UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR INGENIERIA TÉCNICA INDUSTRIAL: ELECTRÓNICA INDUSTRIAL PROYECTO FIN DE CARRERA DISEÑO Y FABRICACIÓN DE BANCO DE CARGAS PARA PRUEBAS DE EQUIPOS DE POTENCIA MONOFÁSICOS Y TRIFÁSICOS Autor: D. David Soto Pérez Tutor y Director: Dr. D. Antonio Lázaro Blanco Codirector: D. Virgilio Valdivia Guerrero ÍNDICES Índice de contenidos Índice de contenidos __________________________________________________________ I Índice de figuras _____________________________________________________________ V Índice de tablas _____________________________________________________________ IX 1 Introducción ____________________________________________________________ 1 1.1 Motivación ________________________________________________________________ 2 1.1.1 Prueba de equipos ferroviarios _____________________________________________ 2 1.1.2 Análisis de distorsión armónica ____________________________________________ 3 1.1.3 Identificación de impedancias de inversores __________________________________ 3 1.1.4 Modelados de caja negra _________________________________________________ 4 1.2 Objetivos _________________________________________________________________ 4 1.3 Estructura del documento ____________________________________________________ 5 2 Diseño del banco de cargas ________________________________________________ 7 2.1 Diseño eléctrico ____________________________________________________________ 9 2.1.1 Cargas _______________________________________________________________ 10 2.1.1.1 Cargas Resistivas (R) __________________________________________________________ 10 2.1.1.2 Cargas Capacitivas (C) ________________________________________________________ 12 2.1.1.3 Cargas Inductivas (L) __________________________________________________________ 15 2.1.1.4 Combinaciones entre cargas R, C y L _____________________________________________ 16 2.1.2 Conmutadores ________________________________________________________ 18 2.1.2.1 Aplicación de escalones _______________________________________________________ 18 2.1.2.2 Selección de carga____________________________________________________________ 20 2.1.2.3 Selección modo de conexionado de la bobina (serie/paralelo) _________________________ 22 2.1.3 Circuito de entrada _____________________________________________________ 23 2.1.3.1 Conector de entrada __________________________________________________________ 25 2.1.3.2 Fusibles de entrada ___________________________________________________________ 27 2.1.3.3 Medida de corriente __________________________________________________________ 27 2.1.3.4 Medida de tensión ___________________________________________________________ 28 2.1.3.5 Contactor de entrada y seta de seguridad _________________________________________ 29 2.1.4 Circuito de salida ______________________________________________________ 31 2.1.4.1 Fusibles de salida ____________________________________________________________ 32 2.1.4.2 Conector de salida ____________________________________________________________ 32 DISEÑO Y FABRICACIÓN DE BANCO DE CARGAS PARA PRUEBAS DE EQUIPOS DE POTENCIA MONOFÁSICOS Y TRIFÁSICOS I ÍNDICES 2.1.5 Circuito de refrigeración y seguridad _______________________________________ 32 2.1.5.1 Conector de alimentación _____________________________________________________ 33 2.1.5.2 Señal luminosa ______________________________________________________________ 33 2.1.5.3 Ventilador __________________________________________________________________ 33 2.1.6 Cableado y bornes _____________________________________________________ 34 2.1.6.1 Cálculo de secciones __________________________________________________________ 34 2.1.6.2 Bornes de conexión __________________________________________________________ 35 2.1.7 Diagrama eléctrico general ______________________________________________ 38 2.2 Diseño mecánico __________________________________________________________ 39 2.2.1 Armario y ruedas ______________________________________________________ 40 2.2.1.1 Distribución inicial ___________________________________________________________ 40 2.2.1.2 Distribución final ____________________________________________________________ 41 2.2.2 Distribución de elementos internos ________________________________________ 45 2.2.2.1 Bobinas ____________________________________________________________________ 45 2.2.2.2 Condensadores ______________________________________________________________ 46 2.2.2.3 Transformadores medida de corriente ___________________________________________ 46 2.2.2.4 TRIACs _____________________________________________________________________ 47 2.2.2.5 “Circuit breaker” _____________________________________________________________ 48 2.2.2.6 Resistencias ________________________________________________________________ 