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Perfeccionamiento de instalación experimental para digitalización del voltaje y la corriente de soldadura



  1. Resumen
  2. Introducción
  3. Sistema de puesta a tierra
  4. Instalación
    experimental
  5. Análisis preliminar de costo y
    factibilidad
  6. Conclusiones
  7. Referencias
    Bibliográficas

Resumen

El procesamiento digital de los parámetros
eléctricos del arco de soldadura ha sido una
técnica asiduamente utilizada en la tecnología
moderna, como vía de monitoreo y control de la calidad de
la soldadura. El objetivo del presente trabajo es comunicar
algunos aspectos tenidos en cuenta en la realización de un
sistema de puesta a tierra de una instalación experimental
para la digitalización y el acople a una computadora de
las señales de voltaje y corriente de soldadura
provenientes del proceso industrial. Las principales normas
cubanas referidas a los procedimientos de aterramiento vigentes
han sido aplicadas, realizándose la implementación
física de una red de aterramiento con una resistencia
adecuada para los fines con que ha sido creada; que
permitirá utilizar el conector de tierra de los equipos
como protección contra ruidos y fugas de voltaje,
minimizando así las probabilidades de falla y el nivel de
ruido en la instalación.

Palabras-clave: Digitalización,
Aterramiento, Ruido.

Introducción

Establecer un buen sistema de puesta a tierra es de
primordial importancia en cualquier instalación
eléctrica por razones de seguridad personal y, en
múltiples ocasiones, resulta imperativo tanto para el
correcto funcionamiento de los equipos eléctricos y
electrónicos como de las protecciones. Por lo tanto,
brinda importantes beneficios al evitar pérdidas de vidas,
daños materiales e interferencias con otras instalaciones.
En el sistema de puesta a tierra hay que manejar y medir
correctamente dos parámetros eléctricos que tienen
significados diferentes: la resistividad y la
resistencia.

Dentro de las principales fuentes de ruido que generan
las instalaciones industriales se encuentran los
armónicos. Los equipos que utilizan componentes
electrónicos de alimentación (controladores de
motores de velocidad variable, rectificadores por tiristores) han
aumentado considerablemente los problemas provocados por los
armónicos en las instalaciones eléctricas. Los
armónicos siempre han existido provocados por las
impedancias magnetizantes no lineales de transformadores,
reactores, resistencias de lámparas fluorescentes,
etc.

Los armónicos en sistemas de alimentación
trifásicos suelen ser en general impares, tercero, quinto,
séptimo, noveno… y la magnitud disminuye al ir
aumentando el orden del armónico.

Conociendo las características y singularidades
de los generadores de armónicos se pueden reducir los
armónicos a valores insignificantes: la eliminación
total es casi imposible. Los capacitores son extremadamente
sensibles a los componentes armónicos de la tensión
suministrada debido al hecho de que la reactancia capacitiva se
reduce según va aumentando la frecuencia. En la
práctica, esto significa que un porcentaje relativamente
pequeño de tensión armónica puede provocar
que circule una corriente elevada por el capacitor.

La presencia de componentes armónicos provoca que
se distorsione la forma de la onda (normalmente sinusoidal) de
tensión o corriente; cuanto mayor sea el contenido de
armónicos, mayor será el grado de
distorsión.

Existen varias soluciones: filtros pasivos; filtros
activos y filtros híbridos [1].

Para obtener las señales experimentales de
voltaje y corriente de soldadura, se deben acondicionar las
mismas para su correcta digitalización y posterior
procesamiento en la computadora.La instalación
experimental (Figura 1), está compuesta por una
computadora (1) acoplada a un acondicionador de señales
(2), que recibe entre sus terminales (e) y (f), la señal
de voltaje del transformador de soldadura (3) marca AIRCO, 220V
CA; la corriente de soldadura es regulable mediante la manivela
del transformador. La señal de corriente es tomada de los
extremos del sensor de corriente tipo Shunt (4) de 60 mV a 250 A,
clase 0,5; acoplándola a los terminales (c) y (d) del
acondicionador (2).además se concibió un sistema de
aterramiento para atenuar las tensiones y corrientes parasitas
que pudieran influir en los valores reales de las
mediciones

La mesa de trabajo (6) está conectada al terminal
de tierra (G) de la fuente de soldadura, a través del
sensor de corriente. El terminal (B) de la fuente de soldadura
está conectado al portaelectrodo del dispositivo de
autoalimentación (5) y la placa sobre la que se
efectúa el depósito (7) está conectada
eléctricamente a la mesa de trabajo.

