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ESTE PROYECTO CONTIENE LOS SIGUIENTES

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1. Figura 3 1 1 Boceto del montaje de la ventana termoel ctrica 2347 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Prototipo de ventana termoactiva Adem s para permitir la realizaci n de las funciones de la ventana se han practicado en la parte inferior del marco hueco unos orificios uno en cada cara del tama o necesario para acoplar los ventiladores que introducir n el aire a acondicionar En el marco superior de la ventana tambi n se han practicado orificios que permitan salir el aire una vez acondicionado Estos orificios est n situados encima de cada columna de celdas y en cada cara por lo que son 10 en total Para asegurar la eficiencia del prototipo se han tapado todas las comunicaciones del interior de la ventana con el exterior adem s de haberse impedido que el aire introducido en la cara caliente se mezcle en parte alguna con el aire de la cara fr a Adicionalmente se han aislado todas las partes de la zona transparente de la ventana que no corresponden a una columna con m dulos Peltier de forma que el aire tanto fr o como caliente s lo es capaz de atravesar la ventana entrando a trav s de los ventiladores ascendiendo por las columnas a este efecto y siendo expulsado por los orificios superiores sin haberse mezclado en ning n momento con el de la otra cara La construcci n real del prototipo puede observarse en la Figura
2. 1 MOT 2 MOT 3 POWER GND 4 POWER GND 5 HIGH VOLTAGE Release Date Revision Advanced Motion Controls 3805 Calle Tecate Camarillo CA 93012 10 2 2009 2 00 ph 805 389 1935 fx 805 389 1165 www a m c com i Ove ADVANCED ZAMOTION CONTROLS Analog Servo Drive 25A8 MOUNTI NG DI MENSI ONS s B Jaro B ALE Ji C 7 dil DP Y a sl S Nel L OU Scu Z f O n LJ Ls HA Ec C2 gt L X OL x UA Vv AL lt 1 V P Y y t y 1 As lt T M E Ey CO ES gs E GI Kick SL UN E Y Y i 0 19L4 CA E l i Wy ka e IN CIN ic N E Mir ina i Lf DN Era C P y A Pl y AS qi N A S AM gt L1 MN 5 ow I gt lt V L Ow UN 4 s
3. 63 Figura 3 4 6 Mando aplicado manualmente en el ensayo en lazo abierto 63 Figura 4 1 1 Diagrama de bloques del modelo sess 71 Figura 4 2 1 Diagrama de bloques que permite simular la respuesta de una funci n de transferencia ante una entrada discreta c eee 74 Figura 4 2 2 Gr fica de las temperaturas medidas en el sistema en un ensayo en lazo cerrado con control proporcional Kp 15 y con saturaci n de mando entre 0 y D e TEE EEEE ATEEN E ETT 75 Figura 4 2 3 Gr fica del mando aplicado al sistema en un ensayo en lazo cerrado con control proporcional Kp 15 y con saturaci n entre O y 3A Se superpone en verde la gr fica de la diferencia de temperatura entre la cara fr a de la ventana y el MDI rs id esencia 76 V UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL NDICE DE FIGURAS Figura 4 2 4 Ajustes para una estructura propuesta de funci n de transferencia de primer orden y de primer orden con cero En rojo la respuesta del ensayo en azul la respuesta simulada y en verde el error cometido en el ajuste 77 Figura 4 2 5 Ajustes para una estructura propuesta de funcion de transferencia de segundo orden y de segundo orden con cero En rojo la respuesta del ensayo en azul la respuesta simulada y en verde el error cometido en el ajuste 78
4. II UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Futuros desarrollos Podr a mejorarse mec nicamente el prototipo si se ensanchasen los carriles reservados a albergar las c lulas Peltier y al paso de aire pues ser a posible incluir disipadores con mayor superficie a la vez que se podr a bombear un mayor flujo de aire por su interior Otra posible soluci n es dividir cada columna de intercambio de calor en dos de forma que para la primera mitad se bombear a calor ste ser a calentado hasta llegar a media altura de la ventana y se desviar a a una columna sin c lulas que condujese el aire al exterior para la segunda mitad de la columna el aire realizar a el mismo recorrido a la inversa es decir se inyectar a por abajo en una columna sin intercambio de calor y a media altura se desviar a a una con m dulos termoel ctricos hasta ser expulsado Con esta soluci n se consigue que el aire que se utiliza para disipar calor en el lado caliente incremente mucho menos su temperatura y por tanto sea mucho m s efectivo al evacuar calor de los disipadores Para superar las limitaciones impuestas para el modelo obtenido mediante caja negra se sugiere profundizar en el modelado basado en principios f sicos de forma que se consiga finalmente obtener un modelo no lineal que se ajuste a los problemas de disipaci n del sistema real 107 3 4
5. 6 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TECNICA SUPERIOR DE INGENIERIA ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Bibliografia BIBLIOGRAFIA Calvo Romero D Climatizacion mediante c lulas Peltier 2007 Fuente www iit upcomillas pfc Herranz Pindado R Climatizaci n mediante c lulas Peltier 2008 Fuente www iit upcomillas pfc L pez Garcia L Climatizaci n mediante c lulas Peltier 2009 Fuente www iit upcomillas pfc National Instruments PID Control Toolset User Manual 2001 Fuente www ni com Arenas Alonso A Palacios R Rodriguez Pecharoman R Pagola Luis Full size Prototype Of Active Thermal Windows Based On Thermoelectricity Palacios R Arenas Alonso A V zquez J Pagola de las Heras F L Pecharrom n R R Caracterizaci n experimental de un Paramento Transparente Activo Termoel ctrico PTA Climamed 2006 Congres M diterran en des Climaticiens Lyon France 20 21 November 2006 Fuente www 1it upcomillas es docs 07RPHO01 pdf Villasevil F J Desarrollo y caracterizaci n de estructuras termoel ctricas constituidos con materiales y geometr as no est ndar Fuente Universidad Polit cnica de Catalunya National Instruments Labview tutorial manual 1996 Fuente www ni com 108 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Bibliograf a Parte Il ESTUDIO ECON MICO 109 UNIVERSIDAD PONTIFI
6. Negative Positive Heat Removed Hot Side Figure 1 Peltier cell The main objective of this project is temperature control of the window s side that would be placed inside the room The window s prototype is made up with 30 Peltier cells that will help to air condition the room Two fans help the air to flow through the exchangers that are installed on both sides of the cells The project studies system behavior with the purpose of optimizing control systems maximizing Peltier cell use but also taking into account the prototype s limitations such as heat dissipation I i Figure 2 Thermoactive window prototype ABSTRACT The first step of the project consisted in getting the prototype working using a power supply electronic board The fans and the thermoelectric module need power supply The next step was system identification A controller was implemented in Labview using National Instruments data acquisition hardware A model of the system was obtained by system identification based on black box modeling A closed loop experiment was used to carry this aim out The following transfer function has been determined using the least squares method It is the best system model for designing the air temperature controller 0 8584 1 4 465 PCS 1X34725 0 53 795 Using this system model a PI control for the cold side of the window was designed The controllers response is shown in Figure
7. VI Logger Lite data logging software Ordering Information INES CX Dee Met aero il la eec etat a 776572 02 MAD osten a RIDE MEL 776572 12 Accessories SEI96596 shieldedcable dem oM 183228 01 ROS bb calle PORUM 183425 01 For information on extended warranty and value added services go to ni com signalconditioning BUY NOW For complete product specifications pricing and accessory information call 866 265 9891 U S only or go to ni com scxi Compatible Modules SCXI 1102B SCXI 1102C SCXI 1104 SCXI 1104C SCXI 1100 SCXI 1102B SCXI 1102C SCXI 1100 SCXI 1102B SCXI 1102C SCXI 1100 SCXI 1100 SCXI 1102B SCXI 1102C SCXI 1102B SCXI 1102C SCXI 1104 SCXI 1104C SCXI 1100 SCXI 1100 SCXI 1102B SCXI 1102C SCXI 1104 SCXI 1102B SCXI 1102C SCXI 1104 SCXI 1100 Cabling SH96 96 or R96 96 SH96 96 or R96 96 SH96 96 or R96 96 Special Functions IC sensor for CUC Isothermal construction Pluggable ground referencing 249 Q precision shunt resistor for current measurements Isothermal construction Prewired ground referencing DIN rail mount Isothermal construction Pluggable ground referencing 3 terminals per channel DIN rail mount 3 terminals per channel Low cost connector and shell assembly INSTRUMENTS yN NATIONAL SCXI Thermocouple Input Modules Specifications Complete Accuracy Table Module SCXI 1100 Nominal Range 10 V 5 V LIV 1V 500 mV 200 mV 100
8. We also offer service programs that provide automatic upgrades to your application development environment and higher levels of technical support Visit ni com ssp Hardware Services NI Factory Installation Services NI Factory Installation Services FIS is the fastest and easiest way to use your PXI or PXI SCXI combination systems right out of the box Trained NI technicians install the software and hardware and configure the system to your specifications NI extends the standard warranty by one year on hardware components controllers chassis modules purchased with FIS To use FIS simply configure your system online with ni com pxiadvisor Calibration Services NI recognizes the need to maintain properly calibrated devices for high accuracy measurements We provide manual calibration procedures services to recalibrate your products and automated calibration software specifically designed for use by metrology laboratories Visit ni com calibration Repair and Extended Warranty NI provides complete repair services for our products Express repair and advance replacement services are also available We offer extended warranties to help you meet project life cycle requirements Visit ni com services 5340 321 101 O 2005 National Instruments Corporation All rights reserved CVI LabVIEW Lookout Measurement Studio National Instruments National Instruments Alliance Partner NI ni com NI DAO and SCXI are trademarks of National
9. 0 010 0 0015 0 0015 Lapped Lapped 4 5 L1 0 134 0 001 0 001 0 001 Lapped Lapped 4 5 L2 0 134 0 0005 0 0005 0 0005 Lapped Lapped 4 5 ML 0 138 0 010 0 002 0 002 Metallized Lapped 4 5 LM 0 138 30 010 0 002 0 002 Lapped Metallized a it MM 0 142 0 010 0 002 0 002 Metallized Metallized Ar RT RIV White 60 to 204 C Non corrosive silicone adhesive sealant EP Epoxy Black 55 to 150 C Low density syntactic foam epoxy encapsulant Laird Ceramic Plate Series CP08 63 06 IA Thermoelectric Modules Innovative Technology tor a Connected World Performance Curves at Th 25 C THERMO ELECTRIC Voltage V n 10 0 8 0 1 7 9 0 1 3 6 0 pe 8 0 X 0 4 7 0 4 0 6 0 5 0 2 0 4 0 2 x 3 0 0 0 80 70 60 50 40 30 20 10 0 2 0 Delta T C 1 0 0 0 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Delta T C 0 967 027 24 56 0 69 26 AWG PVC 0 484 027 12 29 0 69 4 5 114 IN LENGTH EE cc IZ IE HEAT SHRINK TUBING 2 PLACES THICKNESS SEE OPTIONS COLD FACE RPP HOT FACE Ceramic Material Alumina Al O3 Solder Construction 138 C Bismuth Tin BiSn OPERATING TIPS e Max Operating Temperature 80 C e Reference assembly guidelines for recommended installation e Do not exceed Imax or Vmax when m i operating module e Solder tinning also available on me
10. 1 6 y 2 1 44 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Prototipo de ventana termoactiva e 10 termopares miden la temperatura de la cara B de determinados m dulos termoel ctricos concretamente 1 1 1 3 1 4 1 6 2 1 3 1 5 1 5 3 5 4 y 5 6 e 2termopares miden la temperatura en ambas caras de la ventana en la c mara de descarga de cada ventilador Esto es lo que se tomar como medida de la temperatura ambiente en cada parte de la ventana La diferencia entre el n mero de termopares instalados en las caras A de los m dulos y los instalados en las caras B se debe puramente a una falta de canales en el sistema de adquisici n utilizado y a la insuficiencia de longitud de los cables de los termopares para llegar a todas las partes del prototipo No obstante esto no constituye un problema puesto que en este proyecto las temperaturas que tienen verdadero inter s son las de entrada y salida de aire siendo poco relevantes las temperaturas intermedias Para la adquisici n de temperaturas se emple el hardware de adquisici n de datos suministrado por National Instruments el hardware de DAQ act a como interfaz entre el PC y las variables f sicas medidas Es un dispositivo que entre otras funciones digitaliza se ales anal gicas para su posterior interpretaci n por software En este proyecto se emplea un chasis SCXI 1000 Figura 3 2 2 ver m s
11. 4 46s P ES a Y ARAS a A AA 5 4 028816 0 01859 1 34725 1 53 795 82 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Identificaci n de la planta Las caracter sticas de la planta son e Ganancia est tica P 0 0 85841 e Polos en 0 288 y 0 01859 e Cero en 0 2242 e Constantes de tiempo de 11 3 472 s t2 53 79 s y T 4 46 s 83 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Identificaci n de la planta 4 2 2 VALIDACI N DEL MODELO A continuaci n se muestran dos gr ficas Figura 4 2 9 y Figura 4 2 11 que comparan la respuesta del sistema elegido frente a la del ensayo en condiciones distintas a las utilizadas para la identificaci n Concretamente se var a en el ensayo la constante proporcional del control Figura 4 2 9 y el punto de operaci n Figura 4 2 11 Simulaci n Ensayo Referencia Temperatura C Figura 4 2 9 Comparativa de las respuestas del sistema simulado y del ensayo real ante un escal n en la referencia de 25 a 23 C con Kp 20 84 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Identificaci n de la planta po Temperatura Fria Ambiente Mando A lb Temperatura C y Corriente A Figura 4 2 10 Gr fica del mando aplicado al sistema en un ensayo en l
12. 50K ee CURRENT 20K i LIMIT 7 POT1 CH LOOP c GAIN POT2 CURRENT LIMIT P1 2 SIGNAL GND CONTROL MosreT LMOTOR Pe e Pi 1 5V e 3mA OUTPUT REX IR COMPENSATION LOGIE DRIVE P1 3 5U 3mA OUTPUT m UOLTAGE FEEDBACK SW1 TACH GAIN OFFSET 5U CURRENT R13x POTH SENSE P1 6 TACHOMETER SU VOLTAGE 50 SENSE K eo P1 7 TACHOMETER GND ALL GROUNDS ARE INTERNALLY CONNECTED CURRENT MONITOR MODE SELECTION TABLE P1 8 LED GREEN NORMAL OPERATION LED RED FAULT RECOMMENDED SETTING FOR CURRENT MODE POT1 FULLY CCW POT3 FULLY CH AMPLIFIERS ARE SHIPPED IN CURRENT MODE WITH MAXIMUM CURRENT SETTINGS FOR OTHER SWITCH FUNCTIONS SEE SWITCH DESCRIPTION OPTIONAL USER INSTALLED THROUGH HOLE COMPONENT SW2 SHOULD BE OFF FOR MOST APPLICATIONS Information on Approvals and Compliances US and Canadian safety compliance with UL 508c the industrial standard for power conversion electronics UL registered under file number E140173 Note that machine components compliant with UL are considered UL registered as opposed to UL listed as would be the case for commercial products Compliant with European CE for both the Class A EMC Directive 89 336 EEC on Electromagnetic Compatibility specifically EN 61000 6 4 2001 EN 61000 6 2 2001 EN 61000 3 2 2000 and EN 61000 3 3 1995 A1 2001 and LVD requirements of directive 73 23 EEC specifically EN 60204 1 a low voltage directive to protect users from e
13. Capiulo S Futuros desarrollos misa isa 106 Bibliograf a 108 Parte II Estudio ECON MICO aan 109 Capitulo 1 Estudio ECON MICO iaa 110 Il UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL NDICE DE LA MEMORIA Parte III Mantal de Usuari oca pescao a i edid 112 Capitulo 1 Labio 113 Cap tulo 2 Estructura del control PID c ce ee ecce e esee eee eene eene 114 2 1 Bloque PID nai ia aio 114 2 2 ACCION CLC POUCA asian 117 2 3 ACCIODABDOGST OL asit T 121 Cap tulo 3 Ensayo en lazo abierto ecce eee eee eere eene eene eene eene 126 Cap tulo 4 Ensayo en lazo cerrado e eee ee eene eene eene eene eene 128 Parte IV Conteo Mentes 131 Capitillo LE AJUSTE Mia 132 Capuulo 2 PREepara_ Ul Masia 137 Cap tulo 3 Diseno P icccccccccccccccccsccesccsccsccesccscccscesccsccesccsccescesccsccescesccescess 139 Parte V Dalas MC sites sie PESE Ried us 140 MI UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL NDICE DE FIGURAS Indice de figuras Figura 2 2 1 Efecto Seebeck www ferrotec com ooocccccccncnccnnnnnnonnnnnanaccnnnnnnnnnnos 20 Figura 2 2 2 Efecto Peltier Wwww ferrotec com oocccccccccccncnnnnnnononononananccncnnnnnnnoos 21 Figura 2 2 3 Esquema del funcionamiento del efecto Thomson 23 Figura 2 2 4 Esquema de f
14. Figura 4 2 6 Ajustes para una estructura propuesta de funci n de transferencia de tercer orden y de tercer orden con cero En rojo la respuesta del ensayo en azul la respuesta simulada y en verde el error cometido en el ajuste 79 Figura 4 2 7 Comparativa de los diagramas de Black de las distintas funciones de Hanse regc Propuestas apa nao pajero 81 Figura 4 2 8 Vista aumentada a la fase de 120 de la comparativa de los diagramas de Black de las distintas funciones de transferencia propuestas 81 Figura 4 2 9 Comparativa de las respuestas del sistema simulado y del ensayo real ante un escal n en la referencia de 25 a 23 C con Kp 20 84 Figura 4 2 10 Gr fica del mando aplicado al sistema en un ensayo en lazo cerrado con control proporcional Kp 20 y con saturaci n entre O y 3A Escal n de 25 a 23 C Se superpone en azul la gr fica de la diferencia de temperatura entre la cara fr a de la ventana y el ambiente cccccoooooonnccnnnnnnnnnnnnocnnnnnnnnnnonnnonnnnnnnnnnnnnnnannnnnss 85 Figura 4 2 11 Comparativa de las respuestas del sistema simulado y del ensayo real ante un escal n en la referencia de 23 a 22 5 C con Kp 13 85 Figura 4 2 12 Gr fica del mando aplicado al sistema en un ensayo en lazo cerrado con control proporcional Kp 15 y con saturaci n entre O y 3A Escal n de 23 a 22 5 C Se superpone en azul la gr fic
15. RE A um A gt UO xPyaux ympfercoxr z5 Imis VS hema Wil sim sistema tfin yaux y ym sal error yaux ym J i yaux ys amp s h end O Representacion grafica de ys ym y del error ys ym CLI plot time ym r time ys b time error g disp PAUSE pause disp VALE grid dgn JN ym ys Direccion de Gauss Newton 134 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Ajuste m BUSQUEDA DE MU ajuste del paso en la direccion de oauss Newton para garantizar una disminucion de la funcion objetivo mu 2 Inicializacion de mu Vaux V 10 Inicializacion de la funcion objetivo en el nuevo punto Stb 1 Flag de estabilidad del sistema 0 inestable 1 estable Oo Busqueda de mu mientras no se reduzca la funcion objetivo el sistema sea inestable while Vaux V stb Oo mu mu 2 Reduccion del paso thaux thetatmu dgn Actualizacion de parametros gt a a a a O Actualizacion de los parametros del regulador th thaux Matriz de estado del sistema linealizacion A B C D linmod sistema Flag de estabilidad la parte real de todos los autovalores de A son negativas stb all real eig A lt 0 o o KJ Simulacion con los nuevos parametros if stb yaux zeros size yaux else t X yaux am erson mi sistema erin sim sistema tfin yaux y
16. aplicado Esto se hace considerando el sistema una caja con entradas y salidas todo el proceso se explica en 4 2 Modelado por caja negra Tras la obtenci n del modelo se proceder a su validaci n comparando su respuesta con la respuesta en ensayos Para concluir este cap tulo en 4 3 Conclusi n se exponen los principales resultados de la identificaci n del sistema junto con el modelo que se emplear para dise ar el regulador de temperatura 65 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Identificaci n de la planta 4 1 MODELADO POR PRINCIPIOS F SICOS Para dise ar un buen control de la temperatura del flujo de aire en la cara fr a de la ventana es necesario obtener un modelo del sistema La identificaci n basada en principios f sicos o tambi n conocido modelado por caja gris se basa en principios termodin micos y el ctricos para deducir la estructura del modelo y datos experimentales para obtener los par metros del modelo Esta metodolog a implica un conocimiento del proceso y de las leyes f sicas y matem ticas que lo describen as como una buena caracterizaci n de los materiales que lo componen En ocasiones el proceso de obtenci n de un modelo empleando este m todo es muy complejo lo que lleva a realizar simplificaciones el sistema y a linealizarlo La simplificaci n del sistema es una tarea cr tica usualmente las hip tesis que deben
17. e Digital Interface Loop Supply gt and Control 2 E Current Sink BE d Calibration m EEPROM E 15 21 V 5 Range Unipolar Chassis Ground E Selection E 12BitDAC Erica 5 t t p E 1 5 or 10 V election solation 5 Isolated Ground 1 E d p Chassis Ground Figure 1 SCXI 1124 Block Diagram Terminal Block Part Number Type Cable Page y 3 SCXI 1325 777687 25 Screw terminals 329 Orderi ng Information front mounting TBX 1325 777207 25 Screw terminals SH48 48 4 331 JA A d ce tias 716572 24 DIIS ee For information on extended warranty and value added Figure 2 Terminal Block Options for SCXI 1124 ser vices see page 20 BUY ONLINE Visit ni com info and enter scxi 1124 See page 276 to configure your complete SCXI system 316 ational Instru ents Tel 00 Fa 512 00 info nico ni co SCXI 32 Channel Isolated Analog Output and Current Excitation Specifications Specifications T These specifications are typical for 25 C unless otherwise noted SCXI 1581 U 8 E SCXI 1124 Excitation Analog Output Output Characteristics Number of channels SASS RSS ee SS ee IEEE EE FECERANT 32 single ended outputs Curent OUEDUE ssir aynan 100 yA Number of hal Sussie 6 voltage or current l E l Accri UU 0 05 PSG NIG atracador cacaos 12 bits 1 in 4 096 B We Temperature dora 5 ppm C Common mode isolation 250 Vins between channels and channel to earth ground Me r Maximum resistive loa
18. entradas anal gicas o SCXI 1124 salidas anal gicas Software e National Instruments Labview 7 1 la comunicaci n entre el PC y el prototipo se realiza mediante software y hardware comercial de National Instruments para la implantaci n del control ensayos y registro de datos se dispone de las siguientes aplicaciones para Labview o Labview Control Design Toolkit o PID Control Toolset o System Identification Toolset o Simulation interface Toolkit e MathWorks MATLAB R2009b se utiliza Matlab como entorno de simulaci n y dise o de controles previos a la implantaci n real sobre el prototipo o Simulink 15 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Introducci n e Programa de identificaci n de sistemas mediante ajuste de par metros por m nimos cuadrados elaborado por el Departamento de Electr nica y Autom tica Juan Luis Zamora Macho Otros e Prototipo de ventana termoactiva e Instrumentaci n del prototipo termopares y m dulo de potencia 16 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL La termoelectricidad Cap tulo 2 LA TERMOELECTRICIDAD Este cap tulo tiene como prop sito introducir al lector en el mundo de la termoelectricidad y los efectos que en ella se dan En la secci n 2 2 Principios fundamentales se explican los fundamentos de los efectos termoel ctricos
19. no se disipe bien el calor implica que hay que aplicar un mando mayor para mantener la temperatura de la cara fr a En un sistema lineal como es la funci n de transferencia esta mayor aplicaci n de mando supondr a un 86 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Identificaci n de la planta enfriamiento mayor de la cara fr a lo cual no ocurre en el sistema real como se observa en la Figura 4 2 11 87 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Identificaci n de la planta 4 3 CONCLUSI N El modelo que se utilizar como planta para el dise o del control ser P s 0 8584 1 4 46s 1 3 472s 1 53 795 Habr que tener en cuenta que el uso de este modelo tiene la limitaci n de s lo ser v lido para enfriamiento de unos 2 C sobre una temperatura ambiente de unos 25 C por lo que el dise o del control que se realizar en el siguiente capitulo podria no responder de la manera esperada en situaciones concretas 88 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Control del sistema Cap tulo 5 CONTROL DEL SISTEMA 5 1 DISE O Para el sistema que se pretende controlar el regulador m s apropiado es un control proporcional integral PI cuya principal caracter stica es el aporte de precisi n al
20. sm o NENNEN 55 A v5 0 29 _Q UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Control del sistema Step Response o o 2 al c 100 Time sec Figura 5 1 1 Comparativa de las respuestas temporales a escal n en la referencia del modelo con control PI con m rgenes de fase de 50 55 y 60 92 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Control del sistema Nichols Chart System G_50 Phase Margin deg 49 4 Delay Margin sec 9 05 Atfrequency rad sec 0 0952 Closed Loop Stable Yes System G_50 Gain Margin dB 7 72 At frequency rad sec 0 255 Closed Loop Stable Yes Open Loop Gain dB 210 Open Loop Phase deg Figura 5 1 2 Comparativa de las respuestas en frecuencia diagrama de Black de lazo abierto para los tres controles PI disenados Como se puede observar en la Figura 5 1 2 el sistema menos amortiguado es el dise ado con menor margen de fase Aun as ste se encuentra dentro de unos m rgenes aceptables tanto de ganancia como de fase por lo que en relaci n a la respuesta en frecuencia los tres controles son v lidos y se utilizar la respuesta temporal para elegir entre ellos el que m s conviene implantar en el sistema _ 93 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUS
21. ym sal error yaux ym end Oo Actualizacion de la funcion objetivo Vaux stb sqrt sum yaux ym 2 Nd end Parametros y funcion objetivo en pantalla 135 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Ajuste m theta thaux Vaux end Matriz de covarianzas de los parametros Sensibilidades PeVaix 2 1inv J J 5 disp Coeficientes de dispersi n disp 100 sqrt diag P theta 136 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL prepara_datos m Cap tulo 2 PREPARA_DATOS M clear load B15 sat 3 lwm matriz K15 satO0 3 t 2 0 1 size matriz 1 1 Tiempo en segundos ref matriz fF2 SCara fria A fria0 2matiaz frial matriz fria2 matriz fria3 matriz fria4 matriz Es es Y E fria EF ria fra assu dg true Ao s SCara caliente cal l5 matriz 8 cal62matriz 9 cal8 matGriz F cal matr AME les cal9 matriz cal calb5b 4c amp doWwealu cal8UTeso2 5 SAmbiente amb10 matriz 13 Cara fria A ambll matriz 14 Cara caliente B amb amb10 amb11 2 Celdas All matriz Al3 matriz Al4 matriz Al6 mat riz A2l matriz Bll matriz Bl3 matriz Bl4 matriz Bl6 matriz Ls ES 137 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL prepara_datos
22. 1 2 MOTIVACI N DEL PROYECTO En la realizaci n de este proyecto se puede hablar de tres grandes focos independientes de motivaci n el uso de la termoelectricidad como alternativa a los sistemas de refrigeraci n y calefacci n actuales el uso de una ventana como sistema de acondicionamiento de temperatura y la motivaci n para este proyecto concreto Este proyecto est inmerso en un nuevo enfoque del uso de la energ a basada en la termoelectricidad Esta t cnica estudia la generaci n de la energ a el ctrica a partir de calor residual o el proceso inverso producci n de calor o fr o mediante la circulaci n de una corriente por un material termoel ctrico El desarrollo de circuitos de refrigeraci n basados en elementos Peltier como alternativa a los refrigerantes convencionales de origen org nico agua amoniaco y de origen inorg nico CFC s HCFC s que resultan muy contaminantes ha ido en aumento en los ltimos a os Estos presentan grandes ventajas respecto a los otros sistemas de climatizaci n a continuaci n se indican algunas de ellas las cuales hacen de sumo inter s la investigaci n en este campo e No es necesario el uso de combustibles la nica fuente de alimentaci n necesaria es la red el ctrica e Produce fr o o calor con un simple cambio de polaridad de la tensi n corriente aplicada e Se tiene un control preciso de la temperatura e Puede funcionar en cualquier posici n UNI
23. 2 3 1 a STOP Para el programa b Configuraci n de los termopares se ajustar n seg n el tipo de termopares e instrumentaci n utilizados c Lecturas de temperaturas corresponden a los datos recogidos instant neamente por los termopares se muestran tanto gr ficamente como en valores d Resumen muestra un resumen de las temperaturas referencia ambiente cara fr a media aritm tica de las lecturas de los 5 termopares y cara caliente media aritm tica de las lecturas de los 5 termopares 128 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Ensayo en lazo cerrado e PID parameters campos para introducir los valores de los par metros del control f Output range saturaci n campos para introducir la saturaci n superior e interior del mando en Amperios g T referencia consigna de temperatura en el lado fr o de la ventana Indicar en los campos T referencia PID Parameters y Output range los valores deseados Pulsar El para iniciar el ensayo Pulsar STOP para finalizar el ensayo 129 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Ensayo en lazo cerrado 5CiModi ali SC1Mod2 a2 SC1Hod2 ai3 SC1Hod2 aid SiM aE le Caki Junction Paramalura SC1Mod2 a7 CK Source SC1Mod2 aB e Internal 5CiMod2 al9 CIC Channel SCiBod2 a10 5CiMod2 a111 CIC Value SC1Mod2 ai14 SC
24. 3 1 2 y en la Figura 3 1 3 en las cuales se aprecian mejor las partes anteriormente mencionadas y el recorrido realizado por el aire a su paso por la ventana 38 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Prototipo de ventana termoactiva refrigerado calentado Modulos termoel ctricos Entrada y descarga de aire Figura 3 1 2 Esquema b sico del recorrido realizado por el aire al atravesar la cara fr a de la ventana termoactiva 39 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Prototipo de ventana termoactiva 3 1 2 MODIFICACIONES SOBRE EL PROTOTIPO 2009 Para la construcci n del nuevo prototipo de ventana termoactiva se ha partido de las conclusiones obtenidas en el proyecto previo enfocado en esta misma l nea y de las limitaciones encontradas en la disipaci n de calor en el lado caliente de la ventana 3 p ginas de la 75 a la 78 Las modificaciones incluidas en el nuevo prototipo son principalmente las que se nombran a continuaci n Se han instalado perfiles disipadores de aluminio en ambas caras de las c lulas incluidas en la ventana con intenci n de mejorar el intercambio de calor entre la cara caliente de las mismas y el torrente de aire que atraviesa la ventana Se ha sustituido el modelo anterior de c lulas termoel ctricas Melcor CP1 0 63 05L por el
25. 5 O seio decani daro aa 15 to 21 V last een 3 to 42 V Olas Short circuit and open circuit POW ETON State orinar nai 0 pA E E d Dynamic Characteristics Output Range Signal Conditi 0to1V 0to5V Oto 10V 1V 5V 10V Settling ti e 210 us 115 us 100 us 135 us 65 ys 85 us Slew rate current outputs 0 3 mA us Noise Voltage OU asuman 1 mv 0 to 20 MHz Current GUEDUDS aras 10 PA rms 0 to 20 MHz Stability Offset temperature coefficient Unipolar A 1 ppm C A 6 ppm C Gain temperature coefficient 20 ppm C 1Update rate depends largely on the computer and software These tests were made using a PCI 6032E installed in a 500 M Hz PIII computer running NI LabVIEW and Windows NT Not for Waveform Generation Refer to the SCXI 1124 User M anual for more information 3Setting time is to 30 012906 40 5 LSB accuracy for a full scale step 318 ational Instru ents Tel 00 Fa 512 00 info nico nico SCXI Thermocouple Input Modules NI SCXI 1102 NI SCXI 1112 Hardware scanning of cold junction sensors 2 Hz lowpass filtering per channel Overvoltage protection to 42 V 333 kS s maximum sampling rate NI measurement services software that simplifies configuration and measurements SCXI 1102 LEDs per channel Operating Systems Windows 2000 NT XP LabVIEW LabWindows CVI Measurement Studio Programmatic input range of 100 mV or 10 V
26. A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL NDICE DE FIGURAS Figura 2 3 1 Funcionamiento de la acci n integral con valores no infinitos de K Ki K T sin cambios en los par metros de ganancias PID o con initialize ACULY RR 121 Figura 2 3 2 Funcionamiento de la acci n integral con valores infinitos de Ki Ti 122 Figura 2 3 3 Funcionamiento de la acci n integral con valores no infinitos de K Ki K Ti y alg n cambio en las ganancias PID o initialize activa 123 Figura 2 3 1 Interfaz de usuario para la realizaci n de ensayos en lazo abierto 127 Figura 2 3 1 Interfaz de usuario para la realizaci n de ensayos en lazo abierto 130 VII UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Memoria ndice de tablas Tabla 3 2 1 Conexi n de los termopares instalados en el prototipo al sistema de adquisici n de datos de National Instruments cccccccccnnnnocnncnnnnnonononnnnnnnnnnnnnonnnos 48 Tabla 3 3 1 Caracter sticas de los m dulos termoel ctricos CP08 63 06 W9 de Pi alo ETT uo omnes deena EEE E 23 Tabla 3 3 2 Resumen de las caracter sticas el ctricas principales del servoamplificador 25A8 de Advanced Motion Controls ssse 56 Tabla d E Ensayo AA taa uci ad oneE Una CF eup aA 61 Tabla 5 1 1 Par metros de los diferentes contr
27. DAQ and SCXI are trademarks of National Instruments Other product and company names listed are trademarks or trade names of their respective companies A National Instruments Alliance Partner is a business entity independent from NI and has no agency partnership or joint venture relationship with NI 2005_5612_321_101_D Disipador SERADHE Mod 1117 TUN Cotas en mil metros NI eradhe e mM electromechanical supplier DIM EN ISO 8001 2000 Isaac Peral naus 19 20 T 434 B3 336 70 12 ixi MIR TES Pal Ind Nord Est F 34 qa 356 79 a CERTIFICADO N gi 100 048106 EX18740 Sant Andreu de la Barca seradhessaradha com Barcelanae parn vn seradhe com PLANOS UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL NDICE e Indice Capitulo 1 Lista de planos msm 2 Capil lo2 TUI aaa asias 3 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Lista de planos Cap tulo 1 LISTA DE PLANOS Plano n 1 Diagrama de Labview en lazo abierto Plano n 2 Diagrama de Labview en lazo cerrado UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Planos Cap tulo 2 PLANOS 5CXI Module l i C Source T Pa Err gt Muestras s Continuous Samples Minimum value deg C nec e TITO Maximum value
28. DAQ device Whether you are using a single chassis or multichassis system you can still acquire data at rates up to 333 kS s Power Options These SCXI chassis offer a number of standard AC power options Simply choose the option for your country or a country compatible with your power specifications If you move your system to another country you can easily reconfigure the system for any of the other AC power configurations National Instruments Tel 800 813 3693 info ni com ni com 1 SCXI Chassis SCXI 1000 The NI SCXI 1000 is a 4 slot chassis available with a number of standard AC power options This chassis is ideal for single chassis or low channel count applications If your application grows you can daisy chain two or more SCXI 1000 chassis You can also use off the shelf true sine wave DC to AC power inverters to power AC chassis with a DC power supply SCXI 1000DC The SCXI 1000DC is a 4 slot chassis that accepts DC power You can power it with any 9 5 to 16 VDC power supply or use the optional SCXI 1382 12 VDC battery pack shown in the picture You should also consider the optional SCXI 1383 power supply float charger to operate the chassis from an AC power outlet when necessary This chassis is ideal for portable applications or other times when AC power is not always available 2 National Instruments Tel 800 813 3693 info ni com ni com SCXI 1001 The SCXI 1001 is a 12 slot chassi
29. E i Rau uuu Ca Eua UE Eua Ea ca Ea eua aC Cua FUE g 2 d 2 E 2 d 2 d a TaT ah Fs Fr Fs Fe ey E o PID gains Figura 2 3 3 Funcionamiento de la acci n integral con valores no infinitos de K K 2 K T y alg n cambio en las ganancias PID o initialize activa 123 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Estructura del control PID OBSERVACIONES e La variable de salida de este bloque est limitada por el rango establecido en la variable OR e Si la variable initialize se activa esto es si se trata de la primera llamada al bloque o si la variable reinitialize se encuentra activa la acci n integral no act a la salida del bloque de acci n diferencial es 0 124 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Estructura del control PID SISTEMA ANTI WINDUP Del esquema mostrado en la Figura 2 3 1 y conociendo el funcionamiento de los sub bloques que conforman la acci n integral se puede deducir el funcionamiento del sistema anti Windup incluido en el bloque PID El siguiente fragmento de pseudoc digo pretende facilitar al lector el entendimiento de dicho funcionamiento error k error k 1 2 Ki dt error acumulado k 1 T k P k dentro de m rgenes OR erore emi ado Ck Ml error acumulado k SA TURACION OR IAE El pseudoc digo an
30. INGENIERO INDUSTRIAL Introducci n El dise o del control para el modelo se llevar a cabo en Simulink sobre el modelo obtenido Se ha pensado en un control PI inicialmente aunque la propia entidad del sistema llevar a posibles variantes y o mejoras del mismo Tras obtener un control con una respuesta aceptable para el modelo se proceder a implantarlo en Labview para poder realizar ensayos sobre el prototipo Este paso es delicado ya que Simulink y Labview son entornos distintos tanto en la forma de trabajar interna como en el interfaz con el programador Por ltimo se llevar a cabo una etapa c clica de ensayos y redise os consecutivos del control variaciones y mejoras del mismo hasta alcanzar unos resultados aceptables sobre el prototipo En cuanto al seguimiento de las etapas del proyecto se realizar n reuniones espaciadas alrededor de una semana con el director de proyecto adem s se realizar n reuniones extraordinarias tras la realizaci n de los puntos m s importantes o hitos del proyecto para discutir acerca de los mismos Tras estas reuniones tambi n se documentar minuciosamente el trabajo realizado hasta el momento _14 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Introducci n 1 5 RECURSOS Hardware e PC e M dulo de adquisici n de datos de National Instuments SCXI 1000 o SCXI 1600 tarjeta inteligente del chasis o SCXI 1102B
31. Intervalo fijo de integracion S KJ ts tfin Tsamp toll 1 lsamp Nd Numero de datos en el ajuste o O Tolerancia e T variacion de la funcion objetivo variacion de los parametros S KJ theta lt Tolerancia LtoOlzels V 1 Inicializacion del valor anterior la funcion objetivo S Inicializacion del valor nuevo de la funcion objetivo 0 01 ones 1 Np parametros niter Vaux dan incremento de los Direccion de Gauss Newton S Numero de iteraciones S KJ 0 o o o o o o o o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o oe o o o oe o o o o oe CHEQUO DE L ESTABILIDAD INICIAL o o o o oe o o o oe oe o o oe oe o o oe oe o o oe o o oe linealizacion Matriz de estado del sistema O linmod sistema e Loo Dac la parte real de todos los son negativas Flag de estabilidad all real eig A S LOG autovalores de stb S e 0 5 0 if stb disp SISTEMA INESTABLE REGULADOR MODLELCA MBOSTEARAME TROSSDEL return end o oe oe o o o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe oe oe o oe oe oe o
32. calor de un conductor portador de corriente con un gradiente de temperatura Un conductor portador de corriente con una diferencia de temperatura entre dos puntos o bien absorber o emitir calor seg n el material Si una densidad de corriente J pasa por un conductor homog neo la producci n de calor por unidad volumen es rcc ad dx Donde e Resla resistencia del material m es el gradiente de temperatura a lo largo de la longitud del conductor e geselcoeficiente Thomson Como se ver en el siguiente apartado 2 2 4 el primer t rmino de la ecuaci n corresponde al efecto Joule El segundo t rmino es el calor de Thomson que cambia de signo cuando J cambia de direcci n En la Figura 2 2 3 se puede observar un esquema ilustrativo del efecto Thomson 22 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL La termoelectricidad no f n Figura 2 2 3 Esquema del funcionamiento del efecto Thomson La diferencia fundamental entre los efectos Seebeck y Peltier con respecto al efecto Thomson es que ste ltimo existe para un solo material y no necesita la existencia de una soldadura El coeficiente Thomson es el nico entre los tres coeficientes principales termoel ctricos directamente medible para materiales individuales Los coeficientes Peltier y Seebeck solo pueden hallarse por pares de materiales DO UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESC
33. calor generado en la cara caliente y ste comienza a pasar por efecto de la Ley de Fourier a la cara fr a Este efecto limitar por tanto el funcionamiento del sistema de ahora en adelante y supondr la necesidad de trabajar a una corriente reducida en los m dulos termoel ctricos muy por debajo de su corriente de funcionamiento nominal vi ndose entonces afectado el rendimiento de ste de manera cr tica 64 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Identificaci n de la planta Cap tulo 4 IDENTIFICACI N DE LA PLANTA Para dise ar un control de la temperatura del flujo de aire es imprescindible obtener un buen modelo matem tico sobre el que trabajar en simulaci n teniendo la seguridad de que este se ajuste a la realidad Este cap tulo trata sobre el modelado del sistema que es una tarea de vital importancia para la obtenci n de un buen dise o Inicialmente en el apartado 4 1 se describir parte del trabajo llevado a cabo para la realizaci n de una identificaci n por los principios f sicos que gobiernan el sistema y se comentar n los resultados obtenidos En segundo lugar para identificar el sistema se utilizar la metodolog a del modelado por caja negra descrita en el apartado 0 por la cual se obtiene una funci n de transferencia que relaciona la temperatura del flujo de aire de salida de una de las caras y el mando corriente
34. can control the system by connecting directly to an M Series E Series B Series or USB multifunction DAQ device You can even daisy chain up to eight chassis for control by a single DAQ device Regardless of your configuration programming the system does not change You use the same function calls you use with a DAQ device by itself NI DAQ or NI SWITCH driver software handles all low level programming The SCXIbus The SCXIbus is a guarded analog and digital bus located in the backplane of the SCXI chassis Modules inserted into the chassis connect to this backplane automatically This bus acts as a conduit for routing signals transferring data programming modules and passing timing signals Windows 2000 NT XP Recommended Software SCXI Chassis a7 a TL IA AS A Dobor peban My l Included with DAQ device or switch Chassis Control Circuitry Fach SCXI chassis includes control circuitry This circuitry handles all signal routing on the SCXIbus During high speed analog input operations it controls which input signals are connected to the bus and routed back to the DAQ device It also ensures tight synchronization between the SCXI modules and the DAQ device Expandability If your initial system requires more SCXI modules than one chassis can hold or your system requirements change simply add another chassis With the SCXI expandable architecture you can daisy chain up to eight chassis to a single multifunction
35. deg C True P Samples to Read na 1 1 Same lo E 340 31 gt f el fel OTT L QA Analog 1D Wfm E E i1 timeout NChan NSamp IT _ Thermocouple Type 5 i6 7 le CIC Value net CJC Channel EL Voltage Output maz l T gt ES 0 a S 5 10 OK message warnings message warnings m AT gt a E a EY AD Voltage Voltage Analog DEL CN lChan I5amp 10 00 2 m Fecha Nombre Firma As UNIVERSIDAD nhac i 15 6 10 Alejandro Nectal ARN ws PONTIFICIA COMILLAS ICAI wupgm DIAGRAMA EN LABVIEW DE LAZO ABIERTO Es Source SCXI Module Continuous Samples a temperaturas huevas NC ma aa cee R g eos OL Pik 4 E ALAutoZeroMode Sample Clock 1 I ej i amp timeout 1 Output range saturacion ref y salida ne EJ T referencia ne PID parameters i Reinitialize T M seme 10 mms H A 10 I DE mx rz pod sal to wA efl E 1Chan 15amp 1 2 A A E Alejandro Nectal Es PONTIFICIA COMILLAS DIAGRAMA EN LABVIEW DE LAZO CERRADO 3 PRESUPUESTO Cap tulo 1 Cap tulo 2 Cap tulo 3 Cap tulo 4 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Me
36. en cuenta la interpretaci n de los par metros que lo definen Se parte de la selecci n de una estructura para el modelo por ejemplo si se desea trabajar con funciones de transferencia se partir de la suposici n de que el sistema es un primer orden un segundo orden con retardo un segundo orden con cero etc y se ajustan los coeficientes hasta optimizar la respuesta del modelo para amoldarse a la del sistema f sico Los par metros de estos modelos por lo general no tienen significado f sico y se ajustan para reproducir los datos observados tan bien como sea posible A n as un sistema correctamente modelado por caja negra y uno obtenido por principios f sicos y linealizaci n deber an parecerse al menos en la forma El desarrollo de un modelo por caja negra podr a ayudar a la obtenci n de uno mediante principios f sicos pudiendo aportar informaci n acerca de la magnitud de los valores por ejemplo y viceversa puesto que un modelo obtenido mediante principios f sicos podr a aportar informaci n acerca de la estructura para obtener uno por caja negra e UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Identificaci n de la planta 4 2 1 OBTENCI N DE PAR METROS Es necesario comparar la salida que se obtiene simulando un modelo con una estructura propuesta y la salida de un ensayo aplic ndoles la misma se al de entrada para obtener la funci n de trans
37. estado del bloque e Reinitialize variable booleana que si est activa reinicializa el estado interno del bloque en cada llamada al mismo e Output se al de salida del control PID mando dt out s actual intervalo de tiempo La obtenci n del mando output del bloque PID en condiciones de funcionamiento normales se realiza mediante la Ecuaci n 2 1 t 2 K ndi dt 4 T 5 u t K e 7 43 Ecuaci n 2 1 OBSERVACIONES GENERALES e Sino se especifica un valor para OR ste se fija por defecto a 100 del fondo escala para permitir el funcionamiento interno del bloque 115 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Estructura del control PID e Especificar un valor para OR implica que PV saturar a esos valores y que en caso de estarse utilizando control integral entrar en juego el sistema anti Windup del que se habla en la p gina 121 e a activaci n de la variable Reinitialize supone la anulaci n de las acciones diferencial e integral es decir el control se reduce a un control P independientemente de los valores de Ti y Ta e Para anular las acciones diferencial integral o ambas se introducir valor 0 para Ti Ta o ambos respectivamente En la Figura 2 1 2 se muestra el esquema interno del bloque PID el cual contiene dos bloques m s con las acciones diferencial e integral respectivamente Al funcionamiento d
38. further tuned with through hole components However for applications requiring more precise tuning than what is offered by the potentiometers and dipswitches the drive can be manually modified with through hole resistors and capacitors as denoted in the above table By default the through hole locations are not populated when the drive is shipped Before attempting to add through hole components to the board consult the section on loop tuning in the installation notes on the manufacturer s website Some general rules of thumb to follow when adding through hole components are Release Date Revision Advanced Motion Controls 3805 Calle Tecate Camarillo CA 93012 10 2 2009 2 00 ph 805 389 1935 fx 805 389 1165 www a m c com BOE BIO ADVANCED ZAMOTION CONTROLS Analog Servo Drive 25A8 e A larger resistor value will increase the proportional gain and therefore create a faster response time e A larger capacitor value will increase the integration time and therefore create a slower response time Proper tuning using the through hole components will require careful observation of the loop response on a digital oscilloscope to find the optimal through hole component values for the specific application IR Compensation Notes For applications that will use IR Compensation mode a resistor must be added to the location named in the table above The combination of the added resistor and correct dipswitch settings will configure the ampli
39. informaci n en hojas de caracter sticas anexas un sistema frontal de acondicionamiento de se ales y conmutaci n para un gran n mero de canales con capacidad de conectividad por USB as como para diferentes dispositivos de medici n y generaci n de se ales 45 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Prototipo de ventana termoactiva Figura 3 2 2 Chasis SCXI 1000 de gestion de se ales de National Instruments Este chasis permite la conexi n de varios m dulos de interfaz para la gesti n de se ales en la Figura 3 2 3 puede apreciarse Para el registro de temperaturas a partir de termopares se ha instalado el m dulo SCXI 1102B de 32 canales para entradas anal gicas Figura 3 2 4 ver m s informaci n en hojas de caracter sticas anexas 46 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Prototipo de ventana termoactiva Figura 3 2 3 Chasis SCXI 1000 de gesti n de se ales de National Instrument con 4 m dulos acoplados Figura 3 2 4 M dulo de adquisici n de datos SCXI 1102B de National Instruments En la Tabla 3 2 1 se muestra un resumen de los canales anal gicos del SCXI 1102B utilizados en la adquisici n de temperaturas la denominaci n 47 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Prot
40. m BZlematriz B3l matriz B5l matriz B53 matriz B54 matriz B56 matriz Mando mando matriz 35 plot t ref fria cal amb mando fria amb grid disp Hacer zoom en la zona de inter s de la figura disp Despu s pulsar cualquier tecla pause auxl aux2 ginput 2 L mites para ajuste auxl ceil auxl SRedondeo time t auxl 1 auxl1 2 t auxl1 1 SAjusta el tiempo a 0 en la primera pulsaci n tfin time end eesmando delewajuste qM 5 semaine 1 do salada del ajuste Sent ent mean ent 1 30 sal fsma qux l dhs axir ent mando aux1 1 auxl 2 Je sal sal mean sal 1 30 elimina ruido plot time ent sal 138 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Diseno_PLm Cap tulo 3 DISENO PI M load segun cero th Peminreal tftIthi 1 th 4 th 1 I S DISE O P1I 55 5 Se obtiegne etemw 0 Ge disen sse SParametros FiPI 10 pi 180 SRetraso de la acci n integral w0 0 0854 Sfrecuencia a 10 a la derecha del margen de fase requerido a esta frecuencia la ganancia son 14 5 dB Ac 10 14 5 20 SParte plikopercwonas Kp Ac coSsWF NEU Parte integral I tan FiPI t pi 2 w0 SControl serie C Ko 141 s 1 s Equivalencias a paralelo Ti 1 G C P F feedback G 1 ltiview F 139 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A I