49 2.2.2.7 Cableado ___________________________________________________________________ 51 2.2.3 Distribución de elementos externos ________________________________________ 52 2.2.3.1 Distribución en puerta ________________________________________________________ 52 2.2.3.2 Distribución en panel lateral izquierdo ___________________________________________ 54 2.2.3.3 Distribución en panel lateral derecho ____________________________________________ 55 2.2.3.4 Distribución en techo _________________________________________________________ 56 2.2.4 Herramientas utilizadas _________________________________________________ 57 2.3 Diseño fluidotérmico _______________________________________________________ 59 2.3.1 Calculo de refrigeración forzada ___________________________________________ 60 2.3.2 Selección de ventilador __________________________________________________ 61 2.3.3 Distribución de resistencias ______________________________________________ 62 3 Evaluación experimental _________________________________________________ 63 3.1 Equipos e instrumentos utilizados _____________________________________________ 64 3.2 Pruebas estáticas __________________________________________________________ 64 3.2.1 Inspección visual _______________________________________________________ 65 DISEÑO Y FABRICACIÓN DE BANCO DE CARGAS PARA PRUEBAS DE EQUIPOS DE POTENCIA MONOFÁSICOS Y TRIFÁSICOS II ÍNDICES 3.2.2 Medida de Aislamiento Eléctrico __________________________________________ 67 3.2.2.1 Circuito de Cargas ____________________________________________________________ 68 3.2.2.2 Circuito de Alimentación y Seguridad_____________________________________________ 70 3.2.2.3 Circuito de equipos de medida de corriente ________________________________________ 71 3.2.2.4 Circuito de disparo de TRIACS ___________________________________________________ 72 3.3 Pruebas funcionales ________________________________________________________ 73 3.3.1 Pruebas preliminares ___________________________________________________ 74 3.3.1.1 Pruebas de circuito de refrigeración y seguridad ____________________________________ 74 3.3.1.2 Pruebas circuito de disparo de TRIACS ____________________________________________ 75 3.3.2 Pruebas de funcionamiento eléctrico _______________________________________ 76 3.3.2.1 Pruebas en estado estacionario (sin escalones) _____________________________________ 77 3.3.2.2 Pruebas de transitorios (con escalones) ___________________________________________ 82 3.4 Medidas térmicas __________________________________________________________ 94 3.4.1 Antes de conectar cargas ________________________________________________ 94 3.4.1.1 Termografía de zona resistiva __________________________________________________ 94 3.4.2 Después de conectar cargas ______________________________________________ 95 3.4.2.1 Termografía de zona resistiva __________________________________________________ 95 3.4.2.2 Termografía de zona de salida de aire ____________________________________________ 95 3.4.2.3 Termografía de puerta ________________________________________________________ 96 4 Conclusiones y futuros desarrollos _________________________________________ 97 4.1 Conclusiones ______________________________________________________________ 98 4.2 Futuros desarrollos _________________________________________________________ 98 5 Presupuesto ___________________________________________________________ 99 6 Referencias ___________________________________________________________ 104 7 Anexos _______________________________________________________________ 106 7.1 Anexo 1. Conexiones eléctricas ______________________________________________ 107 7.2 Anexo 2. Guía de utilización y mantenimiento __________________________________ 113 7.2.1 Guía de utilización ____________________________________________________ 113 7.2.1.1 Elementos de interface con el usuario ___________________________________________ 113 7.2.1.2 Conceptos previos antes de la conexión __________________________________________ 117 7.2.1.3 Conexión de alimentación ____________________________________________________ 117 7.2.1.4 Conexión de equipo a probar __________________________________________________ 117 7.2.1.5 Funcionamiento ____________________________________________________________ 118 7.2.1.6 Esquema eléctrico general ____________________________________________________ 119 DISEÑO Y FABRICACIÓN DE BANCO DE CARGAS PARA PRUEBAS DE EQUIPOS DE POTENCIA MONOFÁSICOS Y TRIFÁSICOS III ÍNDICES 7.2.2 Mantenimiento _______________________________________________________ 121 7.3 Anexo 3. Planos __________________________________________________________ 122 7.4 Anexo 4. Hojas de características _____________________________________________ 124 DISEÑO Y FABRICACIÓN DE