Monografias.comMonografias.com

Monografias.comMonografias.comMonografias.comFigura 1. Esquema de la
instalación experimental

El acondicionador de señales (2) brinda en sus
terminales (a) y (b), las señales de voltaje y corriente
perfectamente preparadas para su entrada en la tarjeta de sonido
de la computadora (1) [2].

El acondicionador de señales está
compuesto por un circuito electrónico acondicionador de
corriente y otro circuito acondicionador de voltaje. El circuito
acondicionador de corriente (Figura 2) presenta dos etapas, la
primera constituye un amplificador inversor de ganancia variable
acoplado a la salida del sensor de corriente (4) representado en
la Figura 1.

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Figura 2: Esquema circuital del
acondicionador de corriente.

El circuito acondicionador de voltaje (Figura 3) es un
circuito atenuador que se encarga de disminuir el nivel de
voltaje en los terminales de la máquina de soldadura al
nivel apropiado para la tarjeta de sonido. La atenuación
se realiza empleando un divisor de tensión, a la salida
del mismo se añade un circuito seguidor de voltaje para
garantizar el acople de impedancia con la tarjeta de
sonido.

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Figura 3: Esquema circuital del
acondicionador de voltaje.

El dispositivo diseñado para la
alimentación del electrodo (Figura 4) consta de una base
metálica (3), que sostiene un soporte vertical (2) por el
que se desliza por gravedad la corredera (6) solidaria al brazo
(9), que soporta la tenaza (8), sosteniendo al electrodo (5) por
el extremo opuesto al cordón de soldadura (11) y, a la
vez, suministrando el contacto eléctrico con el conductor
(10) proveniente de la fuente de soldadura, mediante una
unión roscada desarmable (7). La varilla (1) limita el
movimiento radial del electrodo restringiendo las oscilaciones en
la trayectoria del cordón (11).

Al iniciarse el arco de soldadura el consumo del
electrodo hace que la corredera (6) baje gravitacionalmente,
mientras la punta del electrodo se consume por el intenso calor
del arco, produciéndose el efecto de
autoalimentación.

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Figura 4: Dispositivo de
alimentación por gravedad

Además se emplea una tarjeta de sonido AC 97 en
lugar de una tarjeta de dato, con una frecuencia de muestreo de
hasta 48 kHz y un convertidor análogo digital de 16 bits
[3], programada para obtener 48 000 muestras por segundo en los
canales de voltaje y corriente de soldadura durante el tiempo que
dura el experimento. Como parte de un trabajo previo se
realizaron experimentos con electrodos de doble recubrimiento en
la instalación experimental descrita

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Figura 5: Oscilograma de voltaje y
corriente de soldadura obtenido durante
experimentación

Como puede apreciarse (Figura 5) si bien la
señal de corriente se comporta de manera aproximadamente
sinusoidal, la señal de voltaje se encuentra
distorsionada, motivo por el cuál se hace necesario
realizar un análisis de los posibles motivos de este
efecto.

Desarrollo

Durante la revisión de las conexiones de la
instalación experimental se determinó que no se
estaba utilizando el conector de tierra física en la
fuente de soldadura, el acondicionador de señales ni la
computadora con la tarjeta de sonido.

Sistema de puesta
a tierra

Establecer un buen sistema de puesta a tierra es de
primordial importancia en cualquier instalación
eléctrica por razones de seguridad personal y, en
múltiples ocasiones, resulta imperativo tanto para el
correcto funcionamiento de los equipos eléctricos y
electrónicos como de las protecciones. Por lo tanto,
brinda importantes beneficios al evitar pérdidas de vidas,
daños materiales e interferencias con otras
instalaciones.