41. mV 50 mV 20 mV 10 mV 5 mV Overall Gain 900 1000 2000 Percent of Reading Typical Maximum Offset uV 0 03 0 05 250 0 1 0 15 175 0 1 0 15 100 0 1 0 15 15 0 1 0 15 65 0 1 0 15 50 0 1 0 15 50 0 1 0 15 50 0 1 0 15 45 0 1 0 15 45 0 1 0 45 System Noise peak 3 sigma Absolute Accuracy 15 to 35 C To calculate the absolute accuracy for the SCXI 1100 1102 1102B 1102C 1104 1104C and or 1112 visit ni com accuracy Module Nominal Range SCXI 1102 10 V 100 mV SCXI 1102B 10 V 100 mV SCXI 1102C 10 V 100 mV SCXI 1104 60 VDC SCXI 1104C 42 VAC SCXI 1112 100 mV Overall Gain 1 100 1 100 1 100 0 1 0 1 100 Percent of Reading Typical Maximum 0 025 0 035 0 015 0 02 0 025 0 035 0 015 0 02 0 025 0 035 0 015 0 02 0 035 0 05 0 035 0 05 0 015 0 02 Offset uV 900 29 900 29 900 29 800 800 29 System Noise peak 3 sigma Single Point 4 Hz pV 10 kHz or FBW pV 4Hz pV 600 600 15 0 400 400 15 0 200 200 150 100 100 10 0 50 50 10 0 30 30 10 0 10 10 5 0 10 10 5 0 10 10 5 0 1 5 1 5 0 5 15 ES 0 5 Single Point Average uV 600 uV 50 20 uV 5 600 uV 50 20 uV 5 600 uV 70 30 uV 10 900 uV 200 1 mV 300 20 uV D Absolute Accuracy 15 to 35 C To calculate the absolute accuracy for the SCXI 1100 1102 1102B 1102C 1104 1104C and or 1112 visit ni com accuracy Input Characteristics Module SCXI 1100 SCXI 1102 SCXI 1102B SCXI 1102C SCXI 1104 SC
42. n el ctrica permite la utilizaci n del servoamplificador montado en el proyecto anterior 2009 el modelo 25A8 de la casa Advanced Motion Controls cuyas caracter sticas generales se recogen en la Tabla 3 3 2 I UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Prototipo de ventana termoactiva Tabla 3 3 2 Resumen de las caracter sticas el ctricas principales del servoamplificador 25A8 de Advanced Motion Controls Especificaciones el ctricas Descripci n Valor Rango de tensi n de alimentaci n CC V CC 20 80 Corriente m xima de pico de salida 25 Corriente m xima permanente de salida 12 5 Disipaci n m xima de potencia con corriente Ww 50 permanente Como puede observarse en la Tabla 3 3 2 la alimentaci n de 68V en tensi n correcta est dentro de los m rgenes requeridos por el dispositivo y la demanda m xima de corriente descrita en la secci n 3 1 3 12 A en total se adapta tambi n a las especificaciones por lo que se puede concluir que la utilizaci n del servoamplificador 25A8 en el presente proyecto es aceptable Es importante destacar que la caracter stica de corriente de salida tensi n de entrada del servoamplificador ha sido ajustada a 1A V Esto quiere decir que para un mando ejemplo de 5V generado por el PC la ventana estar siendo suministrada con 5A de corriente continua en total de la cual cada m dulo termoel
43. oe o oe o oe o o o o o o o oe oe o o o oe o o o oe o o o oe o o o oe o o oe o o oe oe oe o o o o o oe o o o oe o o o o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o o o o o o o o o oe o o o oe o o o oe o o o o o o o o o o o oe oe o o oe o o o oe oe AlGQORITMO DEF AJUSTE o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o oe o o o o o o o o oe o oe o oe oe oe o oe o oe o oe o oe oe oe oe oe o oe o oe oe oe o oe o o o o o o o oe o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o oe o o o o o o o o La wariacion de o telemaximo bucle while la funcion objetivo en es mayor que El algoritmo se ejecuta mientras incremento S toljl S KJ A ok Tambien se puede usar como criterio el numero de iteraciones de los parametros es mayor que en o a O E o o o oe o o o o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o o o o o o o o o oe o o o oe o o o o o o o oe o o o o o o o o oe
44. operate the module with up to 250 Vms of common mode voltage between any two channels or between any channel and earth ground Multiplexed M ode Operation In multiplexed serial mode a single DAQ device controls one or more SCXI 1124 modules through the SCXI bus using a serial digital data protocol This mode of operation uses a maximum of five digital I O lines of the plug in DAQ device With multiplexed mode operation you can control several SEXI modules in one or more chassis using a single DAQ device Calibration EEPROM An onboard calibration EEPROM stores calibration constants measured at the factory A set of calibration constants is stored in the EEPROM for each output range for each channel Although the factory calibration constants are permanent and cannot be modified an additional user section of the EEPROM stores user modifiable constants for calibration under your exact operating conditions NI DAQ transparently uses the calibration constants to correct for gain and offset errors info nico nico 3nchno Bo puy pene os PURU DOS SUnLIO RIPUO pubis pue uonisinboy ea 315 SCXI 6 Channel Isolated Analog Output Rear Signal Connector SCXIbus Connector Isolation Barrier Loop Supply E Current Sink PE E E 15 21 V o a Range Unipolar p Selection Bipolar 12 Bit DAC Bs x 1 5 or 10 V Selection Isolation SCXIbus Interface Circuitry Isolated Ground i 9 S e e o e 2 e Q e
45. per channel Thermocouple millivolt volt and current input SCXI 1112 Instrumentation amplifier per channel Random scanning Module Channels Thermocouple RTD 100 mV 10 V 0 to 20 mA SCXI 1102 97 Y J Y Y J SCXI 1112 8 J With SCXI 1581 Table 1 Signal Compatibility Overview The National Instruments SCXI 1102 and SCXI 1112 are designed for high accuracy thermocouple measurements The SCXI 1102 also can acquire millivolt volt O to 20 mA and 4 to 20 mA current input signals as well as signals from RTDs when the SCXI 1581 provides excitation Each input channel includes an instrumentation amplifier and a 2 Hz lowpass filter The SCXI 1112 incorporates open thermocouple detection circuitry on each input channel LEDs on the front of the module indicate the presence of an open thermocouple Terminal Block Part Number Type CJ Sensor SCXI 1300 777687 00 Screw terminals v Front mounting SCXI 1303 777687 03 Screw terminals v Front mounting SCXI 1308 777687 08 Screw terminals Front mounting TC 2095 777509 01 Thermocouple plugs v Rack mounted TBX 1303 777207 03 Screw terminals v TBX 96 777264 01 Screw terminals DIN rail mount SCXI 1310 777687 10 Solder pins Front mounting Table 2 Terminal Block Options for SCXI 1102 e Onboard calibration reference Open thermocouple detection Cold junction compensation Recommended Software Measurement Services Software NI DAQmx driver software
46. que se dan y de los que se hace uso en este proyecto Finalmente en la secci n 2 3 M dulos termoel ctricos se explica el funcionamiento de los mismos as como sus principales caracter sticas 17 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL La termoelectricidad 2 1 INTRODUCCI N El impacto negativo sobre el ambiente de los combustibles f siles exige la utilizaci n de fuentes alternativas de energ a Una de esas fuentes es la producci n de energ a calor fica utilizando el fen meno de la termoelectricidad defini ndose sta como la rama de la termodin mica superpuesta a la electricidad donde se estudian los fen menos en los que la electricidad y el calor intervienen Se sabe desde el siglo XIX tras los trabajos de Seebeck y Peltier que la conexi n de dos materiales diferentes que se encuentran a distinta temperatura puede generar una corriente el ctrica Dicha fuente de energ a est comenzando a ser explotada y desarrollada el mayor inconveniente que impide la generalizaci n del uso de la termoelectricidad es la eficiencia de los materiales 18 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL La termoelectricidad 2 2 PRINCIPIOS FUNDAMENTALES Para el correcto entendimiento del funcionamiento del proyecto es necesario conocer los fundamentos te ricos de los fen menos termoel ctri
47. se ha instalado en un marco de pl stico en el cual se ha insertado a modo de medio transl cido una plancha de PVC formada por dos capas semitransparentes entre las cuales se fijan los m dulos termoel ctricos y los disipadores unidos a ellos que facilitan el intercambio de calor muy necesarios como se explicar m s adelante para conseguir disipar el calor generado en la cara caliente de las celdas Esta plancha de doble permite adem s la circulaci n del aire entre sus dos capas de manera que se pueda producir el intercambio de calor entre los m dulos y ste a su paso El sistema consta de 30 m dulos termoel ctricos o celdas Peltier colocadas en 5 columnas y que de ahora en adelante se denominar n mediante dos d gitos correspondientes a la columna y a la fila donde se encuentran colocados de manera que la celda 3 2 se encuentra en la tercera columna de la ventana y en la segunda fila Debido a la colocaci n de estos m dulos entre las dos capas de la ventana la transparencia de sta se ve reducida en aproximadamente un 18 Se puede observar en la Figura 3 1 1 un boceto constructivo de la ventana con la denominaci n elegida para los m dulos termoel ctricos y con las dimensiones generales 36 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Prototipo de ventana termoactiva VERSIDAD S22 PONTE e ICAI cH ICADE COMILLAS A a qEANTEC II
48. system Equipped with on site manufacturing for quick turn customs capabilities ADVANCED Motion Controls utilizes our years of engineering and manufacturing expertise to decrease your costs and time to market while increasing system quality and reliability Examples of Customized Products Integration of Drive into Motor Housing Integrate OEM Circuitry onto Drive PCB Mount OEM PCB onto Drive Without Cables Custom Control Loop Tuned to Motor Characteristics Multi axis Configuration for Compact System Custom I O Interface for System Compatibility Custom PCB and Baseplate for Optimized Footprint Preset Switches and Pots to Reduce User Setup RTV Epoxy Components for High Vibration Optimized Switching Frequency OEM Specified Connectors for Instant Compatibility Ramped Velocity Command for Smooth Acceleration OEM Specified Silkscreen for Custom Appearance Remove Unused Features to Reduce OEM Cost Increased Thermal Limits for High Temp Operation Application Specific Current and Voltage Limits hhhhhhhh hhhhhhhh Feel free to contact Applications Engineering for further information and details Available Accessories ADVANCED Motion Controls offers a variety of accessories designed to facilitate drive integration into a servo system Visit www a m c com to see which accessories will assist with your application design and implementation dic L7 e crm re Power Supplies Shunt Regulators o SE Filter Cards To Motor 9 s n Driv
49. termoel ctrica Se ha conseguido aumentar la corriente m xima de trabajo por celda entre un 27 y un 50 y se ha conseguido una mayor refrigeraci n para la aplicaci n de una misma corriente Estos datos son esperanzadores puesto que hacen pensar que se ha trabajado en la l nea correcta y que es posible salvar los problemas de rendimiento impuestos por las propias caracter sticas constructivas del prototipo 100 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Resultados 6 2 IDENTIFICACI N DEL SISTEMA Para llevar a cabo la identificaci n de un modelo que se ajustase lo m s posible al sistema que se pretend a controlar se realiz una identificaci n por caja negra El modelo que mejor ajust el comportamiento del sistema fue una funci n de transferencia de segundo orden con cero 0 8584 1 4 465 PG 443472900 53 79 El modelo elegido ajusta el comportamiento del sistema con un error m nimo como puede observarse en la Figura 6 2 1 Segundo orden con cero Aclaro lolo LLL LLL LUE LP Ensayo Simulaci n JN T Temperatura C ptr tt LE A PASA AI v 40 60 80 100 120 140 160 Tiempo s Figura 6 2 1 Comparativa de la respuesta de un ensayo y una simulaci n con el modelo elegido para un escal n en la referencia de 24 a 23 C El modelo elegido aproxima bien el comportamiento del sistema con una tempera
50. 00 11 14 EBM PAPST 49 91 Conector hembra para termopar K 2 15 lermopar K con conector AS Cable de termopar 21 69 Tubo peque o de masilla conductora 11 12 Servoamplificador 25A8 ADVANCED 300 MOTION CONTROLS Fusible 0 31 Componentes L78S24CV 0 72 bere Puente de diodos 2 8 vus ca Condensador electrol tico 4 52 Condensador cer mico 1 Resistencia 0 2 Bobina Coilcraft 9 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Sumas parciales Cap tulo 3 SUMAS PARCIALES Las sumas parciales de los recursos humanos se presentan en la Tabla 3 1 Tabla 3 1 Sumas parciales de los recursos humanos Estudio y documentaci n 30 18 540 Ingenier a EE S RC MEE 15000 Consultor a especializada BN dE emm ENSE eva RRHH 18840 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Sumas parciales Las sumas parciales de los equipos y componentes se presentan en la Tabla 3 2 Tabla 3 2 Sumas parciales de los materiales Concepto Cantidad PC port til Equipamiento habitual de E ud un PC de oficina Licencia MATLAB R2009b a o Licencia Labview 7 1 Datalogging amp e a o Supervisory control Transformador 220 40 20 V 1 ud Hardware de acondicionamiento de la se al Iud de National Instruments i Marco CIMA BOX de la 1 ud casa SIM N Cristales PVC 2 ud M dulo Laird Tech CP0 8 30 ud 63 06L 9W 12x25mm Ventilado
51. 020 0 0005 Offset yV C 20 1 20 1 20 1 50 50 1 CHO CH31 CHO CH31 CJ Sensor CHO CH7 CJ Sensor See accuracy table See accuracy table Percentage of Full Scale Range Normal Powered On gt 1 GQ gt 1 GQ 1 MQ gt 1 GQ 0 008 0 005 0 01 0 005 Powered Off Overload 1 6 kQ 10 KQ 900 KQ 10 KQ SCXI Thermocouple Input Modules Specifications Input bias current Filter Characteristics Module Current Module Filter Setting Range Noise Related to Input PVs SCXI 1100 350 pA SCXI 1100 Full bandwidth 10 V 15 SCXI 1102 SCXI 1102B SCXI 1102C 0 5 nA No filter 10 mV 6 SCXI 1104 SCXI 1104C SCXI 1112 4 Hz 10V 15 10 mV 0 2 Input offset current 10 kHz 10 V 15 10 mV 1 5 Modula Cunen SCXI 1102 2 Hz 100 mV 5 SCXI 1100 350 pA 10 V 50 SCXI 1102 SCXI 1102B SCXI 1102C 10 nA SCXI 1102B 200 Hz 4100 mV 5 SCXI 1104 SCXI 1104C SCXI 1112 HOV 50 SCXI 1102C 10 kHz 10 V 70 CMRR Common Mode Rejection Ratio DC to 60 Hz 42 VAC 60 VDC 200 i SCXI 1104C 10 kHz 42 VAC 60 VDC 300 Module Range Filter CMRR dB SCXI 1112 2 Hz 100 mV 5 SCXI 1100 10 V to 2 V 4 Hz 98 1 V to 5 mV 4 Hz 78 i A RC 10 V to x2 V 10 kHz or full bandwidth 110 1 V to 5 mV 10 kHz or full bandwidth 90 Cutoff Frequency 3 dB SCXI 1102 10 V to 100 mV 2Hz 110 SUIT RUD pube etii appa cS vb R pod nennen 4 Hz 10 kHz full bandwidth jumper selectable SCXI 1102B 10 V to 100 mV 200 Hz 90 SOXI 1102 1104 1112 2 Hz SCXI 1
52. 102C 10 V to 100 mV 10 kHz 90 O e 200 Hz SCXI 1104 42 VAC 60 VDC 2 Hz 70 A UI Sere nena WN SCXI 1104C 42 VAC 60 VDC 10 kHz 70 Stability SCXI 1112 100 mV 2 Hz 110 Gain Temperature Offset Temperature mondi put Range eset Catia vrei Qutput range cuina ida See accuracy table SCXI 1100 All ranges 20 20 No output impendance SCXI 1102 HOV 10 20 Dynamic Characteristics SCXI 1102B 100 mV 10 1 Input signal bandwidth SCXI 1102C SCXI 1104 42 VAC 60 VDC 20 50 Module Bandwidth SCXI 1104C SCXI 1100 4 Hz 10 kHz full bandwidth SCXI 1112 100 mV 10 1 SCXI 1102 2Hz Seale Mu Recommended warm up time 20 minutes SCXI 1102C 10 kHz SCXI 1104 2Hz Physical SCXI 1104C 10 kHz DIMENSIONS ii 3 0 by 17 3 by 30 3 cm SCXI 1112 2 Hz 1 2 by 6 8 by 8 0 in 1 0 Connector Step response 10 V step A RR 50 pin male ribbon cable rear connector Front Aoe rady AAA etos ace 8 uncompensated minithermocouple connectors Module Filter Setting Range 0 012 0 006 0 0015 Dh cem 96 pin male DIN C front connector SCXI 1100 Full bandwidth x10 V to 100 mV 6 ys 10 ys 32 ys r No filter 50 mV 7 5 ys 10 ys 33 ys Environment POA 12 us 25 us 40 us Operating temperature ssss 0 to 50 C al s aos ds E m NM EUR DINER 5 mV 25 us 30 us IU 10 kHz All ranges 150 us 160 us 200 ps Certification and Compliance 4 Hz All ranges 350 ms 400 ms 500 ms European Compliance a lts EN 61326 Group Class A 10 m Table 1 Immunity Accuracy Sa
53. 3 The result is successful and it can be seen that the controlled temperature follows the set point accurately and quickly Ambiente Salida caliente Referencia O y 2 Y _ o a E o E MO Tiempo s Figure 3 Closed loop system response with PI controller AGRADECIMIENTOS A Ram n Rodr guez Pecharrom n director del proyecto por sus conocimientos ayuda seguimiento continuo y constante disponibilidad todos ellos puestos siempre a mi plena disposici n cuando los he solicitado y cuando no A Antonio y Jos Mar a encargados del taller de la Escuela por la tremenda paciencia y amabilidad que me han dedicado A todos mis compa eros de carrera por sus conocimientos y tiempo compartidos conmigo A mi familia que siempre han estado ah para aconsejarme guiarme apoyarme quererme y tirarme de las orejas cuando me lo merec a Finalmente a todos ellos que no nombro expl citamente y que como los dem s han hecho posibles estos a os No se me olvidan es solo que los nervios y las prisas son algo normal en las fechas a las que estamos para un estudiante A todos ellos de todo coraz n gracias 1 MEMORIA UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL NDICE DE LA MEMORIA Indice de la memoria Parte I MENO 2 Cap tulo 1 Introducci n a 3 1 1 Foda eaten aia 4 EU PRIN GRO kenid
54. 8 mF no trabaja bien a altas frecuencias por lo que es preciso poner un condensador cer mico en paralelo Adem s cabe destacar el montaje de una resistencia en paralelo con ambos condensadores cuya funci n ser la descarga de los mismos tras la desconexi n del circuito Debido a su elevado valor no supondr una p rdida importante de potencia mientras el circuito est conectado Fusible 230V 48 V r 24V VOLTAGE GMO 1 GND Figura 3 3 3 Esquema general de alimentaci n 54 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Prototipo de ventana termoactiva El servoamplificador es el encargado de aportar potencia a la se al de mando proveniente del sistema de generaci n de datos conectado al PC suministrando as la corriente suficiente a los m dulos termoel ctricos En este proyecto las c lulas Peltier utilizadas son de la casa Laird Technologies modelo CP08 63 06 W9 cuyas caracter sticas principales son las recogidas en la Tabla 3 3 1 Tabla 3 3 1 Caracter sticas de los m dulos termoel ctricos CP08 63 06 W9 de Laird Technologies Hot Side Temperature C Qmax Watts 9 0 9 9 Delta Tmax C 67 75 Imax Amps Vmax Volts 7 6 8 2 Module Resistance Ohms 3 13 3 53 Las caracter sticas de los m dulos termoel ctricos utilizados y la conexi n el ctrica realizada entre ellos ver 3 1 3 Conexi
55. A T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL La termoelectricidad De la descripci n anterior puede entenderse la estructura habitual de los m dulos termoel ctricos comerciales Estos disponen de varias partes comunes a todos ellos las cuales pueden diferenciarse en la Figura 2 3 1 Heat Absorbed Cool Side Electrical Insulator q Ceramic Electrical Conductor Copper pType Semiconductor n Type Semiconductor Negative A Positive Heat Removed Hot Side Figura 2 3 1 Estructura interna com n de un m dulo termoel ctrico comercial e Termoelementos corresponde a los cubos grises de material semiconductor con la letra P o N seg n corresponda e Puentes el ctricos las placas azules y rojas de la imagen corresponden a los puentes conductores de cobre o alg n otro material conductor el ctrico que unen los semiconductores de ambos tipos Como se puede apreciar en la Figura 2 3 1 las uniones N P siempre se realizan en la cara superior y las uniones P N en la inferior de la c lula ver efecto Peltier en secci n 2 2 2 de forma que la generaci n o absorci n de calor correspondiente a todos los _ 28 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL La termoelectricidad pares de semiconductores se concentra en la cara caliente o fr a de sta respectivamente Estas uniones conectadas adem s a los
56. AC REO m TEE 4 Li2Resulaci n MOMO ico o SO 0 T 6 1 2 Motivaci n del PEO isa 7 1 3 ODJ VOS EE 11 1 4 Metodolog a Soluci n desarrollada eee e eere eene eene 13 1 5 ECCL SOS coniu oH ipu E E I IE NIFI I IE IM 15 Cap tulo 2 La termoelectricidad eee ecce eee e ee eene ee eee eene eene 17 2 1 Introducci tias 18 2 2 Principios f damentales ocio ocioteca 19 2 0 RCC Sec WCC AAA Po e on 19 PP Deed vd NL q IEA In OE UE A 21 Zid LEC ROMS RTT mE 22 UN A O Us 24 2 2 9 EN COS e Go PPP essen uo PP IN UNDIS Dd aMm EMEN D 23 2 3 M dulos termoel ctricos escscceccccccccccccoocccccccccccccccccccccsoccccccccceccececccccessssoceeee 27 2 5 l Caracteristicas ConsirUCHVaAS da 27 A o A H 32 Cap tulo 3 Prototipo de ventana termoactiva eee e ecce esee eene 35 3 1 Caracter sticas constructivas ecce eee eee eee eee eee ee eee e etn none eee eee eee ee eee 36 3 1 1 Descripci n del prototipo NR 36 3 1 2 Modificaciones sobre el prototipo 2009 sesssssssssssssseseeeeeeeenn nnne 40 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL NDICE DE LA MEMORIA 1L CONSORCIO 42 3 2 e AMA 44 3 2 1 Adquisici n de datos vc wsicesesencsaencceacecsssecdausesnisansiansoadosiescesssdesdeaosanacengedescadsateaa
57. CAT INGENIERO INDUSTRIAL Diseno_PLm Parte V DATASHEETS 40 Laird TECHNOLOGIES gt Innovative Technology for a Connected World suum 7 Lairg QA global local t Americas 1 888 246 9050 Europe 46 31 420530 Asia 86 755 2714 1166 clv customerpos lairdtech com www lairdtech com Ceramic Plate Series CP08 63 06 Thermoelectric Modules The Ceramic Plate CP Series of Thermoelectric Modules TEMs is considered the standard in the thermoelectric industry This broad product line of high performance and highly reliable TEMs is available in numerous heat pumping capacities geometric shapes and input power ranges Assembled with Bismuth Telluride semiconductor material and thermally conductive Aluminum Oxide ceramics the CP Series is designed for higher current and large heat pumping applications FEATURES e Precise Temperature Control e Compact Geometric Sizes Reliable Solid State Operation No Sound or Vibration e Environmentally Friendly e DC Operation e RoHS Compliant APPLICATIONS e Medical Lasers e Lab Science Instrumentation e Clinical Diagnostic Systems e Photonics Laser Systems e Electronic Enclosure Cooling e Food amp Beverage Cooling e Chillers Liquid Cooling Hot Side Temperature C 25 C 50 C Qmax Watts 9 0 9 9 Delta Tmax C 67 25 Imax Amps 2 1 2 1 Vmax Volts 7 6 9 2 Module Resistance Ohms 3513 3 53 SEALING OPTION L 0 134
58. CIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Estudio econ mico Cap tulo 1 ESTUDIO ECON MICO El objetivo final del proyecto es controlar la temperatura del flujo de aire proporcionado desde la cara correspondiente al interior de un habit culo mediante un prototipo de ventana termoactiva El prototipo est destinado a la climatizaci n de salas o habit culos donde no sea viable la instalaci n de otros medios de refrigeraci n calefacci n Una posible aplicaci n ser a su instalaci n en edificios hist ricos en restauraci n en los cuales fuera ilegal la instalaci n de conductos de aire tuber as o intercambiadores de calor Otra posible aplicaci n de este sistema se presentar a en establecimientos que debido a su actividad o ubicaci n tuvieran impedido el uso de bombas de calor por compresi n u otros sistemas que pudieran provocar ruido o vibraciones Adem s se podr a prever su uso en situaciones de imposibilidad de acceso a la red el ctrica requerimiento de bajas potencias frigor ficas etc Con respecto a lo comentado anteriormente la viabilidad del proyecto est justificada la aplicaci n de la termoelectricidad desarrollada en este proyecto es una opci n disponible a los m todos m s frecuentes de refrigeraci n que son la compresi n de vapor la absorci n y la adsorci n y los ciclos de gas Es necesario mencionar que los sistemas de refrigeraci n termoel ctricos s
59. ERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Introducci n 1 3 OBJETIVOS El objetivo principal del proyecto es la construcci n y disefio del control de un prototipo de ventana termoactiva La construcci n del prototipo se llevar a cabo como se ha dicho en el apartado de motivaci n teniendo en cuenta las limitaciones de disipaci n y evacuaci n de calor que se presentaron en un proyecto previo Adem s una vez alcanzado este objetivo principal se espera realizar una ltima etapa de evaluaci n minuciosa de las prestaciones del sistema desarrollado De este objetivo principal se desprenden algunos m s espec ficos los cuales se detallan a continuaci n 1 Puesta en marcha del prototipo Este punto abarca el arranque y puesta a punto de todo el equipo que se utilizar en el transcurso del proyecto esto es el correcto funcionamiento del conjunto formado por el PC el m dulo de potencia el m dulo de adquisici n de datos y el prototipo de ventana termoactiva 2 Identificaci n del sistema Obtenci n de un modelo matem tico que se ajuste al prototipo y que permita el disefio de un control y la realizaci n de simulaciones Para ello se realizar un previo estudio de las variables y ecuaciones que rigen un 11 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Introducci n sistema t rmico como es el prototipo a controlar Este ob
60. ESTE PROYECTO CONTIENE LOS SIGUIENTES DOCUMENTOS DOCUMENTO N 1 MEMORIA 1 1 Memoria p g 4 a 127 124 p ginas 1 2 Estudio Econ mico p g 128 a 130 3 p ginas 1 3 Manual del Usuario p g 131 a 149 19 p ginas 1 4 C digo p g 150a 158 9 p ginas 1 5 Datasheets p g 159 a 185 27 p ginas DOCUMENTO N 2 PLANOS 2 Lista de planos p g 186 a 188 3 p ginas 2 2 Planos p g 189 a 191 3 p ginas DOCUMENTO N 3 PRESUPUESTO 3 Mediciones p g 192 a 196 5 p ginas 3 2 Precios Unitarios p g 197 a 198 2 p ginas 3 3 Sumas Parciales p g 199 a 200 2 p ginas 3 4 Presupuesto General p g 201 a 201 p gina UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAI INGENIERO INDUSTRIAL PROYECTO FIN DE CARRERA CLIMATIZACI N MEDIANTE VENTANAS TERMOACTIVAS BASADAS EN C LULAS PELTIER AUTOR ALEJANDRO NECTAL FERN NDEZ MADRID Junio de 2010 Autorizada la entrega del proyecto del alumno Alejandro Nectal Fern ndez EL DIRECTOR DEL PROYECTO Ram n Rodr guez Pecharrom n Paria sii Fecha Jost cas V B del Coordinador de Proyectos lvaro S nchez Miralles Firmada Fecha ak dos UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAI INGENIERO INDUSTRIAL PROYECTO FIN DE CARRERA CLIMATIZACI N MEDIANTE VENTANAS TERMOACTIVAS BASADAS EN C LULAS PELTIER AUTOR ALEJANDRO NECTAL FERN NDEZ MADRID Junio de 2010 RES
61. FICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL La termoelectricidad 2 2 2 EFECTO PELTIER El efecto Peltier hace referencia a la creaci n de una diferencia de temperatura debida a un voltaje el ctrico Sucede cuando una corriente se hace pasar a lo largo de un conductor no homog neo o cruza la uni n entre dos metales o semiconductores distintos que est n conectados entre s en dos soldaduras estas uniones reciben el nombre de junturas o uniones de Peltier La corriente propicia una transferencia de calor de una juntura a la otra una se enfr a en tanto que otra se calienta Como se puede ver en la Figura 2 2 2 cuando una corriente I se hace pasar por el circuito el calor se genera en una juntura A y es absorbido en la otra B A y B indican los materiales Material X Material Y Material Y Figura 2 2 2 Efecto Peltier www ferrotec com El efecto producido es un flujo de calor transversal al conductor no homog neo 0 a la uni n de valor dp I T ay Ay 2 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL La termoelectricidad 2 2 3 EFECTO THOMSOM Se conoce como efecto Thomson a una propiedad termoel ctrica descubierta por William Thomson Lord Kelvin en 1851 en la que se relacionan el efecto Seebeck y el efecto Peltier Describe el calentamiento o enfriamiento absorci n o liberaci n de
62. GENIERO INDUSTRIAL Prototipo de ventana termoactiva 3 3 1 1 Alimentaci n de los ventiladores Los ventiladores tienen una tensi n nominal de 24 V y una corriente nominal de 1 A Para conseguir dicha tensi n se conectan los 24 V de uno de los secundarios del transformador a un rectificador SKB25 12 y un filtro por condensador de 5 4 mF Dos reguladores L78500 conectados en cascada garantizan una tensi n continua de 24 V a su salida El hecho de utilizar dos reguladores en paralelo en lugar de uno permite alimentar a los ventiladores a su corriente nominal cada regulador soporta 1 A En la Figura 3 3 2 se puede observar el esquema de conexionado Fusible 230V 148 V AV Alimentaci n del n dulo termoel ctrico Figura 3 3 2 Plano electr nico de la alimentaci n a los ventiladores Fuente 3 294 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Prototipo de ventana termoactiva 3 3 1 2 Alimentaci n de los m dulos termoel ctricos Alimentaci n del servoamplificador En la Figura 3 3 3 puede apreciarse el esquema de conexionado general de alimentaci n A trav s del transformador la tensi n de la red es reducida a una tensi n 48V la cual es rectificada por medio de un puente rectificador SKB25 12 y un filtro con condensador de 6 8 mF obteni ndose una tensi n continua rectificada en torno a los 68V El condensador electrol tico de 6
63. I training can shorten your learning curve save development time and reduce maintenance costs over the application life cycle We schedule instructor led courses in cities worldwide or we can hold a course at your facility We also offer a professional certification program that identifies individuals who have high levels of skill and knowledge on using NI products Visit ni com training Professional Services Our Professional Services Team is comprised of NI applications engineers NI Consulting Services and a worldwide National Instruments Alliance Partner program of more than 600 independent consultants yN NATIONAL and integrators Services range from start up assistance INSTRUMENTS Certified Alliance Partner to turnkey system integration Visit ni com alliance OEM Support We offer design in consulting and product integration assistance if you want to use our products for OEM applications For information about special pricing and services for OEM customers visit ni com oem INSTRUMENTS ni com 800 813 3693 National Instruments info Oni com y NATIONAL Local Sales and Technical Support In offices worldwide our staff is local to the country giving you access to engineers who speak your language NI delivers industry leading technical support through online knowledge bases our applications engineers and access to 14 000 measurement and automation professionals within NI Developer Exchange fo
64. Instruments Other product and company names listed are trademarks or trade names of their respective companies A National Instruments Alliance Partner is a business entity independent from NI and has no agency partnership or joint venture relationship with NI SCXI 6 Channel Isolated Analog Output NI SCXI 1124 6 isolated channels per channel configurable for voltage or current output e250 V ms working isolation per channel e Software programmable ranges 12 bit resolution Combine channels for output voltages of up to 60 V per module e Software calibration using onboard calibration EEPROM 0 1 0 5 0 10 1 5 10V Operating Systems Windows 2000 NT XP Recommended Softw are LabVIEW el abWindows CVI e Measurement Studio eV Logger Driver Softw are NI DAQ 7 Calibration Certificate Included See page 21 voltage output ranges 0 20 mA current outputs NI DAQ driver simplifies configuration and measurement Module Frequency Input Range 1 to 10 V Input Signal Range 0 20 mA SON Table 1 Module Compatibility Overview The National Instruments SC X1 1124 is a 6 channel isolated source for static DC low bandwidth voltage or current signals The NI SCXI 1124 includes six independently isolated 12 bit digital to analog converter DAC channels You can configure each channel for voltage or current output For voltage choose any of the available three unipolar or three bipolar range
65. LS Analog Servo Drive 25A8 HARDWARE SETTI NGS Switch Functions Setting Switch Description On 4 Voltage feedback Mode dependent see mode selection table ff below 2 Current loop integral gain Activates or deactivates integration scia Active OFF by default 3 Outer loop integration Activates or deactivates integration ON active Active by default for current mode and OFF for other modes Test Offset Switches the function of the Test Offset pot between an on board command input for testing or a command offset Test Offset adjustment OFF by default Mode Selection Table SW1 SW3 CURRENT OFF ON VOLTAGE ON J OFF IRCOMPENSATION ON OFF 9 Potentiometer Functions Potentiometer Description Turning CW Loop gain adjustment for voltage velocity modes Turn this pot T fully CCW in current mode 3 1 2 Current limit It adjusts both continuous and peak current limit while maintaining their ratio Reference gain Adjusts the ratio between input signal and output e ncreases gain variables voltage current or velocity 3 Offset Test Used to adjust any imbalance in the input signal or in 4 the amplifier Can also be used as an on board signal source for Adjusts offset in negative direction testing purposes Note Potentiometers are approximately linear and have 12 active turns with 1 inactive turn on each end Increases limit Through hole Compo
66. R A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Prototipo de ventana termoactiva Figura 3 4 3 Conexi n general Vista 2 Con el conexionado anterior realizado y comprobado se llev a cabo un ensayo en lazo abierto sin aplicar control especificando manualmente el 59 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Prototipo de ventana termoactiva mando a aplicar en cada instante ver Parte III Cap tulo 3 Ensayo en lazo abierto para tomar contacto con el prototipo y extraer algunas conclusiones preliminares A continuaci n Figura 3 4 4 Figura 3 4 5 y Figura 3 4 6 se muestran los resultados de dicho ensayo en el cual se realizaron las acciones detalladas en la Tabla 3 4 1 Las temperaturas medidas y reflejadas en las gr ficas corresponden a las medias de las medidas de los termopares correspondientes As la temperatura ambiente es la media de las temperaturas medidas por los dos termopares situados en las c maras de descarga de los ventiladores la temperatura de la cara fr a es la media de las temperaturas medidas por los termopares situados en cada uno de los cinco orificios de salida de aire en la cara fr a y esto mismo ocurre con la temperatura de la cara caliente 60 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Prototipo de ventana termoactiva Tabla 3 4 1 Ensayo en lazo abierto T
67. Salto t rmico AT diferencia entre la temperatura del lado caliente y del lado fr o del m dulo AT Te Tt e Potencia Qc potencia frigor fica bombeada por el dispositivo termoel ctrico e Corriente I La corriente que atraviesa el m dulo termoel ctrico e Tensi n V La tensi n aplicada a la c lula Estas variables se relacionan entre s a trav s de las curvas caracter sticas de cada modulo El comportamiento de la c lula se representa mediante estos diagramas de forma que se puede saber c mo var a la diferencia de temperatura entre los lados frio y caliente en funci n de la intensidad que circula por ella o de la tensi n aplicada 235 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL La termoelectricidad Performance Curves at Th 25 C THERMO ELECTRIC Voltage V WWW Delta T C AAA 80 70 60 50 40 30 20 10 Delta T C Figura 2 3 5 Curvas de comportamiento de los m dulos termoel ctricos de Laird Technologies CP08 utilizados en este proyecto para una temperatura ambiente normalizada de 25 C www lairdtech com En la Figura 2 3 5 se muestran las gr ficas de comportamiento de las celdas Peltier utilizadas en este proyecto En ellas se puede ver la relaci n entre la corriente aplicada l neas marcadas con s mbolos a la c lula variaci n del salto t rmico entre ambas caras de la c lula eje de abscisas de a
68. T T AN N EL Y permea 3 Referencia JNJ IG Salida simulaci n Elo MK ud pear re sert ets n Ge ee ee es ee Temperatura C 100 120 140 160 180 200 NH A e Se b E Na mmm i E LA L be 1 Mando simulaci n M Simulaci n tras saturaci n a mm EE m Intensidad A 40 L E 200 Tiempo s Figura 6 3 1 Comparativa entre ensayo y simulaci n con el control PI implantado 103 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Conclusiones Cap tulo 7 CONCLUSIONES En el presente proyecto se ha disefiado un control de la temperatura del flujo de aire del prototipo de ventana termoactiva que consiste en la regulaci n de la alimentaci n del m dulo termoel ctrico para que se genere un flujo de aire climatizado en la cara de la ventana correspondiente al habit culo que se desea acondicionar Si se tienen en cuenta los objetivos que se han propuesto al comienzo del proyecto apartado 1 3 se puede afirmar que se han cumplido todos A continuaci n se va a revisar cada uno de los objetivos propuestos justificando su cumplimiento 1 Puesta en marcha del prototipo Como se ha detallado a lo largo del Cap tulo 3 se realiz la construcci n de un nuevo prototipo de ventana termoactiva que pretend a superar las limitaciones impuestas por la anterior Tras su construcci n se llevaro
69. TANA TERMOACTIVA Este cap tulo est dedicado al estudio del prototipo construido para el proyecto En primer lugar se explican en el apartado 3 1 Caracter sticas constructivas los detalles del dise o del mismo y sus caracter sticas En 3 2 Instrumentaci n se encuentra la instrumentaci n llevada a cabo sobre el prototipo as como una explicaci n del hardware de adquisici n de National Instruments y las se ales adquiridas y generadas por este hardware para poder realizar el control de la temperatura del flujo de aire que suministra el prototipo En el apartado 3 3 Alimentaci n del prototipo se resume todo lo relacionado con la alimentaci n el ctrica al sistema Finalmente en 3 4 Puesta en marcha se detallar la puesta en funcionamiento del sistema Es importante destacar que en este proyecto por el hecho de apoyarse en toda la l nea de investigaci n de la escuela en el campo de la termoelectricidad y en proyectos previos similares se pasar n por alto detalles de dise o de algunas partes del sistema puesto que ya han sido previamente estudiados y documentados En los casos en los que esto suceda se har clara referencia a las fuentes de documentaci n utilizadas 35 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Prototipo de ventana termoactiva 3 1 CARACTER STICAS CONSTRUCTIVAS 3 1 1 DESCRIPCI N DEL PROTOTIPO La ventana termoactiva
70. TRIAL Control del sistema 5 2 IMPLANTACI N Teniendo en cuenta las caracter sticas temporales y de frecuencia estudiadas en el apartado anterior se decide finalmente implantar el control PI con margen de fase de 50 La funci n de transferencia del regulador resultante es 5 799 s 0 1006 1 K es A 1 UR Fo 1 t 57 6350 s Adicionalmente hay que considerar que debido a los problemas de disipaci n ya comentados en apartados anteriores el sistema no trabaja correctamente con mandos superiores a 2 5A mantenidos por lo que se elige limitar el mando en ensayos entre 0 y 3A Esto implica que tambi n sea necesario limitarlo en el diagrama de simulaci n Como puede verse en la Parte III Manual de usuario el bloque de control de Labview utilizado para los ensayos incluye un sistema Anti windup Debido a que el mando satura con frecuencia en los ensayos se cree conveniente tambi n incluir un sistema similar para las simulaciones El sistema Anti windup incluido en el esquema de Simulink no tiene un funcionamiento exacto al que utiliza Labview pero los resultados son casi id nticos como se puede observar a continuaci n El esquema resultante de Simulink utilizado para simular el efecto del control es el mostrado en la Figura 5 2 1 94 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Control del sistema Scopel thea F thts the A
71. UELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL La termoelectricidad 2 2 4 EFECTO JOULE El nombre es en honor a su descubridor el f sico brit nico James Prescott Joule Se conoce como Efecto Joule al fen meno por el cual si en un conductor circula corriente el ctrica parte de la energ a cin tica de los electrones se transforma en calor debido a los choques que sufren con los tomos del material conductor por el que circulan elevando la temperatura del mismo El calor generado en un material por efecto Joule obedece a la ecuaci n siguiente qj R I Donde R es la resistencia el ctrica del material e I la corriente que lo atraviesa ste es un efecto irreversible y separado del concepto de termoelectricidad Puesto que los efectos Peltier y Seebeck implican un paso de corriente por un material el efecto Joule estar presente como consecuencia y habr que tenerlo en cuenta 24 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL La termoelectricidad 2 2 5 LEY DE FOURIER La conducci n de calor es un mecanismo de transferencia de energ a t rmica entre dos sistemas basado en el contacto directo de sus part culas sin flujo neto de materia y que tiende a igualar la temperatura dentro de un cuerpo y entre diferentes cuerpos en contacto por medio de ondas La conducci n t rmica est determinada por la ley de Fourier la cual e
72. UMEN CLIMATIZACI N MEDIANTE VENTANAS TERMOACTIVAS BASADAS EN C LULAS PELTIER Autor Nectal Fern ndez Alejandro Director Rodr guez Pecharrom n Ram n Entidad Colaboradora ICAI Universidad Pontificia Comillas RESUMEN DEL PROYECTO El proyecto Climatizaci n mediante ventanas termoactivas basadas en c lulas Peltier estudia el control de la temperatura de un flujo de aire enfriado por c lulas Peltier Este proyecto se enmarca en una l nea de investigaci n de la Universidad en relaci n a la termoelectricidad La tecnolog a termoel ctrica basada en el principio del efecto Peltier permite el bombeo de calor de un foco fr o a un foco caliente cuando circula una corriente el ctrica El efecto Peltier ocurre cuando una corriente pasa a trav s de dos materiales semiconductores tipo n y tipo p que est n conectados entre s por puentes el ctricos La corriente origina una transferencia de calor desde una uni n hasta la otra de tal forma que una uni n se enfr a mientras que la otra se calienta RESUMEN Heat Absorbed Cool Side Electrical Insulator Ceramic Electrical Conductor Copper p Type Semiconductor n Type Semiconductor Negative Positive Heat Removed Hot Side Figura 1 C lula Peltier El principal objetivo de este proyecto es el control de la temperatura del lado de la ventana correspondiente al interior de un habit culo El prototipo de la ventana consta de trein
73. VERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Introducci n e No provoca un impacto medioambiental e Carece de partes m viles lo que incrementa su fiabilidad y elimina los ruidos y vibraciones Fundamental en aplicaciones en las que la temperatura debe ser regulada de forma muy precisa y fiable como por ejemplo en los contenedores empleados en el transporte de rganos para trasplantes o en aquellas en las que las vibraciones son un inconveniente grave como por ejemplo los sistemas de gu a que emplean l ser o los circuitos integrados Es por todas estas caracter sticas que la refrigeraci n termoel ctrica es aplicable en un campo muy amplio Sin embargo tambi n tiene inconvenientes Por ejemplo su rendimiento es bajo ya que depende de muchos factores como pueden ser la correcta disipaci n del calor o encontrar la intensidad de corriente optima proporcionada a las c lulas Adem s no existe una linealidad entre la temperatura y la intensidad que atraviesa los m dulos Son m ltiples las aplicaciones de las c lulas Peltier y los m dulos termoel ctricos sistemas de enfriamiento para neveras armarios el ctricos industriales cuadros electr nicos equipos m dicos l ser telecomunicaciones industria automovil stica o ferrocarriles Una de ellas es la que se desarrolla en este proyecto que se centrar en la aplicaci n de las c lulas para el enfriamiento o ca
74. XI 1104C SCXI 1112 Input signal ranges ligit GOING ess Maximum working voltage Module SCXI 1100 SCXI 1102 SCXI 1102B SCXI 1102C SCXI 1104 SCXI 1104C SCXI 1112 Overvoltage protection Module SCXI 1100 SCXI 1102 SCXI 1102B SCXI 1102C SCXI 1104 SCXI 1104C SCXI 1112 2 National Instruments Tel 800 813 3693 info ni com ni com Number of Channels 32 differential 8 differential See accuracy table il DC Maximum Working Voltage Signal Common Mode 30 V 10V ms OF 42 VAC peak or 60 VDC 10V Powered On Powered Off 25 V 15V 42 V 42 V 30 V4 or 42 VAC peak or 60 VDC 42 V 42 V Inputs with Overvoltage Protection SCXI 1100 SCXI 1104 SCXI 1104C SCXI 1102 SCXI 1102B SCXI 1102C SCXI 1112 Offset error iesire MO ctis tee tette ette e etos Transfer Characteristics Nonlinearity Module SCXI 1100 SCXI 1102 SCXI 1102B SCXI 1102C SCXI 1104 SCXI 1104C SCXI 1112 Amplifier Characteristics Input impedance Module SCXI 1100 SCXI 1102 SCXI 1102B SCXI 1102C SCXI 1104 SCXI 1104C SCXI 1112 Average 10 kHz or FBW uV 15 0 15 0 15 0 11 0 11 0 11 0 6 0 6 0 6 0 1 5 15 Temperature Drift Percent of Offset Reading C uV C 0 002 24 0 0 002 14 0 0 002 8 0 0 002 6 0 0 002 5 0 0 002 4 5 0 002 4 5 0 002 4 5 0 002 4 0 0 002 4 0 0 002 4 0 Temperature Drift Percent of Reading C 0 0010 0 0005 0 0010 0 0005 0 0010 0 0005 0 0020 0 0
75. a E n Y Fan SS Ag E l 1 p TS sL A E hae X gt d C Y O C 3 Ap g Lf m 4 Y LJ EC gt X e xj E J e NJ y ud a ee b a O CO Y NE Ly CO es 3 bacs 3 Pa L J Ja Pe pa vC S O Li CO J Release Date Revision Advanced Motion Controls 3805 Calle Tecate Camarillo CA 93012 10 2 2009 2 00 ph 805 389 1935 fx 805 389 1165 www a m c com PAJE Goma DVANCED ZAMOTION CONTROLS Analog Servo Drive 25A8 PART NUMBERI NG I NFORMATI ON 25 A 8 Additional Options Peak Current Maximum peak current rating in Amps Revision Assigned a letter A through Z by manufacturer Peak Voltage Peak voltage rating scaled 1 10 in Volts Power Supply DC Power Supply AC Power Suppl AC Command Analog Command PWM Command Isolation Option I Optical Isolation DD ADVANCED Motion Controls servo drives are available in many configurations All models listed in the selection tables of the website are readily available standard product offerings ADVANCED Motion Controls also has the capability to promptly develop and deliver specified products for OEMs with volume requests Our Applications and Engineering Departments will work closely with your design team through all stages of development in order to provide the best servo drive solution for your
76. a bajo esa restricci n En la Figura 3 1 4 se muestra dicha conexi n general Figura 3 1 4 Conexi n el ctrica interna de los m dulos termoel ctricos con sus nomenclaturas correspondientes Para realizar esta conexi n el ctrica se han tenido en cuenta varios factores limitantes e Punto de trabajo nominal de los m dulos I 2A V 7V Ver documentaci n en Anexos e Corriente m xima del amplificador de corriente 25A8 descrito con mayor detalle en la secci n 3 3 Imax permanente7 12 5 A _42 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Prototipo de ventana termoactiva Con la conexi n descrita en la Figura 3 1 4 y en caso de trabajar en el punto nominal de los m dulos termoel ctricos e l ama 24 2m dulos 4A ligi 4A 3ramas 12A lt 12 54 Imax permanente e Viota 7V 5 35V e P TIrama Vtotas 3ramas 44 35V 3 420W Por tanto con la configuraci n descrita es posible alimentar las todas las c lulas con su corriente nominal sin acercarse al l mite del sistema de alimentaci n Es posible estimar mediante las tablas adjuntas en las hojas de caracter sticas de los m dulos termoel ctricos ver Figura 2 3 5 en secci n 2 3 2 y hojas de caracter sticas en Anexos la potencia calor fica generada en caso de conseguir trabajar a los niveles de corriente anteriormente descritos e Q z 9W potencia de refrigeraci n ide
77. a de la diferencia de temperatura entre la cara fr a de la ventana y el ambiente ise iere rri sore Praha sensibus oaa uva 86 Figura 5 1 1 Comparativa de las respuestas temporales a escal n en la referencia del modelo con control PI con m rgenes de fase de 50 55 y 60 02 Figura 5 1 2 Comparativa de las respuestas en frecuencia diagrama de Black de lazo abierto para los tres controles PI dise ados ooooonncccncncnnnononocnnnnnnnnnonononos 93 VI UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL NDICE DE FIGURAS Figura 5 2 1 Esquema de Simulink para simular respuestas del modelo a diferentes escalones en la referencia Incluye sistema Anti windup y saturaci n del mando ccccccececcscecescecccececcscececcscescecescececeecsceecscseecesescecescscescscesescesescecesees 95 Figura 5 2 2 Comparativa de respuestas temporales de salida y mando entre ensayo y simulaci n con control PI para un escal n en la referencia de 25 a 24 5 C Anti windup activado ccccccccssssssssseeccccccceeeesseeccccecesaeeesseeeeeccesseaeeesses 96 Figura 5 2 3 Comparativa de respuestas temporales de salida y mando entre ensayo y simulaci n con control PI para un escal n en la referencia de 25 a 24 5 C Anti windup desactivado s lo en simulaci n eeeeesusss 97 Figura 5 2 4 Comparativa de respuestas tempora
78. a regular la magnitud y la direcci n de la corriente que alimenta al modulo muchos controladores emplean la modulaci n PWM Para eliminar la fluctuaci n de la temperatura debida por ejemplo a la variaci n de la temperatura ambiente el controlador ha de ser capaz de aportar o de disipar calor para que no haya exceso o defecto de temperatura Estos requisitos se pueden conseguir implementando un control de lazo cerrado tanto para calentar como para enfriar Para minimizar la variaci n de temperatura se ha de utilizar un control PID u otros algoritmos para mejorar la estabilidad del sistema Un sistema de control en lazo cerrado es aquel en el que las acciones de control se toman en funci n de la salida Estas acciones de control ponen en funcionamiento un actuador con el fin de ajustar la temperatura del sistema t rmico a la temperatura requerida Los actuadores son aquellos elementos que pueden provocar un efecto sobre el sistema controlado El actuador recibe la orden de un regulador o controlador y da la salida necesaria para activar un elemento final de control En este proyecto se emplean como actuadores m dulos termoel ctricos Sea cual sea la tecnolog a de control el error es la base a partir de la cual act a un control Cuanto m s precisa sea la medida mejor se podr controlar la variable UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Introducci n
79. ajustes para sistemas de primer segundo y tercer orden respectivamente Primer orden Temperatura C 80 100 Tiempo s Primer orden con cero Temperatura C Tiempo s Figura 4 2 4 Ajustes para una estructura propuesta de funci n de transferencia de primer orden y de primer orden con cero En rojo la respuesta del ensayo en azul la respuesta simulada y en verde el error cometido en el ajuste P UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Identificaci n de la planta Segundo orden Temperatura C 40 60 80 100 Tiempo s Segundo orden con cero Temperatura C 60 80 100 Tiempo s Figura 4 2 5 Ajustes para una estructura propuesta de funci n de transferencia de segundo orden y de segundo orden con cero En rojo la respuesta del ensayo en azul la respuesta simulada y en verde el error cometido en el ajuste 78 Temperatura C Temperatura C UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Identificaci n de la planta Tercer orden 80 100 Tiempo s Tercer orden con cero Tiempo s Figura 4 2 6 Ajustes para una estructura propuesta de funci n de transferencia de tercer orden y de tercer orden con cero En rojo la respuesta del ensayo en azul la respuesta simulada y en verde el error cometido en el ajuste Del estudio de los res
