La presente tesis presenta una metodología para la estimación de la velocidad angular de un motor asíncrono trifásico, también llamado motor de inducción, instalado en un vehículo eléctrico. Debido a su eficiencia, robustez, bajo costo, mínimo mantenimiento y con la aparición de la estrategia de control vectorial (la cual aseguraba precisión en el control de velocidad con un adecuado torque), los motores de inducción se presentan como una alternativa conveniente para reemplazar a los motores de combustión interna en los vehículos, contribuyendo de esta manera a reducir la emisión de gases de efecto invernadero. En la búsqueda evitar añadir elementos adicionales al sistema de control, se han desarrollado metodologías que prescinden del uso de instrumentos de medición de velocidad utilizando un estimador de dicha variable. Como estrategia de estimación se utilizará en principio un observador de Luenberger con el cual se determinará el flujo magnético del rotor, para luego diseñar un sistema adaptativo con modelo de referencia (MRAS) para estimar finalmente la velocidad. Al ser un sistema no lineal y multi-variable, la dinámica del motor se describe a través de un modelo de espacio estado. Luego de presentar los conceptos teóricos que respaldan esta metodología, se modelará este sistema y se simulará el comportamiento de las variables eléctricas a través de distintos patrones de velocidad y torque, propios de un vehículo de pasajeros. Finalmente se podrán apreciar en las gráficas de los errores de estimación, la eficacia de este algoritmo. Este trabajo busca no solo presentar un algoritmo eficiente en la estimación de la velocidad angular, sino que además sirva de referencia para futuros estudios que busquen optimizar estrategias de control mediante un modelamiento que represente de la forma más fidedigna posible la dinámica de un motor de inducción.

La competencia Shell Eco Marathon es un evento que reúne equipos de todo el mundo, los cuales desarrollan vehículos automóviles que puedan alcanzar la máxima eficiencia energética posible. El grupo SEMA PUCP, conformado por estudiantes de diversas especialidades de la Pontificia Universidad Católica del Perú, desarrolló un vehículo prototipo monoplaza para poder participar en la competencia Shell Eco Marathon, en sus trabajos de diseño e implementación encontraron la necesidad de poder hacer ensayos con el motor de combustión interna del vehículo en busca de mejoras energéticas y determinación de parámetros de rendimiento. Esto requería la adquisición de un banco de pruebas, más conocido como dinamómetro de motor. Se investigó sobre el estado de la tecnología de los dinamómetros de motor, y cuáles son los modelos comerciales más comunes. Se encontró que los dinamómetros de motor en su mayoría están hechos para motores de gran potencia de uso industrial, mientras que los pequeños, al no tener aplicaciones para vehículos comerciales, son poco comunes y se desarrollan de manera personalizada. Esto llevo a proponer la solución de diseñar un dinamómetro de motor propio. El objetivo de este trabajo es presentar el diseño de un dinamómetro de motor que cumpla con requerimientos establecidos a partir de las necesidades encontradas, entre estos, obtener los parámetros más importantes de un motor de combustión interna, como lo son las curvas de torque y potencia. Para cumplir con este objetivo, se planteó el diseño de un dinamómetro de motor que usa un generador eléctrico para convertir la energía mecánica que se produce en el eje de salida del motor. El generador eléctrico convierte la energía mecánica en energía eléctrica y esta última es disipada en un circuito de resistencias. Para poder someter al motor a distintos regímenes de carga un circuito electrónico de potencia regula la cantidad de energía eléctrica que será disipada, mientras que los instrumentos sensan los parámetros de interés para poder obtener las curvas de torque y potencia.

La presente tesis tiene como objetivo definir el tipo de vehículo eléctrico adecuado para los requerimientos de un usuario privado típico de Lima Metropolitana y determinar las principales características de los sistemas técnicos que debe utilizar el mismo. La presente tesis consta de tres partes. En la primera parte se realiza una descripción de los tipos de vehículos híbridos y vehículos eléctricos. Se da a conocer los componentes que caracterizan a estos vehículos y se define los componentes principales; rectificador y convertidor AC/DC, sistema de almacenamiento, inversor DC/AC, sistema de propulsión, sistema de transmisión. En la segunda parte de la tesis, se da a conocer los vehículos ligeros más vendidos y en consecuencia, los más utilizados en Lima Metropolitana; Toyota Yaris y Kia Rio. Además, se definen las características del ciclo de conducción en Lima Metropolitana en base a datos levantados. Obteniendo velocidades promedio de en horas de la mañana, entre 9:00 am y 11:00 am, realizando recorridos promedio de en periodos de 15 minutos. Se realizan encuestas a usuarios de vehículos dedicados a gasolina y diesel, determinando un promedio de recorrido diario de. Se propone que el vehículo eléctrico debe tener una autonomía mínima de diarios. En la tercera y última parte de la tesis, se definen las características técnicas de los componentes del vehículo eléctrico para uso en Lima Metropolitana. Dicho vehículo eléctrico debe contar con un mínimo de potencia y la capacidad de almacenamiento de las baterías debe ser, para cumplir con los requerimientos de los usuarios. Se selecciona un motor eléctrico de potencia y un pack de baterías de iones de litio de dicha selección se realiza en base al peso bruto de un vehículo ligero. Finalmente, se elabora una comparación de costos del uso de un vehículo eléctrico y un vehículo dedicado a gasolina, para un recorrido anual. Se determina que el vehículo eléctrico demanda Nuevos Soles anuales para recorrer y el vehículo dedicado a gasolina demanda Nuevos Soles anuales para el mismo recorrido.