En el sistema de puesta a tierra hay que manejar y medir
correctamente dos parámetros eléctricos que tienen
significados diferentes: la resistividad y la
resistencia.

La resistividad esta dada por el tipo de terreno donde
vamos a ser el aterramiento, en el caso de nuestra
instalación experimental el terreno donde se encuentra
ubicada es pedregosa y cubierta de césped, por lo que la
resistividad oscila entre 300 a 500 ?.m,

Para medir la resistencia se utilizó el
método de caída de potencial (Figura 6). Este
método es utilizado para la mayoría de los sistemas
de tierra, para ello se siguió los siguientes
pasos

a) Se conectó el electrodo bajo prueba (E) a los
terminales C1 y P1 del instrumento.

b) Se llevo el electrodo auxiliar de corriente C tan
lejos como fue posible de E. y se conecto este electrodo auxiliar
al terminal C2 del instrumento.

Se conectó el electrodo auxiliar de potencial (P)
a mitad de la distancia entre E y, sobre la recta que les une y
el cable de este electrodo auxiliar se conecto al terminal P2 del
instrumento.

Luego se realizó la medición, R1 en ?,
esta medición se repitió al 40 y 60% de la
distancia entre el electrodo bajo prueba y el electrodo auxiliar
de corriente del instrumento con lo cual se obtuvo una R promedio
de 23 ?, lo cual cumple los parámetros de
protección para el equipo que estamos aterrando ya que es
menor que 25? según la NEC 2005. NFPA 70.

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Figura 6: Esquema de medición de
tierra

Para disminuir las posibles corrientes parásitas
que afectan las mediciones, estas deben ser contrarrestadas
mediante el aterramiento físico [2] de la
instalación.

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Figura 7: Aterramiento
físico

Con vistas a diseñar un buen aterramiento se
siguieron los siguientes pasos:

  • a) El estudio de la resistividad del
    terreno.

  • b) Requerimiento técnico para obtener la
    resistencia a tierra deseada.

  • c)  Mediciones de parámetros.

  • d) Definición de los materiales a
    utilizar (varillas de tierra, cable trenzado de cobre y
    pernos de conexión).

Teniendo en cuenta que la resistividad del terreno que
estamos tratando es de características seco, pedregoso y
cubierto de césped, fue necesario hacer una zanja de 50 cm
de ancho y 50 cm de profundidad donde se enclavaron cuatro
varillas de acero recubiertas con cobre de 150 mm de longitud y
un diámetro de 16 mm a una separación de 220 mm y
estas a la vez están conectadas mediante un cable trenzado
de tierra, hecho de cobre y también de fábrica,
producido con este fin, es fijado a cada de las picas o varilla
mediante el empleo de pernos atornillados e introducidos en la
nave de soldadura (Figura 7). La zanja es tapada con la tierra
retirada anteriormente, garantizando la seguridad de la
instalación y un mejor contacto del cable con la tierra
(Figura 8).

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Figura 8: Enclavamiento de
varillas

Para perfeccionar la instalación experimental
fueron necesarios cambios que conllevaron a un mayor uso de
materiales; dentro de ellos se encuentran los usados en el
aterramiento de la instalación. Para el aterramiento
físico se utilizaron 4 varillas de acero recubiertas con
cobre, 4 pernos, 14 metros de cable trenzado y el
Telurómetro (Figura 9) que es el instrumento de
medición que se utilizó para verificar que la
resistencia a tierra obtenida fuera la recomendada.

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Figura 9: Instrumento de medición
de tierra Telurómetro

Luego de terminar la instalación de aterramiento
se midió le resistencia comprobándose que la misma
tenía una resistencia de 4,6 ?, lo cual garantiza un
adecuado nivel de aterramiento, superior al que anteriormente se
utilizaba.