80. al m dulo de entradas anal gicas de National Instruments la conexi n de las c lulas Peltier al m dulo de potencia construido en proyectos anteriores y la conexi n de ste al m dulo de salidas anal gicas acoplado al PC Una vez puesto en marcha el conjunto anterior se proceder al registro mediante ensayos de los datos necesarios para una identificaci n de los par metros que rigen el sistema El siguiente paso consistir en utilizar los datos de funcionamiento recogidos para cuantificar los par metros del sistema matem tico que se usar para el dise o del control en Simulink Para la elaboraci n del modelo se utilizar la identificaci n por principios f sicos es decir partiendo del estudio realizado de las ecuaciones del sistema y de los datos recogidos se ajustar n los valores de los par metros de dichas ecuaciones obteni ndose as un modelo fiable del sistema para cualquier punto de funcionamiento En caso de no llegar a la obtenci n de un ajuste aceptable mediante este m todo y dado que la identificaci n del sistema por principios f sicos no es el objetivo final de este proyecto se proceder a una identificaci n por caja negra por la cual no se llegar al conocimiento de los par metros f sicos que gobiernan el sistema pero permitir llegar a obtener una funci n de transferencia del mismo con la cual poder trabajar EN UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT
81. al en cada celda con un salto t rmico entre caras de 0 C e Qctotal IW 30m dulos 270W De forma que el calor total a disipar ser a de 420W 270W 690W Sin embargo se sabe por experiencias anteriores 3 p gina 32 y por la adquirida en este proyecto que debido a las limitaciones impuestas por las dificultades en la disipaci n de calor en el interior del prototipo ser necesario trabajar a intensidades por debajo de la intensidad nominal de los m dulos 43 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Prototipo de ventana termoactiva 3 2 INSTRUMENTACI N 3 2 1 ADQUISICI N DE DATOS La variable que toma mayor importancia en el prototipo y que por tanto ser necesario medir con precisi n es la temperatura Figura 3 2 1 Termopar tipo K utilizado en el proyecto Para la adquisici n de medidas de temperatura en las distintas partes de inter s del prototipo se han instalado 27 termopares tipo K como el mostrado en la Figura 3 2 1 en las siguientes posiciones e 5 termopares miden la temperatura de salida del aire en la cara A del prototipo un termopar en cada orificio de salida correspondientes a las 5 columnas de celdas Peltier de la ventana e 5termopares miden la temperatura de salida del aire en la cara B e 5 termopares miden la temperatura de la cara A de determinados m dulos termoel ctricos concretamente 1 1 1 3 1 4
82. azo cerrado con control proporcional Kp 20 y con saturaci n entre 0 y 3A Escal n de 25 a 23 C Se superpone en azul la gr fica de la diferencia de temperatura entre la cara fr a de la ventana y el ambiente D Sim aci n Ensayo Referencia Temperatura C Fieura 4 2 11 Comparativa de las respuestas del sistema simulado y del ensayo real ante un escal n en la referencia de 23 a 22 5 C con Kp 15 293 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Identificaci n de la planta Mando A Cara fr a ambiente LL Temperatura C y Corriente A E Tiempo s Figura 4 2 12 Gr fica del mando aplicado al sistema en un ensayo en lazo cerrado con control proporcional Kp 15 y con saturaci n entre 0 y 3A Escal n de 23 a 22 5 C Se superpone en azul la gr fica de la diferencia de temperatura entre la cara fr a de la ventana y el ambiente Como puede observarse en la Figura 4 2 9 el modelo se ajusta bien ante cambios en el control No obstante el ajuste no es suficientemente bueno para un punto de trabajo diferente Figura 4 2 11 al de la obtenci n del modelo Se realizaron pruebas con nuevos modelos con resultado id ntico al cambiar el punto de trabajo el modelo no era v lido Este fen meno se debe a la fuerte no linealidad que presenta el sistema debida al problema de disipaci n de calor ya comentado El hecho de que
83. cables el ctricos positivo y negativo hacen que todos los termoelementos de la c lula est n conectados en serie como se ha mencionado antes y el hecho de que todos ellos vuelquen o absorban el calor al mismo foco implica que est n t rmicamente conectados en paralelo e Placas cer micas en la imagen corresponden a las planchas superior e inferior de color blanco Electrical insulator stas impiden las conexiones el ctricas entre semiconductores del mismo tipo ya que son aislantes el ctricos a la vez que facilitan el intercambio de calor entre el m dulo y el exterior al ser buenos conductores t rmicos Hay que tener en cuenta un aspecto fundamental de los m dulos termoel ctricos las uniones soldadas entre los diferentes componentes Como ya se ha comentado los termoelementos se sueldan a los puentes el ctricos mediante aleaciones con un punto de fusi n relativamente bajo Uno de los compuestos eut cticos m s utilizados es una aleaci n de bismuto y esta o 58 Bi y 42 Sn con punto de fusi n en 138 C En el caso de que el m dulo termoel ctrico vaya a trabajar en un rango de temperaturas superior a 80 C se suelen emplear aleaciones con un punto de fusi n m s elevado como son las aleaciones de esta o y plomo 63 Sn y 37 Pb con punto de fusi n en 183 C seg n se cita en 7 Por este motivo hay que tener en cuenta el rango de temperaturas a las que trabaje el m dulo y considerar que deber a haber un
84. cos y f sicos que ocurren en un termoelemento En este apartado se trata de explicar los fen menos que tienen lugar cuando se hace circular una corriente el ctrica a trav s de un termoelemento 2 2 1 EFECTO SEEBECK En 1821 el cient fico alem n Thomas Seebeck descubri que se pod a obtener electricidad a partir de una diferencia de temperatura En un circuito formado por dos metales distintos unidos en sus extremos al calentar una de las uniones se genera una tensi n como consecuencia de la diferencia de temperatura entre los extremos Esta tensi n induce una corriente el ctrica que fluir por el circuito entre las uniones fr a y caliente En el circuito de la Figura 2 2 1 formado por dos conductores distintos material X y material Y el termopar A est a una temperatura de referencia Te y el termopar B est a una temperatura Th que en este caso ser superior a Te Al aplicar calor en B aparece una diferencia de potencial Vo entre los terminales Ti y Tz Esta tensi n es proporcional al gradiente t rmico impuesto Vo axy Tn Te 19 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL La termoelectricidad donde ax es el coeficiente termoel ctrico de Seebeck entre dos materiales x e y y viene dado en V K Material X Material Y Material Y HEAT APPLIED Figura 2 2 1 Efecto Seebeck www ferrotec com 20 UNIVERSIDAD PONTI
85. ctrico recibir _ 0 8334 3ramas 2 Las caracter sticas espec ficas del servoamplificador de corriente 25A8 est n descritas con mayor profundidad en el documento del proyecto anterior 3 p ginas de la 37 a la 40 56 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Prototipo de ventana termoactiva Filtro L El filtro por inductancias utilizado fue dise ado en el proyecto anterior 3 en cuyo documento se resumen los criterios y fases del dise o Se ha estimado que realizando algunas correcciones a dicho filtro ste es perfectamente v lido para el proyecto actual Estas modificaciones implican situar dos bobinas de valor 560uH una antes y otra despu s de la ventana en el filtro en lugar de una En la Figura 3 3 4 se muestra el filtro utilizado finalmente en el proyecto MOTOR MOTOR S50uH Figura 3 3 4 Esquema del filtro L utilizado TE UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Prototipo de ventana termoactiva 3 4 PUESTA EN MARCHA Una vez tenidos en cuenta y estudiados todos los puntos anteriores es posible conectar todo el sistema y ponerlo en marcha EJER ONE 3dAL HSNYA ON 100 NOLLON muro TINA d d Figura 3 4 1 Conexi n de la placa electr nica y del filtro L 58 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIE
86. d 100 k T M aximum update rate 3 l Overvoltage protection 40 V U SITIS CN ANNE poetes 395 8e Power on state 100 uA nonprogrammble All six channels cansino 125 S s per channel rate tf IS PA 3 Transfer Characteristics oe O penes l l A n 250 V Cat Il working voltage Relative accuracy IN L 0 5 LSB maximum f Absdlute aeeuracy European Compliance l A A AE EN 61326 Group Class A 10 m Voltage DU DUES siria 0 05 FSR maximum Table Immunity EUITBRE GEDULD irunia 30 196 FSR maximum A rub tuer RA EN 61010 1 DIN m M l LSB maximum M onotonicity Guaranteed over temperature North Amencan Compllance DS EMC estalla FCC Part 15 Class A using CISPR Voltage Output ICSES003 via harmonization to FCC Part 15 Rande Sannen ART 0 1 V 0 5 V 0 10 V 1 V 5 V A A A UL Listed to UL 3111 1 10 V software selectable CAN CSA C22 2 No 1010 1 Output COU PNG snttanctsaicteettetctertahensieuteisovimeesiye DC Australian and New Zealand Compliance Output iMpedanCe sius ancient acci n 0 1 maximum EM e AS NZS 2064 1 2 CISPR 11 CUE etapa 2a A maximum For a definition of specific terms please visit ni com glossar Load impedance osier 10 000 pf maximum p rP 9 y PIDEBEEIGIE aie eaa ctr alacer Short circuit to ground Power on state caian 10 mV Current Output A A E 0 to 20 mA Type external power not required Current sink with internal loop supply OU astas 1G minimum g Current loop supply
87. diciones ad e Indice AU IZHTEMMIAERORRR 2 Precios unitarios ATP nn va vo reo oo arenae bee sabe ees aepo eee ease P eapo 5 Sumasfparciules i E ae E o UN les Lites asus sseMinssssessosscccscccvevssssssssess 7 Presupuesto generad eee eee eon ede ee eee eee eee eene eaae aeos 9 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Mediciones Cap tulo 1 MEDICIONES En este cap tulo se indican las diferentes partes que integran el proyecto agrupadas en distintas partidas definiendo los presupuestos de cada una de ellas as como el presupuesto total A la hora de detallar los conceptos que se ver n incluidos en el presupuesto final correspondiente al presente proyecto se han seguido las premisas que se exponen a continuaci n II II IV Los precios de los componentes detallados corresponden al importe pagado en su fecha de compra y pueden no coincidir con el importe de compra en caso de requerirse una reproducci n del proyecto en cuyo caso el presente presupuesto podr ser revisado y actualizado Se incluyen los costes correspondientes al equipo inform tico y al software utilizado en el desarrollo del proyecto No se incluyen en el presupuesto los costes de los instrumentos de medida accesorios y equipos utilizados tanto para el desarrollo como para las pruebas realizadas para comprobar la correcta funcionalidad del e
88. dise o y modelo para cada aplicaci n para sacar el m ximo rendimiento de los m dulos 29 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL La termoelectricidad En la Figura 2 3 2 puede apreciarse el aspecto de un m dulo termoel ctrico comercial real y en la Figura 2 3 3 el aspecto del mismo m dulo abierto para ver las soldaduras y construcci n interna a T 3 y 5 E311 EAE E ME mm E FUR guo Abu LL bajo m A Figura 2 3 3 Aspecto de una c lula Peltier comercial abierta semiconductores soldaduras y conductores t rmicos 30 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL La termoelectricidad Tambi n existen m dulos multinivel Figura 2 3 4 que permiten conseguir saltos t rmicos importantes pudiendo llegar incluso a diferencias de 130 C Las potencias a disipar a medida que se aumentan los gradientes de temperatura son cada vez mayores pero las ventajas de poder refrigerar puntualmente son muy importantes Figura 2 3 4 M dulos termoel ctricos multinivel four stages www tec microsystems com 31 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL La termoelectricidad 2 3 2 CURVAS En un m dulo termoel ctrico hay cuatro variables que definen el comportamiento del mismo que son e
89. dulo termoel ctrico est n relacionadas entre s por medio de una ganancia Ra K W la obtenci n de esta resistencia t rmica y el resto de los par metros se encuentra en el siguiente apartado Figura 4 1 1 Diagrama de bloques del modelo Una vez obtenido el diagrama de bloques que emulaba el sistema a controlar se utiliz una variante del fichero ajuste m Parte IV para tratar de ajustar los coeficientes del modelo de forma que su respuesta fuese lo m s parecida a la respuesta de algunos ensayos realizados previamente en el sistema Los resultados no fueron satisfactorios y por falta de tiempo y puesto que el prototipo de ventana termoactiva ya estaba terminado se 71 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Identificaci n de la planta decidi proseguir con el modelado por caja negra que se describe en el apartado siguiente dejando como futuro desarrollo la profundizaci n en este campo para obtener un modelo m s exacto del sistema E on UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Identificaci n de la planta 4 2 MODELADO POR CAJA NEGRA El modelado por caja negra parte del desconocimiento total del proceso interno que ocurre en el sistema el cual es visto como una caja negra con entradas y salidas Los modelos por caja negra se dise an enteramente a partir de datos sin tenerse
90. e ambos sub bloques se refieren las secciones 2 2 y 2 3 116 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Estructura del control PID Fieura 2 1 2 Esquema interno del bloque PID 2 2 ACCI N DIFERENCIAL up k gp A PV k PV k 1 Ecuaci n 2 2 117 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Estructura del control PID Figura 2 2 1 Funcionamiento de acci n diferencial con la entrada initialize inactiva y tiempo de muestreo estrictamente positivo Figura 2 2 2 Funcionamiento de la acci n diferencial con entrada initialize activa 118 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Estructura del control PID Figura 2 2 3 Funcionamiento de la acci n diferencial con entrada initialize inactiva y tiempo de muestreo igual o menor que 0 119 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Estructura del control PID OBSERVACIONES e La acci n diferencial se realiza sobre la variable de medida PV y no sobre el error e El bloque no incluye filtrado de ruido e Si la variable initialize se activa esto es si se trata de la primera llamada al bloque o si la variable reinitialize se encuentra activa la acci n difer
91. e puede apreciar que el resultado es satisfactorio puesto que la temperatura controlada sigue a la referencia con rapidez y precisi n ae Ee k 4 Ambiente O S 9 3 Y _ o a E Lo AA ae A EA E A A oNNENMNMMgggesgeguyQu Tiempo s Figura 3 Respuesta del sistema a un ensayo con control PI implantado ABSTRACT AIR CONDITIONING THROUGH THERMOACTIVE WINDOWS BASED ON PELTIER CELLS Author Nectal Fern ndez Alejandro Manager Rodr guez Pecharrom n Ram n Collaborating Entity ICAI Universidad Pontificia Comillas ABSTRACT The Air conditioning through thermoactive windows based on Peltier cells project studies the temperature control of an output airflow which is cooled by Peltier cells This project belongs to a research line of the University in connection with thermoelectricity Thermoelectric technology based on the Peltier effect allows heat to be pumped from a cold area to a warm one when an electrical current flows The Peltier effect is observed when a current flows through two semiconductor materials type n and type p that are connected by electrical conductors Current creates a heat transfer from one junction to the other so that one junction increases its temperature whereas the other junction becomes colder ABSTRACT Heat Absorbed Cool Side Electrical Insulator Ceramic Electrical Conductor Copper p Type Semiconductor n Type Semiconductor
92. e que atraviesa la ventana es necesario controlar el nivel de corriente continua suministrada a la misma Para ello se genera desde el PC una se al proporcional a la corriente deseada la cual ser enviada a una etapa de potencia detallada en la secci n 3 3 que ser la encargada de suministrar esta corriente al prototipo La generaci n de la se al proporcional a la corriente deseada mando de ahora en adelante se realiza mediante otro m dulo acoplado al chasis SCXI 1000 el m dulo de salidas anal gicas SCXI 1124 Figura 3 2 5 de 6 canales AA A 5 di E A Figura 3 2 5 M dulo de generaci n de datos SCXI 1124 de National Instruments Este m dulo genera una tensi n continua la cual ser enviada a la etapa de potencia servoamplificador 25A8 descrito en la secci n 3 3 que la traducir a corriente 30 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Prototipo de ventana termoactiva 3 3 ALIMENTACI N DEL PROTOTIPO En esta secci n se explica de manera general el funcionamiento del circuito que compone la etapa de potencia del proyecto as como su alimentaci n el ctrica y la de los ventiladores Se ha preferido no ahondar en la justificaci n de los componentes elegidos ni en los c lculos realizados a este fin puesto que la tarjeta correspondiente a la potencia del sistema es la utilizada en el proyecto anterior y est descri
93. e s All specifications in this document are subject to change without written notice Actual product may differ from pictures provided in this document Release Date Revision Advanced Motion Controls 3805 Calle Tecate Camarillo CA 93012 Page 9 of 9 10 2 2009 2 00 ph 805 389 1935 fx 805 389 1165 www a m c com g REF 100 11 14 DC centrifugal compact fan single inlet ebm papst St Georgen GmbH amp Co KG Hermann Papst Strafe 1 78112 St Georgen Phone 49 7724 81 0 Fax 49 7724 81 1309 www ebmpapst com info2 de ebmpapst com Nominal data Type REF 100 11 14 Nominal voltage VDC 24 Nominal voltage range VDC 16 30 Speed min 5400 Power input W 1 5 Min ambient temperature C 20 Max ambient temperature C 75 Air flow m3 h 86 Sound power level B 6 3 ml max load me max efficiency rfa running at free air cs customer specs cu customer unit Subject to alterations Web data sheet D Page 1 of 4 ebm papst ebm papst St Georgen GmbH amp Co KG Hermann Papst Straf e 1 78112 St Georgen Phone 49 7724 81 0 Fax 49 7724 81 1309 www ebmpapst com info2 de ebmpapst com REF 100 11 14 Technical features Dimensions General description Connection line Locked rotor protection Direction of protection Direction of air flow Bearing Lifetime L10 at 40 C Lifetime L10 at maximum temperature Mass Housing material Material of impeller Motor pr
94. e se ales de National Instruments 46 IV UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL NDICE DE FIGURAS Figura 3 2 3 Chasis SCXI 1000 de gesti n de sefiales de National Instrument con 4 mo d lo rera 0 0 OG MARRE Cm 4 Figura 3 2 4 M dulo de adquisici n de datos SCXI 1102B de National A 47 Figura 3 2 5 M dulo de generaci n de datos SCXI 1124 de National Instruments Figura 3 3 1 Esquema general de la etapa de potencia utilizada 52 Figura 3 3 2 Plano electr nico de la alimentaci n a los ventiladores Fuente 3 PR 53 Figura 3 3 3 Esquema general de alimentaci n oocccccccnnncnnnnnnnonnnnnnnnnnnnnnnnncnnnos 54 Figura 3 3 4 Esquema del filtro L utilizado occccccccccncccnnnnnnnonnnononnnnncnnnnnnnnss 57 Figura 3 4 1 Conexi n de la placa electr nica y del filtro L 58 Figura 3 4 2 Conexi n general Vista 1 eese 59 Figura 3 4 3 Conexi n general Vista 2 ccccccccnnononncnncnnnnnnnonnnnnnnnnnnnnnnnnnnannnnss 59 Figura 3 4 4 Medida de temperaturas ambiente salida de aire de la cara fr a y salida de aire de la cara caliente de la ventana en el ensayo en lazo abierto 62 Figura 3 4 5 Incrementos de la temperatura del aire a la salida de ambas caras de la ventana sobre la temperatura ambiente en el ensayo en lazo abierto
95. e un modelo que refleje la din mica del sistema Hay que tener en cuenta que el modelado del sistema debe incluir los disipadores y los ventiladores que est n situados en el prototipo Otro importante detalle es que el prototipo URL est formado por 30 m dulos termoel ctricos por lo que los coeficientes que se obtengan del modelado corresponden a la suma de todos ellos En este sistema hay tres tipos de transferencias de calor que se producen debido a los siguientes efectos e Efecto Seebeck La corriente aplicada al m dulo termoel ctrico produce un flujo de calor que se transfiere de una superficie cer mica de la c lula a otra Q S I T Donde O W es el calor S V K es el coeficiente de Seebeck del m dulo termoel ctrico cuatro veces el coeficiente de Seebeck de cada una de las c lulas Peltier Z A es la corriente y T es la temperatura en Kelvin e Efecto Joule 68 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Identificaci n de la planta Cuando circula una corriente a trav s de un conductor se produce un calentamiento del mismo Este calentamiento no es m s que disipaci n de energ a en forma de calor que se reparte en partes iguales entre la uni n fr a y la uni n caliente R g 2 Donde R Q es la resistenci celica equivalente a las treinta c lulas Peltier e Efecto Fourier El calor transferido entre los dos lados
96. educe maintenance costs over the application life cycle We schedule instructor led courses in cities worldwide or we can hold a course at your facility We also offer a professional certification program that identifies individuals who have high levels of skill and knowledge on using NI products Visit ni com training Professional Services Our Professional Services Team is comprised of National Instruments applications engineers NI Consulting Services and a worldwide National Instruments Alliance Partner program of more than 600 INSTRUMES independent consultants and integrators Services range INSTRUMENTS from start up assistance to Certified Alliance Partner turnkey system integration Visit ni com alliance OEM Support We offer design in consulting and product integration assistance if you want to use our products for OEM applications For information about special pricing and services for OEM customers visit ni com oem INSTRUMENTS ni com e 800 813 3693 National Instruments info ni com wi NATIONAL Local Sales and Technical Support In offices worldwide our staff is local to the country giving you access to engineers who speak your language NI delivers industry leading technical support through online knowledge bases our applications engineers and access to 14 000 measurement and automation professionals within NI Developer Exchange forums Find immediate answers to your questions at ni com support
97. el caliente y el fr o causado por el gradiente de temperatura Este gradiente de temperatura es provocado por la aplicaci n de corriente a las c lulas T caliente Tfr a g R p Donde Tealiente Y Tfr a son las temperaturas en Kelvin de los lados caliente y fr o respectivamente y Rp K W es la resistencia t rmica de la c lula Peltier La cantidad total de calor que hay que disipar en el lado caliente y el calor extra do del lado fr o se obtiene combinando las ecuaciones anteriores R Ton I Ocatiente S I gt Tcatiente E c p PORTER HELL MERE OR rio r a 2 R La potencia el ctrica que consume el equipo es P V I Qcatiente Q Frio 5 1 ente Trria R I 69 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Identificaci n de la planta V S Tcatiente Trria tR I Por lo tanto la resistencia equivalente del dispositivo no es lineal y depende del gradiente de temperatura Hay que tener en cuenta la capacidad energ tica de los disipadores asumiendo que cada disipador es isot rmico se puede considerar que son elementos puramente capacitivos Teatiente Tamb u Realiente Qcaliente 1 Realiente Ccaliente Ss Tamb hh Trria A Rer a Q frio b Krr a f Fr a Ss Donde Tamb K es la temperatura ambiente Realiente K W y Rtr a K W es la resistencia t rmica entre el lado caliente y frio de la c lula Pelt
98. embargo para la elaboraci n del proyecto ha sido necesario el estudio del funcionamiento del programa Labview 7 1 Para profundizar en este tema se recomienda el documento 8 de la bibliograf a de la Parte 1 Por otra parte es necesario dejar constancia de un cambio concreto que se ha realizado durante este proyecto en los diagramas de Labview utilizados en proyectos anteriores para realizar los ensayos de lazo abierto y lazo cerrado sobre el sistema Existe un bloque llamado DAQmx Clear Task Figura 6 3 1 cuya funci n es borrar la memoria cach reservada para la escritura de las salidas anal gicas en este proyecto la salida correspondiente al mando Hasta ahora este bloque se encontraba ubicado fuera del bucle infinito en el que se realizan las tareas con lo cual la memoria cach nunca llegaba a liberarse y provocaba que pasado alg n tiempo tras el inicio de un ensayo el programa abortase con un mensaje de error por memoria insuficiente Este problema se resolvi moviendo el bloque en cuesti n al interior del bucle infinito provocando as que se libere la memoria en cada iteraci n del mismo tras su uso task in error in error out DAQmx Clear Task vi Fieura 6 3 1 Bloque DAQmx Clear Task de Labview 7 1 113 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Estructura del control PID Cap tulo 2 ESTRUCTURA DEL CONTROL PID En este ca
99. encial no act a la salida del bloque de acci n diferencial es O 120 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Estructura del control PID 2 3 ACCI N INTEGRAL k E E uj k y LAA At Ecuaci n 2 3 NAAA ad True x 2 a 2 2 z a al 4 da rue i x 2 1d on 1d oe id ni e ee PID gains v Figura 2 3 1 Funcionamiento de la acci n integral con valores no infinitos de Ki Ki KT sin cambios en los par metros de ganancias PID o con initialize activa Existe un caso particular para cuando T 0 Si se especificase dicho valor se anular a la parte integral del control en lugar de hacerse sta infinita como se deduce de la f rmula por la que se rige el funcionamiento general de este bloque Ecuaci n 2 3 En la Figura 2 3 1 puede verse el comportamiento de este caso concreto 121 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Estructura del control PID anana aa a a 4 e ase T 2 E 2 2 E 2 2 E is set En 0 0 P ar PD control anl output high output low PID gains vr Figura 2 3 2 Funcionamiento de la accion integral con valores infinitos de Ki Ii 0 122 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Estructura del control PID ar al 4 a aeu