Las metodologías para la determinación e identificación de fallas en procesos industriales viene siendo desarrollada e investigada desde hace 30 años, en los cuales se han elaborado una gran variedad de metodologías de detección y de aplicaciones a sistemas reales. Debido al aumento de la complejidad y cantidad de los procesos que necesitan ser controlados, surgen teorías para la detección e identificación de fallas como solución a problemas de repercusión no solo económica, sino también ecológica, productiva y de seguridad. En la presente tesis se ha desarrollado un método de detección e identificación basado en una innovación proveniente del filtro de Kalman, la cual provee condiciones suficientes y necesarias para la detección de fallas aditivas bajo influencia de ruido gaussiano blanco. Esta metodología de detección se aplica a un motor de corriente contínua de excitación independiente, cuya función de transferencia tipo SISO ha sido obtenida experimentalmente. Posteriormente un análisis estadístico de la innovación obtenida del filtro de Kalman, ha permitido diagnosticar la presencia e instante de la falla aditiva generada en el sensor del sistema. Lo anterior ha generado un sistema capaz de detectar fallas aditivas idealizadas como modelos tipo escalones y rampas en un sistema lineal e invariante en el tiempo. El sistema desarrollado, permite la correcta detección e identificación de las fallas aditivas presentes en el sensor del modelo del motor de corriente continua, basándose en el análisis estadístico del parámetro innovación proveniente del Filtro de Kalman.

En la actualidad el Perú se encuentra en un proceso de transformación debido al crecimiento económico que se está viviendo, el cual va acompañado de una creciente demanda de maquinaria asociada a la producción a consecuencia de que diversas plantas industriales se han consolidado o repotenciado, razón por la cual se escoge como materia de estudio las máquinas eléctricas, las cuales en sus diferentes presentaciones son una de las principales involucradas en los procesos de fabricación. En los últimos años los motores eléctricos han pasado a tener un realce como eje en los distintos procesos de la industria en la que operan, es por ello que poco a poco se consideran más cuidados de estos en cuanto a su mantenimiento y estudios para las mejoras en sus arranques y durante su funcionamiento. Los motores síncronos forman parte de un tipo de máquina eléctrica y se vio una oportunidad en la presente tesis de abordar como materia de estudio el arranque del motor. Los ensayos característicos de máquinas eléctricas se desarrollan con el fin de conocer sus principios de funcionamiento, obtener sus circuitos eléctricos equivalentes y evaluar sus comportamientos frente a diferentes condiciones. La presente tesis aborda en un principio el diseño y la simulación de los circuitos asociados para la puesta en marcha del motor síncrono. De la misma forma como parte de este diseño, se implementa la fuente de alimentación de tensión regulable para suministrar energía al circuito de campo del motor síncrono trifásico. Para este objetivo, en la presente tesis se realiza el estudio del motor síncrono trifásico; sus principios de funcionamiento y sus circuitos eléctricos equivalentes. También se aborda el estudio de las tecnologías actuales usadas en el diseño de las fuentes de alimentación lo que introduce a un análisis completo del diseño de las mismas. Por último, se muestran los resultados de las pruebas realizadas tanto para el arranque del motor como para la fuente implementada.

El presente Trabajo de Tesis tiene como objetivo realizar el diseño de un Sistema de Detección de Fallas para un Motor DC, usando Observadores Proporcional Integral Generalizado (GPI). En este trabajo, inicialmente se realiza el estudio de los observadores GPI a utilizar, luego se desarrolla una metodología para aplicar este observador en un Sistema de Detección de Fallas. Para poder evaluar el desempeño del Sistema de Detección de Fallas basado en Observadores GPI, se le compara con otros Sistemas de Detección de Fallas basados en Observadores de Luenberger y Filtros Kalman.

