador PID para el con- el proceso se puede modelar como un modelo FOPDT, cuya primero orden más tiempo muerto, es posible Para evaluar el desempeño del controlador trol de la temperatura del tanque de mezclado, se introdujoPIDdinámica se representa por la función de transferencia que se considerar los tratamientos presentados en la para en el control temperatura del tanque una perturbación el flujo de de la alimentación a través de la demuestra en la ecuación 6:

Tabla 2, como parámetros de diferentes prose introdujo en el reducción delmezclado, flujo de alimentación en una un 33perturbación % con respecto 0, 80e−11,2s cesos. Bajo este contexto, si se considera un (6) flujoAldedisminuir alimentación través de la reducción al estado estable. el flujoa de alimentación, es de G (s) = 33, 8s +1 proceso diferente, esto es, considerando como esperarse quedel la temperatura en el tanque se incremente, por flujo de alimentación en un 33 % con resparámetros del proceso K = 0, 5 τ = 10, to = 3, El controlador del lazo de control, fue sintonizado utilizando lo que el sistema de control debe actuar para compensar dicha pecto al estado estable. Al disminuir el flujo de p p el lazo de control muestra una respuesta similar las ecuaciones de sintonía desarrolladas, y cuyo desempeño perturabacion.alimentación, Las Fig. 7 y es 8, de muestran comparativamente la esperarse que la temperatura es comparado concomo la deseotras ecuaciones respuesta del en lazo de control sintonizado con ecuaciones al anterior ejemplo, tal aprecia en la de el tanque se incremente, porlas o que el sistemanuevamente sintonía empleadas a nivel industrial. La Fig. 9 muestra, que la desarrolladas de en elcontrol presentedebe trabajo y las ecuaciones reportadas Fig. 9. actuar para compensar dicha respuesta del lazo de control sintonizada con las ecuaciones de en la literatura. perturabacion. Las Fig. 7 y 8, muestran comEn dichas figuras, se observa la unarespuesta buena respuesta delde lazocontrol de sintonía desarrolladas es buena, mostrando un comportamiento parativamente del lazo control sintonizado a través de las ecuaciones de sintonía FAD. típico de un proceso de orden superior, con un overshoot del sintonizado con las ecuaciones desarrolladas en Figura 9. Comparativo respuesta de uneslazo cual es muy cercano de al la deseado el cual de 70,7 % El proceso, logra estabilizar rápidamente y por debajo del set 63 %, el de = 0, 80 control a diferentes sintonias con K el presente trabajo y las ecuaciones reportadassegún reporta la literatura. p point, el cual es uno de los principales objetivos del proceso de τp = 13, 8, to = 11, 2 ante un cambio de set point literatura. optimización.en Alla comparar con la sintonía IAE y QDR, se puepara el proceso de intercambio de calor. de apreciar que la sintonía FAD presenta menos oscilaciones VIII. C ONCLUSIONES que estas dentro del rango de aplicación de dichas ecuaciones. (i) Existe una estrecha relacion entre la razon to/τp , la gaCabe destacar, queFigura debido8. Comparativo a la posibilidad modelardeun de lade respuesta nancia y tiempo integral de controlador, segun los resultados proceso complejoun como unocontrol de primero ordensintonias más tiempo lazo de a diferentes con obtenidos en el diseño de experimento. muerto, es posible considerarKplos presentados en = 0,tratamientos 5 τp = 10, to = 3 (ii) La función de desempeño FAD, es util para la deduccion la Tabla 2, como parámetros de diferentes procesos. Bajo de ecuaciones de sintonias para controladores tipo PID, diseeste contexto, si se considera un proceso diferente, esto es, ñadas para disminuir las oscilaciones del lazo de control por considerando como parámetros del procesoKp = 0, 5 τp = 10, to = 3, el lazo de control muestra una respuesta similar al 3 Ejemplo 7-2.1, pagina 240 del libro “Principles and Practice of Automatic anterior ejemplo, tal como se aprecia en la Fig. 9. Process Control”, Carlos A Smith y Armando Corripio. Tercera edicion.

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150 • Desarrollo de ecuaciones de sintonía para controladores tipo PID •

149,75 0

diferentes

(5)

o real a

el controdujo s de la especto n, es de nte, por ar dicha mente la aciones ortadas

lazo de ía FAD. del set ceso de se pueaciones aciones. elar un tiempo ados en s. Bajo esto es, p = 10, milar al

Tiempo (min) VII-B. Sintonizacion de un controlador tipo PID de un lazo de control de temperatura Figura 8. Comparativo de la respuesta de un lazo de control a diferentes = 0,un 5 τpintercambiador = 10, to = 3 sintonias con Kp de de calor3 Debido a que las ecuaciones de sintonización deducidasde enunel controlador presente trabajo de de investigación, VII-B. Sintonizacion tipo PID un lazo de control de temperatura de un intercambiador de calor 3 fueron desarrolladas a partir de perturbaciones, es las importante el desempeño de en dichas Debido a que ecuacionesverificar, de sintonización deducidas ecuaciones ante cambios de set point. Paraa ello, el presente trabajo de investigación, fueron desarrolladas se utilizara procesoverificar, de intercambio de calor partir de perturbaciones, es un importante el desempeño de dichas ecuaciones ante cambios de set point. Para ello, que ha sido planteado en la literatura[5]. Igual se utilizara unque proceso de intercambio deproceso calor que sido moel ejemplo anterior, el se ha puede planteado en la literatura[5]. Igual que el ejemplo anterior, delar como un modelo FOPDT, cuya dinámica se el proceso se puede modelar un modelo FOPDT, cuya representa porcomo la función de transferencia que se dinámica se representa por la función de transferencia que se muestra en la ecuación 6: muestra en la ecuación 6:

G (s) =

0, 80e−11,2s 33, 8s + 1

(6)

El controlador del lazo de control, fue sintonizado utilizando del lazo de ycontrol, fue sintonizalas ecuacionesEldecontrolador sintonía desarrolladas, cuyo desempeño utilizando con las ecuaciones sintonía desarronuevamente esdocomparado la de otrasdeecuaciones de lladas, y cuyo desempeño es lacomsintonía empleadas a nivel industrial. La Fig.nuevamente 9 muestra, que respuesta del lazo de control las ecuaciones de parado con lasintonizada de otras con ecuaciones de sintonía sintonía desarrolladas es buena, mostrando un comportamiento empleadas a nivel industrial. La Fig. 9 muestra, típico de un proceso orden superior, overshoot del que la de respuesta del lazocon de un control sintonizada 63 %, el cual es muy cercano al deseado el cual es de 70,7 % es con las ecuaciones de sintonía desarrolladas según reporta la literatura. buena, mostrando un comportamiento típico de

un proceso de orden superior, con un overshoot VIII. del 63 %, elC ONCLUSIONES cual es muy cercano al deseado el to/literatura. es derelacion 70,7 % según reporta (i) Existe una cual estrecha entre la razon la τp , la ga-

nancia y tiempo integral de controlador, segun los resultados obtenidos en el diseño de experimento. (ii) La función8.deConclusiones desempeño FAD, es util para la deduccion de ecuaciones de sintonias para controladores tipo PID, diseñadas para disminuir lasuna oscilaciones lazo de control por to/ (i) Existe estrecha del relacion entre la razon 3 Ejemplo

τp, la ganancia y tiempo integral de controlador, de experimento.

7-2.1, pagina 240 del libro “Principles and Practice of Automatic resultados en edicion. el diseño Process Control”, segun Carlos Alos Smith y Armando obtenidos Corripio. Tercera

(ii) La función de desempeño FAD, es util para la deduccion de ecuaciones de sintonias para controladores tipo PID, diseñadas para disminuir las oscilaciones del lazo de control por encima o por debajo del set point segun se requiera en un proceso en particular. 3

Ejemplo 7-2.1, página 240 del libro “Principles and Practice of Automatic Process Control”, Carlos A Smith y Armando Corripio. Tercera edicion.

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(iii) Las ecuaciones de sintonia de controladores tipo PID diseñadas basadas con el criterio de optimización FAD, mostraron un mejor desempeño que otras ecuaciones de sintonía para el rango 0, 1 ≤ to/τp ≤ 0, 5 debido a que no se presento fuertes oscilaciones y el tiempo de estabilizacion del proceso es aproximadamente igual al del resto de las respuestas sintonizadas estudiadas. (iv) Aun cuando las ecuaciones de sintonia se desarrollaron utilizando perturbaciones como entradas, estas reponden bien ante cambio de set point en el lazo de control.

Referencias [1] AJ Castro-Montoya, M. Serna-Gonzalez, and LI Salcedo-Estrada. Sintonia de controladores pi para procesos con tiempos muertos pequenos. INGENIERIA QUIMICAMADRID-, 35(398):127–133, 2003. [2] C Montgomery Douglas. Diseño y Analisis de Experimentos. 5th edition, 2001. [3] A.A. Gutierrez Vivius and M. Sanjuan. Ecuaciones de sintonizacion para controladores difusos basadas en modelos de primer orden mas tiempo muerto. Revista Cientifica Ingenieria y Desarrollo, 19(19):74–87, 2006. [4] Murril P.W. y Smith C.L. López, A.M. Controller tuning relationships based on integral performance criteria. Instrumentation Technology, Vol. 14(Nˇr11):p. 57, 1967. [5] C.A. Smith and A.B. Corripio. Principles and practice of automatic process control, volume 111. John Wiley & Sons ˆ eN. Y N. Y, 1997. [6] N.B. Ziegler, J.G. y Nichols. Optimum settings for automatic controllers. Transactions ASME, Vol. 64:p. 759, 1942.

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Control y Automatización

Clasificación automática de patrones de vibraciones mecánicas en maquinaria rotativa afectada por desbalanceo Automatic Classification of mechanical vibration patterns in rotating machinery affected by unbalance Camilo Leonardo Sandoval*, Andres Alejandro Barros** y Sergio Herreño***

Abstract In this paper, we present an algorithm for automatic classification of vibration patterns on rotating machinery affected by unbalance from spectral analysis. We developed this algorithm using case-based reasoning and various descriptors. The raised descriptors were: The root mean square value (RMS), the energy of Fourier spectra, the Higher Order frequency moments and the maximum value of the Fourier spectra. The job was to induce imbalance to a universal motor, taking the vibration signal in time domain by 3300 XL 8mm Proximity sensors and through a data acquisition card NI USB 6008, bringing data to the computer where we implemented a virtual instrument for capturing data and its subsequent transformation to obtain frequency spectrum. Consequently, we developed the algorithm in Matlab to automatically identify the imbalance present in the machine, using the technique of case-based reasoning, based on the calculation of the descriptors and the application of these within the algorithm implemented using the Euclidean distance as part of the decision mechanism among patterns without unbalancing vibration. The results show the RMS as the best performing descriptor for classification showed. keywords: Vibrational analysis, pattern recognition, failure descriptors on rotating machine , Fourier spectrum.

Resumen En este trabajo, se desarrolla un algoritmo de clasificación automática de los patrones de vibración en maquinaria rotativa afectada por desbalanceo a partir del análisis espectral. En este sentido, se propuso un algoritmo experto usando Fecha Recibido: 2013-08-18 Fecha Aprobado: 2013-10-08 * Msc. Ingeniería Electrónica Docente Facultad de Ing. Electromecánica Universidad Antonio Nariño-Bucaramanga, camisandoval@uan.edu.co ** Egresado UAN Bucaramanga Ing. Electromecanica, anbarros11@hotmail.com *** Egresado UAN Bucaramanga Ing. Electromecanica, sergioh.a@htomail.com

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• Clasificación automática de patrones de vibraciones mecánicas en maquinaria rotativa afectada por desbalanceo •

razonamiento basado en casos y el planteamiento de diversos descriptores de la falla desde el punto de vista de la información obtenida de la transformada rápida de Fourier (fft), aplicada a los registros temporales. Los descriptores planteados fueron: El valor medio cuadrático (RMS), la energía, el valor máximo y los momentos de frecuencia de alto orden (HOFM). El trabajo entonces consistió en inducir un desbalanceo a un motor universal, tomar la señal de vibración en el dominio del tiempo mediante sensores proximitor 3300 XL 8mm y mediante una tarjeta de adquisición de datos USB 6008 de National Instruments, llevar los datos al computador en donde se implementó un Instrumento virtual para la captura la información y su posterior transformación para la obtención del espectro de frecuencias. Posteriormente, se desarrolló un algoritmo en Matlab para identificar de manera automática el desbalanceo presente en la maquina, mediante la técnica de razonamiento basado en casos, a partir del cálculo de los descriptores y la aplicación de estos dentro del algoritmo implementado usando la distancia euclidiana como parte del mecanismo de decisión entre patrones de vibración con y sin desbalanceo. Los resultados obtenidos revelan al RMS como el descriptor que mejor desempeño mostró para la clasificación. Palabras clave: Análisis vibracional, Reconocimiento de patrones, descriptores de falla en maquina rotativa, espectro de Fourier.

Introducción El análisis de vibraciones mecánicas como mecanismo de diagnóstico en el contexto del mantenimiento predictivo en maquinaria rotativa, ha tenido un gran auge en las últimas décadas y en las diferentes industrias[1]. Como es sabido, esta técnica de análisis vibracional permite diagnosticar distintos modos de falla entre los cuales se encuentra el desbalanceo [2]. Es importante aclarar que el desbalanceo se caracteriza por presentar un aumento en la componente fundamental del espectro, mostrando de esta manera una característica (aumento en la componente fundamental) que permite la discriminación de los patrones asociados al desbalanceo, con respecto a otras anomalías en el funcionamiento de una maquina rotativa [3],[4], como pueden ser el desalineamiento, soltura de partes y claramente el funcionamiento normal de la maquina. En el presente trabajo se ha dispuesto la realización de un algoritmo que se orienta a clasificar de manera automática los patrones de vibraciones mecánicas asociadas al desbalanceo, siendo capaz de decidir si la maquina en estudio

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presenta o no esta anomalía. Para esto se tomo el modulo de análisis vibracional implementado por [1], el cual se describe en la siguiente sección. Así mismo, se uso reconocimiento de patrones el cual se basa según [5]-[7] en extraer ciertos descriptores (características de cada clase) y llevarlos a un mecanismo que decide la pertenencia de cada patrón a cada clase. En este sentido, el presente artículo reporta los descriptores utilizados para la clasificación, así como la implementación del clasificador usando razonamiento basado en casos e igualmente la evaluación del desempeño del clasificador para esta aplicación.

Materiales El presente trabajo se realizó a partir de inducir un desbalanceo al equipo de laboratorio implementado y validado por [1]. Dicho equipo consta de un motor universal, unos discos en donde se le colocan pequeñas masas para inducir el desbalanceo, un sensor proximitor 3300 XL 8mm, una tarjeta de adquisición de datos 6008 de National Instruments, un computador

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portátil donde se encuentra el instrumento virtual (VI) que permite la adquisición de datos y el cálculo del espectro de frecuencias. Con este equipamiento se realizaron las mediciones de las señales en el dominio del tiempo que fueron posteriormente llevadas a la frecuencia para extraer los descriptores e implementar el clasificador. A continuación se señalan los distintos componentes del equipo de laboratorio utilizado en este trabajo. A. El motor El motor empleado es un motor universal marca Daytona, AC/DC, modelo: 2M145 con alimentación 115 [Vrms] , un amperaje de 6,3 [A] y velocidad: hasta 10000 rpm. En la Fig. 1. puede verse el motor perteneciente al modulo en el que se realizaron las pruebas. Fig. 1. Motor Universal perteneciente al banco. [1]

Fig. 2. Geometría de la rueda [1].

c. Sensor y trata de adquisición de datos Para la adquisición de datos se seleccionó la tarjeta NI6008 de NationalInstrument, la cual proporciona 8 entradas analógicas (IA), dos salidas analógicas (OA); 12 canales de entrada / Salida digitales (IOD) y un contador de 32 bits con una interfaz de alta velocidad USB . En la Fig.3. se muestran cada una de sus partes: 1. Entradas analógicas (IA) 2. Borneras de conexión 3. Marquillas para borneras 4. Cable de conexión USB. Fig. 3. Tarjeta de Adquisición de datos NI USB 6008. [1]

Las ruedas Las ruedas fueron diseñadas por [1] con el fin de aplicarle pequeñas masas que permitan inducir un desbalanceo en el eje del motor. Con el fin de tener una distancia uniforme se maquinaron 24 agujeros con una separación de 15° entre ellas. En la Fig.2. puede verse el plano de los discos y sus dimensiones.

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Adicionalmente, los sensores usados corresponden a sensores proximitor 3300 XL 8 mm de la marca Bently Nevada. Este proporciona una tensión de salida que es directamente proporcional a la distancia de la punta de sonda y la superficie observada. Esta sonda puede medir la posición estática del eje y los valores dinámicos. En la Fig.4. se ve un esquema de los sensores usados.

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• Clasificación automática de patrones de vibraciones mecánicas en maquinaria rotativa afectada por desbalanceo •

Fig. 4. Sensores utilizados. [1]

d. El instrumento Virtual para la Adquisición El modulo de vibraciones tiene una interfaz grafica que permite la visualización de los espectros de frecuencia. Esta interfaz se muestra en la Fig.5. Es importante destacar que para el desarrollo de la interfaz en [1] se implementó un diagrama de bloques que permitiera la adquisición y procesamiento de la señal. Para la adquisición se configuró un DAQ asistent, para una entrada de voltaje proveniente de los sensores. Así mismo se implementó la fft (transformada rápida de Fourier) para el análisis y cálculo de la frecuencia fundamental y la amplitud de los armónicos. En la Fig. 6 puede verse el diagrama de bloques implementado por [1].

3. Métodos La metodología se basó en inducir un desbalanceo en el eje, seguidamente la medición de las vibraciones a través de la interfaz, el cálculo de algunos descriptores de la falla y la implementación de un algoritmo para clasificación de patrones de vibración mecánica en maquinaria rotativa afectada por desbalanceo. En este sentido, para discriminar entre las dos clases (maquina con desbalanceo y maquina sin desbalanceo), se implementó un clasificador usando razonamiento basado en casos, utilizando los descriptores propuestos para alimentar dicho clasificador. A continuación se definen

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Fig. 5. Interfaz grafica del modulo [1].