100. estas 81 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Identificaci n de la planta Como puede observarse en la Figura 4 2 7 y en la Figura 4 2 8 los las respuestas en frecuencia de los sistemas propuestos coinciden siempre hasta cierto punto La primera respuesta en desviarse alrededor de los 120 es la del sistema de segundo orden no obstante esto ocurre muy cerca de esta fase y puesto que se escogi un valor orientativo se opta por elegir el siguiente sistema en orden de complejidad creciente que se desv a el de segundo orden con cero Por tanto y puesto que tanto la respuesta temporal como la respuesta en frecuencia del sistema son las m s adecuadas se opta por el modelo de segundo orden con cero La funci n de transferencia propuesta fue 04 04 s 0 P 0 03 5 0 03 s 1 Donde 6 son los par metros a ajustar mediante m nimos cuadrados Los valores ptimos obtenidos para estos par metros fueron 0 0 85841 0 53 791 0 3 4726 0 4 4611 Obteni ndose la siguiente funci n de transferencia 3 829s 0 8584 0 0205s 0 004595 P _ _ _ _ _ m s 186 85 57 26s 1 s 0 3066s 0 005353 Y en formato de ceros polos y ganancias y de constantes de tiempo 0 020501 s 0 2242 0 8584 1
101. eta Sth 8 4248e 001 3er orden orden th 8 4248e 001 th 1 ERA th 1 thy4 eh 6th o o KJ th theta Np o o o o o o o o oe o oe o oe o oe o oe o o o oe o o o oe o o o oe o o oe oe o o o o o oe o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o oe oe o o o o o o o o oe o o o oe o o o o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o o o oe o o o oe o o o oe o o o oe o o o o o o o oe o o o o oe o o o o o o o o oe PARAMETROS DEL ALGORITMO o oe o oe o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o oe o oe o o o o o o oe o oe o oe o o o oe o o o oe o oe o oe o o o oe o o o oe o o o o o o o o o oe o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o oe o o o o o o o o oe Tiempo final de simulacion 132 S E length time 1 9 ea i N lt Q0 a lt 0 zu Z 5 Z p 2B E v 5 E O K amp D UN A lt aS Aa Z TA U dd ya a E gt Z gt z EL INGENIERO INDUSTRIAL Ajuste m
102. ferencia del prototipo Para obtener un buen modelo que refleje el comportamiento real del sistema es recomendable que el ensayo presente una respuesta con oscilaciones de esta forma el ensayo contiene una mayor informaci n permitiendo as obtener unos par metros para el modelo m s cercanos a la realidad Por esta raz n en la identificaci n de sistemas que lo permitan se suelen realizar ensayos en lazo cerrado con control proporcional elevando la constante proporcional hasta obtener una respuesta lo suficientemente rica en informaci n con suficientes oscilaciones sin llegar a hacer el sistema inestable Funci n de transferencia entrada Zero Order Hold Figura 4 2 1 Diagrama de bloques que permite simular la respuesta de una funci n de transferencia ante una entrada discreta El diagrama de bloques de la Figura 4 2 1 permite simular distintas estructuras de funci n de transferencia Esta funci n de transferencia relacionar la temperatura del flujo de aire de la cara fr a de la ventana y la corriente aplicada al sistema mando es decir la salida del control 74 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Identificaci n de la planta El modelo se obtiene ejecutando los programas prepara_datos m que carga los datos recogidos en un ensayo y recorta el escal n elegido en cada caso para el ajuste y Ajuste m que trata de ajustar los par me
103. fety n EN 61010 1 Module Filter Setting Range 0 01 0 01 North American Compliance SCXI 1102 2 Hz 10 V 100 mV Is 10s Een ee E FCC Part 15 Class A using CISPR SCXI 1102B 200 Hz 10 V 100 mV 10 ms 100 ms SCXI 1102C 10 kHz 10 V 100 mV 200 ys 1 ms Australia and New Zealand Compliance SCXI 1112 2 Hz 100 mV 1s 10s EMG M M AS NZS 2064 1 2 CISPR 11 Accuracy Includes effects of NI 6052E with 1 or 2 m SCXI cable assembly Module Filter Setting Range 0 01 0 01 Includes effects of NI 6030E with 1 or 2 m SCXI cable assembly SCXI 1104 2 Hz 42 VAC 60 VDC 1s 10 s SCXI 1104C 10 kHz 42 VAC 60 VDC 200 us 1 ms For a definition of specific terms please visit ni com glossary Multiplexer performance Scan Interval Module Settle to 0 012 Settle to 0 006 SCXI 1100 See step response See step response SCXI 1102 SCXI 1102B SCXI 1102C 3 us 10 ys SCXI 1104 SCXI 1104C SCXI 1112 National Instruments Tel 800 813 3693 info ni com ni com 3 NI Services and Support NI has the services and support to meet your needs around the globe and through the application life cycle from planning and development through deployment and ongoing maintenance We offer services and service levels to meet customer requirements in research design validation and manufacturing Visit ni com services Training and Certification NI training is the fastest most certain route to productivity with our products N
104. fier for IR Compensation mode While in IR Compensation mode the amplifier will adjust the duty cycle to compensate for changes in the output current Consult the amplifier s functional block diagram and the manufacturer s website for more information Note Damage done to the drive while performing these modifications will void the warranty Release Date Revision Advanced Motion Controls 3805 Calle Tecate Camarillo CA 93012 Page 6 of 9 10 2 2009 2 00 ph 805 389 1935 fx 805 389 1165 www a m c com 9 ADVANCED ZAMOTION CONTROLS Analog Servo Drive 25A8 A MECHANI CAL INFORMATION P1 Signal Connector Connector Information 16 pin 2 54 mm spaced friction lock header Molex P N 22 01 3167 connector and P N 08 50 0114 insert terminals Mating Connector Included with Drive Yes 15 NC 13 INHIBIT IN r 11 INHIBIT IN r 9 CURR REF OUT 7 TACH GND 5 REFIN 3 5V 3mA OUT E r 1 5V 3mA OUT El E 2 SIGNAL GND REF IN TACH IN 8 m MONITOR 10 CONT CURRENT LIMIT 12 INHIBIT IN 14 FAULT OUT 16 NC P2 Power Connector Connector Information 5 port 5 08 mm spaced screw terminal Not applicabl Mating Connector E E oe is x Included with Drive Not applicable
105. ge 4 of 4 ebm papst ebm papst St Georgen GmbH amp Co KG Hermann Papst Straf e 1 78112 St Georgen Phone 49 7724 81 0 Fax 49 7724 81 1309 www ebmpapst com info2 de ebmpapst com NI SCXI 1000 NI SCXI 1000DC NI SCXI 1001 Operating Systems Shielded enclosures for SCXI modules Low noise environment for signal conditioning e Rugged compact chassis Forced air cooling Optional USB data acquisition and control module Optional rack mounting 3 internal analog buses Timing circuitry for high speed multiplexing AC DC or battery power options NI DAQmx driver software simplifies chassis configuration LabVIEW e LabWindows CVI Measurement Studio Lookout VI Logger Driver Software e NI DAQmx e NI SWITCH Overview National Instruments offers rugged low noise SCXI chassis to house power and control your SCXI modules and conditioned signals The unique SCXI chassis architecture includes the SCXIbus which routes analog and digital signals and acts as the communication conduit between modules Chassis control circuitry manages this bus synchronizing the timing between each module and the DAQ device With this architecture you can scan input channels from several modules in several chassis at rates up to 333 kS s for every DAQ device The versatility of SCXI lies in its various chassis options and expandability You can choose from a number of different standard AC or DC power options You
106. hacerse llevan a resultados no satisfactorios que solo son aplicables alrededor del punto de trabajo en el cual se ha linealizado el sistema NOTA el modelado basado en principios f sicos que se describe en esta secci n se llev a cabo paralelamente a la construcci n del prototipo de la ventana por lo que se trat de identificar un sistema similar cuyos esquemas de funcionamiento son id nticos a los de la ventana termoel ctrica y del que ya se hab an realizado ensayos con los que trabajar El sistema utilizado es el descrito en el proyecto 2 66 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Identificaci n de la planta El modelado de un sistema t rmico es en principio complicado ya que la temperatura no suele ser homog nea en los sistemas lo que dar lugar a ecuaciones diferenciales y por lo tanto a modelos de par metros distribuidos Se suele simplificar dividiendo el sistema en varias partes como se ha realizado en este proyecto o considerando una sola suponiendo la temperatura homog nea As se obtienen ecuaciones diferenciales ordinarias y por lo tanto modelos con par metros concentrados El calor puede fluir por conducci n convecci n y por radiaci n El primer fen meno es lineal el flujo de calor es proporcional a la diferencia de temperatura La convecci n es debida a un flujo de calor sobre la superficie del cuerpo de sustancias ga
107. iMod2 al15 5CiMod2 a116 2 31 07 531 01 01 1904 SC1Mod2 217 SC1Modl u15 Paus SC1Hod2 Jai SC1Mod2 a5 SC1Hod2 221 SC1Mod2 222 Fieura 2 3 1 Interfaz de usuario para la realizaci n de ensayos en lazo abierto 130 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Ensayo en lazo cerrado Parte IV C DIGO FUENTE 131 Ajuste m INGENIERO INDUSTRIAL N Q0 lt 0 zu Z A Z p 2B E v p gt O K amp D UN A lt Ll y Aa z 7 U dd D E gt Z gt z EL Cap tulo 1 AJUSTE M o o o o o o o o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o oe oe o o oe ALGORITMO DE AJUSTE DE UN SISTEMA o o o o o o oe o o o o o oe o o o o o o o o o o o o o o oe POR MINIMOS CUADRADOS o o o o o o o o o o o o o oe o o o o o o o o o o o o o o oe o o o o o o o o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o oe o o o oe f
108. iempo transcurrido Anto Mando V Observaciones min parcial min 0 0 0 Comienzo del ensayo 6 6 0 Encendido de los ventiladores Aunque el mando es de 0 5V ae a bes la corriente real es de 0 21A 45 22 1 60 15 1 5 75 15 2 9 17 2 5 107 15 2 122 15 1 5 137 15 1 152 15 0 5 167 15 0 61 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Prototipo de ventana termoactiva Se han tomado como corrientes positivas las que provocan temperaturas m s altas que la temperatura ambiente y viceversa El mando aplicado es siempre negativo para dejar constancia de que se est tratando de enfriar Cara fria fr Cara caliente ul Ambiente Temperatura C Tiempo min Figura 3 4 4 Medida de temperaturas ambiente salida de aire de la cara fr a y salida de aire de la cara caliente de la ventana en el ensayo en lazo abierto Debido al incremento de la temperatura ambiente en el laboratorio a lo largo del ensayo la Figura 3 4 4 presenta una informaci n un tanto distorsionada por lo que se presenta en la Figura 3 4 5 una gr fica en la que se resta la temperatura ambiente instant nea al resto de medidas con lo que se consigue apreciar mejor el resultado del ensayo 62 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Prototipo de ventana termoactiva y Cara fria Ca
109. iente el ctrica Las c lulas Peltier son las m s empleadas debido a que su coste es cada vez menor y sus aplicaciones para el mercado del consumo se incrementan d a a d a Un m dulo termoel ctrico comercial consiste en la uni n de varios pares de semiconductores tipo P huecos libres y tipo N cargas libres conectados t rmicamente en paralelo y el ctricamente en serie para aumentar la tensi n el ctrica de operaci n del mismo Los semiconductores se conectan entre s a trav s de conductores el ctricos como el cobre utilizando uniones soldadas con materiales con bajo punto de fusi n para no da ar los termoelementos durante el proceso de soldadura Estos puentes el ctricos tienen que estar aislados el ctricamente del objeto a refrigerar para evitar cortocircuitos Sin embargo este material aislante el ctrico debe de ser un buen conductor t rmico para minimizar el salto t rmico entre el par termoel ctrico y el objeto 1 de sae Semiconductor tipo P se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado a adiendo un cierto tipo de tomos al semiconductor para poder aumentar el n mero de portadores de carga libres en este caso positivos o huecos Semiconductor tipo N se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado a adiendo un cierto tipo de tomos al semiconductor para poder aumentar el n mero de portadores de carga libres en este caso negativas o electrones 200 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUEL
110. ier y el aire Ccaliente Y Ctr a es la capacidad t rmica y s es la variable de Laplace empleada para expresar las ecuaciones en funciones de transferencia Hay que destacar que la capacidad t rmica depende del tama o de los disipadores y que la resistencia t rmica depende de e El contacto t rmico entre la c lula y el disipador e El modelo de disipador e La tensi n con la que se alimenta a los ventiladores es decir la velocidad a la que mueven el aire A partir de las ecuaciones anteriores se construye el diagrama de bloques de la Figura 4 1 1 Este diagrama corresponde a la estructura del modelo en lazo abierto funcionando en modo refrigeraci n El modo de funcionamiento del sistema hay que tenerlo en cuenta en el criterio de signos El color rojo que se observa en el diagrama de bloques se refiere al lado caliente el color azul al lado fr o y el color verde corresponde con la 70 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Identificaci n de la planta variable de salida es decir la temperatura del flujo de aire El signo cambia entre el lado caliente y el lado fr o Cuando el sistema funciona en modo refrigeraci n el calor extra do de la fuente fr a debido al gradiente de temperatura con respecto al ambiente es el flujo calor que enfr a el flujo de aire de salida La temperatura del flujo de aire y el calor extra do del lado fr o del mo
111. izados en la 1 5 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Introducci n I I ESTADO DEL ARTE 1 1 1 LA TERMOELECTRICIDAD Las aplicaciones industriales de los m dulos termoel ctricos han sido escasas hasta el momento Es ahora cuando est n siendo empleados principalmente para la refrigeraci n de microprocesadores y peque os equipos frigor ficos entre otras aplicaciones En los ltimos a os la termoelectricidad ha avanzado enormemente cada d a hay mayor inter s en esta rama de la f sica los estudios son numerosos especialmente en aplicaciones en las cuales un control preciso de la temperatura es necesario El hecho de poder refrigerar o calentar una zona concreta y de reducido tama o permite abrir una gran puerta a la termoelectricidad Tanto es as que es de esperar que a medio plazo y teniendo en cuenta que la velocidad a la que avanza la tecnolog a de materiales particularmente en el campo de los semiconductores la posibilidad de climatizar viviendas mediante la termoelectricidad sea viable Las aplicaciones actuales y potenciales de la termoelectricidad son los materiales termoel ctricos se basan en dos aspectos del efecto Thomson ver secci n 2 2 3 Por un lado el establecimiento de un flujo de calor opuesto a la difusi n t rmica cuando un material sometido a un gradiente de temperatura es atravesado por una corriente el ctrica pe
112. jetivo no es trivial puesto que no existe un estudio o publicaci n previa que gu e el modelado de un sistema de estas caracter sticas de forma que en caso de llegar a resultados concluyentes estos podr an publicarse 3 Dise o del control El dise o del control para el prototipo se realizar mediante simulaciones en Simulink sobre el modelo obtenido 4 Implantaci n y mejora del control sobre el prototipo Una vez obtenido un control con una respuesta aceptable en simulaci n se proceder a la implantaci n de dicho control sobre el prototipo para ello ser necesario trasladar los par metros obtenidos del mismo en Simulink al entorno Labview Adem s se prev la necesidad de realizar peque as varlaciones y mejoras sobre el control dise ado una vez se realicen las pruebas sobre el prototipo 12 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Introducci n 1 4 METODOLOG A SOLUCI N DESARROLLADA En primer lugar se proceder a la construcci n del prototipo de ventana termoactiva partiendo de la experiencia de la construcci n del prototipo del proyecto previo a ste y enmendando los defectos de dise o que ste ten a Tras la construcci n del prototipo se realizar la instrumentaci n del mismo esto es la situaci n de los sensores termopares necesarios para la medici n de temperaturas en las partes necesarias la conexi n de stos
113. l modelo m s complejo en este caso el segundo orden con cero y previ ndose que el control a utilizar en este sistema ser un PI puesto que la velocidad de respuesta no es crucial en este sistema como s lo es la precisi n se estima que el retraso de fase que introducir el control ser de aproximadamente 10 grados valor orientativo que se suele utilizar en el dise o de este tipo de reguladores Por tanto y para un margen de fase t pico de 50 la fase del diagrama de Black que resulta de gran inter s ser 120 De esta forma habr que comprobar cu l es el modelo m s sencillo posible cuyo diagrama de Black coincide con el del modelo m s complejo tomado de referencia tercer orden hasta la fase de 120 siendo en ese el modelo m s adecuado 80 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Identificaci n de la planta Nichols Chart Fprimer Fprimercero Fsegun Fseguncero Open Loop Gain dB Fstercercero Ftercer 135 90 Open Loop Phase deg Figura 4 2 7 Comparativa de los diagramas de Black de las distintas funciones de transferencia propuestas Nichols Chart Fprimer Fprimercero Fsegun Fseguncero Fstercercero Ftercer Open Loop Gain dB 120 Open Loop Phase deg Figura 4 2 8 Vista aumentada a la fase de 120 de la comparativa de los diaeramas de Black de las distintas funciones de transferencia propu
114. lectrical shock RoHS Reduction of Hazardous Substances is intended to prevent hazardous substances such as lead from being manufactured in electrical and electronic equipment Release Date Revision Advanced Motion Controls 3805 Calle Tecate Camarillo CA 93012 10 2 2009 2 00 ph 805 389 1935 fx 805 389 1165 www a m c com AUS ONY ADVANCED gAMOTION CONTROLS Analog Servo Drive 25A8 A SPECI FI CATI ONS Power Specifications Description DC Supply Voltage Range DC Bus Over Voltage Limit Maximum Peak Output Current Maximum Continuous Output Current Switching Frequency Description i Value Command Sources 10 V Analog Feedback Supported Tachometer Modes of Operation Current IR Compensation Tachometer Velocity Voltage Motors Supported Single Phase Brushed Voice Coil Inductive Load Over Current Over Temperature Over Voltage Short Circuit Phase Phase amp Hardware Protection Phase Ground Mechanical Specifications Description Units Value Agency Approvals CE Class A EMC CE Class A LVD cUL ROHS UL O Size H x W x D 129 3 x 75 8 x 25 1 5 1x3 x 1 Weight 280 9 9 Heatsink Base Temperature Range 0 65 32 149 Storage Temperature Range 40 85 40 185 Form Factor Stand Alone P1 Connector 16 pin 2 54 mm spaced friction lock header P2 Connector 5 port 5 08 mm spaced screw terminal Notes 1 Maximum duration of peak curre
115. lentamiento del aire en un habit culo lo cual lleva a hablar de la motivaci n para la realizaci n de este proyecto en ese campo concreto UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Introducci n El proyecto que se va a desarrollar se enmarca dentro de una l nea de trabajo de la Universidad en relaci n a la termoelectricidad como es la patente del Paramento Transparente Activo PTA que se refiere a un sistema de bombeo de calor por efecto Peltier pensado para climatizaci n en edificaci n Las c lulas Peltier se pueden usar en el control de temperatura de diferentes aplicaciones y dispositivos de peque as dimensiones El sistema que se pretende construir se instalar en las ventanas de un habit culo en sustituci n de los actuales vidrios a los que reemplazar con una m nima reducci n de transparencia pudiendo bombear calor en cualquier direcci n para conseguir la temperatura deseada en el habit culo Este m todo de climatizaci n presenta ciertas ventajas con respecto a las alternativas existentes en el mercado actual como puede ser el volumen reducido de la instalaci n dado que sustituye la posici n de una o m s ventanas convencionales adem s el m dulo de control es tambi n menor en tamafio o similar al de los sistemas existentes se requieren elementos m viles como ventiladores pero el ruido y las vibraciones de los mismos son inferiores a los
116. les de salida y mando entre ensayo y simulaci n con control PI para un escal n en la referencia de 26 5 a 24 5 C Anti windup desactivado s lo en simulaci n occcccnccnnnnnnnncnnnnnnnnnnnnnnos 98 Figura 5 2 5 Comparativa de respuestas temporales de salida y mando entre ensayo y simulaci n con control PI para un escal n en la referencia de 26 5 a PR CANU ODIO Pole Ro ME 98 Figura 6 2 1 Comparativa de la respuesta de un ensayo y una simulaci n con el modelo elegido para un escal n en la referencia de 24 a 23 C 101 Figura 6 3 1 Comparativa entre ensayo y simulaci n con el control PI no UE II 103 Figura 6 3 1 Bloque DAQmx Clear Task de Labview 7 1 113 Figura 2 1 1 Bloque PID de Labview Entradas y salidas 114 Figura 2 1 2 Esquema interno del bloque PID oooccnnncccncnnnocnncnnnnnnnnnnnoncnnnns 117 Figura 2 2 1 Funcionamiento de acci n diferencial con la entrada initialize inactiva y tiempo de muestreo estrictamente pOSI IVO ooccccccccnnnnncninnnnnnnnnnnnnnnos 118 Figura 2 2 2 Funcionamiento de la acci n diferencial con entrada initialize activa Figura 2 2 3 Funcionamiento de la acci n diferencial con entrada initialize inactiva y tiempo de muestreo igual o menor que O occcccnnncnnnnnnnnnnnnnnnnoccnnnnnnnnos 119 VII UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER
117. mbas gr ficas potencia frigor fica ordenadas de la gr fica izquierda y tensi n ordenadas de la gr fica derecha Puede observarse c mo para condiciones en las cuales no exista carga t rmica en el lado fr o Q 0 se obtiene la m xima diferencia de temperatura A medida que la diferencia de temperaturas entre las caras fr a y caliente se reduce aumenta Q llegando a su valor m ximo cuando dicha diferencia de temperaturas es nula Las c lulas Peltier presentan diversas singularidades que dificultan su linealizaci n Puede comprobarse emp ricamente c mo un aumento de la corriente por el m dulo no es garant a de un aumento en la potencia 33 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL La termoelectricidad bombeada siendo necesario tener en cuenta las temperaturas de la cara caliente y de la cara fr a del m dulo termoel ctrico para determinar la potencia bombeada llegando a extremos en los cuales a pesar de presentar un gran flujo de corriente el bombeo de potencia t rmica es inexistente Dicha peculiaridad deber ser tenida en cuenta en la obtenci n del modelo del sistema t rmico y el dise o del control adem s de ser la principal limitaci n en este proyecto _ 34 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Prototipo de ventana termoactiva Cap tulo 3 PROTOTIPO DE VEN
118. modelo CP08 63 06 W9 de Laird Technologies el cual trabaja a una corriente nominal inferior y genera una potencia t rmica inferior puesto que en el proyecto anterior 3 se observ que era necesario trabajar muy por debajo de las especificaciones nominales de las c lulas empleadas Se han sustituido los ventiladores que bombean aire al interior de la ventana para calentarlo refrigerarlo por otros m s potentes con la finalidad tambi n de mejorar la disipaci n de calor en la cara caliente de la ventana En general se ha construido un prototipo m s robusto tratando especialmente de evitar escapes o entradas de aire donde no estuvieran previstos 40 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Prototipo de ventana termoactiva Como se explicar m s adelante se han realizado pre conexiones el ctricas de las c lulas por parejas en paralelo de forma que es posible conectarlas de m ltiples maneras con la nica limitaci n de que dichas parejas de celdas son inamovibles Figura 3 1 3 Prototipo de ventana termoactiva construido en 2010 _4 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Prototipo de ventana termoactiva 3 1 3 CONEXI N EL CTRICA Por el hecho de haberse realizado una pre conexi n el ctrica por pares de m dulos es necesario distribuir la conexi n total de la ventan
119. mulaci n con control PI para un escal n en la referencia de 26 5 a 24 5 C Anti windup activado _ 98 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Resultados Cap tulo 6 RESULTADOS En este cap tulo se exponen los resultados a los que se ha llegado en el desarrollo de este proyecto En los cap tulos anteriores ya se han mencionado algunos de ellos pero para concentrar los resultados obtenidos y facilitar la compresi n del proyecto en este cap tulo se desarrollan resumidamente _ 99 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Resultados 6 1 MEJORAS REALIZADAS AL PROTOTIPO El presente proyecto se inici con la intenci n de superar las limitaciones impuestas por el proyecto previo las cuales se resum an en los problemas en la disipaci n de calor de la cara caliente de la ventana lo cual limitaba la corriente m xima de trabajo a un nivel muy por debajo del nominal de los m dulos termoel ctricos utilizados por lo que el rendimiento se ve a seriamente afectado Tabla 6 1 1 Comparativa de algunas limitaciones entre los prototipos de ventana termoactiva realizados en 2009 y 2010 Corriente c lula A 0 167 0 167 Corriente m xima de trabajo c lula A Entre 0 42 y 0 5 Como se puede observar en la Tabla 6 1 1 se han producido mejoras notables con el redise o de la ventana