La presente tesis trata del estudio de un tipo en particular de turbinas hidráulicas que viene a ser la turbina axial semi Kaplan tubular que consiste en un diseño especial que usa un rodete Kaplan de álabes fijos al cual se antepone un distribuidor axial, también de álabes fijos, ambos montados en una carcasa cilíndrica, prescindiendo así de la carcasa espiral. Inmediatamente al conjunto anterior se le instalará un tubo de aspiración recto o acodado según sea el caso. De este modo el flujo discurre paralelo al eje sin mayores cambios de dirección lográndose así un ahorro de espacio y también de costos civiles, de materiales y de fabricación.

Las máquinas nos permiten realizar distintos trabajos con menor esfuerzo y tiempo. Asimismo, el empleo de éstas no solo se restringe a sectores industriales, sino que es común encontrarlas en la vida diaria. Se utilizan máquinas para cocinar como los hornos microondas; pero también existen otras que permiten cortar, licuar y extraer el zumo de alimentos. Para el caso del limón, se debe tomar en cuenta las herramientas, así como el procedimiento a utilizarse. Los pasos para extraer el zumo de un limón, generalmente, son: cortar el limón por la mitad, quitar las pepas, exprimir las mitades mientras se separan los residuos con un colador, y botar la cáscara y residuos. El objetivo de esta tesis es desarrollar un sistema mecatrónico que permita realizar los pasos ya mencionados. Para ello la máquina utiliza un motor para el corte y extracción de los limones. El sistema cuenta con un sensor ultrasónico para detectar la cantidad de zumo obtenido. El control de encendido y apagado del motor se realiza por medio de un ATmega8. El desarrollo de la tesis está compuesto por 5 capítulos. En primer lugar, se trata sobre la problemática y su solución por medio de un sistema mecatrónico. En el segundo capítulo, se considera los requerimientos del sistema propuesta, tanto mecánicos, eléctricos, electrónicos y control; asimismo, se presenta las vistas de la máquina. En el tercer capítulo se explica el funcionamiento de la máquina, los sensores y actuadores utilizados, se muestra además los planos mecánicos, planos electrónicos, y el diagrama de flujo del programa de control. En el cuarto capítulo se detalla el presupuesto para implementar el sistema. Finalmente, en el capítulo cinco mostrarán las conclusiones del trabajo.

La utilización de máquinas que realicen tareas repetitivas en la cocina surgió para hacernos la vida más fácil y que permite optimizar el tiempo utilizado en ellas. En la actualidad se encuentra gran variedad de sistemas que tienen múltiples funciones como cortar, rebanar o picar pero hay otros que se fabricarán para cumplir otras tareas particulares de acuerdo a la necesidad. El realizar manualmente cortes en cebollas es una rutina que ha permanecido vigente en restaurantes o nuestro hogar, se sabe que se invierte un tiempo no despreciable para realizarlos y peor aún si se calcula el total gastado por un chef en una cevichería, la cual atiende un gran número de comensales, el resultado de este cálculo nos obliga a pensar si es necesario la intervención de un chef para realizar dicha tarea secundaria sabiendo que es de más utilidad que este se enfoque en la calidad y preparación de los platos que el de realizar cortes en cebollas. El objetivo de esta tesis es diseñar un sistema mecatrónico que realice 2 diferentes tipos de corte en cebollas. El sistema cuenta con sensores infrarrojos para detectar la presencia de estas. Utiliza motores actuadores electrónicos para las tareas anteriormente mencionadas, se da por un microcontrolador ATmega16. Además está diseñado en base a las normas sanitarias correspondientes a proceso con alimentos y a uno ergonómico para su fácil manipulación. Otro requerimiento es su presentación (estética) para que sea atractiva para su venta. El desarrollo de esta tesis está compuesto por 5 capítulos. En primer lugar se explica la problemática cuya solución se dará a través del sistema mecatrónico. En segundo lugar se expone los requerimientos mecánicos, eléctricos, electrónicos, de control y demás se presenta por medio de las vistas frontal, lateral, superior e isométrica al sistema. En el tercer capítulo se explica el funcionamiento por medio del diagrama de bloques, se describe a los sensores y actuadores utilizados, y cada plano mecánico, esquemático y diagrama de flujo del programa de control. En cuarto lugar se detallas un presupuesto para la implementación del sistema indicando cada componente con su respectivo proveedor o fabricante.