Fig. 6. Diagrama de bloques para la adquisición y procesamiento de las vibraciones [1].

cada una de las fases metodológicas llevadas a cabo en el presente trabajo, en relación a la toma de datos, cálculo de los descriptores y algoritmo de clasificación.

a. Toma de datos Se define la toma de datos de manera exploratoria, teniendo en cuenta diferentes variantes como la posición de los sensores en el eje (lado acople o lado cojinete) además, teniendo en cuenta la carga, se realiza la toma de los mismos sin carga, con una sola carga en cada una de las posiciones de las ruedas que posee el eje (lado acople y lado cojinete), con una carga en cada una de las ruedas, y por último con dos cargas en cada una de las ruedas. Para cada una de

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las variantes se tomaron registros a diferentes velocidades, a partir de las 600RMP y subiendo la velocidad 600RMP en cada prueba hasta llegar a los 3000RMP, ya que a mayor velocidad la vibración del sistema no permitió tomar los datos. Es decir, para cada variante descrita anteriormente se tomaron 5 registros, lo cual arroja un total de 50 registros.

Fig. 7. Algoritmo implementado.

b. Calculo de los descriptores Para el cálculo de los descriptores se realizó en primera instancia la fft a los datos obtenidos por el modulo. Adicionalmente, se calcularon los valores RMS del espectro así como la energía y valor pico del mismo. De igual forma se calcularon los momentos de frecuencia de alto orden (HOFM’s) [8],[9]. En las ecuaciones 1- 4 se definen respectivamente dichos descriptores. Norm(p(f ) RMS= - (1) √n Donde p(f ) es el espectro de vibración y n son las distintas componentes frecuenciales del espectro. Así mismo, Norm(p(f )) indica la norma del vector p(f ), lo cual corresponde a la distancia euclidiana del vector. Energía=∫p(f)2 df pico=max p(f)

(2) (3)

HOFMS=∑fi * p(f )i

(4)

Es importante destacar que al observar la Fig.7., se ve que el paso final de la clasificación es la aplicación de un mecanismo de inferencia. Dicho mecanismo de inferencia se explica en la Fig.8. Cabe resaltar que dicho mecanismo de inferencia se propuso en [13], aunque para otra aplicación. No obstante, se implemento en el actual trabajo. Fig. 8: Mecanismo de Inferencia utilizado. [13].

c. Algoritmo de clasificación El algoritmo de clasificación se realizo usando la técnica de razonamiento basado en casos propuesta por [10]-[12]. Dicho sistema se basa en el conocimiento a priori de una base de casos que caracterizan la clase requerida. En la Fig. 7. Puede verse un esquema del algoritmo implementado.

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Finalmente, se evaluó el desempeño del clasificador utilizando validación cruzada. Los resultados se presentan y discuten en la siguiente sección.

4. Resultados y análisis de resultados Una vez recogidos los datos se realizaron las pruebas del algoritmo aplicando distintos descriptores. Como uno de los retos fue definir cuál de los descriptores propuestos era el que permitía un mejor porcentaje de acierto, entendiendo este como la cantidad de veces que el clasificador decide apropiadamente entre 100 intentos; se realizaron distintas pruebas con distintos vectores de características como son: Tomando como vector característico un hibrido entre los valores RMS, energía y valor pico; tomando un vector característico donde se incluyeron los cuatro descriptores el valor RMS, HOFMS, Energía y valor Pico. Es importante destacar que para los vectores de características hibridas se realiza una normalización con el fin de garantizar una correcta comparación entre dichos vectores. Así mismo se tomó cada descriptor por separado para realizar el análisis. El procedimiento fue realizado para 100 pruebas aleatorizando los grupos en cada iteración. En la tabla 1 se muestra los resultados obtenidos por este procedimiento. Tabla 1. Resultados finales de validación para las distintas características Vector de características RMS, Energía y pico RMS, Energía, PICO y HOFMS PICO ENERGÍA RMS HOFMS

Porcentajede aciertos 60.48

9.86

60.09

10.29

60.12 60.28 95.43 56.3

9.91 12.47 6.93 12.03

Desviación estantar

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Aquí se puede notar que la mejor opción para clasificación fue solo usando el descriptor RMS. En la Fig.9. se muestran de manera grafica estos resultados. Fig. 9. Resultados del test realizado al algoritmo.

Es importante destacar de la tabla 1 y Fig. 9 , que el valor más bajo obtenido en el porcentaje de aciertos fue utilizando los HOFMS. Lo anterior se puede explicar teniendo en cuenta que según [1]-[3] el desbalanceo se caracteriza por un aumento en la amplitud de la componente fundamental del espectro (ver Fig. 5), y ya que que a medida que aumenta la frecuencia la amplitud del espectro disminuye esto hace el HOFM calculado se mantenga similar al de una maquina en funcionamiento normal, en donde el espectro es uniforme [1]-[3]. Por otro lado se puede ver que el valor RMS tiene el mejor comportamiento respecto a la clasificación, teniendo en cuenta que la discriminación se hizo solo para dos clases (desbalanceo y normal) el descriptor es relativamente sencillo. En este sentido, puede que en un clasificador multiclase (más de dos anomalías) este resultado pueda variar.

Conclusiones El presente proyecto muestra la implementación de la técnica de clasificación automática de pa-

• Camilo Leonardo Sandoval, Andres Alejandro Barros y Sergio Herreño •

trones de vibraciones, tomando muchos recursos disponibles para tal fin, se usaron técnicas tales como el razonamiento basado en casos, utilizando métrica Euclidiana, además de estas técnicas el estudio se apoyó en una herramienta matemática como lo es la transformada rápida de Fourier, esencial para el tratamiento digital de señales, ya que los descriptores calculados se obtienen a partir del espectro de Fourier utilizando dicha transformada. El análisis del algoritmo desarrollado muestra que para los cuatro descriptores tomados para el desarrollo de la clasificación el de mejor desempeño es el valor RMS ya que se evidencia que el porcentaje de clasificación es más alto que el de los otros tres descriptores, incluso cuando se toma en cuenta los 4 descriptores en el mismo algoritmo, los valores de desviación también analizados para cada uno de los descriptores muestran los valores más bajos para el valor RMS. Finalmente se mostró que es posible clasificar de manera automática, con una tasa de ciertos alta (95 de 100 aproximadamente - ver tabla 1), el desbalanceo respecto de un funcionamiento normal, con un algoritmo relativamente sencillo, utilizando razonamiento basado en casos. No obstante se recomienda a futuro incluir mas clases para realizar la clasificación automática entre un grupo compuesto por diversas anomalías (desalineamiento, soltura, etc).

Referencias [1] CÁCERES, Joaquín y DIAZ, Julio; implementación de un banco de pruebas para análisis de vibraciones mecánicas en maquinaria rotativa afectada por desbalanceo, Universidad Antonio Nariño, facultad de ingeniería electromecánica, 2012 [2] GUERRERO, Ricardo y SALAZAR, Andrés. Monitoreo de la condición Basado en análisis de vibraciones. Bogotá: EngineeringReliability and Management (ER & M), 2006. 13 p. [3] GRIM, Gary y MITCHELL, Bruce. Entendiendo las bases del balanceo y técnicas de medición, USA: PrecisionMeasurement and Testing, 2010. 1-2 p Revista

[4] ESTUPIÑAN, Edgar; SAN MARTIN, Cesar y SOLA LIGUE, René. Diseño e Implementación de un Analizador Virtual de Vibraciones Mecánicas. En: Revista Facultad de Ingeniería de la Universidad de Tarapacá, Vol. 14 N°1, pp. 7-15. Tarapacá, 2006. [5] KITTLER J., Reconocimiento de Patrones, Notas de seminario, Universidad de Surrey, Rev. 0.9, 2002. [6] ALDER, Michael,An Introduction to Pattern Recognition. eavenforBooks.com, 2001. [7] THEODORIDIS S., Koutrounmbas K., Pattern Recognition, Elsevier, Academic Press. Second Edition. 2003. [8] MENDEL J.H, Tutorial on higher-order statistics (spectra) in signal processing and system theory: theoretical results and some applications. Proc. IEEE, 1991, 79 (3), pp. 278-305 [9] Pflug, L.A. Naval Res. Lab., Stennis Space Center, MS, USA, Higher-Order Statistics, Proceedings of the IEEE Signal Processing Workshop ,1997 [10] LOZANO, Laura y FERNÁNDEZ, Javier, Razonamiento basado en casos: Una visión general. Universidad de Valladolid, 2010 [11] Gómez Pérez, José de Jesús; González Quintana, Diana Marcela; “Evaluación de daños en tuberías, mediante Razonamiento Basado en Casos y procesamiento de señales con transformada Wavelet y MPCA”. Universidad Industrial de Santander, Bucaramanga 2010. [12] Camacho Navarro, Jhonatan; “Sistema Experto Para La Monitorización De Salud Estructural Mediante El Reconocimiento De Patrones: Adaptación Y Validación Numérica”. Universidad Industrial de Santander, Bucaramanga 2010. [13] Sandoval Rodríguez, Camilo Leonardo. Caracterización de la dinámica de los movimientos básicos de la mano a partir de la actividad electromiográfica del antebrazo. Universidad Industrial de Santander 2013.

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• Efecto de las perturbaciones: huecos de tensión, desequilibrios de tensión y armónicos •

Control y Automatización

Efecto de las perturbaciones: huecos de tensión, desequilibrios de tensión y armónicos, en los motores de inducción con rotor jaula de ardilla Effect of disturbances: voltage sags, voltage unbalance and harmonics in induction motors with squirrel cage rotor Adolfo Andrés Jaramillo Matta*

Abstract This paper presents a review of the effects of three electromagnetic disturbances: voltage dips (sags or dips), voltage unbalance and voltage harmonics, on induction motors with squirrel cage. A summary is presented of the most relevant researches related and own research results. Keywords: Power quality, induction motors, mathematical modeling, electromagnetic disturbances.

Resumen En este artículo se presenta una revisión de los efectos de tres perturbaciones electromagnéticas: huecos de tensión (sags o dips), desequilibrios de tensión y armónicos, sobre los motores de inducción con jaula de ardilla. Se realiza un resumen de algunas de las investigaciones relacionadas más relevantes y se presentan resultados de investigaciones propias. Palabras clave: Calidad de potencia, motores de inducción, modelado matemático, perturbaciones electromagnéticas.

1. Introducción La calidad de energía eléctrica es un tema de gran interés en la actualidad, debido en gran parte al efecto que tienen las perturbaciones electromagnéticas tanto en el sistema eléctrico actual como en nuevas estructuras eléctricas, tales como las redes inteligentes (smart grids) y las microredes. Fecha Recibido: 2013-10-15 Fecha Aprobado: 2013-08-18 * Ph.D., Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Grupo LIFAE,CIDC ajaramillom@udistrital.edu.co

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• Adolfo Andrés Jaramillo Matta •

Entre los efectos más severos producidos por una deficiente calidad de energía eléctrica se encuentran: mal funcionamiento de sistemas de control y protección, paros indeseados en la producción industrial, elevado consumo de energía eléctrica, disminución de la vida útil en dispositivos, fallas en la medición del consumo de energía y pérdida de información en centros de cómputo. Las causas más comunes de disminución en la calidad de energía eléctrica provienen de maniobras en la red eléctrica, descargas atmosféricas y funcionamiento de accionamientos electromecánicos, entre otros.

Uno de los dispositivos eléctricos industriales más afectados por estas perturbaciones es el motor de inducción trifásico (MdI), el cual hace parte integral de los accionamientos más utilizados actualmente en la industria mundial.

Los accionamientos electromecánicos constituidos por motores de inducción con rotor de jaula de ardilla son los más utilizados en la industria mundial, debido a características del motor tales como: facilidad en su construcción, necesidad mínima de mantenimiento, gran torque inicial, facilidad de conexión, pérdidas mínimas, entre otras. En el estudio de los efectos de las perturbaciones electromagnéticas sobre éstos motores, pueden abordarse dos puntos de vista, el primero corresponde a éstos dispositivos vistos como carga afectada; el segundo se enfoca hacia las perturbaciones producidas por éstos dispositivos, particularmente cuando actúan con dispositivos electrónicos de potencia, como variadores de velocidad.

La metodología seguida por muchos investigadores para estudiar la mitigación de las perturbaciones electromagnéticas en el MdI, se inicia con la elección de un correcto modelado tanto de la máquina como de las perturbaciones que lo afectan. Posteriormente se realizan simulaciones, una vez se ha validado que el modelo esté correctamente ajustado, para determinar cuáles son los efectos de las perturbaciones sobre las variables más relevantes en el MdI, como son: corriente, tensión (llamada también voltaje, indistintamente), par y velocidad. Un análisis exhaustivo, seguido de la validación de los resultados, permite llegar a conclusiones que aportan datos tanto para la continuación de éstos estudios, como para el diseño de dispositivos y técnicas que mitiguen los efectos y conlleven a mejorar la calidad de energía eléctrica.

El estudio de las perturbaciones electromagnéticas y la calidad de potencia en las líneas de transmisión eléctrica ha tomado mayor importancia en los últimos años, debido al incremento en la industria de dispositivos basados en electrónica de potencia, sistemas de control, automatización, protección y maniobras, que generan perturbaciones a la red y deterioran la calidad de energía eléctrica. Los efectos alcanzan tanto a usuarios industriales como residenciales, disminuyendo la eficiencia de sus sistemas eléctricos en diferentes formas, por ejemplo, generando paros inesperados en la producción (produciendo importantes sobrecostos en la producción y consumo energético), disminuyendo el tiempo de vida útil de los dispositivos, generando fallas en las medidas de los elementos de medición (alterando sistemas de control, supervisión, facturación, etc.), entre otros. Revista

La mitigación de los efectos de las perturbaciones de la calidad de energía eléctrica en el MdI, mejora la eficiencia y la calidad de onda de los sistemas eléctricos. Estas mejoras reducen costos de producción en las empresas y protegen las fuentes de energía natural no renovables, disminuyendo la cantidad de energía utilizada.

A continuación se realizará un resumen conceptual correspondiente al modelado del MdI y a las perturbaciones estudiadas en este artículo, seguido de una revisión de los resultados obtenidos por algunos investigadores, incluyendo resultados de algunas investigaciones propias.

2. Modelado Matemático del Motor de Inducción (MdI) Los MdI son ampliamente estudiados y utilizados en la industria debido a sus características eléctricas de funcionamiento, gran potencia de arranque, facilidad de construcción y requerimientos de mantenimiento mínimo. Además de

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proveer características constructivas muy atractivas para la industria, también son amigables con el medio ambiente, son totalmente eléctricos, no requieren aceites lubricantes y el rotor es totalmente aislado del estator, con lo cual, al no existir colector, no se requiere la sustitución periódica de los resortes y las escobillas de carbón. Dos de los modelos del MdI más utilizados en las aplicaciones industriales y académicas son el modelo de jaula sencilla y el modelo de doble jaula. Fig. 1. Circuito equivalente por fase del motor de inducción con rotor de jaula sencilla en régimen permanente.

magnética del entrehierro elevada (reluctancia magnética despreciable frente a la del entrehierro), cantidad de fases y de pares de polos del rotor siempre coincide con las del estátor (simplifica los modelos), distribución sinusoidal del campo magnético en el entrehierro (las fuerzas magneto-motrices debidas a los bobinados del estátor siguen una distribución sinusoidal espacial a lo largo del entrehierro, despreciándose las armónicas espaciales). El valor de los parámetros de cada modelo no es fácil de obtener. Algunas técnicas calculan parámetros que solo aplican para determinados puntos de funcionamiento [1], sin embargo, el estudio detallado del comportamiento de MdI requiere de una estimación de parámetros más exacta, que permita obtener un menor error en todo el espectro de funcionamiento del motor. La mayoría de investigaciones parten de su propia técnica de estimación de parámetros con el fin de obtener parámetros confiables y que modelen adecuadamente el comportamiento del MdI en la zona de funcionamiento analizada.

En las Fig.1 se observa el circuito equivalente al modelo de Jaula sencilla, con 5 parámetros y sin pérdidas en el entrehierro, donde los subíndices s corresponden al modelo del lado del estátor y los subíndices r corresponden a los subíndices del modelo del rotor. La reactancia magnetizante Xm corresponde al modelado del circuito magnético que atraviesa el entrehierro del motor. La Fig. 2 muestra el circuito equivalente del modelo del motor, cuando su rotor está conformado por dos jaulas de ardilla; para este caso, se tienen 7 parámetros y los subíndices 1 y 2 representan la jaula interior y exterior, respectivamente. Ambos modelos desprecian las pérdidas mecánicas de la máquina (no hay elemento resistivo asociado). Además, se asumen algunas hipótesis para simplificar las ecuaciones de los modelos, éstas son: estátor y rotor lisos (entrehierro constante), máquina con topología simétrica (bobinas del estátor iguales entre sí y bobinas del rotor iguales entre sí), comportamiento magnético del entrehierro lineal (no se consideran los efectos de saturación e histéresis), permeabilidad

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Fig. 2. Circuito equivalente por fase del motor de inducción con rotor de doble jaula en régimen permanente.

