Instrumentación Virtual para Banco de Validación de Generadores Eléctricos

Author(s):
Ander Hurtado González - Siemsa Norte. Director de Proyectos

Industry:
Energy/Power

Products:
FieldPoint Real-Time Controllers, LabVIEW, PXI Real-Time Controllers, Sound and Vibration

The Challenge:
Automatizar la adquisición de parámetros eléctricos, mecánicos y de proceso durante las pruebas de validación de generadores eléctricos empleados en la industria de generación eólica, comparar las medidas con valores de referencia y emitir los informes del ensayo.

The Solution:
Emplear un sistema distribuido de adquisición para los distintos parámetros, utilizando la solución más adecuada para cada tipo de medida (FieldPoint, PXI en tiempo real, LabVIEW en PC bajo Windows).

Los generadores empleados en la industria eólica son máquinas de gran responsabilidad, que deben ser controladas al mínimo detalle antes de su suministro. Debido a la complejidad de las máquinas y a las condiciones externes a las que se ven sometidas durante su funcionamiento, es necesario realizar gran número de medidas de distintos parámetros físicos. El sistema descrito permite automatizar estas medidas, comprobar que se trata de valores admisibles y almacenarlas en una base de datos para permitir la generación de informes a medida y un acceso fácil a la información de la máquina.

Artículo: Cantarey Reinosa, fabricante de motores y generadores eléctricos integrado dentro del grupo Gamesa Electric, es uno de los principales suministradores de este tipo de máquinas para la industria eólica. Los generadores eléctricos asíncronos son elementos de gran responsabilidad en un aerogenerador, ya que precisamente son los encargados de convertir la energía mecánica creada por el viento en energía eléctrica. Su diseño y fabricación comprende el control de gran cantidad de parámetros físicos, los cuales determinan el rendimiento de la máquina y su capacidad de resistir las duras condiciones ambientales presentes en la instalación eólica. Por tanto son un elemento crítico para conseguir el retorno de la fuerte inversión de un parque eólico dentro de los plazos previstos.

La fase última de fabricación del generador comprende la realización de una serie extensiva de pruebas en todas las unidades fabricadas. Además, en algunas unidades seleccionadas mediante criterios estadísticos, se realizan ensayos adicionales con el fin de caracterizar la calidad de las máquinas construidas. El resultado de todos estos ensayos es una gran cantidad de datos de distintas medidas físicas (eléctricas, dimensionales, mecánicas) que se incluyen en un informe a entregar al cliente junto con el generador.

Hasta ahora todos los ensayos se realizaban por separado, y los informes se generaban manualmente con todos los datos adquiridos también de forma manual. Con el fin de automatizar en lo posible la toma de datos y mejorar la trazabilidad de la producción, se decidió integrar todas las medidas en un sistema centralizado por ordenador. Este sistema debía cumplir los siguientes requisitos:

Automatización de ciertos procesos de medida (los más costosos en tiempo).

- Entrada manual de datos de los procesos de medida no automatizados.

- Almacenamiento de datos en una base de datos SQL para un acceso rápido a los datos de los informes.

- Generación de informes automáticos en formato MS Excel y Word para su entrega al cliente.

Debido a la complejidad del sistema y a la gran cantidad de ensayos realizados a los generadores (más de 20), se diseñó una solución distribuida basada en productos National Instruments. El sistema definitivo consta de los siguientes elementos:

- Un ordenador central ejecutando Windows XP encargado del control y la visualización de todos los datos de los ensayos, así como del almacenamiento en base de datos y generación de informes.

- Un sistema PXI con sistema operativo en tiempo real para la realización de los 2 ensayos de más responsabilidad: medida de vibraciones, y medida de resistencias en los devanados del generador. Este sistema cuenta con una tarjeta de adquisición de datos dinámicos PXI-4472B para la medida de acelerómetros, y de una matriz de conmutación PXI-2503 para el enrutamiento de las medidas de resistencia. Este sistema además controla el instrumento de medida de resistencias a través de protocolo serie (RS-232).

- Un ohmetro para la medida de resistencias en el orden de mili-ohmios utilizando la técnica de 4 hilos (puente de Thompson) con interfaz serie.

- Un sistema Fieldpoint para adquisición de señales analógicas 4-20 mA y de control de encoders y sensores inductivos de velocidades. Las señales analógicas permiten controlar, a través de los

conversores correspondientes, todos los parámetros eléctricos del generador (tensión, intensidad, potencia,...), así como los de los equipos auxiliares.

- Un autómata con comunicación Modbus TCP/IP. Este autómata centraliza las medidas de hasta 50 temperaturas que deben vigilarse a lo largo del ensayo y almacenarse en base de datos en momentos concretos del ensayo.

La comunicación entre todos los elementos del sistema (excepto el ohmetro) se realiza a través de comunicación TCP/IP dentro de una red local del banco de ensayo. El PC de control se comunica a través de Ethernet inalámbrica (Wi-fi) con la red local de la planta, para permitir el acceso remoto a los datos del ensayo.

El sistema permite realizar distintos tipos de ensayos, siendo los más importantes el de vibraciones y el de calentamiento. En el de vibración el sistema PXI mide de forma simultánea la vibración en 6 canales a distintas velocidades de giro de la máquina para verificar la presencia de posibles problemas mecánicos en la máquina (principalmente desequilibrio).

El ensayo de calentamiento consiste en el rodaje de la máquina durante un periodo largo de tiempo (entre 8 y 10 horas) hasta que la temperatura de todos los elementos del generador alcanza un nivel estable. Una vez en esta situación, se procede a parar la máquina y desconectarla de la red eléctrica para poder medir la resistencia en sus devanados durante el tiempo de enfriamiento (en torno a dos minutos). Estas medidas de resistencia indican la calidad de la ejecución eléctrica de la máquina y son uno de los parámetros más importantes que pueden medirse. El uso de una matriz de conmutación integrada en el sistema PXI permite una disminución del tiempo de medida y del coste del equipo, pudiéndose medir la resistencia de hasta 12 circuitos de forma multiplexada. El uso de un sistema operativo en tiempo real permite además asegurar la toma de datos correctos durante los momentos críticos del ensayo.

Además de estos ensayos, el sistema permite la introducción por teclado de las medidas que todavía no están integradas, para su almacenamiento en base de datos. Estas medidas incluyen medidas dimensionales tomadas con micrómetros, medidas eléctricas tomadas con equipos que no disponen de protocolos de comunicación con el sistema automático, e incluso comprobaciones visuales. El sistema se ha diseñado de forma modular con el fin de poder añadir ensayos si fuera necesario o de modificar los existentes.

El sistema desarrollado ha cumplido con creces los objetivos planificados, abriendo incluso la posibilidad de incluir medidas inicialmente no previstas. Entre las principales ventajas señaladas por los usuarios del sistema pueden encontrarse las siguientes:

•                     Automatización de los ensayos, lo que implica menor tiempo del operario, con un menor riesgo de errores durante el proceso de medida.

•                     Generación automática de los informes de los ensayos.

•                     Trazabilidad mejorada de los ensayos de las máquinas gracias al almacenamiento automático de medidas en base de datos.

•                     Posibilidad de tratamiento estadístico de los datos, especialmente interesante cuando se realizan series de generadores iguales.

 

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Ander Hurtado González
Siemsa Norte. Director de Proyectos

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