BANCO DE CARGAS PARA PRUEBAS DE EQUIPOS DE POTENCIA MONOFÁSICOS Y TRIFÁSICOS IV ÍNDICES Índice de figuras Figura 1-1. Ejemplo de análisis de distorsión armónica. _____________________________________ 3 Figura 1-2. Ejemplo de identificación de impedancia. _______________________________________ 3 Figura 1-3. Ejemplo de modelado de caja negra. ___________________________________________ 4 Figura 1-4. Diagrama de alto nivel del circuito eléctrico del armario. ___________________________ 4 Figura 2-1. Subconjuntos del diseño. ____________________________________________________ 8 Figura 2-2. Diagrama de bloques general. ________________________________________________ 9 Figura 2-3. Cargas resistivas. _________________________________________________________ 10 Figura 2-4. Cargas capacitivas. ________________________________________________________ 12 Figura 2-5. Diseño 3D de placa de condensadores. ________________________________________ 14 Figura 2-6. Pistas de placa de condensadores. ____________________________________________ 14 Figura 2-7. Cargas inductivas. ________________________________________________________ 15 Figura 2-8. Escalones de cargas R y C siempre paralelas. ___________________________________ 17 Figura 2-9. Carga L en paralelo con cargas R y C. _________________________________________ 17 Figura 2-10. Carga L en serie con cargas R y C. ___________________________________________ 17 Figura 2-11. Conmutadores. __________________________________________________________ 18 Figura 2-12. “Circuit breaker”. ________________________________________________________ 19 Figura 2-13. TRIAC. _________________________________________________________________ 19 Figura 2-14. Conector BNC para activación de TRIAC. ______________________________________ 20 Figura 2-15. Diagrama selector de cargas R y C. __________________________________________ 21 Figura 2-16. Selector de cargas R y C. __________________________________________________ 21 Figura 2-17. Selector de devanado de la bobina. __________________________________________ 22 Figura 2-18. Selección modo de conexión de la bobina. _____________________________________ 22 Figura 2-19. Conmutador serie/paralelo. ________________________________________________ 23 Figura 2-20. Diagrama circuito de entrada. ______________________________________________ 23 Figura 2-21. Conectores de entrada. ___________________________________________________ 25 Figura 2-22. Conexiones posibles a la entrada del armario. _________________________________ 26 Figura 2-23. Portafusibles seccionables. ________________________________________________ 27 Figura 2-24. Tipos de medición de corriente. _____________________________________________ 28 Figura 2-25. Transformador y amperímetro. _____________________________________________ 28 Figura 2-26. Tipos de medición de tensión. ______________________________________________ 29 Figura 2-27. Voltímetro. _____________________________________________________________ 29 Figura 2-28. Sistema contactor de entrada y seta de seguridad. ______________________________ 30 Figura 2-29. Contactor de entrada. ____________________________________________________ 30 Figura 2-30. Seta de seguridad. _______________________________________________________ 30 Figura 2-31. Circuito interno equivalente en la conexión de cargas externas. ____________________ 31 Figura 2-32. Circuito interno equivalente en la conexión de cargas externas con L en serie. ________ 31 Figura 2-33. Circuito de refrigeración y seguridad. ________________________________________ 32 Figura 2-34. Señal luminosa. _________________________________________________________ 33 Figura 2-35. Ventilador. _____________________________________________________________ 34 Figura 2-36. Tipos de conexión de bornes. _______________________________________________ 35 Figura 2-37. Elementos de borneros. ___________________________________________________ 36 DISEÑO Y FABRICACIÓN DE BANCO DE CARGAS PARA PRUEBAS DE EQUIPOS DE POTENCIA MONOFÁSICOS Y TRIFÁSICOS V ÍNDICES Figura 2-38. Carril DIN para montaje de bornes. __________________________________________ 37 Figura 2-39. Esquema eléctrico general. ________________________________________________ 38 Figura 2-40. Elementos del diseño mecánico. _____________________________________________ 39 Figura 2-41. Proyecto inicial de distribución interior del armario en 3D. ________________________ 40 Figura 2-42. Proyecto inicial de distribución exterior del armario en 3D. _______________________ 41 Figura 2-43. Dimensiones del armario. __________________________________________________ 42 Figura 2-44. Ruedas del armario. ______________________________________________________ 42 Figura 2-45. Distribución en 3D para armario final. ________________________________________ 43 