Como ejemplo, en [2] los parámetros eléctricos desconocidos pueden estimarse conociendo sólo la tensión nominal del MdI, la corriente de par, la frecuencia y la velocidad para implementar un MdI en automóviles eléctricos, en [3] se presenta un métodos de estimación de parámetros multi-velocidad para el MdI, basado en la teoría de control de múltiples velocidades y filtro de Kalman extendido (EKF), para estimar el par de carga en el MdI. En [4] un observador adaptativo de alta ganancia es utilizado para compensar la incertidumbre del modelo y así estimar los parámetros, para controlar el MdI por una

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estrategia de adaptación indirecta del sensor. En [5] se utiliza un modelo de triple jaula de un MdI para hallar los parámetros de un motor de barra profunda, mediante el uso de una técnica de ajuste de curva y análisis de elementos finitos. En [6, 7] se presentan procedimientos de auto-puesta para la estimación automática de parámetros de los MdI, consistentes en un enfoque paso a paso con diferentes señales de prueba para obtener los valores de los parámetros mientras se mantiene el motor en punto muerto. La implementación real permite mapear tanto convertidor como los parámetros, proporcionando datos precisos para la puesta a punto de los reguladores actuales para las unidades de medida sin sensor. En [8] se aplica la técnica de estimación a control de velocidad sin sensores, la estimación de parámetros propuesta se obtiene a partir de la velocidad angular de deslizamiento que se calcula a partir de las corrientes medidas y estimadas. En [9] El enfoque propuesto utiliza las relaciones analíticas para identificar los parámetros del modelo de tercer orden, basado en el modelo de espacio de estados no lineal, transformando el modelo no lineal en una ecuación de regresión lineal. Otros métodos que utilizan el EKF son [10, 11] requieren mediciones de los voltajes del estator, y corrientes y velocidad del rotor. Aunque la bibliografía de investigaciones acerca de estimación de parámetros es extensa, cabe resaltar algunos de ellos por sus diversas metodologías y técnicas, en función a la aplicación requerida. Para la estimación de parámetros a partir de los datos proporcionados por el fabricante se pueden citar [12] Jaramillo et al., y [13-17], los cuales coinciden en que solo con estos datos no es suficiente para tener un comportamiento ajustado en todo el rango de funcionamiento. Otros trabajos, como [18, 19], definen los “parámetros invariantes del sistema” como las relaciones entre los parámetros reales que producen la misma impedancia de entrada, para cualquier valor del deslizamiento y frecuencia de alimentación. Dichos parámetros pueden hallarse en función del modelo elegido, ya que son fijos, y aunque cambien los parámetros internos, esta relación se mantiene. En [19] además se muestra Revista

que se pueden encontrar las relaciones entre los parámetros del modelo y la imposibilidad de estimarlos todos realizando solo medidas externas normales de tensión, corriente, velocidad y par o realizando medidas en régimen transitorio o calculando derivadas de orden superior, a menos que se tomen en cuenta hipótesis adicionales. Por otro lado, para la estimación de los parámetros pueden utilizarse datos de entrada provenientes de medidas experimentales en el dominio del tiempo, como en [20, 21]. Para ello, se hace necesario realizar algoritmos que implementen Filtros de extendidos de Kalman o sistemas de modelos adaptativos de referencia para hallar los parámetros. Si las medidas se realizan en el dominio de la frecuencia [22, 23], los algoritmos necesitan métodos basados en ecuaciones de régimen permanente y ecuaciones dinámicas, como los ensayos de respuesta de frecuencia en reposo (Standstill). También se han desarrollado métodos que utilizan los algoritmos de Falals, mínimos cuadrados, iterativo de mínimos cuadrados, algoritmos genéticos adaptativos, aproximación multiescala, filtros extendidos de Kalman y Gauss-Newton. De cualquier forma, se ha demostrado que la convergencia del algoritmo diseñado depende directamente de tres factores, la aplicación particular, los datos de entrada y el modelo seleccionado. Algunas investigaciones se enfocan en demostrar que es imposible determinar los parámetros de los modelos utilizando ecuaciones matemáticas sin realizar hipótesis adicionales [15, 18, 19, 2426]. Otras estudian los mejores algoritmos para la estimación de parámetros [23, 27-31]. Algunos autores plantean la relación entre los parámetros y el número de medidas experimentales necesarias [19], o se basan en medidas tomadas por laboratorios especializados. Esto se debe a que no siempre se tienen los medios para realizar las mediciones necesarias, estos artículos coinciden en la necesidad de un gran número de medidas experimentales para obtener parámetros del modelo que representen el comportamiento del motor de manera satisfactoria. En [32] se propone un análisis con la variación del deslizamiento, s; se calculan los valores de la resistencia de rotor, rr, la del estator, rs, las impedancias de rotor

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Xr, y estator, Xs, y la impedancia de entrehierro Xm a partir de las técnicas clásicas en estado estacionario. El algoritmo que utiliza es basado en la aplicación de la técnica de mínimos cuadrados a la diferencia entre los datos calculados, con algoritmos y ruido aleatorio y datos experimentales. Entre los aportes más significativos de este trabajo se tienen las diferencias entre los datos de las curvas del motor dadas por el fabricante y la medida experimental. Algunas investigaciones discuten el uso de las técnicas modernas de identificación en la determinación de los valores de parámetros en estado estacionario, del circuito equivalente del motor de inducción trifásico con rotor de jaula de ardilla como modo deslizante [33, 34]. El procedimiento de la identificación se basa en las características de estado estable de corriente de fase y la potencia de entrada contra el deslizamiento. Para la estimación de parámetros en régimen permanente, se encuentran investigaciones como [18, 19], donde se formulan relaciones que arrojan como conclusión la imposibilidad de estimar todos los parámetros realizando tan solo medidas externas. Este análisis lo hacen para la máquina de jaula sencilla y de doble jaula, ambas con y sin pérdidas en el hierro. Es interesante ver cómo se aplica a dos máquinas de diferente potencia teniendo en cuenta una serie de registros a diferentes velocidades de funcionamiento. También se analiza la confiabilidad numérica de los parámetros eléctricos de las máquinas de la inducción y se realizan formulaciones de la máquina de inducción de jaula sencilla y doble jaula, con y sin pérdidas en el hierro y se propone una solución formulando ecuaciones que utilizan mínimo número de parámetros, llamados parámetros identificables. En [27], el modelo en espacio de estados de la máquina de inducción se descompone en dos sistemas casi desacoplados, utilizando una descomposición de escala “multi-tiempo” para obtener las admitancias reducidas operacionales con un consumo de mínima energía. En [29] se realizan medidas experimentales para aportar datos a la estimación de parámetros de los motores de inducción aplicando técnicas de mínimos

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cuadrados, aprovechando la robustez de estas técnicas en ambientes ruidosos adicionando una nueva neurona, la TLS EXIN. Algo muy interesante en este estudio es la demostración del hecho de que los algoritmos ordinarios de redes neuronales no son fiables cuando el ambiente de implementación se caracteriza por ser muy ruidoso. También se estiman los parámetros de un motor de inducción por medio de un banco de pruebas. En el caso de que los datos sean demasiado ruidosos, se realiza un refinamiento de la TLS que considera explícitamente algunas relaciones entre el número de parámetros, k. El diseño de algoritmos genético adaptativos o utilizando redes neuronales para un MdI se muestran en [28, 35], donde utilizan la probabilidad de cruce y la mutación de un algoritmo genético que cambia según la estadística de la aptitud de la población en cada generación y en [36] donde se presenta una nueva neurona lineal, el GeTLS EXIN para la estimación en línea de los parámetros eléctricos del MdI. Este tipo de manejo, implica un sofisticado equipo con alto nivel de procesamiento de datos. Cuando el número de parámetros aumenta, las variaciones en el algoritmo cambian radicalmente, sin asegurar que se pueda calcular la totalidad de los parámetros. En [15] se presenta un método numérico para la estimación de parámetros del modelo de doble jaula del motor de inducción partiendo de los datos del fabricante: energía mecánica de la carga completa, corriente eléctrica reactiva de carga completa, torque de corto circuito, torque y corriente de entrada. También se presenta un interesante análisis de sensibilidad del modelo respecto a los parámetros eléctricos, el cual muestra que la resistencia del estator es el parámetro menos significativo dentro de todos los parámetros. Las ecuaciones no lineales que se solucionan para la estimación de los parámetros se formulan como un problema de minimización con restricciones. En [30] se presenta otro método para la estimación de parámetros en tiempo real, utilizando un filtro de Kalman extendido. El algoritmo se puede utilizar para adaptar los parámetros variantes con el tiempo y para las pérdidas de los flujos del rotor. Los modelos basados en dos ejes

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son discutidos en [37], en un algoritmo genético cifrado que estima los parámetros del modelo. La exactitud y la validez del modelo y sus parámetros identificados se verifican con la ayuda de un motor de inducción de barra profunda de 5.5 kW, 380 V, 50 Hz. Este estudio muestra que los parámetros del motor de inducción de doble jaula no son fáciles de obtener y se propone una estimación de los parámetros de este modelo con ecuaciones que dependen de la energía mecánica y de la línea de voltaje. La corriente y par de arranque, el par máximo, el deslizamiento a plena carga y la eficiencia, son calculados con los parámetros estimados. En este trabajo se realiza también la prueba de respuesta al impulso, dentro del análisis en dos dimensiones con elementos finitos (FEA), aplicado al voltaje del estator. Puesto que dicha prueba es conveniente para modelar las perturbaciones sobre cierto punto la operación, un modelo de pequeña señal se deriva de la máquina de inducción de doble jaula. Además de los parámetros de pequeña señal, los parámetros de estado estacionario también se estiman usando el FEA. La prueba de la respuesta al impulso se basa en la hipótesis de un comportamiento lineal sobre un punto de la operación, lo que implica que los efectos de no linealidad son estudiados por otros métodos. En [38] el autor de éste artículo, Jaramillo et al., diseña e implementa una técnica de estimación de los parámetros para los modelos de jaula sencilla y doble jaula, para el MdI. Esta técnica, denominada torque-speed tracking, inicia a partir de los datos del fabricante y resuelve los problemas causados por la falta de puntos de funcionamiento y por el método usado para minimizar el error en par. La técnica propuesta se valida tanto con los datos del catálogo de 64 máquinas de inducción, como con los datos experimentales de una máquina de inducción de 75 kW. Todos los errores de par obtenidos con la técnica propuesta fueron significativamente menores que aquellos obtenidos con las técnicas de referencia, para los modelos analizados. Esta técnica se puede implementar fácilmente en los algoritmos de estimación de parámetros que se basan únicamente en los datos del fabricante. Revista

3. Perturbaciones electromagnéticas: huecos, Desequilibrios y Armónicos de Tensión Las perturbaciones electromagnéticas se han clasificado en tres tipos, según la norma IEEE Estándar 1159 de 1995 [39]: variaciones en el valor RMS de la tensión o la corriente, perturbaciones de carácter transitorio y deformaciones de la forma de onda. Dentro de estos tipos, las perturbaciones han sido categorizadas en: transitorios, variaciones de corta duración, variaciones de larga duración, desbalances de tensión o corriente, distorsión en la forma de onda, fluctuaciones de tensión y variaciones de la frecuencia. A. Huecos de tensión

Los huecos de tensión son perturbaciones de corta duración, no repetitivas o transitorias, que se definen en las normas UNE-EN 50160 [40] y IEEE Std 1159-1995 [39], y se caracterizan por una tensión residual referida a la tensión inicial, denominada profundidad, y una duración temporal. La clasificación más utilizada de los huecos se obtuvo en [41]. Un hueco de tensión, por definición, es la disminución brusca del valor eficaz de la tensión de alimentación, a un valor entre un 90% y un 10% de la tensión nominal en las fases de la red eléctrica, seguida de una recuperación después de un corto periodo de tiempo, que puede estar entre 0.5 ciclos y 1 minuto (tiempo de duración), como se muestra en la Fig. 3. Las causas típicas de los Huecos de Tensión son los rayos, las maniobras en alta tensión, las variaciones bruscas de cargas (arranque de grandes motores) y los cortocircuitos. Fig. 3. Hueco de Tensión. Fuente [39,42].

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B Sistemas de Tensiones desequilibrados Los desequilibrios de tensión en los sistemas de energía son perturbaciones de carácter o estado estacionario, y deben ser manejados de manera sistemática con el fin de reducir al mínimo sus efectos negativos tanto en el equipo del cliente como para los servicios públicos de suministro. Son causados por los desbalances de tensión, que en un sistema trifásico, se caracteriza porque los valores eficaces de las tensiones y/o corrientes de fase, o los ángulos entre fases consecutivas, no son iguales. Como ejemplo, se puede observar la Fig. 4. Se encuentran ligados a la aparición de componentes de secuencia negativa y/o homopolar en las tensiones y/o corrientes de red. El desbalance de tensión y corriente, a la frecuencia fundamental, es definido como la relación entre la componente de secuencia cero ó de secuencia negativa con respecto a la componente de secuencia positiva [42]. Esta perturbación suele ser causada por la conexión de cargas monofásicas en sistemas trifásicos, fallas de aislamiento en conductores no detectadas, desconexión de una fase en el banco de condensadores, transformadores conectados en delta abierto, entre otras. Fig. 4. Desbalance de Tensión. Fuente [39, 42].

puede descomponerse como la suma de varios armónicos los cuales pueden o no estar en fase con la componente fundamental. Por lo general, son causados por equipos no lineales operando en la red, hornos de arco eléctrico y fuentes conmutadas. Fig. 5. Onda fundamental más tercera armónica. Fuente [43].

4. Efecto de las perturbaciones sobre el Motor de Inducción Las perturbaciones electromagnéticas en las redes de distribución afectan al motor de inducción (MdI) en gran medida, ya que el MdI hace parte integral de los accionamientos de potencia más utilizados actualmente en la industria mundial. Los efectos que producen las perturbaciones sobre los MdI son diversos y dependen de muchos factores, entre ellos, el tipo de motor, topología de la red, carga del motor, tipo y severidad de perturbación, entre otras. En este capítulo se muestran algunos estudios de los efectos de tres perturbaciones electromagnéticas: huecos de tensión, sistema desequilibrado de tensiones y armónicos de tensión en la red de distribución, sobre el comportamiento del MdI.

C. Armónicos Los armónicos son tensiones o corrientes cuya frecuencia es un múltiplo entero de la frecuencia fundamental de sistema. Estas perturbaciones periódicas generan una distorsión armónica en la forma de onda sinusoidal de tensión o corriente, como se puede apreciar en la Fig. 5. Cuando una señal está distorsionada por armónicos

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A. Huecos de Tensión Los efectos transitorios de los huecos de tensión sobre los motores de inducción trifásicos se reflejan principalmente en picos de intensidad, picos de par y pérdida de velocidad, como se demuestra en [44-48]. En el caso de huecos simétricos, éstos efectos dependen de la profun-

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didad y duración del hueco, mientras que para los huecos asimétricos, dependen también del punto de onda inicial yi, como se demuestra en [45]. En [45] se realiza dicho análisis utilizando el modelo de jaula sencilla (ampliamente utilizado para representar el comportamiento de máquinas de media y baja potencia [45, 49, 50]), sin embargo en muchas aplicaciones actuales se utiliza el modelo de doble jaula debido a su mejor ajuste de comportamiento en la zona de comportamiento inestable de la máquina [38, 51, 52]. Particularmente en [52] Jaramillo et al., estudian los efectos de los huecos de tensión sobre los MdI, realizando una comparación entre los resultados obtenidos con los modelos de jaula sencilla y doble jaula, obteniendo que el modelo de doble jaula permite obtener mejores resultados en los puntos de funcionamiento distantes al nominal.

mático de STATCOM para validar su capacidad para la mitigación de la caída de voltaje debido al arranque directo del motor de inducción. Por otro lado, [59] muestra un modelo de simulación de restaurador dinámico de tensión (DVR), propuesto para mitigar un hueco de tensión causado por el arranque de un MdI. En [60] se proponen dos aplicaciones de compensadores de Huecos de tensión y UPS, 1) un compensador de huecos de 11-kW utilizando un generador de inducción auto-excitado y 2) una UPS compuesto por el sistema de volante y un generador de motor. En [61] se evalúan diferentes huecos de tensión en el rendimiento de los motores de inducción operando con FACTS, donde se evalúa el rendimiento del MdI bajo huecos de tensión simétricos y asimétricos.

En [53] se estudian los efectos de los huecos de tensión en los motores de inducción. Este estudio se enfoca a la contribución de la potencia reactiva debido al enlace de flujo atrapado del motor, y demuestra que previene el colapso rápido de la tensión, resultando un hueco de tensión en forma no rectangular. En [54] se presenta un método analítico para calcular el tiempo crítico de eliminación de los huecos de tensión en motores de inducción.

Los efectos de un sistema de tensiones desequilibrado, como alimentación para los MdI es un tema altamente estudiado en la actualidad, debido a que esta perturbación es una de las más comunes y permanentes en el decremento de la calidad de suministro eléctrico.

El efecto del punto de inicio de diferentes huecos de tensión simétricos (trifásico) sobre el comportamiento del motor de inducción, es estudiado en [55]. Aquí también se estudian los efectos de las caídas de tensión asimétricos de una sola fase y de dos fases. En [56] se presenta un estudio sobre los efectos de huecos de tensión en un MdI mediante simulación por computador con EMTP-ATP, y sus efectos sobre la tensión en bornes, corriente, par y velocidad del motor. Un enfoque más orientado hacia la calidad de potencia en las redes de distribución se realizan en estudios como [57], donde se realiza la comparación de los efectos de huecos de tensión asimétricos en las unidades de MdI de velocidad ajustable; se analiza los efectos sobre el par y la desviación de la velocidad en variadores de velocidad. En [58] se implementa un modelo mateRevista

B. Sistemas de Tensiones desequilibrados

El rendimiento del MdI puede verse afectado significativamente en presencia de un sistema de alimentación de tensión desequilibrado. Por otro lado, los MdI pueden ayudar a reducir los niveles de desequilibrio de tensión de red preexistentes, de acuerdo con el informe técnico sobre la gestión de desequilibrio de tensión IEC/ TR 61000-3-13:2008 (asignación y evaluación de las emisiones) [62]. En este trabajo, además se analiza la sensibilidad del nivel de carga del MdI en la contribución de la emisión de tensión desequilibrada en el punto de conexión, concluyendo que el aumento de niveles de carga en los MdI alteran el factor de desequilibrio de secuencia negativa de tensión (VUF) en el punto de conexión, en comparación con los motores de inducción de carga ligera. Otra conclusión importante es que las variaciones en el deslizamiento del motor tienen efecto sobre el voltaje o corriente de secuencia positiva en el punto de evaluación mientras que el valor de secuencia negativa permanece casi constante.