Instalación
experimental

La instalación aterrada proporciona un tercer
conductor para los chasis de los equipos y la fuente de
soldadura. Está compuesta por una computadora acoplada a
un acondicionador de señales que recibe la señal de
corriente del transformador de soldadura, tomada de los extremos
del sensor de corriente tipo Shunt de 60 mV a 250 A, clase 0,5.
El voltaje de soldadura se acopla de los terminales de la fuente
al acondicionador que lo atenúa para su entrada a la
tarjeta de adquisición de datos. La mesa de trabajo
está conectada al terminal de tierra de la fuente de
soldadura, que está a su vez se conectada al porta
electrodo del dispositivo de autoalimentación. Se le
agregó un osciloscopio digital Tektronix que se encuentra
conectado a los terminales de salida del acondicionador de
señales.

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Figura 10. Osciloscopio TEKTRONIX
empleado en la comprobación de la
instalación.

En pruebas preliminares realizadas con electrodos E6013
de diferentes fabricantes se obtuvieron oscilogramas acordes con
los obtenidos en otras investigaciones, sin distorsión
armónica significativa y con un nivel de ruido adecuado
para considerar válidas las mediciones
realizadas.

Análisis
preliminar de
costo y factibilidad

La obtención de un sistema de medición que
cumpla con los parámetros establecidos por normas en los
sistemas de medición modernos, requiere de la
conjunción de diversas tecnologías que permitan
minimizar los errores sistemáticos y aleatorios en las
instalaciones experimentales. En el presente trabajo se han
propuesto cambios necesarios que introducen un costo adicional a
la instalación existente (Tabla 1), pero que aumentan
considerablemente la precisión de las mediciones
realizadas.

Tabla 1: Costo preliminar de la
instalación

Componentes de la
instalación

Costo (USD)

Cantidad

Costo Parcial (USD)

Osciloscopio

3000/U

1U

3000

Cable trenzado de tierra

10/m

14m

140

Varillas de aterramiento

30/m

6m

180

Pernos atornillables

2/U

4U

8

PC

800/U

1U

800

Transformador de Soldadura

1000/U

1U

1000

SHUNT

80/U

1U

80

Cables

30/m

9m

30

Costo Total (USD)

5238

Atendiendo a las potencialidades que esta
instalación adquiere con el costo añadido, que
permitirán el desarrollo de nuevas investigaciones y
proyectos nacionales e internacionales para el centro de
investigaciones de soldadura; el costo de la inversión
realizada se justifica teniendo en cuenta fundamentalmente que
los equipos utilizados han sido prestados por otras áreas
de la universidad, lo cuál ha contribuido con la
realización exitosa del trabajo. Con los arreglos
realizados se obtendrán mejores resultados en la
evaluación de materiales para soldar a partir de la
utilización de recursos de otras áreas, mediante la
colaboración interdisciplinaria y las gestiones
institucionales. El empleo del osciloscopio profesional permite
calibrar la instalación para trabajos futuros.

Conclusiones

El balance de los aspectos positivos y
negativos del proyecto de perfeccionamiento de la
instalación experimental para la digitalización de
los parámetros eléctricos del arco, resulta
positivo, siendo el aterramiento físico y el uso de un
osciloscopio profesional uno de los principales cambios que
permiten mejorar el proceso de sensado digital de la respuesta de
frecuencia de las señales de voltaje y
corriente.

  • 1. Los oscilogramas obtenidos no
    presentan la distorsión manifiesta en la
    instalación anterior y coinciden con los oscilogramas
    reportados por otros investigadores en la realización
    de soldaduras con electrodos E6013.

Referencias
Bibliográficas

[1] Norma cubana. Reglamento Electrotécnico
Cubano. Efectos de los armónicos.p.364-365

[2] García Rodríguez A. Valoración
del desempeño de un dispositivo de autoalimentación
diseñado para la evaluación operativa de electrodos
revestidos. Soldagem & Inspeção. 14(1):
68-73.2009.

[3] Tarjeta de sonido AC 97.2013.

[4] Amores Sánchez Frank. Mediciones relativas a
los sistemas de puesta a tierra. Folleto Digital.
2008.

 

 

Autor:

Dr. Alejandro García
Rodríguez1.

Ing. Javier Ernesto León
Reyes1

1Universidad Central "Marta Abreu" de Las
Villas/Ministerio de Educación Superior (MES), Santa
Clara, Villa Clara. CUBA.

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