Figura 2-46. Tipo de armario seleccionado. ______________________________________________ 44 Figura 2-47. Asas para movilidad de armario. ____________________________________________ 44 Figura 2-48. Guías de fijación para transformador. ________________________________________ 45 Figura 2-49. Ubicación de bobinas en 3D. _______________________________________________ 45 Figura 2-50. Soporte placa de condensadores en 3D. ______________________________________ 46 Figura 2-51. Diseño 3D de soporte de transformadores y transformadores de medida. ____________ 46 Figura 2-52. Transformadores de medida en diseño 3D de armario. ___________________________ 47 Figura 2-53. Diseño en 3D de TRIAC y barra en “L”. ________________________________________ 47 Figura 2-54. Fijación de TRIACs. _______________________________________________________ 48 Figura 2-55. Diseño en 3D de “circuit breaker” y barra en “L”. _______________________________ 48 Figura 2-56. Fijación de “circuit breaker”. _______________________________________________ 49 Figura 2-57. Diseño 3D de resistencias. _________________________________________________ 49 Figura 2-58. Distribución 3D de resistencias en placas y tamaño de éstas. ______________________ 50 Figura 2-59. Distribución 3D de resistencias en armario. ____________________________________ 51 Figura 2-60. Etiquetas de cable. _______________________________________________________ 51 Figura 2-61. Base para bridas y bridas. _________________________________________________ 51 Figura 2-62. Distribución 3D en puerta. _________________________________________________ 52 Figura 2-63. Seta de seguridad. _______________________________________________________ 53 Figura 2-64. Voltímetro. _____________________________________________________________ 53 Figura 2-65. Amperímetro ___________________________________________________________ 53 Figura 2-66. Interruptor de cargas R y C. ________________________________________________ 53 Figura 2-67. Selector serie/paralelo. ____________________________________________________ 53 Figura 2-68. Selector de devanados bobinas. _____________________________________________ 53 Figura 2-69. Distribución 3D en panel lateral izquierdo. ____________________________________ 54 Figura 2-70. Rejilla de ventilación. _____________________________________________________ 55 Figura 2-71. “Circuit breaker”. ________________________________________________________ 55 Figura 2-72. BNC. __________________________________________________________________ 55 Figura 2-73. Conector entrada. ________________________________________________________ 55 Figura 2-74. Conector salida. _________________________________________________________ 55 Figura 2-75. Diseño 3D de ventilador. __________________________________________________ 55 Figura 2-76. Ubicación de ventilador. ___________________________________________________ 56 Figura 2-77. Diseño 3D avisador luminoso. ______________________________________________ 56 Figura 2-78. Distribución 3D en techo. __________________________________________________ 57 Figura 2-79. Calibre. ________________________________________________________________ 57 Figura 2-80. Taladradora eléctrica. ____________________________________________________ 57 DISEÑO Y FABRICACIÓN DE BANCO DE CARGAS PARA PRUEBAS DE EQUIPOS DE POTENCIA MONOFÁSICOS Y TRIFÁSICOS VI ÍNDICES Figura 2-81. Sierra de calar. __________________________________________________________ 58 Figura 2-82. Limas. _________________________________________________________________ 58 Figura 2-83. Terminales de conexión y engastadora. _______________________________________ 58 Figura 2-84. Temperatura frente a porcentaje de carga en resistencias. _______________________ 59 Figura 2-85. Ventilador centrífugo. ____________________________________________________ 61 Figura 2-86. Ventilador axial. _________________________________________________________ 61 Figura 2-87. Flujo de aire a través de las resistencias. ______________________________________ 62 Figura 3-1. Puerta de armario en diseño 3D y real. ________________________________________ 65 Figura 3-2. Lateral de armario en diseño 3D y real. ________________________________________ 66 Figura 3-3. Ejemplos de medida de aislamiento en convertidores. ____________________________ 67 Figura 3-4. Diagrama eléctrico general. _________________________________________________ 68 Figura 3-5. Circuito de cargas. ________________________________________________________ 69 Figura 3-6. Diagrama para medida de aislamiento de circuito de cargas. ______________________ 70 Figura 3-7. Circuito de alimentación y seguridad. _________________________________________ 70 Figura 3-8. Diagrama para medida de aislamiento de circuito de alimentación y seguridad. _______ 71 Figura 3-9. Circuito