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En [63] se estudian las características transitorias de un MdI en virtud de un hueco en un sistema de tensiones desequilibrado. En [64] se discute la necesidad de monitorear simultáneamente el desequilibrio de tensión y distorsiones armónicas en un MdI, además de los valores de tensión de raíz cuadrada media. Esto como una forma alternativa de obtener los parámetros de los modelos, relacionados con desequilibrio de tensión a la frecuencia fundamental, así como las distorsiones armónicas de tensión. El caso es estudiado con la representación de los valores instantáneos en los ejes d-q y en la norma euclidiana instantánea. Se propone entonces un nuevo índice de Calidad de Energía, para combinar los efectos de desequilibrio de tensión y distorsiones armónicas. Otras investigaciones como [65-68], centran sus objetivos en el diagnostico de fallas a causa de voltajes desequilibrados, como [69] donde se propone un método para discriminar los casos de falla en el devanado del estator, utilizando el Módulo de Vector de Park (PVM), identifica las condiciones de desequilibrio de tensión a través de la detección de señales de alta frecuencia presentes en los diferentes perfiles de PVM. Particularmente en [66] el método planteado se basa en el análisis de la relación de tercera armónica de la componente fundamental con la magnitud de la corriente y la tensión de alimentación para detectar diferentes porcentajes de fallo de aislamiento en diferentes condiciones de carga usando la red neuronal. Con este método se obtiene un alto grado de precisión en la detección y diagnóstico de fallos entre los efectos debidos a tensiones desequilibradas. En trabajos como [63, 70-74] se analizan los efectos de desequilibrio de tensión en las variables a controlar. Particularmente en [74] se estudian los efectos sobre el par y la corriente de los MdI con el método de componentes simétricos, simulando 32 situaciones de desequilibrio estructuradas así: 8 tipos diferentes y 4 niveles para el factor de desequilibrio de tensión. Como conclusión se obtiene que el desequilibrio de tensión genera alto rizado en el par de torsión, y puede producir problemas o interrupciones no programadas en algunos procesos productivos.

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En cuanto a la corriente, cada situación de desbalance de tensión genera también una corriente desbalanceada. En este trabajo se utiliza el modelo de jaula sencilla y se analiza con un tipo de carga. También otros autores se han enfocado específicamente en los efectos sobre el par mecánico del MdI, como [75, 76]. El rendimiento y la eficiencia también han sido investigados. En [77] se realizan pruebas experimentales para determinar si hay diferencias notables de rendimiento en motores de eficiencia Premium y Estándar, operando bajo condiciones de desequilibrio de tensión. El estudio concluye que en condiciones de funcionamiento de tensión desequilibrada la eficiencia de todos los motores disminuyó con el aumento de desequilibrio, aunque los niveles de desequilibrio de hasta 1,5% tienen un efecto despreciable, especialmente si el motor se hace funcionar a la tensión nominal. Para desequilibrios de hasta 5%, la eficiencia del motor disminuye en general en alrededor de 1% a 3%. La pérdida de potencia en el MdI en función a las temperaturas excedidas, producto de los desequilibrios de tensión, también han sido de mucho interés en investigaciones como [78-80]. En [80] se presentan los resultados de un estudio experimental sobre reducción de potencia de un motor de inducción en diferentes condiciones de desequilibrio de tensión y su comparación con la tensión de reducción de potencia gráfica desequilibrio norma NEMA MG1. Los resultados obtenidos muestran que la tensión de secuencia positiva juega un papel importante en la reducción de potencia del motor de inducción bajo condiciones desequilibradas. C. Armónicos

Cuando un MdI es alimentado con un sistema de tensiones que contiene armónicos, su comportamiento se afecta directamente. Algunas de las variables afectadas en el MdI son: corriente, par, velocidad, factor de potencia, eficiencia y potencia, así como otros efectos: reducción en la vida útil, aumento de temperatura en funcionamiento, pérdidas adicionales, envejecimiento térmico, vibraciones y ruidos, torques pulsantes y pérdida de capacidad de potencia.

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Para analizar las variables afectadas por una perturbación armónica en la red de distribución eléctrica existen muchas metodologías. En [8187], el estudio se enfoca hacia las pérdidas de potencia y los efectos de los armónicos de tensión generados por los accionamientos compuestos por inversor de velocidad-MdI. En [82] se presenta un método novedoso para la estimación simultánea del campo magnético giratorio y los desplazamientos radiales del rotor en MdI sin cojinetes. Cuatro bobinados auxiliares de búsqueda están conectados a una fuente de tensión de alta frecuencia. Los voltajes de punto medio entre dos bobinas de búsqueda se procesan con circuitos analógicos sencillos para obtener desplazamientos radiales del rotor. Estos voltajes de punto medio se ven afectados por tensiones armónicas generadas por un inversor PWM de propósito general, conectado a los terminales del motor, además se proponen y ensayan dos métodos de eliminación de ruido. En [83] se presenta un estudio de la literatura correspondiente a mejorar el factor de potencia y la reducción de armónicos en MdI mediante técnicas de modulación de ancho de pulso (PWM). En [84] se propone un algoritmo de modulación de ancho de pulso que utiliza voltajes de fase de referencia incluidos en la muestra instantáneas para calcular los tiempos de conmutación de los dispositivos reales. A medida que el tiempo de estado cero varía al azar de acuerdo con la secuencia de funcionamiento, se reducen armónicos dominantes y por lo tanto reduce el ruido acústico. Este algoritmo reduce la distorsión armónica comparado con el algoritmo estándar de modulación por ancho de pulso de espacio vectorial (SVPWM), que distribuye el tiempo de estado cero en partes iguales entre los dos vectores de tensión. Otros estudios analizan pérdidas de potencia y torque debido a tensiones armónicas en MdI de alta velocidad [88] donde además se obtiene información útil para el diseño de motores de inducción de alta velocidad. En [89] se estudia el efecto del ángulo de fase de los armónicos sobre el comportamiento del MdI. Dentro de las conclusiones más importantes se puede mencionar que en un sistema Revista

de alimentación no sinusoidal no solo se deben tener en cuenta el orden del armónico y el factor de distorsión de voltaje, sino también el ángulo de fase del armónico. Un orden más bajo de los armónicos de secuencia positiva y negativa conllevan a una disminución en la eficiencia y un incremento en la temperatura de funcionamiento. La investigación realizada en [90] hace un resumen de los efectos más relevantes, donde se menciona el incremento en las pérdidas en el motor y en la temperatura, pérdida en el tiempo de vida útil, incremento de ruido acústico y torques pulsantes. Además, se muestra que si la distorsión de tensión aumenta, el factor de potencia disminuye. También muestra que los armónicos de bajo orden tienen mayor efecto que los de mayor orden, para un valor determinado de distorsión armónica. También se concluye que los subarmónicos pueden tener un efecto considerable en los MdI, como por ejemplo un subarmónico de 6 Hz de secuencia positiva reduce la vida útil del motor en más de 60%. Las estrategias de mitigación de armónicos son otra aplicación muy estudiada actualmente, como es el caso de [91], donde se estudian los aspectos de diseño y análisis para mitigar los armónicos de orden superior en los convertidores de potencia que alimentan los controladores vectoriales del MdI; o en [92], donde se propone una estrategia para el filtrado de corrientes de armónicos no deseados existentes en los bobinados del estator cuando un MdI se alimenta con un inversor de potencia sinusoidal (VSI). En realidad, el filtro es una inductancia especialmente diseñada conectada entre el motor multifase y el VSI. Los materiales de construcción del MdI también han sido estudiadas como alternativa a la mitigación de los efectos de los armónicos; en [93] se estudia la influencia del acero magnético de la carcasa del estátor de MdI con rotor de Jaula de ardilla, sobre la eficiencia eléctrica y diagnóstico de fallos del rotor en el par electromagnético y en la fuerza desequilibrada de rotor. Se obtiene como resultado que la atenuación del campo electromagnético, cuando este campo pasa desde el interior a la superficie exterior del motor, depende de la frecuencia armónica, la longitud de onda de campo giratorio, la velocidad del rotor y de

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• Efecto de las perturbaciones: huecos de tensión, desequilibrios de tensión y armónicos •

las propiedades de los materiales de la carcasa. En [94] se presenta un algoritmo para eliminar armónicos selectivos para un convertidor de tensión utilizando una técnica de escalamiento multidimensional (técnica para el análisis exploratorio de datos multidimensionales). En [95] se estudia la estimación de la perturbación: sub-armónicos sinusoidales en el dominio del tiempo, con aplicaciones en los diagnósticos del motor de inducción (por ejemplo, detección de barra partida del rotor). El método propuesto sería computacionalmente mucho más barato y podría ser fácilmente integrado en los dispositivos de gama baja.

Conclusiones El modelo de doble jaula muestra comportamientos diferentes y mejores, en determinadas zonas de funcionamiento del MdI, que el modelo de Jaula sencilla [38, 46]. Para realizar un estudio con mayor precisión, es necesario utilizar una técnica de estimación de parámetros de los modelos del MdI que permitan obtener una curva de funcionamiento par-velocidad ajustada a todos los puntos de funcionamiento del motor y no solo a los puntos dados por el fabricante [38]. Los efectos de los huecos de tensión simétricos dependen de la profundidad y duración del hueco, mientras que para los huecos asimétricos, dependen también del punto de onda inicial yi [45]. Los huecos de tensión afectan considerablemente los picos de voltaje y corriente, y generan pérdida de velocidad en los MdI [52]. Las variaciones en el deslizamiento del motor tienen efecto sobre el voltaje o corriente de secuencia positiva en el punto de evaluación mientras que el valor de secuencia negativa permanece casi constante. Los estudios de sensibilidad demuestran que la atenuación del voltaje desbalanceado disminuye a medida que el nivel de carga del motor aumenta[62]. Los efectos del desequilibrio de tensión sobre el par y la corriente de los MdI se puede resumir en

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alto rizado en el par de torsión y corriente desbalanceada en función al desequilibrio de tensión que lo afecta [74]. En condiciones de funcionamiento de tensión desequilibrada la eficiencia de los MdI disminuye con el aumento de desequilibrio. Sin embargo, para niveles de desequilibrio menores al 1,5% el efecto es despreciable, particularmente si el motor se hace funcionar a tensión nominal. Para desequilibrios de hasta 5%, la eficiencia disminuye alrededor de 1% a 3% [77]. En un sistema de alimentación con armónicos se deben tener en cuenta el orden del armónico, el factor de distorsión de voltaje y el ángulo de fase del armónico [89]. Los efectos más relevantes de las tensiones armónicas sobre el MdI se pueden reflejar en las pérdidas del motor, temperatura, disminución en la vida útil, incremento de ruido acústico, torques pulsantes, factor de potencia [90].

Agradecimientos El autor agradece a la Decanatura, Doctorado en Ingeniería y al Centro de Investigaciones y Desarrollo Científico, CIDC, de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas (UD FJC) por el apoyo económico para el desarrollo y presentación de los resultados del proyecto con código 2-5-379-13, de la convocatoria # 8 del 2013, de la UD FJC.

Referencias [1] S. J. Chapman, Máquinas Eléctricas, 4 ed. vol. 1, 2005. [2] J. M. Terras, A. Neves, D. M. Sousa, and A. Roque, “Estimation of the induction motor parameters of an electric vehicle,” in Vehicle Power and Propulsion Conference (VPPC), 2010 IEEE, 2011, pp. 1-6. [3] S. Wang, V. Dinavahi, and J. Xiao, “Multi-rate real-time model-based parameter estimation and state identification for induction motors,” Electric Power Applications, IET, vol. 7, pp. 7786, 2013.

• Adolfo Andrés Jaramillo Matta •

[4] A. Dib, “Sensorless indirect adaptive control with parameters and load-torque estimation of induction motor,” in Communications, Computing and Control Applications (CCCA), 2012 2nd International Conference on, 2012, pp. 1-6. [5] H. V. Khang and A. Arkkio, “Parameter estimation for a deep-bar induction motor,” Electric Power Applications, IET, vol. 6, pp. 133-142, 2012. [6] L. Peretti and M. Zigliotto, “Automatic procedure for induction motor parameter estimation at standstill,” Electric Power Applications, IET, vol. 6, pp. 214-224, 2011. [7] C. Wei, X. Dianguo, W. Gaolin, Y. Yong, and C. C. Chan, “Parameters estimation of induction motor at standstill concerning the nonlinearity of the system,” in Vehicle Power and Propulsion Conference, 2009. VPPC ‘09. IEEE, 2009, pp. 1407-1411. [8] P. Kang Hyo, M. Cheol, N. Kee Hyun, J. Mun Kyu, and K. Young Ahn, “State observer with parameter estimation for sensorless induction motor,” in SICE Annual Conference (SICE), 2011 Proceedings of, 2011, pp. 2967-2970. [9] A. Dehghani-Pilehvarani and M. Dehghani, “Induction motor parameter estimation based on the nonlinear state space model,” in Electrical Engineering (ICEE), 2011 19th Iranian Conference on, 2011, pp. 1-1. [10] K. Yazid, K. Bouhoune, M. Menaa, and A. Larabi, “Application of EKF to parameters estimation for speed sensorless vector control of twophase induction motor,” in Electrical Machines and Power Electronics and 2011 Electromotion Joint Conference (ACEMP), 2011 International Aegean Conference on, 2011, pp. 357-361. [11] S. Aksoy, A. Muhurcu, and H. Kizmaz, “State and parameter estimation in induction motor using the Extended Kalman Filtering algorithm,” in Modern Electric Power Systems (MEPS), 2010 Proceedings of the International Symposium, 2010, pp. 1-5. [12] A. A. Jaramillo Matta, L. Guasch Pesquer, and E. Franco Mejía, “Estimación de Parámetros Invariantes Para un Motor de Inducción,” Dyna vol. 78 p. 7, 2011 2011. [13] R. E. Araujo, A. V. Leite, and D. S. Freitas, “Estimation of physical parameters of an induction motor using an indirect method,” in Revista

IEEE International Symposium on Industrial Electronics. ISIE 2002., 2002, pp. 535-540 vol.2. [14] A. Costa, G. Ciumbulea, N. Galán, and X. M. L. Fernández., “Cálculo de los parámetros del motor de inducción a partir de datos de catálogo,” Energía y Computación, 2004. [15] J. Pedra and F. Corcoles, “Estimation of induction motor double-cage model parameters from manufacturer data,” IEEE transactions on Energy conversion, vol. 19, pp. 310-317, 2004. [16] M. H. Haque, “Determination of NEMA Design Induction Motor Parameters From Manufacturer Data,” IEEE transactions on Energy conversion, vol. 23, pp. 997-1004, 2008. [17] L. Keun, S. Frank, P. K. Sen, L. G. Polese, M. Alahmad, and C. Waters, “Estimation of induction motor equivalent circuit parameters from nameplate data,” in North American Power Symposium (NAPS), 2012, 2012, pp. 1-6. [18] F. Córcoles, L. Guasch, P. Santibañez, and J. Pedra, “Estimación de parámetros en máquinas de inducción utilizando medidas de régimen permanente,” in SAAEI 98 Pamplona, 1998. [19] F. Corcoles, J. Pedra, M. Salichs, and L. Sainz, “Analysis of the induction machine parameter identification,” IEEE transactions on Energy conversion, vol. 17, pp. 183-190, 2002. [20] J. Stephan, M. Bodson, and J. Chiasson, “Realtime estimation of the parameters and fluxes of induction motors,” IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 30, pp. 746-759, 1994. [21] D. J. Atkinson, P. P. Acarnley, and J. W. Finch, “Observers for induction motor state and parameter estimation,” IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 27, pp. 1119-1127, 1991. [22] J. Willis, G. Brock, and J. Edmonds, “Derivation of induction motor models from standtill frequency response tests,” IEEE Trans. on EC, vol. 4, pp. 608-615, Dic. 1989 1989. [23] P. Pillay and R. Nolan, “Application of genetic algorithms to motor parameter determination for transient torque calculations,” IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 33, pp. 1273-1282, 1997. [24] J. Pedra, L.Sainz, and F. Córcoles, “Study of aggregate Models for Squirrel-Cage Induction Motors,” IEEE Trans. On Powre Systems, vol. 20, 2005.

UAN • ISSN 2145 - 0935 • Vol. 4 • No. 7 • pp 36-51 • julio - diciembre de 2013

• Efecto de las perturbaciones: huecos de tensión, desequilibrios de tensión y armónicos •

[25] J. Pedra and L. Sainz, “Parameter estimation of squirrel-cage induction motors without torque measurements,” IEE Proceedings Electric Power Applications, vol. 153, pp. 263-270, 2006. [26] J. Pedra, “Estimation of typical squirrel-cage induction motor parameters for dynamic performance simulation,” IEE Proceedings Generation, Transmission and Distribution, vol. 153, pp. 137-146, 2006. [27] A. Onea, V. Horga, C. Botan, and M. Albu, “Multitime Scale Approach to Induction Motor Parameter Estimation,” IEEE Trans. On energy Conversion, 2003. [28] X. Zhou and H. Cheng, “The Induction Motor Parameter estimation through an adaptative genetic algorithm,” in 39th International Universities Power Engineering Conference. vol. 39, 2004. [29] M. Cirrincione, M. Pucci, G. Cirrincione, and G. A. Capolino, “A new experimental application of least-squares techniques for the estimation of the induction motor parameters,” IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 39, pp. 1247-1256, 2003. [30] R. Jaramillo, Á. R, V. Cárdenas, and C. Nuñez, “Identification Of Induction Motor Parameter Using An Extended Kalman Filter,” in 1st International Conf. on Electrical and Electronics Engineering, 2004. [31] K. Wang, J. Chiasson, M. Bodson, and L. M. Tolbert, “A Non-Linear Approach for Identification of the Induction Motor Parameters,” IEEE Trans. On Automatic Control, vol. 50, 2005. [32] A. M. N. Lima, J. B. Jacobina, and E. B. d. s. Filho, “Nonlinear Parameter Estimation of Steady-State Induction Machine Models,” IEEE Trans. On Industrial Electronics, vol. 44, 1997. [33] P. Yong Hun, P. Kang Hyo, B. Seung Chul, and K. Young Ahn, “Sliding mode observer with parameter estimation for sensorless induction motor,” in TENCON 2010 - 2010 IEEE Region 10 Conference, 2010, pp. 37-41. [34] S. Rao, M. Buss, and V. Utkin, “Simultaneous State and Parameter Estimation in Induction Motors Using First- and Second-Order Sliding Modes,” Industrial Electronics, IEEE Transactions on, vol. 56, pp. 3369-3376, 2009.