120. n a cabo todas las tareas necesarias para hacer posible el manejo de las variables del prototipo y las mediciones desde un PC 2 Identificaci n del sistema Para cumplir el objetivo final del proyecto era necesario previamente obtener un modelo del sistema El modelado del sistema se ha llevado a cabo por el m todo del modelado por caja negra determin ndose con ello un modelo que refleja la realidad del sistema a controlar 104 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Conclusiones Las fases criterios y limitaciones en la identificaci n del sistema se detallan a lo largo del Cap tulo 4 y se resumen en el punto 6 2 3 Dise o del control Se dise un regulador PI que permite una respuesta precisa y r pida en el seguimiento de la referencia marcada por un usuario 4 Implantaci n del control sobre el prototipo Como se coment a lo largo del apartado 6 3 el control dise ado se implant con xito consiguiendo una respuesta similar a la calculada por simulaci n A ra z de lo anterior puede afirmarse que el proyecto ha sido exitoso en lo que se refiere al cumplimiento de las metas establecidas 105 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Futuros desarrollos Cap tulo FUTUROS DESARROLLOS Tras la conclusi n de este proyecto se hace evidente que sigue
121. nents Location Description M Current Loop Integrator Through hole capacitor that can be added for more precise current loop tuning See section C10 i i below on Tuning with Through hole components for more details Velocity Loop Integrator Through hole capacitor that can be added for more precise velocity loop tuning See section below on Tuning with Through hole components for more details R13 Tachometer Input Scaling Through hole resistor that can be added to change the gain of the tachometer input See section below on Tachometer Gain for more details R30 Current Loop Proportional Gain Through hole resistor that can be added for more precise current loop tuning See al section below on Tuning with Through hole components for more details R8 IR Compensation Scaling Through hole resistor that must be added to configure the amplifier for IR Compensation mode See section below on IR Compensation Notes for more details Tachometer Gain Some applications may require an increase in the gain of the tachometer input signal This occurrence will be most common in designs where the tachometer input has a low voltage to RPM scaling ratio The drive offers a through hole location listed in the above table where a resistor can be added to increase the tachometer gain Use the drive s block diagram to determine an appropriate resistor value Tuning With Through hole Components In general the drive will not need to be
122. nt is 2 seconds 2 Lower inductance is acceptable for bus voltages well below maximum Use external inductance to meet requirements 3 Additional cooling and or heatsink may be required to achieve rated performance Release Date Revision Advanced Motion Controls 3805 Calle Tecate Camarillo CA 93012 10 2 2009 2 00 ph 805 389 1935 fx 805 389 1165 www a m c com Pages Ore ADVANCED MOTION CONTROLS Analog Servo Drive 25A8 A PIN FUNCTI ONS P1 Signal Connector Description Notes 1 5V3mA OUT m Ca SIGNAL GND 5 V 3 mA low power supply for customer use Short circuit protected Reference ground common with signal ground 5V 3mA OUT MES Differential Reference Input 10 V Operating Range 15 V Maximum Input TACH IN Negative Tachometer Input Maximum x60 V Use signal ground for positive input TACH GND Positive Tachometer Input and Signal Ground CURRENT MONITOR Current Monitor Analog output signal proportional to the actual current output Scaling is 4 4 A V Measure relative to signal ground Measures the command signal to the internal current loop This pin has a maximum output CURR REF OUT of 7 25 V when the drive outputs maximum peak current Measure relative to signal ground Can be used to reduce the factory preset maximum continuous current limit without CONT CURRENT LIMIT affecting the peak current limit by attaching an external current limiting resistor between this pin and signal gr
123. nto gr ficamente como en valores d Resumen muestra un resumen de las temperaturas ambiente cara fr a media aritm tica de las lecturas de los 5 termopares y cara caliente media aritm tica de las lecturas de los 5 termopares 126 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Ensayo en lazo abierto 3 Indicar en Voltage output el valor de la se al de mando deseado Es posible variar esta se al en el transcurso del ensayo 4 Pulsar El para iniciar el ensayo 5 Pulsar STOP para finalizar el ensayo Fieura 2 3 1 Interfaz de usuario para la realizaci n de ensayos en lazo abierto 127 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Ensayo en lazo cerrado Cap tulo 4 ENSAYO EN LAZO CERRADO Este programa se ha empleado para implantar los controles dise ados por simulaci n El uso de la aplicaci n es muy intuitivo al igual que el programa para realizar ensayos en lazo abierto a continuaci n se describen los pasos a seguir para su utilizaci n 1 Encender el hardware de adquisici n de datos de National Instruments a continuaci n conectar los ventiladores y la placa de alimentaci n del m dulo termoel ctrico a la red 2 Abrir el fichero LAZO_CERRADO vi Los elementos que aparecen en el panel frontal se detallan a continuaci n y pueden observarse en la Figura
124. o o o o o o oe o amp 100 V Vaux Vaux gt toll 100 max abs dgn theta tol2 while niter lt 10 Se incremente el numero de 1teraciones S enrrtertl niter o o o oe o o o o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o oe o o o oe o o oe Actualizacion de los parametros S E theta th sho theta 2 o o o o o o o o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o oe o o o o o o oe 133 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Ajuste m Simulacion del sistema t X yS ym error sim sistema tfin sim sistema tfin yS y ym sal error ys ym Funcion objetivo error cuadratico medio V sort s um error 2 Na Oo Construccion de la matriz Jacobiana por diferencias finitas for i 1 Np thaux theta h 001 abs theta i Incremento para las derivadas if abs theta 1 lt 10 sqrt eps h 015 aio p Sir A A A AE A oe O Actualizacion de los parametros tit hala
125. oles PI disefiados 90 Tabla 5 1 2 Principales caracter sticas de las respuestas temporales del modelo con los distintos controles PI dise ados ooooooonnnnncncnnncnnnnnnnnononononnnnnanncncnnnnnnnos 9 Tabla 6 1 1 Comparativa de algunas limitaciones entre los prototipos de ventana termoactiva realizados en 2009 y 2010 essere 100 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Introducci n Parte MEMORIA UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Introducci n Cap tulo 1 INTRODUCCI N El presente proyecto persigue la climatizaci n de edificios mediante m dulos termoel ctricos Para ello se desarrollar un prototipo de ventana termoactiva en la que se insertar n varias c lulas Peltier trat ndose de controlar la temperatura del aire de salida correspondiente al interior del habit culo que se desea climatizar A continuaci n se har una introducci n en la que se resumir n y analizar n las tecnolog as existentes relacionadas con esta materia ver secci n 1 1 m s adelante se presentar n las razones que hacen interesante este proyecto y su desarrollo secci n 1 2 se concretar n en la secci n 1 3 los objetivos fijados al comienzo del trabajo y finalmente en la secci n 1 4 se expondr el proceso seguido para alcanzarlos y los recursos util
126. omponentes electr nicos del hardware Condensador cer mico Resistencia Bobina Coilcraft UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT Equipamiento habitual de un PC de oficina Mediciones Cantidad ud l a o l a o ud ud ud 2 ud 30 ud 2 ud 30 ud 30 ud ud 6 ud ud ud 2 ud 2 ud 3 ud 2 ud ud 2 ud UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Precios unitarios Cap tulo 2 PRECIOS UNITARIOS Los precios unitarios de las partidas de los recursos humanos se presentan en la Tabla 2 1 Tabla 2 1 Precio unitario de los recursos humanos Estudio y documentaci n Consultor a especializada Termoelectricidad UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Precios unitarios Los precios unitarios de los materiales se presentan en la Tabla 2 2 Tabla 2 2 Precios unitarios de los recursos materiales Precio Concepto ud bOjportu Equipamiento habitual de un PC de oficina 1000 Licencia MATLAB R2009b 900 Licencia Labview 7 1 Datalogging amp Supervisory control 720 Transformador 220 40 20 V 35 Hardware de acondicionamiento de la se al de National 1250 Instruments Marco CIMA BOX de la casa SIM N 50 Cristales PVC 50 M dulo Laird Tech CP0 8 63 06L 9W 12x25mm 38 49 Prototipo Ventilador RLF1
127. on por lo general mucho menos eficientes que los sistemas por compresi n por lo que la eficiencia energ tica de la ventana no es elevada Sin embargo como se ha comprobado en este proyecto y en la larga l nea de investigaci n que se est llevando a cabo en la Universidad actualmente en torno a esta tecnolog a con la mejora de los materiales y 10 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Estudio econ mico la exploraci n de nuevos sistemas encaminados a mejorar la disipaci n de calor es posible que a medio plazo esta sea la tecnolog a que sustituya a los sistemas convencionales de climatizaci n A modo de apostilla concluir que el prototipo y el control desarrollados en este proyecto no son viables para su comercializaci n en este momento puesto que presentan limitaciones importantes A pesar de ello este proyecto es un paso m s en el desarrollo y la investigaci n de una tecnolog a que podr a ser de gran valor en un futuro pr ximo 111 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Estudio econ mico Parte IIl MANUAL DE USUARIO 112 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Labview Cap tulo 1 LABVIEW Este documento no pretende ser un tutorial para el uso de ning n programa inform tico sin
128. ormat compact clear theta thaux dgm J format shore e Sclear all o o o o o o o o oe oe oe o oe o oe o oe o oe oe oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o oe o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o oe o o o o o o o oe o o o o o o o o o o o o oe o o o oe o o o o o oe o o o o o o o o o oe o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o oe thm th sees O dens JKE EO e 00185 Oo o J a0 9 1 e 4 4939e 002 sth 8 84 908 001 oe S 6 th 8 3287e 001 orden polinomio O N W ZTS S 2 3er et 1 35 1 6 1345e 001 Bettina ler orden cero o E der AL Oe QOIS Gel 345e7001 0 0001 Ys St tha ISTA esse 1 WERA 2 E 2 PEZ ch Oy SEL mos umo O0 4 20T79e 4002 FSOL pi 39 4 20 9e 002 SEP 3 3460e 000 as wen 3 Numero de parametros Slt hatl latina til oer CT Selon S A OO stth demana En 2 meg Ms 1 3198e 003 th 1 Ge 2 ye s 3 tTR85 1 3198e 003 S 94 Ge OQ earth 1M ANA EOS S CPR L uS imac l atrneero O i 8 6337e 001 th 98 5 00 001 orden taus cero length th
129. otection Option Approval Web data sheet D Page 2 of 4 DC centrifugal compact fan single inlet 100 x 25 mm Pressure optimized blower Very flat and high performance centrifugal fan Optional Vario Pro Highly flexible software configuration for the fan ensures an easily customizable solution to meet the individual requirements of your application Backward curved impeller Electronic commutation completely integrated Single strands AWG 22 TR 64 bared and tin plated With electronic blocking and overload protection Right looking at rotor Axial air intake centrifugal air exhaust out of the outlet Ball bearings 80000 h 30000 h 0 160 kg Scroll housing of fiberglass reinforced plastic Fiberglass reinforced plastic Protected against reverse polarity and locking Speed signal CE ebmpapst ebm papst St Georgen GmbH amp Co KG Hermann Papst Straf e 1 78112 St Georgen Phone 49 7724 81 0 Fax 49 7724 81 1309 www ebmpapst com info2 de ebmpapst com REF 100 11 14 DC centrifugal compact fan single inlet Product drawing Web data sheet D Page 3 of 4 ebm papst ebm papst St Georgen GmbH amp Co KG Hermann Papst Straf e 1 78112 St Georgen Phone 49 7724 81 0 Fax 49 7724 81 1309 www ebmpapst com info2 de ebmpapst com REF 100 11 14 DC centrifugal compact fan single inlet Charts Air flow Pa 300 V 20 40 60 80 m3 h Web data sheet D Pa
130. otipo de ventana termoactiva que toman estos canales en el sistema utilizado para la experimentaci n Labview 7 1 mombra los canales de entrada anal gicos como aiX analog input n mero X la temperatura que miden en cada caso y algunas observaciones realizadas Tabla 3 2 1 Conexi n de los termopares instalados en el prototipo al sistema de adquisici n de datos de National Instruments Denominaci n Temperatura Canal Observaciones del canal medida Medidas de temperatura de salida del aire en la cara A Medidas de temperatura de salida del aire en la cara B 11 211 Amb camaras de descarga de ES E Invente los ventiladores No conectado Reserva de CH12 ail2 N C canal para otras mediciones No conectado Reserva de ai13 N C canal para otras mediciones Preinstalaci n realizada ero sin conexi n debido ail9 3 1 A pe a longitud insuficiente de cable CH20 Preinstalaci n realizada 48 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Prototipo de ventana termoactiva pero sin conexi n debido a longitud insuficiente de cable Preinstalaci n realizada pero sin conexi n debido a longitud insuficiente de cable 49 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Prototipo de ventana termoactiva 3 2 2 GENERACI N DE DATOS Si se desea controlar la temperatura del air
131. ound See pin details for resistor values INHIBIT IN TTL level 5 V inhibit enable input Leave open to enable drive Pull to ground to inhibit drive Inhibit turns off all power devices INHIBIT IN Positive Direction Inhibit Does Not Cause A Fault Condition INHIBIT IN Negative Direction Inhibit Does Not Cause A Fault Condition TTL level 5 V output becomes high when power devices are disabled due to at least one FAULT OUT of the following conditions inhibit output short circuit over voltage over temperature power up reset Not Connected Reserved Not Connected Reserved Y N 9 Z U z z P2 Power Connector Description Notes FAO MOT Negative Motor Output MOT Positive Motor Output POWER GND Power Ground Common With Signal Ground e POWER GND oM HIGH VOLTAGE DC Power Input a a 0 N E Pin Details CONT CURRENT LIMIT P1 10 This pin can be used to reduce the continuous current limit without affecting the peak current limit by connecting an external current limiting resistor between this pin and signal ground See table below Current Limit Resistor Continuous Current Limit Note These values are secondary to the continuous peak ratio set by the DIP switches Release Date Revision Advanced Motion Controls 3805 Calle Tecate Camarillo CA 93012 10 2 2009 2 00 ph 805 389 1935 fx 805 389 1165 www a m c com een Ove ADVANCED gZAMOTION CONTRO
132. p tulo se pretende dar a conocer la estructura interna del bloque de control PID de Labview 7 1 de forma que sea posible entender su funcionamiento y caracter sticas principales Adem s se detallan algunas observaciones realizadas a lo largo del proyecto acerca del funcionamiento del mismo cuyo conocimiento puede ser vital a la hora implantar un control PID utilizando este bloque y las cuales no resultan del todo transparentes en los manuales y documentos de ayuda de la herramienta 2 1 BLOQUE PID output range setpoint process variable PID gains dt s reinitialize F Fieura 2 1 1 Bloque PID de Labview Entradas y salidas En la Figura 2 1 1 se muestra el bloque de control PID del Control Design Toolkit de Labview A continuaci n se da una breve descripci n de la funci n de las entradas y salidas de dicho bloque e Output Range limita el valor superior e inferior de la se al de salida OR de ahora en adelante 114 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Estructura del control PID e SetPoint valor de la referencia SP de ahora en adelante e Process Variable valor de la variable medida salida que cierra el lazo PV de ahora en adelante e PID gains par metros del control PID Ke acci n proporcional Ti acci n integral min Ta acci n diferencial min e dt s intervalo de tiempo en segundos en que se muestrea el
133. producidos en un compresor la instalaci n es sencilla y c moda Cuando se habla de la motivaci n espec fica para este proyecto es necesario destacar que este es el sexto proyecto de fin de carrera en el que se estudia el uso del efecto Peltier para climatizaci n siendo adem s la ampliaci n de otro proyecto previo que persegu a al igual que este la construcci n y control de una ventana termoactiva para su utilizaci n en climatizaci n de edificaciones El punto final del proyecto anterior conclu a que con el prototipo construido no era posible alcanzar un UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Introducci n rendimiento m nimo al refrigerar un habit culo debido a que sobrepasado un umbral de corriente aportada al sistema ste dejaba de refrigerar y comenzaba a calentar debido a problemas en la evacuaci n de calor en la cara caliente de la ventana El punto de partida y motivaci n para el desarrollo de este proyecto concreto es superar la limitaci n impuesta por el anterior partiendo de una nueva idea para la mejora del sistema de evacuaci n de calor Se espera que tras la construcci n de un nuevo prototipo con dicha mejora incluida y el dise o e implantaci n del control se resuelva el problema de rendimiento y se pueda seguir adelante en el desarrollo de la ventana termoactiva 10 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUP
134. puestas temporales de salida y mando entre ensayo y simulaci n con control PI para un escal n en la referencia de 25 a 24 5 C Anti windup desactivado s lo en simulaci n Como puede observarse en este ensayo el sistema Anti windup tiene poca incidencia las respuestas son bastante similares por ello se realiz la prueba con un ensayo para un escal n en la referencia de magnitud 2 de 26 5 a 24 5C de forma que el mando saturase durante m s tiempo Al comparar la Figura 5 2 4 con la Figura 5 2 5 es posible observar c mo el efecto del sistema Anti windup es apreciable y es necesario que sea tenido en cuenta 97 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Control del sistema Temperatura de salida fr a Salida ensayo Referencia Salida simulaci n Temperatura C Mando simulaci n Simulaci n tras saturaci n Ensayo Intensidad A 200 250 300 350 400 Tiempo s Figura 5 2 4 Comparativa de respuestas temporales de salida y mando entre ensayo y simulaci n con control PI para un escal n en la referencia de 26 5 a 24 5 C Anti windup desactivado s lo en simulaci n Temperatura de salida fr a Salida ensayo Referencia Salida simulaci n Temperatura C Mando simulaci n Simulaci n tras saturaci n Ensayo T jo d 9 o c D Figura 5 2 5 Comparativa de respuestas temporales de salida y mando entre ensayo y si
135. quipo El presupuesto final incluye la totalidad de los componentes empleados en el proyecto que constituye el concepto global desarrollado pero la mano de obra incluida se corresponde EN UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Mediciones nicamente con la empleada por el proyectista encargado de la parte del concepto global desarrollada en el presente proyecto Las partidas correspondientes a recursos humanos se encuentran a continuaci n en la Tabla 1 1 Tabla 1 1 Horas hombre utilizadas en el proyecto Estudio y documentaci n Consultor a especializada Termoelectricidad En la tabla siguiente Tabla 1 2 se hace referencia a las unidades de cada unos de los materiales que componen el proyecto INGENIERO INDUSTRIAL Tabla 1 2 Recursos de los medios materiales Concepto PC port til Licencia MATLAB R2009b Licencia Labview 7 1 Datalogging amp Supervisory control Transformador 220 40 20 V Hardware de acondicionamiento de la sefial de National Instruments Marco CIMA BOX de la casa SIM N Cristales PVC M dulo Laird Tech CP0 8 63 06L 9W 12x25mm Prototipo Ventilador RLF100 11 14 EBM PAPST Conector hembra para termopar K Termopar K con conector Cable de termopar Tubo peque o de masilla conductora Servoamplificador 25A8 ADVANCED MOTION CONTROLS Fusible L78524CV Puente de diodos Condensador electrol tico C
136. r RLF100 11 14 Prototipo EBM PAPST 2 ud Conector hembra para 30 ud termopar K lermopar K con conector 30 ud Cable de termopar ud Tubo pequefio de masilla came conductora Servoamplificador 25A8 ADVANCED ud MOTION CONTROLS Fusible ud Componentes electioni cos L78524CV 2 ud del hardware Puente de diodos 2 ud Condensador electrol tico 3 ud Condensador cer mico 2 ud Resistencia 1 ud Bobina Coilcraft 2 ud TOTAL Equipos y componentes Precio ud 1000 900 720 35 1250 50 50 38 49 49 91 2 15 7 94 21 69 11 12 300 0 31 0 72 2 8 4 52 0 2 oT Total 1000 900 720 35 1250 50 100 1154 7 99 82 64 5 227 1 21 69 66 72 300 0 31 1 44 5 6 13 56 2 0 2 7 42 6020 06 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Presupuesto general Cap tulo 4 PRESUPUESTO GENERAL El presupuesto general del proyecto es el que se observa en la Tabla 4 1 Tabla 4 1 Presupuesto general impor O Equipos y componentes 6020 06 Total presupuesto 24860 06 Total presupuesto IVA 16 28837 67
137. r current over heating and short circuits across motor ground and power leads Furthermore the drive can interface with digital controllers or be used stand alone and requires only a single unregulated DC power supply Loop gain current limit input gain and offset can be adjusted using 14 AADVA La turn potentiometers The offset adjusting Mono en O ED Pan potentiometer can also be used as an on board input signal for testing purposes ii p LETT Four Quadrant Regenerative Operation 4 On Board Test Potentiometer DIP Switch Selectable Modes 4 Offset Adjustment Potentiometer 4 Adjustable Current Limits 4 Adjustable Input Gain 4 High Switching Frequency 4 Drive Status LED 4 Differential Input Command 4 Current Monitor Output Digital Fault Output Monitor Directional Inhibit Inputs for Limit Switches MODES OF OPERATI ON FEEDBACK SUPPORTED Current Tachometer Tachometer Velocity Voltage COMPLIANCES AGENCY APPROVALS R Compensation EP C udi capri proe CE Class A LVD B CE Class A EMC z RoHS u a Release Date Revision Advanced Motion Controls 3805 Calle Tecate Camarillo CA 93012 10 2 2009 2 00 ph 805 389 1935 fx 805 389 1165 www a m c com E TOY ADVANCED ZAMOTION CONTROLS Analog Servo Drive 25A8 BLOCK DIAGRAM esA SERIES FUNCTIONAL BLOCK DIAGRAM A CURRENT REFERENCE VELOCITY INTEGRATOR J l KQUTPUT CURRENT LOOP P1 4 REF_IN ES CH GAIN INTEGRATOR U4 POT3
138. ra caliente Temperatura C Tiempo min Figura 3 4 5 Incrementos de la temperatura del aire a la salida de ambas caras de la ventana sobre la temperatura ambiente en el ensayo en lazo abierto Temperatura C ES 100 12 Tiempo min Figura 3 4 6 Mando aplicado manualmente en el ensayo en lazo abierto 63 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Prototipo de ventana termoactiva Del ensayo en lazo abierto realizado pueden extraerse algunas conclusiones Al tomar como temperatura ambiente la temperatura de la c mara de descarga de los ventiladores sta sufre un calentamiento brusco al encenderlos Sin embargo este efecto no supondr un problema puesto que este incremento de la temperatura es constante al no variar la alimentaci n de los ventiladores a lo largo de los ensayos y se elimina al trabajar con incrementos sobre la temperatura ambiente En el primer escal n de 0 a 0 5A no llega a producir una corriente real en la ventana de 0 5A sino que s lo alcanza 0 21A Esto puede deberse a la resistencia opuesta por las bobinas del filtro L a paso de corriente inicialmente Se observa que la temperatura de la cara fr a tiende a aumentar en lugar de permanecer constante cuando se aplica un mando de valor absoluto mayor que 2 5A aproximadamente 0 42A por celda Esto es debido a que el sistema es incapaz de evacuar todo el
139. rmite pensar en aplicaciones de refrigeraci n termoel ctrica como alternativa la refrigeraci n cl sica que utiliza ciclos de compresi n expansi n ver secci n 1 2 donde se exponen UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Introducci n las ventajas del uso de esta tecnolog a frente a los sistemas cl sicos de climatizaci n Por otra parte la posibilidad de convertir un flujo de calor en corriente el ctrica permite aplicaciones de generaci n el ctrica mediante efecto termoel ctrico sobre todo a partir de fuentes de calor residual como los tubos de escape de los autom viles las chimeneas de los incineradores los circuitos de refrigeraci n de las centrales nucleares El uso de esta tecnolog a supondr a en estos casos una mejora en el rendimiento energ tico del sistema completo de manera limpia El calor residual es aprovechado para obtener un mayor aprovechamiento de la energ a Por ejemplo el empleo de la termoelectricidad en los autom viles permitir a suplir parcialmente el trabajo del alternador reduciendo as el consumo de combustible UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Introducci n 1 1 2 REGULACI N AUTOM TICA Actualmente numerosas empresas comercializan m dulos termoel ctricos que incorporan un conjunto completo de controladores de temperatura y procesos Par