de equipos de medida de corriente. ____________________________________ 71 Figura 3-10. Diagrama para medida de aislamiento de circuito de equipos de medida de corriente. _ 72 Figura 3-11. Circuito de disparo de TRIACS. ______________________________________________ 72 Figura 3-12. Diagrama para medida de aislamiento de circuito de disparo de TRIACS. ____________ 73 Figura 3-13. Circuito de refrigeración y seguridad. ________________________________________ 74 Figura 3-14. Disparo de TRIACs. _______________________________________________________ 75 Figura 3-15. Conexión entre manguera eléctrica del equipo y manguera con toma trifásica para la pared. ___________________________________________________________________________ 76 Figura 3-16. Diagrama de conexionado para medidas de la fase R. ___________________________ 77 Figura 3-17. Medida sin cargas Fase R. _________________________________________________ 77 Figura 3-18. Circuito de escalón resistivo puro. ___________________________________________ 82 Figura 3-19. Escalón de subida resistivo puro Fase R. ______________________________________ 82 Figura 3-20. Efecto de escalón resistivo de corriente en la tensión Fase R. ______________________ 83 Figura 3-21. Escalón de bajada resistivo puro Fase R. ______________________________________ 83 Figura 3-22. Circuito de escalón capacitivo puro. __________________________________________ 84 Figura 3-23. Escalón de subida capacitivo puro Fase R. _____________________________________ 84 Figura 3-24. Efecto de carga capacitiva en la red Fase R. ___________________________________ 85 Figura 3-25. Escalón de bajada capacitivo puro Fase R. ____________________________________ 86 Figura 3-26. Circuito de escalón para bobina. ____________________________________________ 87 Figura 3-27. Disparo y apagado de corriente en la bobina Fase R. ____________________________ 87 Figura 3-28. Detalle de apagado de corriente por la bobina en paso por cero de la misma Fase R. ___ 88 Figura 3-29. Transitorio de bobina con activación en ciclo negativo Fase R. _____________________ 89 Figura 3-30. Transitorio de bobina con activación en ciclo positivo Fase R. _____________________ 89 Figura 3-31. Esquema simplificado cargas RLC en paralelo. _________________________________ 90 Figura 3-32. Estabilización de circuito RL Fase R. __________________________________________ 90 Figura 3-33. Escalones con carga inductiva y posteriormente escalón capacitivo más resistivo Fase R. 91 Figura 3-34. Esquema simplificado carga L en serie con cargas RC. ___________________________ 91 Figura 3-35. Inicio de corriente por la bobina en ciclo activo Fase R.___________________________ 92 DISEÑO Y FABRICACIÓN DE BANCO DE CARGAS PARA PRUEBAS DE EQUIPOS DE POTENCIA MONOFÁSICOS Y TRIFÁSICOS VII ÍNDICES Figura 3-36. Aumento de ángulo de desfase al disminuir R en Fase R. _________________________ 92 Figura 3-37. Posición 7 (8 mH) desfase 1,284°. ___________________________________________ 93 Figura 3-38. Posición 6 (15,7 mH) desfase 5,706°. _________________________________________ 93 Figura 3-39. Posición 5 (32 mH) desfase 12,27°. __________________________________________ 93 Figura 3-40. Posición 4 (72 mH) desfase 24,97°. __________________________________________ 93 Figura 3-41. Posición 3 (128 mH) desfase 39,35°. _________________________________________ 93 Figura 3-42. Posición 2 (155 mH) desfase 42,79°. _________________________________________ 93 Figura 3-43. Posición 1 (200 mH) desfase 51,33°. _________________________________________ 93 Figura 3-44. Termografía de estado inicial del armario. ____________________________________ 94 Figura 3-45. Termografía de zona resistiva tras funcionamiento nominal. ______________________ 95 Figura 3-46. Termografía de zona de salida de aire tras funcionamiento nominal. _______________ 96 Figura 3-47. Termografía de puerta tras funcionamiento nominal. ____________________________ 96 Figura 7-1. Activación y desactivación del TRIAC para la bobina. ____________________________ 114 Figura 7-2. Identificación de fases y neutro en manguera de conexión. _______________________ 114 Figura 7-3. Selector de resistencias y condensadores. _____________________________________ 115 Figura 7-4. Componentes de interface con el usuario. _____________________________________ 116 Figura 7-5. Ejemplo de conexionado de entrada de modo seguro. ___________________________ 118 Figura 7-6. Conexiones posibles a la entrada del armario. __________________________________ 118 Figura 7-7. Esquema eléctrico de equipo resumido. _______________________________________ 119 Figura 7-8. Esquema eléctrico general. ________________________________________________ 120 DISEÑO Y FABRICACIÓN DE BANCO DE CARGAS PARA PRUEBAS DE EQUIPOS DE POTENCIA MONOFÁSICOS Y TRIFÁSICOS VIII