Universidad Antonio Nariño - Revista Facultad de Ingenierías

[35] K. Sundareswaran, H. N. Shyam, S. Palani, and J. James, “Induction motor Parameter Estimation using Hybrid Genetic Algorithm,” in Industrial and Information Systems, 2008. ICIIS 2008. IEEE Region 10 and the Third international Conference on, 2008, pp. 1-6. [36] M. Cirrincione, G. Cirrincione, M. Pucci, and A. Jaafari, “The estimation of the induction motor parameters by the GeTLS EXIN neuron,” in Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2010 IEEE, 2010, pp. 1680-1685. [37] E. Rahimpour, V. Rashtchi, and M. Pesaran, “Parameter Identification of deep-bar induction motors using genetic algorithm,” SpringerVerlag, 2006. [38] A. Jaramillo-Matta, L. Guasch-Pesquer, L. Martinez-Salamero, and J. A. Barrado-Rodrigo, “Operating points estimation of three-phase induction machines using a torque-speed tracking technique,” Electric Power Applications, IET, vol. 5, pp. 307-316, 2010. [39] “IEEE Standard 1159-1995, IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality.,” New York, 1995. [40] UNE, “UNE-EN 50160:Características de la tensión suministrada por las redes generales de distribución,” Madrid, 2001. [41] M. H. J. Bollen, in Understanding Power Quality Problems:Voltage Sags and Interruptions: IEEE Press, 2000. [42] R. C. J. Alides and G. G. M. Angel, “análisis, modelado y control de un compensador estático para sistemas de distribución,” in Escuela de ingenierías eléctrica, electrónica y de telecomunicaciones bucaramanga: universidad industrial de santander, 2010, p. 162. [43] https://www.u-cursos.cl/ingenieria/2011/2/ EL5203/1/material.../384495, “Armonicos en las redes electricas,” Chile, 2011. [44] M. H. J. Bollen, M. Hilger, and C. Roxenius, “Effect of induction motors and other loads on voltage dips: theory and measurements,” IEEE, 2003. [45] L. Guasch, F. Corcoles, and J. Pedra, “Effects of Symmetrical and Unsymmetrical Voltage Sags on Induction Machines,” IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 19, pp. 774-782, 2004. [46] J. Pedra, F. Corcoles, and L. Sainz, “Effects of unsymmetrical voltage sags on squirrel-cage

• Adolfo Andrés Jaramillo Matta •

induction motors,” IET Generation Transmission & Distribution, vol. 1, p. 769, 2007. [47] L. Guasch, F. Corcoles, and J. Pedra, “Effects of unsymmetrical voltage sag types E, F and G on induction motors,” IEEE, 2000. [48] J. Pedra, L. Sainz, and F. Corcoles, “Effects of symmetrical voltage sags on squirrel-cage induction motors,” Electric Power Systems Research, vol. 77, pp. 1672-1680, 2007. [49] F. Corcoles and J. Pedra, “Algorithm for the study of voltage sags on induction machines,” IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 14, pp. 959-968, 1999. [50] J. C. Gomez, M. M. Morcos, C. A. Reineri, and G. N. Campetelli, “Behavior of induction motor due to voltage sags and short interruptions,” IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 17, pp. 434-440, 2002. [51] J. Pedra, I. Candela, and L. Sainz, “Modelling of squirrel-cage induction motors for electromagnetic transient programs,” IET Electric Power Applications, vol. 3, pp. 111-122, 2009. [52] A. A. Jaramillo Matta and L. Guasch Pesquer, Huecos de Tensión y sus Efectos en la Máquina de Inducción Trifásica vol. 1. Great Britain: Editorial Académica Española, LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG, 2011. [53] P. Aree, “Effects of Large Induction Motors on Voltage Sag,” in Power and Energy Engineering Conference (APPEEC), 2012 Asia-Pacific, 2012, pp. 1-4. [54] W. Zhijun, W. Xiaoyu, and C. Y. Chung, “An Analytical Method for Calculating Critical Voltage Sag Clearance Time of Induction Motors,” Power Delivery, IEEE Transactions on, vol. 27, pp. 2412-2414. [55] M. Ojaghi, J. Faiz, H. Shahrouzi, and S. Alimohammadi, “Induction motors performance study under various voltage sags using simulation,” in Electrical Machines and Systems (ICEMS), 2011 International Conference on, 2011, pp. 1-6. [56] F. Waskito and C. Banmongkol, “Simulation of the voltage sag effects on an induction motor,” in Consumer Electronics, Communications and Networks (CECNet), 2011 International Conference on, 2011, pp. 731-734. Revista

[57] Petronijevic, x, M., Veselic, B., Mitrovic, N., Kostic, V., and Jeftenic, “Comparative study of unsymmetrical voltage sag effects on adjustable speed induction motor drives,” Electric Power Applications, IET, vol. 5, pp. 432-442, 2011. [58] L. S. Patil and A. G. Thosar, “Application of D-STATCOM to mitigate voltage sag due to DOL starting of three phase induction motor,” in Control, Automation, Communication and Energy Conservation, 2009. INCACEC 2009. 2009 International Conference on, 2009, pp. 1-4. [59] Z. Jing, Z. Hui, and Q. Zhiping, “The study on a dual-feed-forward control of DVR to mitigate the impact of voltage sags caused by induction motor starting,” in Electrical Machines and Systems, 2008. ICEMS 2008. International Conference on, 2008, pp. 1497-1500. [60] S. Kato, C. Miao-miao, H. Sumitani, and R. Shimada, “Semiconductor Power Converterless Voltage Sag Compensator and UPS Using a Flywheel Induction Motor and an Engine Generator,” in Power Conversion Conference Nagoya, 2007. PCC ‘07, 2007, pp. 1680-1685. [61] M. Hedayati and N. Mariun, “Assessment of different voltage sags on performance of induction motors operated with shunt FACTS,” in Power Electronics and Drive Systems Technology (PEDSTC), 2012 3rd, pp. 483-489. [62] U. Jayatunga, S. Perera, and P. Ciufo, “Impact of mains connected three-phase induction motor loading levels on network voltage unbalance attenuation,” in Power System Technology (POWERCON), 2012 IEEE International Conference on, 2012, pp. 1-6. [63] A. Khoobroo, M. Krishnamurthy, B. Fahimi, and L. Wei-jen, “Effects of system harmonics and unbalanced voltages on electromagnetic performance of induction motors,” in Industrial Electronics, 2008. IECON 2008. 34th Annual Conference of IEEE, 2008, pp. 1173-1178. [64] S. X. Duarte and N. Kagan, “A Power-Quality Index to Assess the Impact of Voltage Harmonic Distortions and Unbalance to Three-Phase Induction Motors,” Power Delivery, IEEE Transactions on, vol. 25, pp. 1846-1854. [65] S. H. Kishan and S. P. Gupta, “Effect of voltage unbalance and stator inter turn short circuit on the characteristics of an induction motor,” in

UAN • ISSN 2145 - 0935 • Vol. 4 • No. 7 • pp 36-51 • julio - diciembre de 2013

• Efecto de las perturbaciones: huecos de tensión, desequilibrios de tensión y armónicos •

Power Electronics (IICPE), 2012 IEEE 5th India International Conference on, 2012, pp. 1-6.

IEEE 15th International Conference on, 2012, pp. 256-261.

[66] S. S. Refaat, H. Abu-Rub, M. S. Saad, E. M. Aboul-Zahab, and A. Iqbal, “Detection, diagnoses and discrimination of stator turn to turn fault and unbalanced supply voltage fault for three phase induction motors,” in Power and Energy (PECon), 2012 IEEE International Conference on, 2012, pp. 910-915.

[74] L. Guasch-Pesquer, L. Youb, F. GonzalezMolina, and E. R. Zeppa-Durigutti, “Effects of voltage unbalance on torque and current of the induction motors,” in Optimization of Electrical and Electronic Equipment (OPTIM), 2012 13th International Conference on, 2012, pp. 647-652.

[67] M. Bouzid and G. Champenois, “Accurate stator fault detection insensitive to the unbalanced voltage in induction motor,” in Electrical Machines (ICEM), 2012 XXth International Conference on, 2012, pp. 1545-1551. [68] L. El Menzhi and A. Saad, “Induction motor fault diagnosis using voltage Park components of an auxiliary winding - voltage unbalance,” in Electrical Machines and Systems, 2009. ICEMS 2009. International Conference on, 2009, pp. 1-6. [69] S. Das, P. Purkait, and S. Chakravorti, “Separating induction Motor Current Signature for stator winding faults from that due to supply voltage unbalances,” in Power and Energy in NERIST (ICPEN), 2012 1st International Conference on, 2012, pp. 1-6. [70] S. B. Singh, A. K. Singh, and P. Thakur, “Assessment of induction motor performance under voltage unbalance condition,” in Harmonics and Quality of Power (ICHQP), 2012 IEEE 15th International Conference on, pp. 256-261. [71] D. Mirabbasi, G. Seifossadat, and M. Heidari, “Effect of unbalanced voltage on operation of induction motors and its detection,” in Electrical and Electronics Engineering, 2009. ELECO 2009. International Conference on, 2009, pp. I-189-I-192. [72] D. L. R. Hollanda, M. L. S. Almeida, J. M. Matos, and A. L. F. Filho, “Comparative evaluation between computational models for representing the three-phase induction motor subjected to voltage unbalance,” in Transmission and Distribution: Latin America Conference and Exposition (T&D-LA), 2012 Sixth IEEE/PES, 2012 pp. 1-7. [73] S. B. Singh, A. K. Singh, and P. Thakur, “Assessment of induction motor performance under voltage unbalance condition,” in Harmonics and Quality of Power (ICHQP), 2012

Universidad Antonio Nariño - Revista Facultad de Ingenierías

[75] Y.-J. Wang, M.-H. Lee, and S.-W. Sung, “Analytical modeling of pulsating torques of induction motors caused by supply voltage unbalance,” in Utility Exhibition on Power and Energy Systems: Issues & Prospects for Asia (ICUE), 2011 International Conference and, pp. 1-6. [76] P. Hong-Geuk, A. G. Abo-Khalil, L. DongChoon, and S. Kwang-Myoung, “Torque Ripple Elimination for Doubly-Fed Induction Motors under Unbalanced Source Voltage,” in Power Electronics and Drive Systems, 2007. PEDS ‘07. 7th International Conference on, 2007, pp. 1301-1306. [77] E. B. Agamloh, S. Peele, and J. Grappe, “A comparative analysis of voltage magnitude deviation and unbalance on standard and premium efficient induction motors,” in Pulp and Paper Industry Technical Conference (PPIC), Conference Record of 2012 Annual IEEE, 2012, pp. 1-8. [78] K. Kraikitrat and S. Ruangsinchaiwanich, “Thermal effect of unbalanced voltage conditions in induction motor by FEM,” in Electrical Machines and Systems (ICEMS), 2011 International Conference on, 2011, pp. 1-4. [79] D. Springer, E. Stolz, and E. Wiedenbrug, “Experimental analysis of industry standards on derating of a three-phase induction motor due to thermal stress caused by voltage unbalance,” in Energy Conversion Congress and Exposition, 2009. ECCE 2009. IEEE, 2009, pp. 1304-1308. [80] E. C. Quispe, X. M. Lopez-Fernandez, A. M. S. Mendes, A. J. Marques Cardoso, and J. A. Palacios, “Experimental study of the effect of positive sequence voltage on the derating of induction motors under voltage unbalance,” in Electric Machines & Drives Conference (IEMDC), 2011 IEEE International, 2011, pp. 908-912.

• Adolfo Andrés Jaramillo Matta •

[81] A. Ceban, V. Fireteanu, R. Romary, R. Pusca, and P. Taras, “Finite element diagnosis of rotor faults in induction motors based on low frequency harmonics of the near-magnetic field,” in Diagnostics for Electric Machines, Power Electronics & Drives (SDEMPED), 2011 IEEE International Symposium on, 2011, pp. 192198. [82] A. Chiba and J. A. Santisteban, “A PWM Harmonics Elimination Method in Simultaneous Estimation of Magnetic Field and Displacements in Bearingless Induction Motors,” Industry Applications, IEEE Transactions on, vol. 48, pp. 124-131, 2012. [83] M. Naim, B. Singh, S. P. Singh, and J. Singh, “Improvement of power factor and reduction of harmonics in three-phase induction motor by PWM techniques: A literature survey,” in Sustainable Energy and Intelligent Systems (SEISCON 2011), International Conference on, 2011, pp. 529-538. [84] P. N. Reddy, J. Amarnath, and P. L. Reddy, “Hybrid random PWM algorithm for direct torque controlled induction motor drive for reduced harmonic distortion,” in India Conference (INDICON), 2011 Annual IEEE, 2011, pp. 1-5. [85] W. Yongxing, W. Xuhui, G. Xinhua, Z. Feng, and C. Wei, “Vector control of induction motor based on selective harmonic elimination PWM in medium voltage high power propulsion system,” in Electric Information and Control Engineering (ICEICE), 2011 International Conference on, 2011, pp. 6351-6354. [86] K. Yamazaki and S. Kuramochi, “Additional harmonic losses of induction motors by PWM inverters: Comparison between result of finite element method and IEC/TS 60034,” in Electrical Machines (ICEM), 2012 XXth International Conference on, pp. 1552-1558. [87] O. Duque-Perez, D. Morinigo-Sotelo, and M. Perez-Alonso, “Diagnosis of induction motors fed by supplies with high harmonic content using motor current signature analysis,” in Power Engineering, Energy and Electrical Drives (POWERENG), 2011 International Conference on, 2011, pp. 1-6. [88] K. Yamazaki, A. Suzuki, M. Ohto, and T. Takakura, “Harmonic loss and torque analysis

Revista

of high speed induction motors,” in Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2011 IEEE, 2011, pp. 146-153. [89] L. Ching-Yin, L. Yuan-Jui, and C. Chao-Rong, “The effect of harmonic phase angle on the operation performance of a three-phase induction motor,” in Power Engineering Society Summer Meeting, 2000. IEEE, 2000, pp. 24992505 vol. 4. [90] J. Grajales, J. Ramírez, and D. Cadavid, “Efectos de los armónicos en los motores de inducción: una revisión,” Revista Facultad de Ingeniería, vol. 31, pp. 116-123, 2004. [91] M. R. Subbamma, V. M. Sudhan, K. S. R. Anjaneyulu, and P. Sujatha, “Design aspects and analysis for higher order harmonic mitigation of power converter feeding a vector controlled Induction motor drives,” in Advances in Engineering, Science and Management (ICAESM), 2012 International Conference on, 2012, pp. 282-287. [92] W. Tiejun, F. Fang, W. Xusheng, and J. Xiaoyi, “Novel Filter for Stator Harmonic Currents Reduction in Six-Step Converter Fed Multiphase Induction Motor Drives,” Power Electronics, IEEE Transactions on, vol. 28, pp. 498-506, 2013. [93] V. Fireteanu and P. Taras, “Influence of the magnetic steel encasing of induction motors on the efficiency of the rotor faults diagnosis based on the harmonics of the coil sensors output voltage,” in Electrical Machines (ICEM), 2012 XXth International Conference on, 2012, pp. 1745-1750. [94] M. Sreedhar, N. M. Upadhyay, and S. Mishra, “Optimized solutions for an optimization technique based on minority charge carrier inspired algorithm applied to selective harmonic elimination in induction motor drive,” in Recent Advances in Information Technology (RAIT), 2012 1st International Conference on, 2012, pp. 788-793. [95] A. Ukil, “Time-domain estimation of subharmonic sinusoidal disturbance in sinusoidal signal with applications in induction motor diagnostics,” in Electrical Machines (ICEM), 2012 XXth International Conference on, 2012, pp. 1899-1905.

UAN • ISSN 2145 - 0935 • Vol. 4 • No. 7 • pp 36-51 • julio - diciembre de 2013

• Diseño, construcción y automatización de un sistema de calibración de peso entre 100g a 500g •

Control y Automatización

Diseño, construcción y automatización de un sistema de calibración de peso entre 100g a 500g, según la NTC 1848:2007 Design, construction and automation of a calibration system of weights between 100g and 500g, according to NTC 1848:2007 Camilo A. Soto*, John F. Corredor**, Adolfo Jaramillo***, Diana M. Marulanda****

Abstract Nowadays automation has an important place in metrology, because allows to improve the quality of the measurement results. This paper presents the design, construction and automation of a system for calibration of weights between 100 g and 500 g, which consists of an artificial vision system employed to determinate the standard and test masses. A rail system guided by a control loop performs weighting and comparison cycles; the data obtained is exported to a spreadsheet program in such way that at the end of the process it is possible to directly print the calibration certificate for each weight. The system reduces some errors generated by handling of the operators, such as eccentricity (incorrect weight placement), repeatability (force used to place the weights on the scale) and heat transfer from operator to weights. The system construction has been made inside of a climatic chamber, thereby the problems caused by temperature and humidity changes will be reduce significantly, decreasing the uncertainty by air buoyancy. This system offers an alternative to calibration systems used today, which improves weight calibration (measurement, accuracy and precision), decrease operative time, acquisition and maintenance costs because it reduces the space to be controlled and automates most of the manual process Keywords: Metrology, calibration, artificial vision, uncertainty. Fecha Recibido: 2013-08-19 Fecha Aprobado: 2013-10-14 * Universidad Antonio Nariño, camsoto@uan.edu.co ** Universidad Antonio Nariño, johcorredor@uan.edu.co *** Ph.D., Ph.D., Universidad Distrital, Grupo LIFAE,CIDC, Universidad Distrital Francisco José de Caldas, ajaramillom@udistrital.edu.co., **** PhD, Ing. Electrónico, Universidad Antonio Nariño, dmarulanda@uan.edu.co

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• Camilo A. Soto, John F. Corredor, Adolfo Jaramillo, Diana M. Marulanda •

Resumen Actualmente la automatización juega un papel importante en el campo de la metrología, dado que permite aumentar la calidad de los resultados de las mediciones. En este artículo se presenta el diseño, construcción y automatización de un sistema de calibración de pesas entre 100g y 500g, constituido por un sistema de visión artificial para determinar la masa prueba y la masa patrón. Un sistema de rieles guiados por un lazo de control realizan el ciclo de pesaje y comparación; los datos obtenidos se exportan a una hoja de cálculo para imprimir el certificado de calibración al terminar el proceso. Todo el proceso sigue la normativa técnica colombiana 1848:2007. El sistema reduce algunos errores generados por la manipulación humana, entre estos: excentricidad (ubicación incorrecta de masas), repetibilidad (fuerza con que se ubica la pesa sobre el platillo), y transferencia de calor del operario hacia las masas. La construcción del sistema se realiza al interior de una cabina de ambiente controlado, por lo tanto los problemas generados por los cambios de temperatura y humedad relativa serán reducidos significativamente, disminuyendo la incertidumbre por empuje de aire. Con este sistema se ofrece una alternativa a los sistemas de calibración existentes actualmente, que mejora la calidad en la calibración (exactitud y precisión en la medición), disminuye tiempos de operación y reduce costos de adquisición, adecuación y mantenimiento, ya que se reduce el espacio controlado y se automatiza gran parte del proceso manual. Palabras clave: Metrología, Calibración, visión artificial, incertidumbre.