140. rums Find immediate answers to your questions at ni com support We also offer service programs that provide automatic upgrades to your application development environment and higher levels of technical support Visit ni com ssp Hardware Services NI Factory Installation Services NI Factory Installation Services FIS is the fastest and easiest way to use your PXI or PXI SCXI combination systems right out of the box Trained NI technicians install the software and hardware and configure the system to your specifications NI extends the standard warranty by one year on hardware components controllers chassis modules purchased with FIS To use FIS simply configure your system online with ni com pxiadvisor Calibration Services NI recognizes the need to maintain properly calibrated devices for high accuracy measurements We provide manual calibration procedures services to recalibrate your products and automated calibration software specifically designed for use by metrology laboratories Visit ni com calibration Repair and Extended Warranty NI provides complete repair services for our products Express repair and advance replacement services are also available We offer extended warranties to help you meet project life cycle requirements Visit ni com services 2005 National Instruments Corporation All rights reserved CVI LabVIEW Measurement Studio National Instruments National Instruments Alliance Partner NI ni com NI
141. s For current each channel outputs 0 to 20 mA Themoduleis software configurable and includes an onboard EEPROM for storing calibration constants The SC X1 1124 is ideal for applications requiring isolated voltage or current outputs to control a process For more channels you can use several SC X1 1124 modules in an SCXI system along with other signal conditioning 1 0 modules The SCXI 1124 is controlled digitally over the SC XI bus so a single DAQ device can control several SCXI 1124 modules Description Figurelisa block diagram of the SCXI 1124 Its major functions are described in the following paragraphs Analog Output The SCXI module has six independently isolated analog output channels You can software program each channel for voltage output ranges such as 0 to 1 0 to 5 0 to 10 1 5 or 10 V Within a single module you can successively connect channels together to create ational Instru ents Tel 00 Fa 512 00 output signals up to 60 VDC per module Each voltage channel includes a low impedance output buffer that can drive up to 5 mA Alternatively you can configure any channel as a programmable 0 to 20 mA sink Each current output channel includes a 15 V loop supply eliminating the need for external supplies With this 15 V loop supply a current output channel can drive loads of up to 600 You can also use an external loop supply for higher loads Each output channel of theSCXI 1124 is optically isolated You can
142. s de 24 a 23 22 5 y a 22 C respectivamente y se utiliz el primero para la identificaci n del sistema Como se puede observar en la Figura 4 2 3 con la constante del control proporcional elegida Kp 15 el mando satura siempre al principio de los transitorios por esta raz n no tiene sentido aumentar m s dicha constante para obtener una respuesta m s oscilante y con m s informaci n Para obtener el modelo de la planta hay que proponer una estructura para la funci n de transferencia En este caso no se parte del desconocimiento absoluto de la estructura del sistema puesto que en el proyecto anterior se obtuvo una funci n de transferencia para un modelo similar ver 3 716 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Identificaci n de la planta p ginas 54 a 59 En este documento se propon a un sistema ideal de segundo orden obteni ndose unos resultados razonables Se observ adem s en los ensayos la peculiaridad de que la temperatura tend a siempre a comenzar respondiendo opuestamente a la referencia para un escal n negativo la temperatura ascend a ligeramente al principio del ensayo Esta es una caracter stica de los sistemas con un cero positivo por lo que se utilizaron estructuras de funciones de transferencia ideales y con cero para realizar el ajuste A continuaci n en la Figura 4 2 4 Figura 4 2 5 y Figura 4 2 6 se muestran
143. s with a number of standard AC power options As in the SCXI 1000 Series you can daisy chain up to eight chassis to acquire or control up to 3 072 channels with a single DAQ device This chassis is ideal for high channel count systems You can use off the shelf true sine wave DC to AC power inverters to power AC chassis with a DC power supply Ordering Information INTE SC TS EU iones crearse 776570 0P INES aT NOOO IG tio slot 776570 00 INDI SC e tct 776571 0P To choose your power option replace the P with the appropriate number for your country s power 1 U S 120 VAC 2 Swiss 220 VAC 3 Australian 240 VAC 4 Universal Euro 240 VAC 5 North American 240 VAC 6 United Kingdom 240 VAC 7 Japanese 100 VAC BUY NOW For complete product specifications pricing and accessory information call 800 813 3693 U S only or go to ni com signalconditioning NI Services and Support NI has the services and support to meet your needs around the globe and through the application life cycle from planning and development through deployment and ongoing maintenance We offer services and service levels to meet customer requirements in research design validation and manufacturing Visit ni com services Training and Certification NI training is the fastest most certain route to productivity with our products NI training can shorten your learning curve save development time and r
144. se para controles PI pero se prev su variaci n entre 5 y 15 caso de ser necesario La funci n de transferencia de un control PI es la siguiente EFTS 1 C s she ih S Bajo las especificaciones anteriores se disefiaron sucesivos reguladores PI con la especificaci n de distintos m rgenes de fase Para ello se realiz un programa en Matlab que calcula lo par metros de un control PI dado un retraso de fase del control y un margen de fase Diseno PI m cuyo c digo puede encontrarse en la Parte IV de este documento En la Tabla 5 1 1 se muestran los valores de los par metros para los distintos controles PI disefiados Tabla 5 1 1 Par metros de los diferentes controles PI dise ados 60 47681 74 038 O064401 En la Tabla 5 1 1 puede verse c mo el control con margen de fase de 50 tiene una mayor Ki que el resto de los dise os por lo que se considerar este control de m xima precisi n 90 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Control del sistema En la Figura 5 1 1 y la Tabla 5 1 2 se muestran las respuestas temporales y sus principales caracter sticas obtenidas para 3 dise os de reguladores con m rgenes de fase de 50 55 y 60 Tabla 5 1 2 Principales caracter sticas de las respuestas temporales del modelo con los distintos controles PI dise ados 50 1835 254 599 0 161 L 55 aa 76 69 0
145. seosas o l quidas La refrigeraci n de semiconductores en peque as potencias se realiza principalmente por convecci n La transferencia de calor por radiaci n s lo se aprecia si la temperatura del emisor es muy alta en comparaci n con la del receptor en la mayor parte de los procesos t rmicos en los sistemas de control de procesos no involucran transferencia de calor por radiaci n Un par metro utilizado en conducci n y linealizado en convecci n y radicaci n es la resistencia t rmica R C W o K W que es la relaci n entre el gradiente de temperaturas y el flujo de calor por unidad de tiempo evacuada a trav s de un conductor t rmico De la siguiente ecuaci n se deduce que cuanto mayor es la resistencia menor es el flujo de calor para igual salto t rmico T t T0 t AT t p t 7 F Otro par metro que interviene en el r gimen transitorio de los sistemas t rmicos es la capacidad t rmica C J C o J K La capacidad t rmica de vo UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Identificaci n de la planta un cuerpo es la cantidad de calor que hay que proporcionar para aumentar su temperatura un grado t 1 dT T t T 0 pO at gt C p t C dt 0 Una vez conocidos los principios que rigen un sistema t rmico y teniendo en cuenta los efectos termoel ctricos que se dan debido a las c lulas Peltier se procede a la obtenci n d
146. sereauetans 44 3 2 2 Generacion d QaloS oisessaiedetiba re to MS EpI IM UON VESES UR E aM ONU ES UR UREE NURSE SRI URP ERE 50 3 3 Alimentaci n del prototipo eee eee eee eee eee eee eee eee eee ettet eene oe eeeee 51 3 9 E Etapa de potentia ricino 52 3 3 1 1 Alimentaci n de los ventiladores sss 53 3 3 1 2 Alimentaci n de los m dulos termoel ctrICOS o cccccccooooonccnnnnnnnnnononononnnnnonananoss 54 3 4 Die We IPIE I AAA T I 58 Cap tulo 4 Identificaci n de la planta c c cceeee eese esee eene 65 4 1 Modelado por principios f sicos 4 eee e ee eee eee eee ee eee e eee enne ee eeee 66 4 2 Modelado por caja negra eee ee eee eee e eee eene eee eoe ee eaae eee eee ee eee 73 4 2 1 Obtenci n de Pal ate EOS ts 74 422 Validaci n del modelo ninas 84 4 3 CONCLUSION riores 88 CapituloS5 Control del sistema tia 89 5 1 A 99 5 2 Implantaci n mias 94 Capuulo 6 Resultados asa 99 6 1 Mejoras realizadas al prototipo cccsssssssscsscccccccccccccccsssssssssssccsscees 100 6 2 Identificaci n del sistema e eene ee eee eee treno eoo eee e ee en nae e eee tete aUe 101 6 3 Dise o e implantaci n del control e eee eee e eee eee eee eee eee e eue 103 Cap tulo 7 C OHCHISIOHEN aiii 104
147. sistema controlado Se prescinde en el regulador de una acci n diferencial debido a que no es crucial la rapidez en este sistema y la rapidez aportada no compensar a el aumento de ruido en el sistema que podr a ocasionar su implantaci n Adem s el mando satura r pidamente en los transitorios de todos los ensayos realizados por lo que no tiene sentido exigir m s rapidez al sistema que se pretende controlar El dise o se realiza a partir de la respuesta en frecuencia del modelo obtenido en el Cap tulo 4 El dise o del control comienza definiendo las especificaciones del mismo que son las siguientes e Se desea una respuesta con error nulo en el seguimiento a la referencia por este motivo se requiere de acci n integral que anule el error e La rapidez del sistema observada en los ensayos en lazo abierto es correcta por lo que se decide prescindir de acci n diferencial para eliminar la amplificaci n del ruido Sin embargo se dise ar el control PI tratando de maximizar su rapidez 89 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Control del sistema e Se especificar inicialmente un margen de fase de 50 para asegurar un amortiguamiento adecuado Este margen o en caso de ser necesario el margen de ganancia se aumentar si es conveniente e Se especificar un retraso de fase de 10 para el control Este es un valor t pico de retraso de fa
148. stablece que la tasa de transferencia de calor por conducci n en una direcci n dada es proporcional al rea normal a la direcci n del flujo de calor y al gradiente de temperatura en esa direcci n dQ _ ac J dT 2 dx Donde e we es la tasa de flujo de calor que atraviesa el rea A en la direcci n X e k es un coeficiente propio del material llamado conductividad t rmica e Tesla temperatura En la Figura 2 2 4 se muestra un esquema explicativo del efecto de la conducci n sobre un material sometido a un gradiente t rmico T2 Ti 25 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL La termoelectricidad Figura 2 2 4 Esquema de funcionamiento del efecto Fourier ste es un efecto irreversible y separado del concepto de termoelectricidad Debido a que los efectos Peltier y Seebeck implican un gradiente t rmico entre dos materiales el efecto Fourier estar presente como consecuencia y habr que tenerlo en cuenta 26 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL La termoelectricidad 2 3 M DULOS TERMOEL CTRICOS 2 3 1 CARACTER STICAS CONSTRUCTIVAS Existen en el mercado dos tipos de m dulos o elementos los m dulos c lulas o celdas de efecto Peltier ver secci n 2 2 2 que se utilizan para enfriar o calentar y los m dulos de efecto Seebeck secci n 2 2 1 para generar corr
149. ta exhaustivamente en 2 p ginas 51 a 70 y 3 p ginas 33 a 49 Sin embargo s se justificar el uso de esta tarjeta bajo la configuraci n del nuevo prototipo 51 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Prototipo de ventana termoactiva 3 3 1 ETAPA DE POTENCIA Se denomina etapa de potencia a la parte del hardware que a partir del mando proporciona la corriente adecuada a las c lulas Peltier instaladas en el prototipo En este estudio tambi n se incluye la alimentaci n de los ventiladores por estar incluida en la misma placa de alimentaci n a los m dulos Esta placa fue dise ada en un proyecto del curso 2006 2007 1 y modificada en los proyectos de 2008 2 y 2009 3 Es posible subdividir la etapa de potencia en varios bloques funcionales los cuales se presentan en la Figura 3 3 1 Por un lado en rojo aparecen los bloques destinados a la alimentaci n de los m dulos termoel ctricos por otro en verde la alimentaci n de los ventiladores Red 230 V AC Transformador 48 V AC 24 V AC Alimentaci n del Reguladores de ps servoamplificador tensi n 68 V DC 24 V DC Servoamplificador 25A8 Ventiladores 12 5 A M x Filtro L M dulo termoel ctrico Figura 3 3 1 Esquema general de la etapa de potencia utilizada a UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT IN
150. ta m dulos termoel ctricos que acondicionan el aire que atraviesa la ventana el cual es impulsado por dos ventiladores instalados a ambos lados de la parte baja de la misma Se analiza el comportamiento del sistema con el objetivo de controlarlo de manera ptima teniendo en cuenta el m ximo aprovechamiento de las c lulas Peltier pero tambi n las limitaciones del prototipo como es la disipaci n del calor Figura 2 Prototipo de ventana termoactiva RESUMEN El proyecto tiene como primer objetivo concreto realizar la identificaci n del sistema Para ello se desarroll una aplicaci n utilizando el software Labview que permite medir y llevar a cabo acciones de control a trav s del hardware de adquisici n y generaci n de datos de National Instruments En la identificaci n del sistema se obtuvo un modelo del mismo aplicando un modelado por caja negra realizado a partir de un ensayo en lazo cerrado Este m todo estima los par metros de una funci n de transferencia que pretende reproducir el comportamiento del sistema lo m s fielmente posible Esta estimaci n se lleva a cabo aplicando t cnicas de m nimos cuadrados La funci n de transferencia obtenida para el modelo es P s 0 8584 1 4 46s 1 3 472s 1 53 79s Finalmente a partir de este modelo se dise un regulador PI para el control de la temperatura del lado fr o de la ventana La respuesta del control dise ado se muestra en la Figura 3 S
151. tallized ceramics CP08 63 06 0309 Any information furnished by Laird Technologies and its agents is believed to be accurate and reliable Responsibility for the use and application of Laird Technologies materials rests with the end user since Laird Technologies and its agents cannot be aware of all potential uses Laird Technologies makes no warranties as to the fitness merchantability or suitability of any Laird Technologies materials or products for any specific or general uses Laird Technologies shall not be liable for incidental or consequential damages of any kind All Laird Technologies products are sold pursuant to the Laird Technologies terms and conditions of sale in effect from time to time a copy of which will be furnished upon request For further information please visit our website at www lairdtech com Alternatively contact sales lairdtech com Bluetooth is a trademark owned by Bluetooth SIG Inc USA and licensed to Laird Technologies 2008 All Rights Reserved Laird Technologies is a registered trademark of Laird Technologies Inc AADVA NCED gAMOTION CONTROLS Analog Servo Drive 25A8 Peak Current 25A The 25A8 PWM servo drive is designed to drive brush type DC motors at a high switching frequency A Continuous Current 12 5 A single red green LED indicates operating status The drive is fully protected against over voltage under Supply Voltage 20 80 VDC voltage ove
152. teniendo una gran trascendencia mejorar la capacidad de disipaci n de calor del prototipo lo cual ayudar a a trasladar el salto t rmico producido entre las caras de la ventana hacia donde se desee es decir si se consiguiese reducir la temperatura del lado caliente de la ventana lo suficiente acerc ndolo todo lo posible a la temperatura ambiente al aplicar la misma corriente se har a posible un enfriamiento mayor de la cara fr a No s lo eso sino que si fuera posible disipar el calor generado en la cara caliente se podr a aumentar la corriente m xima de trabajo por lo que se trabajar a m s cerca del punto de trabajo nominal de las celdas donde son m s eficientes y se aumentar a radicalmente el rendimiento del sistema Puesto que como se ha comprobado en este proyecto el control de temperatura dise ado es efectivo parece claro entonces que los futuros desarrollos a realizar sobre el prototipo deber n estar encaminados a la mejora constructiva del mismo para facilitar el intercambio de calor entre los m dulos Peltier y el aire que atraviesa la ventana A continuaci n se nombran y describen brevemente dos puntos concretos que deber an tenerse en cuenta si se contin a la l nea de desarrollo de climatizaci n mediante ventanas termoactivas I Deber an estudiarse mejoras constructivas en el prototipo que faciliten el intercambio de calor entre los m dulos termoel ctricos y el aire que los atraviesa 106
153. terior se traduce en que si el mando no satura el error en el instante actual e k se a ade al error acumulado Si el mando fuese a saturar se modificar a el valor del error en el instante actual para no acumular un error que disparase el valor de la acci n integral mientras el mando estuviera saturado 125 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Ensayo en lazo abierto Cap tulo 3 ENSAYO EN LAZO ABIERTO Este programa se ha empleado en el transcurso de este proyecto para realizar la puesta en funcionamiento del prototipo y para la adquisici n de datos a partir de los cuales se obtuvo un modelo del sistema por el m todo basado en los principios f sicos El uso de la aplicaci n es muy intuitivo a continuaci n se describen los pasos a seguir para su utilizaci n 1 Encender el hardware de adquisici n de datos de National Instruments a continuaci n conectar los ventiladores y la placa de alimentaci n del m dulo termoel ctrico a la red 2 Abrir el fichero LAZO_ABIERTO vi Los elementos que aparecen en el panel frontal se detallan a continuaci n y pueden observarse en la Figura 2 3 1 a STOP Para el programa b Configuraci n de los termopares se ajustar n seg n el tipo de termopares e instrumentaci n utilizados c Lecturas de temperaturas corresponden a los datos recogidos instant neamente por los termopares se muestran ta
154. thease z orden taus cero Constant Figura 5 2 1 Esquema de Simulink para simular respuestas del modelo a diferentes escalones en la referencia Incluye sistema Anti windup y saturacion del mando Se realizaron numerosos ensayos con el control implantado En la Figura 5 2 2 se muestra la comparativa entre el ensayo y la simulaci n para un escal n en la referencia de 25 a 24 5 C En la se muestra la misma comparativa pero desactivando el sistema Anti windup de la simulaci n 95 Temperatura C Intensidad A UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Control del sistema Temperatura de salida fr a Salida ensayo Referencia Salida simulaci n Tiempo s Mando Mando simulaci n Simulaci n tras saturaci n Ensayo 80 100 120 140 160 180 Tiempo s Figura 5 2 2 Comparativa de respuestas temporales de salida y mando entre ensayo y simulaci n con control PI para un escal n en la referencia de 25 a 24 5 C Anti windup activado 96 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Control del sistema Temperatura de salida fr a Salida ensayo Referencia Salida simulaci n Temperatura C Tiempo s Mando Mando simulaci n Simulaci n tras saturaci n Ensayo Intensidad A 100 120 140 160 180 200 Tiempo s Figura 5 2 3 Comparativa de res
155. tros de una funci n de transferencia para que la respuesta de la simulaci n del diagrama de bloques de la Figura 4 2 1 se aproxime lo m s posible a la del ensayo Los c digos de ambos programas se encuentran la Parte IV El ensayo que se ha utilizado para obtener el modelo Figura 4 2 2 es un ensayo en lazo cerrado con un control proporcional de ganancia igual a 15 y con mando saturando entre 0 y 3A puesto que como se vio en la secci n 3 4 no tiene sentido trabajar con un mando de mayor corriente Referencia Cara fria Cara caliente Ambiente Temperatura C T Teama Ih end oa Jud ryan jm 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 Tiempo min Figura 4 2 2 Grafica de las temperaturas medidas en el sistema en un ensayo en lazo cerrado con control proporcional Kp 15 y con saturacion de mando entre 0 y 3A 153 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Identificaci n de la planta Mando A Cara fr a ambiente Temperatura C y Corriente A 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 Tiempo s Figura 4 2 3 Gr fica del mando aplicado al sistema en un ensayo en lazo cerrado con control proporcional Kp 15 y con saturaci n entre O y 3A Se superpone en verde la gr fica de la diferencia de temperatura entre la cara fr a de la ventana y el ambiente Los escalones aplicados en el ensayo son unitario
156. tura ambiente cercana a 25 C y para escalones en la referencia de unos 2 C Dependiendo de la temperatura ambiente y de la magnitud del 101 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Resultados escal n que se introduzca en la referencia podr n observarse discrepancias entre el modelo y el sistema real debidas al problema en la disipaci n de calor que presenta este ltimo y que el modelo no contempla Fue necesario tener estas limitaciones en cuenta a la hora de utilizar el modelo para la simulaci n 102 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Resultados 6 3 DISE O E IMPLANTACI N DEL CONTROL Partiendo de las caracter sticas propias del sistema que se pretend a controlar se dise un control PI y se impusieron como especificaciones que el sistema fuera lo m s r pido posible sin llegar a acercarse a la inestabilidad y que el control tuviera m xima precisi n Bajo esas especificaciones el control elegido finalmente tiene la siguiente funci n de transferencia C s k 1 a 5 7990 1 1 5 799 s 0 1006 T 57 6350 s S Para validar el control disefiado y el modelo a partir del cual se obtuvo el control PI hay que comparar la respuesta en ensayo con una simulaci n Esta comparaci n se muestra en la Figura 6 3 1 Temperatura de salida fr a lA T T T
157. ultados de los distintos ajustes es posible extraer algunas conclusiones Se observa que los ajustes para funciones de transferencia con cero son m s exactos puesto que reproducen mejor la parte inicial de la respuesta a escal n De entre las respuestas de funciones de transferencia con cero la que mejor reproduce el comportamiento de la temperatura en el ensayo es la del segundo orden con cero por lo que se hace innecesario probar modelos de rdenes superiores al tercero Adem s el valor del par metro que estima el error cometido en el ajuste es mayor para el tercer orden que para el segundo Las respuestas de tercer orden y de tercer orden con cero son casi id nticas y el programa de ajuste tend a a anular haciendo cada 79 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA T CNICA SUPERIOR DE INGENIER A ICAT INGENIERO INDUSTRIAL Identificaci n de la planta vez m s peque o el par metro que aportaba el cero a la funci n de transferencia De esto es posible concluir que la respuesta no mejora con la adici n de un cero Es importante tener en cuenta que utilizar la respuesta temporal como criterio de elecci n para la estructura de un modelo es enga oso puesto que cada respuesta temporal est sometida a factores de ruido y otras distorsiones distintas en cada momento El mejor criterio para esta elecci n ser a la respuesta en frecuencia diagrama de Black en lazo abierto Tomando como referencia e
158. uncionamiento del efecto Fourier 26 Figura 2 3 1 Estructura interna com n de un m dulo termoel ctrico comercial 28 Figura 2 3 2 C lula Peltier comercial ssnsdin irnn 30 Figura 2 3 3 Aspecto de una c lula Peltier comercial abierta semiconductores soldaduras y conductores t rmicos oooooonncnnnnccnnonnnnonnnnnnnnnnnnnonnnnnnnnnnnnnnnnninnnncnnnnns 30 Figura 2 3 4 M dulos termoel ctricos multinivel four stages www tec MITOS SEC TIS COM cria ur eter anis 3l Figura 2 3 5 Curvas de comportamiento de los m dulos termoel ctricos de Laird Technologies CPOS8 utilizados en este proyecto para una temperatura ambiente normalizada de 25 C www lairdtech com eee 33 Figura 3 1 1 Boceto del montaje de la ventana termoel ctrica 37 Figura 3 1 2 Esquema b sico del recorrido realizado por el aire al atravesar la cara fr a de la ventana termoactiva occcccccccoonooocnnnnnnnnnnnnnnnncnnnnnnonnnonnnnonnnccnnnnnnnnnnos 39 Figura 3 1 3 Prototipo de ventana termoactiva construido en 2010 4 Figura 3 1 4 Conexi n el ctrica interna de los m dulos termoel ctricos con sus nomenclaturas COrrespondientes oooocccccnccccconnnonnnnnnnnnnononnnnnnnnnnnononnnnnnnnnnnnnnnnnnnanos 42 Figura 3 2 1 Termopar tipo K utilizado en el proyecto ooooooccncnnncnnnnnnnnnnnnns 44 Figura 3 2 2 Chasis SCXI 1000 de gesti n d

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