1. Introducción Cada día la automatización asiste a más sectores de la industria, y en especial la metrología en todo lo referente a instrumentos de pesaje. Los avances han sido presentados como modelos de utilidad y su potencial aumenta cada día, puesto que la metrología es una disciplina que cada vez gana más terreno e importancia en la industria por su aporte a la productividad y a la calidad de los productos y procesos [1]. Actualmente el proceso de calibración de pesas se realiza siguiendo la norma Icontec NTC 1848:2007 [2], que recomienda el método de doble sustitución, el cual está basado en [3]. El objetivo de este método es determinar la masa convencional de una pesa muestra, comparando la fuerza gravitacional que ésta pesa ejerce sobre un plato receptor de carga de una balanRevista

za, con la fuerza ejercida por la pesa patrón del valor nominal correspondiente. El procedimiento de calibración se conoce como método ABBA, o doble sustitución ya que se realiza la siguiente secuencia [2]: • Se coloca la pesa patrón sobre la balanza, se toma el dato y se retira. • Se coloca la pesa muestra sobre la balanza, se toma el dato y se retira. • Se coloca de nuevo la pesa muestra sobre la balanza, se toma el dato y se retira. • Se coloca de nuevo la pesa patrón sobre la balanza, se toma el dato y se retira. La norma NTC 1848:2007 [2] estipula que el número de veces que se repite esta secuencia depende de la clase de la pesa muestra. Si la

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• Diseño, construcción y automatización de un sistema de calibración de peso entre 100g a 500g •

pesa muestra es clase M (exactitud media), la secuencia se debe repetir 2 veces o más; si dicha muestra es tipo F (exactitud fina), la secuencia debe repetirse 3 veces o más y si la muestra es clase E (exactitud especial), el número de repeticiones de la secuencia debe ser mínimo 5. Estas repeticiones son necesarias para tener suficientes datos y poder realizar el tratamiento estadístico que determina si la pesa cumple con los errores máximos permitidos (EMP). El proceso de calibración depende enteramente de la agilidad, experiencia y disposición del operario que realiza el procedimiento. Esto genera algunos problemas en el proceso: • Requiere tiempos de calibración muy largos. • Aumento de la incertidumbre en la medición, causado por la transferencia de calor desde el operario hacia las masas muestra. • No es posible asegurar que el operario coloque las pesas exactamente en la misma posición sobre el platillo de la balanza, lo cual genera un error de excentricidad que disminuye la calidad de la calibración. • La repetibilidad del proceso disminuye debido a que el operario no coloca con la misma fuerza las pesas tanto muestra como patrón sobre el platillo de la balanza, excitando de diferente manera el elemento sensor entre una prueba y otra. El único sistema automático que actualmente existe para realizar este procedimiento minimizando estos problemas se conoce como comparador de masas [4],[5], el cual se utiliza para determinar las diferencias entre las masas de calibración y un peso de referencia; este sistema es utilizado principalmente por los laboratorios de calibración de pesas y masas. El comparador está diseñado para realizar la calibración de pesas en clases E, F, y M, pero solo soportan un valor nominal. Este comparador está constituido por 2 componentes: un módulo electrónico y un preciso sistema de medida mecánico, que garantiza la eliminación de la influencia de la temperatura en los indicadores del compa-

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rador. El comparador se ubica dentro de una cabina fabricada de vidrio o metal, para evitar la influencia de energía electrostática y de calor (provenientes del módulo de electrónica de potencia) en los resultados del peso. Tanto la cabina como el comparador se deben ubicar en un cuarto controlado en temperatura y humedad para asegurar que las condiciones ambientales sean las requeridas por la NTC 1848:2007. De acuerdo a otros trabajos realizados y experiencias industriales [1],[2], los principales problemas que presentan estos equipos, y cuya solución se propone en este trabajo son: • El comparador es muy costoso y difícil de conseguir, lo que conlleva a que únicamente los grandes laboratorios nacionales puedan costearlo. • El sistema se debe adecuar cuando se hace un cambio de valor nominal en la masa muestra, lo que conlleva a pérdidas de tiempo. Estos comparadores deben operar en un cuarto controlado y por tanto los costos aumentan significativamente; adicionalmente, el mantenimiento y respaldo técnico de estos equipos en nuestro país es muy limitado, ya que esta tecnología aún no ha sido suficientemente difundida y generalmente es necesario importar tanto los repuestos como el servicio de mantenimiento. De acuerdo a lo anterior, en este trabajo se presenta un sistema automático de calibración de pesas que disminuye los errores causados por la intervención humana y reduce significativamente el tiempo de duración del proceso, adicionalmente puede realizar la calibración de múltiples pesas de diferente valor nominal simultáneamente y a un costo inferior que los sistemas disponibles en el mercado.

2. Materiales El sistema diseñado está compuesto por los siguientes elementos: 1.Cabina, 2.Carro longitudinal, 3.Balanza digital, 4.Carro de izaje, 5.Plataforma giratoria, 6.Bomba de vacío, 7.Cámara

• Camilo A. Soto, John F. Corredor, Adolfo Jaramillo, Diana M. Marulanda •

Fig. 1. Sistema de calibración

rango entre 0 y 600 gramos y una resolución de 0.01 g, adicionalmente tiene un puerto de comunicación serial RS-232, que permite realizar el envío de datos hacia un PC que se encarga de emitir el certificado de calibración. El carro de izaje (4) se encarga de posicionar las pesas sobre la balanza, consta de un motor paso a paso que gira un tornillo con rosca cuadrada para subir y bajar una placa que iza un eje cuyo sistema de sujeción para levantar la pesa es una ventosa.

Fig. 2. Despiece

El motor paso a paso se encarga de girar una plataforma (5) que soporta las tres pesas patrones, la función de este sub-conjunto es posicionar la pesa patrón y la pesa muestra del mismo valor nominal frente a frente, paralelo al carro longitudinal para empezar el proceso de comparación. La bomba de vacío (6) es la encargada de generar la presión negativa, hasta -16 pulgadas de mercurio, que es la presión necesaria para que la ventosa se adhiera a la pesa y pueda ser levantada durante el proceso de calibración. Finalmente, la cámara digital es la encargada de determinar cuál es la masa muestra presente en el sistema, esto para enviar el dato necesario para posicionar la plataforma giratoria con la masa patrón correspondiente para iniciar el proceso de calibración por comparación.

3. Metodología

La cabina (1) consta de un marco en acero con paredes en acrílico para aislar el sistema del entorno, ayudando a mantener las condiciones ambientales idóneas para el proceso de calibración. El carro longitudinal (2) está conformado por un sistema de poleas y correa sincrónicas que movidas por un motor paso a paso se encargan del desplazamiento longitudinal de las pesas al interior de la cabina, asegurando un posicionamiento preciso. La balanza (3) es el medio de comparación entre la masa patrón y la masa bajo prueba, tiene un Revista

En esta sección se presenta una descripción detallada de los pasos a seguir para realizar la calibración de las pesas. (Ver Fig. 3). El alistamiento del sistema corresponde a la ubicación de la pesa muestra en la posición correspondiente, a partir de este momento el sistema inicia el registro de la temperatura al interior de la cabina para asegurar que las condiciones ambientales correspondan con las indicadas por la norma NTC 1848:2007. La pesa debe permanecer al menos dos horas al interior de la cabina para asegurar que ha alcanzado el equilibrio térmico. Posteriormente se realiza la adquisición de la imagen y la segmentación correspondiente para determinar el valor nominal de la pesa muestra

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para así comprobar que se cuenta con el patrón adecuado para la calibración. La plataforma giratoria se activa hasta ubicar la pesa patrón en posición para iniciar la calibración. En este punto se evalúa si la temperatura ha sido estable durante el tiempo de estabilización y se procede a seleccionar el ciclo de calibración correspondiente a la clase de exactitud de la pesa. Adicionalmente se evalúa que la balanza se encuentre encendida durante media hora antes de iniciar el ciclo de calibración.

Fig. 3. Diagrama de flujo del sistema de calibración

Si las condiciones descritas anteriormente se cumplen, se inicia el proceso de comparación siguiendo el método de doble sustitución (Método ABBA), para lo cual el carro longitudinal se desplaza hasta ubicarse sobre la pesa patrón. Al detenerse un tornillo sin fin gira para desplazar hacia abajo el carro de izaje, el cual cuenta con una ventosa para sostener la pesa. Cuando la ventosa está en posición se activa una bomba de vacío y el carro de izaje vuelve a su posición superior, acto seguido el carro longitudinal transporta la pesa hasta el centro de la balanza, para liberarla de forma suave y controlada. Cuando la balanza alcanza una lectura estable envía el valor leído de peso a una hoja de cálculo donde se almacena. Luego se repite la secuencia anterior para llevar la pesa patrón a la plataforma giratoria de donde fue retirada. Este mismo ciclo se realiza para llevar la pesa muestra a la balanza y se repite hasta 10 veces de acuerdo a lo indicado en NTC 1848:2007. Al finalizar todos los ciclos de medición, se inicia el tratamiento estadístico de los datos obtenidos para así determinar la masa convencional de la pesa muestra y la incertidumbre asociada a la calibración.

Tratamiento de datos Con los datos se obtienen cuatro valores por cada ciclo, se repite n veces dependiendo de la clase de exactitud de la pesa bajo prueba. Con los valores obtenidos se realizan las siguientes operaciones dictadas por la norma [2]. Inicialmente se calcula la diferencia (valor medio) de indicación, a partir de los valores obtenidos del patrón y de la muestra así:

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I m− p =

I m1 + I m 2 − I p1 − I p 2 2

(1)

Im Indicación masa muestra Ip Indicación masa patrón

Luego se calcula la diferencia de masa convencional ∆mc , entre la muestra mcn y la pesa de referencia mcp así:

∆mc = mcn - mcp

(2)

∆mc = I m-p - mcp Ci

(3)

Donde:

• Camilo A. Soto, John F. Corredor, Adolfo Jaramillo, Diana M. Marulanda • Para la incertidumbre estándar debido al instrumento de pesaje, U(ba) se aplica la siguiente formula en la cual se tiene en cuenta la combinación de la incertidumbre de la balanza, el error de excentricidad y el error debido a la resolución:

 1 1  (4) C i = ( ρ a − ρ 0 ) −  ρ  m ρ ref  ρ m = Densidad pesa muestra ρ ref = Densidad de referencia Ci = Flotabilidad del aire ρa : Densidad del aire ρo

 d1   d δ e   d 2  + = u 2 (ba )  2   12   6     

: 1,2 kg*m-3

El promedio de la diferencia de la pesa convencional

δe: error de excentricidad d1: diámetro de la pesa a calibrar d2: diámetro del receptor de carga de la balanza

∆mc

d: División de escala de la balanza

para n ciclos es:

∆mc=

(9)

1 n ∑ ∆mci (5) n i =1

La masa convencional de la muestra se calcula con la siguiente ecuación:

mcm = mcp + ∆mc

Para el cálculo de incertidumbre estándar combinada se aplica la ley de propagación de incertidumbres y calcula la incertidumbre estándar combinada así: uc (mcm = )

(6)

u (mcp ) 2 + u (δ m p ) 2 + u (Ci ) 2 + u (ba ) 2 (10)

La incertidumbre expandida se determina teniendo en cuenta los aportes dados por: el instrumento de pesaje, la masa patrón, la desviación de las lecturas y el empuje del aire.

El número efectivo de grados de libertad ν eff se determina mediante la fórmula de WelchSatterthwaite:

La incertidumbre estándar debido a la pesa convencional del patrón, U(mp), se obtiene de su certificado de calibración, y se divide en su factor de cobertura k.

ν eff =

u (m P ) =

U (7) k

La incertidumbre estándar debida a la corrección de flotabilidad del aire, U(CI) se calcula según lo descrito en el anexo C párrafo C.6.3 de la recomendación internacional OIML R 111-1 el cual se relaciona a continuación: 2   (ρ ref − ρ m ) 2 u ( ρm ) u 2 (Ci ) = mcp u ( ρ a ) + mcp (ρ a − ρ0 ) ρ ref ρ m ρ m4   2

[

]

+ mcp ( ρ a − ρ0 ) ( ρ a − ρ0 ) − 2 ( ρ al − ρ0 ) 

ρ a =Densidad del aire Revista

u 2 ( ρ ref ) 4 ρ ref

(8)

uc ( mcm )

  u ( b )   u ( m p )   u ( ∆m )4   a c  + A   (11) +    50   50   50     

La incertidumbre total expandida para una cobertura del 95,45%, está dada por la siguiente ecuación: U = 2 ⋅ uc (mcm )

(12)

U= Incertidumbre expandida Finalmente para cada pesa, la masa convencional mc, (determinada con una incertidumbre expandida) no debe diferir del valor nominal de la masa patrón, mo, por más de la diferencia del error máximo permisible (dm) y la incertidumbre expandida (U):

mo − (δm − U ) ≤ mc ≤ mo + (δm − U )

(13)

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• Diseño, construcción y automatización de un sistema de calibración de peso entre 100g a 500g •

Resultados Tabla 1. Resultados observados Valor Nominal

Incertidumbre declarada

Incertidumbre expandida

Corrección

Valor masa convencional

Max. error Permitido NTC 1848

100 g

±3.33 mg

±1.07 mg

-1.445

100 g - 1.4 mg

±5.0 mg

200 g

±3.33 mg

±0.94 mg

-0.432

200 g -0.43 mg

±10.0 mg

500 g

±8.33 mg

±2.43 mg

7.084

500 g + 7.08 mg

±25.0 mg

De acuerdo a los resultados observados Tabla 1., se comprobó que el sistema cumple con los requerimientos técnicos para realizar la calibración, adicionalmente la incertidumbre expandida es inferior al máximo permitido, lo cual es un indicador de la alta confiabilidad del sistema. El tiempo de calibración promedio observado de una pesa fue de 10 minutos luego de finalizar la estabilización Al usar el sistema por largos periodos de tiempo no se evidenciaron inconvenientes, no aumentó el calor al interior de la cabina y la estabilidad en el movimiento de las pesas fue permanente.

Conclusiones El sistema de calibración permite disminuir los errores generados por la manipulación humana, aumentó la repetibilidad, la reproducibilidad y la precisión, adicionalmente permite mantener la estabilidad y homogeneidad del ambiente al interior de la cámara lo cual aumenta la calidad de la calibración. Es una alternativa a los sistemas existentes actualmente, con las ventajas de ser más económica, sencilla, y es el único sistema totalmente portátil, para el cual el conocimiento técnico es menos exigente para su uso. La construcción de la cabina, aísla el sistema del ambiente y permite soportar los mecanismos de movimiento sin que estos aporten calor al momento de la calibración. Dado que el sistema es totalmente automático, se puede utilizar continuamente evitando los inconvenientes por trabajos repetitivos y fatiga de personal cuando realiza la misma tarea.

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Referencias [1] European Patent Office. Shandong Measurement Science Res Inst. Horizontal loading device 2012.[En línea] <http://worldwide.espacenet.com/publicationDetails/biblio?DB=EPODOC&II=6&N D=3&adjacent=true&locale=en_EP&FT=D &date=20120627&CC=CN&NR=20228496 9U&KC=U [Citado en 29 de septiembre de 2013] [2] Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación. Pesas de clases E1, E2, F1, F2, M1, M2. Parte 1: Requisitos metrológicos y técnicos. Generalidades. Bogotá.2007 (NTC 1848:2007) [3] Organisation Internationale de Métrologie Légale. Weights of Classes E1, E2, F1, F2, M1,M1-2 M2,M2-3, M3 Part 1: Metrological and Technical Requirements 2004 [4] Mettler Toledo. Catálogo de productos. [En línea] <http://co.mt.com/lac/es/home/ products/Laboratory_Weighing_Solutions/ Mass_comparators/Automated_mc.html> [Citado en 29 de septiembre de 2013] [5] Sartorius. Catálogo de productos. [En línea] http://www.sartorius.es/es/productos/laboratorio/; [Citado en 29 de septiembre de 2013]

Energía y Medio Ambiente

• Yecid Muñoz, Adalberto Ospino •

Energía y Medio Ambiente

Selecting the optimal energy mix and sizing of a isolated microgrid Selección de la combinación energética óptima y el tamaño de una microrred aislada Yecid. Muñoz*, Adalberto Ospino**

Abstract This paper presents a procedure resulting from a research that analyzed the strategies for energy supply and consumption criteria in order to get a optimal microgrid technically and economically. Is shown how the method was applied in a an isolated area in Necocli - Colombia, for which was obtained data on energy consumption and availability of renewable energy resources, supplied by the Planning Institute of IPSE energy solutions, responsible for energy supply to remote country areas keywords: Microgrid planning, energy mix, off-grid zones, Renewable Energy.

Resumen Este documento, presenta un procedimiento resultante de una investigación en la que se analizaron las estrategias y criterios de suministro y consumo para conseguir que una microred se planifique de manera óptima desde el punto de vista técnico como económico. Se muestra como se aplicó el procedimiento en una zona aislada de la red Necoclí – Colombia, para la cual se obtuvo datos de consumo energético y de disponibilidad de recursos energéticos renovables, suministrados por el Instituto de Planificación de Soluciones Energéticas IPSE, entidad responsable del suministro energético para zonas aisladas de este país. Palabras clave: Planificación microred, mix energético, zonas aisladas, energías renovables.

Fecha de recibido: 18 de agosto de 2013 Fecha de aceptación: 21 de octubre de 2013 * PhD. Energy Technology, Docente investigador Universidad Antonio Nariño, yecidmaldonado@uan.edu.co ** Ms.C. Docente investigador Corporación Universitaria de la Costa – CUC, aospino8@cuc.edu.co Revista

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• Selecting the optimal energy mix and sizing of a isolated microgrid •

1. Introducción Los actuales y continuos avances obtenidos en el campo de la generación a pequeña escala y almacenamiento eléctrico han propiciado cambios en la forma en que en las últimas décadas se había concebido la generación y distribución de energía (IEA 2002) [1], retomando vigencia el concepto de generación distribuida (GD). En extensos estudios, diversos investigadores [1 - 7] discuten acerca de las ventajas de la GD en aspectos de eficiencia [3], flexibilidad, interconexión con redes de distribución, niveles de emisión [3, 7] e inversiones por instalación y costos de mantenimiento y funcionamiento [1, 8 - 10], en donde se resaltan generalmente aspectos que identifican a la GD como una alternativa con grandes proyecciones para diversos nichos de mercado [11], que demandan consumos inferiores a los 10 MW y/o ciertos requerimientos especiales de generación y distribución. Dentro de estos nichos de mercado, de acuerdo al contexto de este estudio, cabe resaltar aquellas áreas rurales apartadas, para las cuales el acceso a la interconexión eléctrica con las tecnologías de generación, transporte y distribución tradicionales, resulta una inversión elevada, tanto para capitales públicos como privados. La aplicación de generadores individuales distribuidos puede causar tantos problemas como los que podría resolver, por lo tanto, el gran potencial de la GD puede ser mejor captado por la organización de estos recursos en microredes, esto permitirá satisfacer las utilidades y necesidades de los clientes de manera óptima. La conexión de pequeñas unidades de generación o “microsources” (MS), con potencias del orden de pocas decenas de kilovatios a redes de bajo voltaje presenta el potencial de incrementar la fiabilidad a los clientes finales y brindar beneficios adicionales para operación y planificación del sistema global, como la reducción respecto a la inversión para el futuro refuerzo y ampliación de la red. En este contexto, una microred puede ser definida como una red de bajo voltaje, (ej, una pequeña red de área urbana, un centro comercial, un parque industrial o una pequeña

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población), con sus respectivas cargas, sistemas de generación modular MS y unidades de almacenamiento energético DS, conectados a esta, y controlados de para suministrar energía (eléctrica y/o térmica) de manera fiable y eficiente a las cargas locales [12], tal como se representa en el diagrama de bloques de la Fig.1. Fig. 1. Esqema general de una microred

En este caso, como en todo proyecto de gestión tecnológica, los procesos de asimilación y adaptación de la tecnología a las condiciones locales se hacen tan necesarios como el uso tecnológico mismo, de manera que se puedan optimizar y racionalizar las inversiones y los alcances de estas alternativas. Este documento usa el software HOMER, para realizar una planificación óptima de la microred, de manera que cumpla las necesidades energéticas de las cargas, al menor costo económico en la vida del proyecto.

2. Metodología de planificación energética propuesta La metodología que aquí se presenta, pretende abarcar un concepto más amplio en lo referente a la planificación de soluciones energéticas, teniendo como objetivo principal la selección de las fuentes de generación que se adapten de manera más adecuada a los recursos energéticos y la demanda de la zona; mediante los aspectos que conlleven al éxito de la solución energética, la optimización de sus recursos, y el ajuste optimo del par generación-demanda (Fig.2).

• Yecid Muñoz, Adalberto Ospino •

Fig. 2. Metodología de planificación de microred propuesta.

En el segundo paso de la metodología propuesta, se analiza los diferentes tipos de recursos naturales a considerar en la zona aislada, que puedan ser usados para la generación de energía mediante el uso de sistemas de generación por energías renovables. Antes de entrar en los análisis detallados que aquí se plantean, es necesario hacer una preselección de menor detalle, con el objetivo de descartar tecnologías que definitivamente no puedan ser viables en la zona, así por ejemplo, en zonas desérticas u otras donde se carezca de recurso hídrico natural no se contemplará la opción de utilizar mini hidráulica, en zonas de alta pluviosidad y pocas horas de sol no se debe contemplar la energía solar, etc., de esta manera se empezará a analizar detalladamente fuentes energéticas con una depuración previa.

En primer lugar se deberá calcular la energía que el usuario necesitará diariamente. Para ello se deberá determinar la potencia de todos los aparatos de que constará la instalación, individualmente, junto con el tiempo medio de uso de cada uno de ellos. En caso de duda, tanto la potencia como el tiempo medio de uso se deberán redondear hacia arriba para dar un margen de diseño. Posteriormente se procederá a calcular los consumos por unidad de tiempo. La base es calcular consumo medio diario (Wh). Este es el consumo producido en media en un día cualquiera, para calcularlo se deberá sumar los productos de la potencia nominal de cada elemento (W), por el tiempo de uso diario (h/ dia). Una vez obtenido este consumo, es posible calcular consumos como el medio mensual, el consumo total anual, y el medio anual. Para diseñar el sistema de generación un imput fundamental es la curva de caga o perfil de carga horario donde se represente en cada instante de tiempo cual será la demanda de la microred durante el día. Esta curva de carga estará basada en el cuadro de consumo, habrá que realizar una hipótesis de perfil según las tendencias planteadas por los usuarios. Revista

Una vez preseleccionadas las fuentes viables, se pasa a analizar el potencial energético de manera detallada. Se ha encontrado que en las zonas aisladas de Colombia, los recursos que se encuentran en mayor proporción son el eólico, el solar, y la biomasa; por lo tanto, se presenta un análisis detallado sobre cómo determinar el potencial energético para cada una de estos tres tipos de fuentes. En la tercera fase de la metodología, merece considerarse que desde el punto de vista medioambiental, lo ideal es obtener un sistema de generación que cuente únicamente con energías renovables. Sin embargo, pasando al campo técnico-económico, merece mencionar que dependiendo de los recursos naturales con que se cuente para tal fin, y recordando que las fuentes renovables son en su mayor parte intermitentes, suele ser necesario considerar energías convencionales para que el mix energético ofrezca la estabilidad y calidad de energía necesaria, así como la viabilidad económica esperada. El elemento más común a considerar en este tipo de mix energético es el generador diesel, gracias a su eficiencia, sus costos asociados y su estabilidad en generación, así como la respuesta para el control de frecuencia. Por lo tanto, se deberá considerar la posibilidad de usar generadores convencionales en los

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posibles escenarios que se planteen para la conformación del mix energético. Este análisis debe considerar los costos asociados, y la facilidad de conseguir y transportar los combustibles (gasóleo y gasolina), que son la energía primaria para este tipo de sistemas de generación. Como resultado del trabajo realizado hasta este punto, se debe elaborar un listado de las fuentes energéticas encontradas viables, preferiblemente rankeadas según se haya observado su viabilidad, dando un primer lugar a las renovables y un segundo a las convencionales. Para poder evaluar la combinación más viable en el mix energético, será necesario haber definido los costos asociados a cada una de las fuentes consideradas como viables, así como a los posibles sistemas de almacenamiento. Para el dimensionado de los elementos de generación que se pueden utilizar, el punto de partida será un sondeo del mercado para seleccionar una serie de unidades de generación y almacenamiento según las capacidades existentes comercialmente (paneles solares, generadores eólicos, generadores diesel, gasificadores de biomasa, baterías, etc.) para cada una de las fuentes energéticas preseleccionadas como viables a implementar en la zona, tanto renovables como convencionales, considerando como criterio, que estas unidades de generación y almacenamiento puedan suplir solas o combinadas con otras el total de la carga, en otras palabras el orden de magnitud en potencia como en autonomía a seleccionar estará dado por la curva de carga prevista; se asume que no es aconsejable plantear para las unidades de generación valores notablemente mayores en potencia a la potencia máxima presentada en dicha curva (sobre dimensionamiento excesivo). La última fase, selección del sistema con el mix energético de generación óptimo es la que mayor complejidad presenta dentro de la metodología, y en general dentro de cualquier proceso de determinación de suministro energético por medio de microredes, ya que aquí se debe tomar la decisión de seleccionar la configuración de suministro energético más viable considerando tanto el aspecto técnico como el económico.

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El procedimiento para llegar a este mix óptimo, consiste en conocer la respuesta técnico-económica de diferentes configuraciones generaciónalmacenamiento de las unidades que se han preseleccionado para aprovechar las fuentes de mayor potencial energético en la zona, identificar las más óptimas, y contemplar diferentes escenarios para hallar la más adecuada aún frente a la presumible desviación de determinadas variables. Para conseguirlo, se debe aplicar los procesos de simulación, optimización y análisis de sensibilidad. El proceso de simulación determina como una configuración particular del sistema, es decir una combinación de unidades de generación y almacenamiento de tamaños específicos, y una estrategia de operación que defina la interacción de estos componentes, podría comportarse en una condición dada sobre el tiempo de vida estimado para el proyecto. En la optimización se busca encontrar cuál de estas configuraciones es la más óptima, de esta manera es un análisis depurado que considera las configuraciones viables técnicamente; esto involucra decidir sobre el mix de componentes que el sistema podría contener, el tamaño o cantidad de cada componente, con la estrategia de despacho que el sistema debería adoptar. Usualmente se considera el aspecto económico de la microred para la realización de este diseño; esto es realizado mediante la minimización el costo del proyecto durante su tiempo de vida, es decir del Costo Presente Neto (acrónimo en inglés NPC), que corresponde al opuesto del conocido Valor Presente Neto (VPN) es decir lo único de lo diferencia con el VPN es el signo, el NPC incluye todos los costos e ingresos que ocurren dentro del tiempo de vida del proyecto, con los futuros flujos de caja descontados al presente. El NPC calculado debe incluir los costos iniciales de los componentes del sistema, el costo de cualquier reemplazo en el sistema que ocurra en el tiempo de vida del proyecto, los costos de mantenimiento y combustible, y en caso de microredes conectadas a red (que no son el caso de este análisis), incluirá los costos de compra de energía a la red; cualquier ingreso por venta de energía será descontado del NPC, esto último es

• Yecid Muñoz, Adalberto Ospino •

especialmente orientado al caso en que los usuarios finales paguen por su consumo de energía. El software HOMER al realizar la optimización entrega un ranking de las configuraciones viables de acuerdo a su costo presente neto, encabezado por la que menor NPC presente siendo esta la configuración óptima del sistema. El proceso de optimización llega a la configuración óptima, para un escenario que implica serie de entradas y consideraciones específicas. Sin embargo, el escenario analizado puede variar, puesto que consideraciones como el precio del combustible para los generadores, la velocidad del viento, las tasas de interés etc; son sensibles a fluctuar en el tiempo y que implican un riesgo al proyecto. Por este motivo, es necesario realizar un análisis de sensibilidad, que consiste en efectuar varios procesos de optimización, modificando los valores de las variables sensibles de tal manera que se pueda determinar que configuración de unidades de generación y almacenamiento es óptima bajo cada condición, de esta manera se controla la incertidumbre y se reduce el riesgo en el proyecto.

tividades de diversa índole (turismo, pesca, etc). Tales impactos se pueden mitigar aprovechando esta madera para la producción de energía a fin de brindar a la comunidad suministro energético y resolver el problema de contaminación visual y medioambiental que se inducen, ya que al verse las playas cubiertas de residuos, la población procede a disponer de estos quemándolos, con el respectivo impacto sobre medio ambiente y la calidad de vida de la comunidad. La investigación sobre esta zona permite obtener resultados fiables ajustados a las condiciones y necesidades reales. Para contar con una idea de la situación geográfica de la zona, se presenta la figura 3, esta es la imagen desplegada por la aplicación de datos atmosféricos de la Nasa, al situar la zona para la obtención de los datos meteorológicos que se utilizan en el desarrollo de este capítulo. Fig. 3. Situación geográfica de la zona aislada en estudio (NASA).

3. Aplicación de la metodología de planificación energética propuesta De acuerdo con las características que se presentan acontinucación, se ha decido aplicar la metodología a la zona de la vereda Nueva Pampa, corregimiento del Totumo, Municipio de Necoclí. Este municipio de la costa colombiana, ubicado en el Golfo de Urabá, pertenece al departamento de Antioquia y limita con los Municipios de Turbo, Arboletes y San Juan de Urabá; su población presenta un problema de acumulación de madera residual, proveniente principalmente del río Atrato, que desemboca ensus playas. De esta manera, se presenta una gran oportunidad de impactar positivamente tanto en la comunidad como en el medio ambiente, dada la alta suficiencia de biomasa que se deposita en las playas, produciendo impactos negativos, especialmente sobre la población que realiza acRevista

A. Caracterización e identificación de necesidades energéticas. Se ha aplicado los pasos de la Metodología, para obtener el consumo medio diario estimado para la zona, tal como se presenta en la Tabla 1, en esta estimación se ha dejado un margen para actividades comerciales e industriales que surjan tras la aplicación de la solución energética.

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• Selecting the optimal energy mix and sizing of a isolated microgrid • Tabla I. Calculo de la demanda de la zona

Para determinar las velocidades medias mensuales del viento y la velocidad media anual en la zona, se ha recurrido a la base de datos de la Nasa, obteniendo la distribución de la Fig. 5. Fig. 5. Distribución de las velocidades de viento

Para la proyección de la curva de carga, se ha obtenido mediante consulta al operador de la red eléctrica de Colombia (la compañía XM), la curva de demanda diaria promedio de Colombia para un día laboral, expresada en porcentaje. Aplicando los porcentajes, a la demanda calculada en la tabla 1, se obtiene la curva de carga para la zona en estudio que se observa en la Fig 4.

Posteriormente, se modeló la frecuencia y velocidad del viento, aplicando la distribución de Weibull se obtuvo que el mejor ajuste corresponde a la distribución se muestra en la Fig. 6. Fig. 6. Distribución de las velocidades de viento.

Fig. 4. Curva de carga para la zona aislada en estudio

B. Determinación del potencial energético renovable En este apartado, se determina para la zona aislada, el potencial del recurso eólico, solar y de la biomasa residual procedente de la madera transportada por río Atrato, y depositada en las playas.

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Tras analizar la frecuencia de velocidades desplegadas en el modelo, se puede apreciar que prevalecen las velocidades comprendidas entre 1 y 3m/s, siendo estos valores poco convenientes en la generación eólica, para este tipo de velocidades se debe considerar turbinas de poca potencia (unos cuantos kilovatios). Este análisis, y la información obtenida son fundamentales para la selección de la turbina, y el cálculo de la energía generada mediante simulación en el software HOMER, que se desarrolla en el apartado correspondiente a la simulación de las posibles configuraciones de generación.

• Yecid Muñoz, Adalberto Ospino •

Para hallar la radicación solar media diaria sobre superficie horizontal, se ha determinado las coordenadas de la zona, y con estas se consultó en la base de datos de la NASA. Por ser una zona tropical no se presenta un marcado comportamiento estacional, hecho que se refleja en la figura 6. Fig. 6. Radiación sobre superficie horizontal.

La determinación del recurso de la biomasa, presenta para este caso una característica particular, estamos hablando de biomasa leñosa, pero no procedente de cultivos, actividades forestales ni madereras. La determinación del potencial de este tipo de recurso se realizó desarrollando un muestreo previo que permitió su tipificación y caracterización Fig.7. Una vez caracterizada la biomasa y observada su viabilidad energética, se planteó un segundo estudio que concluyera la disponibilidad teórica y la real. Finalmente, se detectó la gasificación como tecnología a utilizar, y se aplicó el rendimiento de esta tecnología para conocer la potencial producción energética.

De acuerdo con esto, se estimó un potencial para una producción de emergía de 83mW (e). De acuerdo con esto se consideraran gasificadores de biomasa en el mix energético.

C. Selección de fuentes viables y estimación e costos Se considera utilizar un generador diesel para el apoyo a la generación, sin embargo, dado que la generación por biomasa no es intermitente, existe la posibilidad de conseguir estabilidad en el sistema sin recurrir al generador. Considerando además los costos el combustible, los costos de almacenamiento, la distancias para obtenerlo del orden de 20Km, y la contaminación producida por esta fuente; se plantea como restricción limitar el consumo de diesel a 5000 Litros/año y la potencia a un máximo del 40% de la potencia nominal determinada en la curva de carga. Se incluirá dentro de la simulación un Generador Diesel de 11,2kW para cumplir las restricciones de potencia y consumo de combustible. Luego de evaluar el potencial energético, se ha decidido que se considerará como posibles candidatas para participar del mix energético se las mostradas en la Fig.8., aquí se observan los costos asociados a cada fuente. Fig. 8. Fuentes preseleccionadas y sus costos.

Fig. 7. Caracterización de la biomasa in situ (cortesía IPSE).

D. Selección del sistema con el mix energético óptimo Cuando se utiliza el software HOMER, la simulación y optimización se realizan paralelamente, la configuración del sistema simulado se puede observar en la Fig.9., aquí se incluye todas las alternativas de generación, almacenamiento; y la demanda, con sus correspondientes especificaciones técnicas. Para el bus DC, se define trabajar a 48V en lugar de 24V, a fin de reducir Revista

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• Selecting the optimal energy mix and sizing of a isolated microgrid •

Fig. 9. Esquema general del modelo simulado.

afectar la recolección o el transporte. El almacenamiento que plantea esta configuración de vital importancia, dada la intermitencia de la fotovoltaica. Fig. 10. Resultados del análisis de sensibilidad.

las pérdidas por efecto joule, así que las unidades se deben seleccionar para operar a esta tensión. La Fig 10. Muestra los resultados obtenidos de la optimización realizada con HOMER. Se puede concluir de manera parcial, que en este escenario el diseño más óptimo comprende dos gasificadores, un downdraft de 20kW y un updraft de 10kW, un inversor de 10kW, y 16 baterías (dos series de 8). Sin embargo es necesario hacer un análisis de sensibilidad previendo posibles escenarios. De acuerdo con la amplia participación de la biomasa en el mix energético óptimo, y la incertidumbre en su disponibilidad asociada a la característica innovadora de la obtención de la biomasa para este proyecto. El análisis de sensibilidad se ha realizado considerando variaciones en la disponibilidad diaria de biomasa (0,4-1 ton/día), y en su precio (30-60 $/t). Otra variable que se debe considerar es el cambio del precio del diesel, para esto, se ha realizo el análisis de sensibilidad en dos escenarios, a precios de 9,2$/L, y 1,7$/L. Ver Fig11. Revisando el análisis de sensibilidad, se puede concluir, que la configuración más versátil, es la tercera, es decir la que involucra fotovoltaica, ya que permite responder a los precios de subida de precio de la biomasa, y del diesel; así como a cualquier escasez de biomasa que se pudiese presentar, asociada especialmente a la novedad de la aplicación, las técnicas rudimentarias de transporte y potenciales eventos que puedan

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Fig. 11. Resultados del análisis de sensibilidad.

• Yecid Muñoz, Adalberto Ospino •

Agradecimientos Al instituto de planificación de soluciones energéticas IPSE de Colombia, quien aportó información, y financió el proyecto de biomasa en Necoclí.

Conclusiones Este documento aporta el desarrollo y la aplicación práctica de una metodología de planificación de soluciones de suministro energético para zonas aisladas. Rescatando uno de los aportes más significativos de este documento, merece mencionarse que se abordó un caso particular de determinación del potencial de la biomasa mediante la implementación de la metodología, diferente a los estudiados por otros autores. Se trató una aplicación pionera de la producción de energía a partir de biomasa, donde se utilizan residuos de madera depositados en la playa, como consecuencia del arrastre del río y su desembocadura en el mar. Este escenario difiere de los analizados en los escenarios presentados en otros estudios, donde los residuos provienen de cultivos, podas, o actividades madereras. Siendo este un precedente valioso para futuras aplicaciones similares que puedan replicar este tipo de aprovechamiento. La aplicación de la metodología en la zona mencionada, apoyando el proceso de planificación con la herramienta HOMER, genera un conocimiento sobre el potencial de esta herramienta, que puede ser capitalizado por los planificadores de este tipo de soluciones energéticas.

Referencias [1] International Energy Agency (EIA), Distributed generation in liberalised electricity markets. Ed. IEA. New York.1-125, 2002. [2] T. Ackermann, G. Andersson, L. Söder, ‘Distributed generation: a definition’. Electric Power Systems Research. Vol. 57. 195-204. 2001

Revista

[3] N. Strachan, Farell, A. ‘Emissions from distributed vs. centralized generation: The importance of system performance’. Energy Policy. Vol. 34. Pp 2677-2689. 2006 [4] J. Brown, C. Hendry, P. Harborne, “An emerging market in fuel cells”. Residential combined heat and power in four countries’. Energy Policy. Vol.35. 2173-2186. 2006. [5] J. Pecas, N. Hatziargyriou, J. Mutale, P. Djapic, N. Jenkins, ‘Integrating distributed generation into electric power systems: A review of drivers, challenges and opportunities’. Electric Power Systems Research. Vol.77. pp. 1189-1203. 2007. [6] F. Gullí. Small distributed generation versus centralised supply: a social cost-benefit analysis in the residential and service sectors. Energy Policy. Vol.34. pp. 804-832. 2006. [7] N. Greene, R. Hammerschlag. Small and clean is beautifull: exploring the emissions of distribuited generation and pollution prevention policies. The Electricity Journal. Vol. 13. pp. 50-60. 2000. [8] R. Banerjee. Comparison of options for distributed generation in India. Energy Policy. Vol. 34. pp. 101-111. 2006 [9] J. Gordijn, H. Akkermans. Business models for distributed generation in a liberalized market environment’. Electric Power Systems Research. Vol. 77. pp. 1178-1188. 2007. [10] N. Strachan, H. Dowlatabadi. Distributed generation and distribution utilities. Energy Policy. Vol. 30. pp. 649-661. 2002. [11] V. Budhraja. The future electricity business. The Electricity Journal. Vol.12. pp. 5461.1999. [12] B. Kroposki, T. Basso and R. De Blasio. Microgrid standards and technologies,” in Proc. 2008 IEEE Power and Energy Society General Meeting: Conversion and Delivery of Electrical Energy in the 21st Century, PES, July 20 - July 24, 2008.

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• Instrucciones para eldeautor de artículos para Inge@UAN • • Instrucciones para el autor artículos para Inge@UAN •

Instrucciones para el autor de artículos para Inge@UAN Nombre A. Apellido*, Nombre B. Apellido** y Nombre C. Apellido***

Abstract This document is a guide to prepare manuscripts in Microsoft Word for Inge@UAN. If the article is in Spanish please provide the abstract in English as well as in Spanish in order to provide a brief summary to non-Spanish speakers. If the article is in English and is possible to provide the abstract in Spanish please do it, otherwise please contact the editorial team (ingeuan@uan.edu.co) and we will suggest you an abstract in Spanish in order to provide a brief summary of the article to non-English speakers. Please summarize the article background, motivation and the contribution of the authors giving the most remarkable results. keywords: 4 términos separados por coma. Elija aquellos que considere claves para identificar la temática de su trabajo y no repitan todo el título.

Resumen Este documento es una guía para la preparación de artículos científicos en Microsoft Word a ser presentados en Inge@UAN. Si el artículo se encuentra en Español por favor suministrar el resumen del artículo en Inglès y en Español para poder dar a conocer un resumen del artículo a personas que no hablen Español. Se recomienda que este resumen contenga como máximo 300 palabras. Brevemente resuma el contexto y motivación, el o los aportes más originales, los resultados y las conclusiones de su trabajo. No haga citas bibliográficas y preferentemente tampoco introduzca acrónimos ni fórmulas en el resumen o en el título. Considere que este debe ser el mismo resumen que se presentó en ocasión de la evaluación de pertinencia del trabajo. Como recomendación general, escriba su artículo insertando y eliminado texto a partir de este documento. De esta forma le será más fácil respetar los estilos predefinidos. No defina nuevos estilos y cuando pegue texto de otros documentos hágalo utilizando el pegado especial “texto sin formato” y asegurándose de aplicar luego el estilo correspondiente. Utilice las separaciones de texto tal como están definidas en cada estilo. Palabras clave: 4 términos separados por coma. Elija aquellos que considere claves para identificar la temática de su trabajo y no repitan todo el título. * Institución del 1er autor, correo electrónico del 1er autor ** Institución del 1er autor, correo electrónico del 2do autor *** Institución del 3er autor, correo electrónico del 3er autor

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I. Introducción EL formato sobre el que se basó este documento es el utilizado por el IEEE para la mayoría de sus publicaciones y conferencias y fue adaptado. Sin embargo, se han realizado algunos pequeños cambios, como por ejemplo, en el presente estilo se utiliza formato A4 en lugar de carta y los márgenes se han fijado en 2 cm a la izquierda y arriba, y 1,5 cm a la derecha y abajo. A partir de estas definiciones se ha fijado el ancho de columna en 8,5 cm, con un espacio de 0,5 cm entre ellas. Las definiciones elementales de estilo son: fuente Arial para todas las partes del documento, tamaño 22 pt para el título, 10 pt para los datos de los autores, cursiva para la línea de la institución a la que pertenece el primer autor y su correo electrónico, 8 pt en negritas para el resumen y palabras clave, 9 pt para el texto normal, ecuaciones y 10 pt títulos de sección, versales y centrado para el título de nivel 1, itálica para los títulos de nivel 2 y 3, 8 pt para los epígrafes de las figuras, tablas y referencias, versales para el epígrafe de tablas. Utilice cursivas para destacar un término (no subrayado). A pesar de todos estos detalles y cuantos otros que se podrían dar, se recomienda nuevamente escribir su artículo copiando, pegando y reemplazando texto a partir de este mismo documento. Esta es la forma más fácil y segura de respetar los estilos definidos. La estructura general que se espera para este artículo abarca generalmente secciones como: introducción, materiales, métodos, resultados, discusión, conclusiones, trabajos futuros, agradecimientos y referencias. Estos títulos pueden combinarse de a dos en una misma sección y los títulos trabajos futuros y agradecimientos son totalmente optativos. Es común que la sección de métodos lleve otro título más relacionado con el aporte original del artículo, pero las restantes secciones se presentan con los títulos antes listados. Si existieran demostraciones u otros desarrollos matemáticos extensos, se recomienda agruparlos en apéndices antes de las referencias bibliográficas. A continuación se darán más detalles acerca de las secciones del documento y los formatos Revista

para insertar los distintos tipos de objetos, como ecuaciones, figuras, etc.

II. Formato para los objetos insertados Observe que el título de cada sección ya incluye la numeración automática y el espacio hacia el último párrafo de la sección anterior. Por lo tanto, para iniciar una nueva sección se recomienda comenzar copiando y pegando el título desde otra sección en este mismo documento. De forma similar, también se puede observar que el formato para los párrafos ya incluye una pequeña indentación automática en la primera línea y no existe un espacio extra para la separación entre párrafos.

A. Las ecuaciones Las ecuaciones menores o definiciones de variables pueden insertarse directamente en la línea del párrafo, por ejemplo, considérese que se desea definir una historia h in = wi −1 , wi −2 ,..., wi −n+1 asociada un símbolo wi . Observe que una manera sencilla de asegurar la uniformidad en el estilo de las ecuaciones es insertar siempre una ecuación aún cuando se podría escribir directamente como texto y aplicar formato en cursiva o negrita. Para insertar ecuaciones más complejas se recomienda utilizar un formato de párrafo aparte, con el estilo correspondiente: k −1

PˆI ( wi | h ik ) = ∑ λ j Pˆ ( wi | h ij ) j =0

(1)

En este estilo de ecuación se ha fijado dos tabulaciones, la primera centra la ecuación en la columna y la segunda justifica a la derecha el número de la ecuación. Para hacer referencia a esta ecuación desde el texto se menciona, por ejemplo, en (1) se puede ver la estimación de la probabilidad de una historia a partir de la simple combinación lineal de historias de orden inferior.

B. Las figuras Cuando inserte figuras no las deje como objetos flotantes sobre el texto y no incluya dentro de ellas al epígrafe. El epígrafe se coloca abajo de las

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•• Instrucciones para el autor de artículos para Inge@UAN ••

figuras y posee un estilo propio que básicamente consiste en fuente de 8 pt con párrafo justificado cuando se trate de más de una línea y centrado para una única línea de texto (ver Fig. 1). Si en la figura utiliza ejes cartesianos, recuerde siempre indicar en la misma a que corresponde cada eje (etiquetas). Para hacer referencia a una figura se debe utilizar la forma abreviada Fig. seguida del número de la figura, salvo cuando esté al comienzo del párrafo, caso en que se deberá utilizar la palabra completa. En la Fig. 2 se puede ver otro tipo de figura donde se destacan cuatro curvas. No incluya colores en las gráficas, preferentemente utilice distintos tipos de líneas. Los gráficos vectorizados brindan una mejor calidad electrónica y de impresión. Por lo tanto, inserte todas las gráficas con algún formato vectorizado (Corel, Visio, XFig, PostScript, Metarchivo mejorado, etc) o bien, si se tratase de una fotograf ía o imagen más compleja utilice formatos raster sin compresión (por ejemplo BMP) o con compresión sin pérdida de información (se pueden configurar los formatos JPG, PNG, TIF, GIF, etc). En general, se recomienda que las figuras estén al principio o al pie de una columna. Se debe cuidar que el tamaño del texto dentro de las figuras no sea menor a 7 pt. A

sil

CAUDAL S JUCAR

VEINTE

Fig. 1: Red para una gramática estándar.

C. Las tablas Es preferible que las tablas se diseñen a partir del mismo editor de textos pero también pueden consistir en una gráfica en algún formato vectorizado.

68 70

γe

16 15

γw

γs

γn

12 11 0

-1

-2

-3

-4

Penalización [log(p)]

Fig. 2: Influencia de las constantes de penalización γ. El epígrafe de las tablas es marcadamente diferente del de las figuras: se coloca por arriba de la tabla, con fuente de tamaño 8 pt en versales y párrafo centrado.

Al igual que en las figuras, es preferible que las tablas se encuentren al principio o al pie de una columna. El tamaño del texto dentro de las tablas no debería ser inferior a 7 pt ni mayor a 10 pt. Un ejemplo de este estilo puede verse a continuación en la Tabla I. Tabla I. Resultados finales y reduccion relativa de los errores (promedios sobre 10 particiones de entrenamiento y prueba).

εP Porcentaje de error de reconocimiento de palabras

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Errores de reconocimiento Referencia HMM-PASS T-PASS

SER WER WAER Reducción % % % %WER 38.30 7.54 8.53 – 30.55 5.36 6.67 28.91 25.50 4.76 5.70 36.87

D. Las citas bibliográficas Las citas bibliográficas se realizan entre corchetes, por ejemplo [1]. Cuando se hacen citas múltiples utilice la coma para dos citas [2], [3] o bien la notación de rangos de citas [2]-[5]. No utilice términos particulares antes de la cita, como en la “referencia [2]” o en “Ref. [4]”. El estilo general

•• Instrucciones Instrucciones para para el el autor autor de de artículos artículos para para Inge@UAN Inge@UAN ••

para las referencias bibliográficas se muestra con varios ejemplos en la sección correspondiente al final de este documento. Observe estrictamente el estilo propuesto: la utilización de tipograf ía, las mayúsculas, la forma de nombrar a los autores, los datos requeridos para libros, revistas y congresos, etc.

V. Apéndices

La sección de referencias posee un estilo particular para el párrafo y la numeración. Éstas se deben presentar preferentemente por orden de aparición en el texto pero también se aceptarán por orden alfabético del apellido del primer autor.

Cuando la extensión y complejidad de las demostraciones lo justifique en pos de no distraer al lector presentando en el texto solamente los resultados finales.

E. Otras recomendaciones generales

En algunas situaciones conviene incluir una sección de apéndices con sus correspondientes subsecciones.

A. Demostraciones

Algoritmos Cuando sus extensiones lo justifiquen y no sean parte central del trabajo.

Defina adecuadamente cada uno de los acrónimos la primera vez que aparece en el texto (salvo en el resumen), por ejemplo, relación de grandes masas (RGM). Luego utilice siempre el acrónimo en lugar del término completo.

Detalles técnicos

Recuerde definir cada uno de los símbolos que aparecen en las ecuaciones y aclarar la notación cuando se utilizan operadores matemáticos especiales o poco comunes.

Agradecimientos

Observe la utilización de mayúsculas, como regla general se coloca mayúscula en la primer letra de la primer palabra de cada frase y los nombres propios, tanto en los títulos como en el texto en general.

III. Formato electrónico de envío El artículo debe ser enviado en línea en la siguiente dirección (http://csifesvr.uan.edu.co:81/ index.php/ingeuan) cada usuario deberá registrarse como autor y enviar el artículo.

IV. Conclusiones En las conclusiones debería presentarse una revisión de los puntos clave del artículo con especial énfasis en el análisis y discusión de los resultados que se realizó en las secciones anteriores y en las aplicaciones o ampliaciones de éstos. No debería reproducirse el resumen en esta sección. Revista Revista

Tablas con datos técnicos o mediciones accesorias que se utilizaron en el trabajo.

Si los hubiere, a quienes corresponda.

Conflictos de Interés Declarar si hay algún conflicto de interés.

Referencias 1]

E. Alarcos Llorach, Gramática de la Lengua Española, Madrid: Editorial Espasa Calpe, 1999.

L. M. Arslan y J. H. L. Hansen, “Language accent classification in American English”, Speech Communication, vol. 18, pp. 353367, 1996.

K. Bartkova y D. Jouvet, “Selective prosodic post-processing for improving recognition of French telephone numbers”, en Proc. of the 7th European Conference on Speech Communication and Technology, vol. 1, pp. 267-270, 1999.

A. Batliner, A. Kiebling, R. Kompe, H. Niemann y E. Nöth, “Tempo and its Change

ISSN 2145 2145 -- 0935 0935 •• Vol. Vol. 43 •• No. No. 75 •• pp pp 68-72 66-70 •• julio julio -- diciembre diciembre de de 2013 2012 UAN •• ISSN UAN

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•• Instrucciones para el autor de artículos para Inge@UAN ••

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in Spontaneous Speech”, en Proc. of the 5th European Conference on Speech Communication and Technology, vol. 2, pp. 763-766, 1997.

A. Bonafonte, I. Esquerra, A. Febrer y F. Vallverdu, “A bilingual text-to-speech system in Spanish and Catalan”, en Proc. of the 5th European Conference on Speech Communication and Technology, vol. 5, pp. 2455-2458, 1997.

C. Brindöpke, G. A. Fink, F. Kummert y G. Sagerer, “A HMM-based recognition system for perceptive relevant pitch movements of spontaneous German speech”, en Proc. of the 5th International Conference on Spoken Language Processing, Prosody and Emotion 6. 1998.

D. Busdhtein, “Robust Parametric Modeling of Durations in Hidden Markov Models”, IEEE Trans. On Speech and Audio Processing, vol. 4, No. 3, 1996.

L. Bosch y N. Gallés, “The role of prosody in infants’ native-language discrimination abilities: the case of two phonologically close languages”, en Proc. of the 5th European Conference on Speech Communication and Technology, vol. 1, pp. 231-234, 1997. C. Brindöpke, G. A. Fink y F. Kummert, “A comparative study of HMM-based approaches for the automatic recognition of perceptually relevant aspects of spontaneous German speech melody”, en Proc. of the 7th European Conference on Speech

Universidad Antonio Nariño - Revista Facultad de Ingenierías

Communication and Technology, vol. 2, pp. 699-702, 1999.

10] J. E. Cahn, “A Computational Memory and Processing Model for Prosody”, en Proc. of the 5th International Conference on Spoken Language Processing, Prosody and Emotion 2. 1998. 11] E. Campione y J. Véronis, “A Statistical Study of Pitch Target Points in Five Languages”, en Proc. of the 5th International Conference on Spoken Language Processing, Prosody and Emotion 5. 1998.