Según diversos estudios, los fallos más comunes en motores de inducción se dan en rodamientos, en el aislamiento del devanado estatórico y, en menor medida, en el rotor. Este último tipo de fallo incluye la rotura, agrietamiento o deformación de las barras o de los anillos de cortocircuito de la jaula rotórica. A pesar de que el porcentaje de fallos relacionados con el rotor pueda parecer no demasiado elevado (algunos autores lo sitúan en torno al 15-20% del total de averías), se han reportado casos en los que la avería sí ha conducido a fallos catastróficos inmediatos, como situaciones de protrusión de barras o de desprendimiento de fragmentos de barras rotas que han acabado dañando el aislamiento del estator. Estas averías han provocado pérdidas millonarias para las compañías involucradas. Finalmente, este tipo de fallo es más frecuente en motores de gran potencia. Son estos motores los más caros, los más costosos de reparar y, usualmente, los más críticos en las aplicaciones en las que operan. Uno de los retos que se ha abordado en la presente tesis consiste en la aplicación y validación generalizada de la metodología basada en el análisis de la corriente de arranque para el caso de motores arrancados mediante arrancadores estáticos. A este respecto, se ha constatado el uso creciente de arrancadores estáticos en multitud de aplicaciones industriales. La presente tesis aborda por primera vez esta problemática de forma rigurosa. La tesis se centra en la validación de una variante concreta de diagnóstico transitorio, la cual se basa en el análisis de la señal de corriente de arranque mediante la transformada wavelet discreta (Discrete Wavelet Transform, DWT). Se trata ésta de una transformada tiempo-frecuencia que cuenta con importantes ventajas a la hora de emplear la metodología de diagnóstico transitorio, dado que esta transformada resulta rápida de aplicar, la interpretación de sus resultados es simple y está disponible en paquetes comerciales convencionales como Matlab, con lo que cualquier usuario con un mínimo entrenamiento podría hacer uso de ella. Adicionalmente, esta transformada permite la introducción sencilla de indicadores para determinar el grado de severidad de la posible avería en el rotor, cuestión ésta que no resulta trivial con otras alternativas. Se han obtenido más de 900 señales de corriente de arranque en motores de laboratorio, utilizando hasta cinco modelos diferentes de arrancadores de distintos fabricantes y con variadas topologías y características. Para cada arrancador se han obtenido múltiples señales correspondientes a diferentes niveles de fallo en el rotor (motor sano, motor con una barra rota y motor con dos barras rotas). Para cada nivel de fallo, se han obtenido una variedad de señales mediante la variación de los parámetros de arranque (tensión inicial, duración de rampa), así como de otras características operativas del motor (nivel de carga, tensión de suministro). Adicionalmente, se han obtenido múltiples señales en motores industriales accionados mediante arrancador, que operaban en industrias (alimentación, plantas de depuración), con el fin de ratificar la validez de los resultados obtenidos con los de laboratorio. Asimismo, se ha incluido un epígrafe final que ahonda en la automatización a la hora de aplicar la metodología propuesta, de forma que se evite, en la medida de lo posible, la necesidad de intervención de usuarios expertos para su aplicación. Este epígrafe se ha basado en una investigación conjunta con otros grupos internacionales. Los resultados son prometedores, por cuanto prueban la validez de la metodología para detectar, no solamente la presencia de la avería, sino también para determinar la severidad del fallo en el rotor. Especialmente interesante es el hecho de que los resultados son más concluyentes si cabe en el caso de motores con arrancadores con control en las tres fases, que no / According to various studies, the most common failures in induction motors are bearing failures, failures of the isolation of the winding stator and, to a lesser extent, rotor failure. The latter failure includes the breaking, cracking or deformation of the bars or the rings of the shortcircuit of the rotor cage. Although the percentage of failures related to the rotor may not seem high (some authors place it around 15-20% of breakdowns), there have been reported cases in which the breakdown has resulted in immediate catastrophe, situations in which the protrusion of the bars or the detachment of fragments of broken bars that have ended up damaging the isolation of the stator. These breakdowns have caused the loss of millions of euros for the companies involved. Finally, this type of failure is more frequent in motors with high horsepower. It is these motors, the most costly to repair, and usually the most critical to the applications in which they operate. One of the challenges that has been addressed in this thesis consists of the application and generalized validation of the methodology based on the analysis of the starting current for the case of engines started by static starters (also called electronic starters or soft starters). In this regard, the increasing use of static starters in a multitude of industrial applications has been verified. This thesis deals with this problem in a rigorous way for the first time. The thesis focuses on the validation of a specific variant of transient diagnosis, which is based on the analysis of the start current signal by the discrete transformed wavelet (DWT). It is a time-frequency transformation that has important advantages when using the methodology of transient diagnosis. Given that this transformation is quick to apply, the interpretation of its results is simple and available in conventional commercial packages like Matlab, which any user with a minimum training could utilize. Additionally, this transformer allows the simple introduction of indicators to determine the degree of severity of the possible breakdown in the rotor, a question that is not trivial with other alternatives. More than 900 signals have been obtained of starting current in laboratory motors, using up to five models of different starters from different manufacturers and with varied topologies and characteristics. Multiple corresponding signals have been obtained for each starter at different levels of rotor failure (healthy motor, motor with a broken bar and motor with two broken bars). For each level of failure, a variety of signals have been obtained by varying the starting parameters (initial tension, duration of ramp ...), as well as other operating characteristics of the motor (load level, voltage of supply). Additionally, multiple signals have been obtained in industrial engines powered by a starter, which operated in industries of very diverse sectors (food, depuration plants), in order to ratify the validity of the results obtained with the laboratory engines. Likewise, a final section has been included that delves into automation when applying the proposed methodology, so that, as far as possible, the need for expert user intervention for their application can be avoided. This section has been based on joint research with other international groups. The results are promising, as they prove the validity of the methodology to detect, not only the presence of the breakdown, but also to determine the severity of the failure in the rotor. Especially interesting is the fact that the results are more conclusive in the case of engines with starters with control in all three phases, which are what are normally used for more powerful motors. / Segons diversos estudis, les fallades més comunes en motors d'inducció són les fallades en rodaments, les fallades en l'aïllament del debanament estatòric i, en menor mesura, les fallades en el rotor. Aquest últim tipus de fallada inclou el trencament, clavillament o deformació de les barres o dels anells de curtcircuit de la gàbia rotòrica. Tot i que el percentatge de fallades relacionades amb el rotor puga semblar no massa elevat (alguns autors ho situen al voltant del 15-20% del total d'avaries), s'han reportat casos en els quals l'avaria sí ha conduït a fallades catastròfiques immediates, com a situacions de protrusió de barres o de despreniment de fragments de barres trencades que han acabat danyant l'aïllament de l'estator. Aquestes avaries han provocat pèrdues milionàries per a les companyies involucrades. Finalment, aquest tipus de fallada és més freqüent en motors de gran potència. Són aquests motors els més cars, els més costosos de reparar i, usualment, els més crítics en les aplicacions en les quals operen. Un dels reptes que s'ha abordat en la present tesi consisteix en l'aplicació i validació generalitzada de la metodologia basada en l'anàlisi del corrent d'arrancada per al cas de motors arrancats mitjançant arrancadors estàtics. Referent a açò, s'ha constatat l'ús creixent de arrancadors estàtics en multitud d'aplicacions industrials. La present tesi aborda per primera vegada aquesta problemàtica de forma rigorosa. La tesi se centra en la validació d'una variant concreta de diagnòstic transitori, la qual es basa en l'anàlisi del senyal de corrent d'arrancada mitjançant la transformada wavelet discreta (Discrete Wavelet Transform, DWT). Es tracta aquesta d'una transformada temps-freqüència que compta amb importants avantatges a l'hora d'emprar la metodologia de diagnòstic transitori, atès que aquesta transformada resulta ràpida d'aplicar, la interpretació dels seus resultats és simple i està disponible en paquets comercials convencionals com Matlab, amb el què qualsevol usuari amb un mínim entrenament podria fer-ne ús. Addicionalment, aquesta transformada permet la introducció senzilla d'indicadors per a determinar el grau de severitat de la possible avaria en el rotor, qüestió aquesta que no resulta trivial amb altres alternatives. S'han obtingut més de 900 senyals de corrent d'arrancada en motors de laboratori, utilitzant fins a cinc models diferents de arrancadors de diferents fabricants i amb variades topologies i característiques. Per a cada arrancador s'han obtingut múltiples senyals corresponents a diferents nivells de fallada en el rotor (motor sa, motor amb una barra trencada i motor amb dues barres trencades). Per a cada nivell de fallada, s'han obtingut una varietat de senyals mitjançant la variació dels paràmetres d'arrancada (tensió inicial, durada de rampa), així com d'altres característiques operatives del motor (nivell de càrrega, tensió de subministrament). Addicionalment, s'han obtingut múltiples senyals en motors industrials accionats mitjançant arrancador, que operaven en indústries (alimentació, plantes de depuració), amb la finalitat de ratificar la validesa dels resultats obtinguts amb els motors de laboratori. Així mateix, s'ha inclòs un epígraf final que aprofundeix en l'automatització a l'hora d'aplicar la metodologia proposada, de manera que s'evite, en la mesura del possible, la necessitat d'intervenció d'usuaris experts per a la seua aplicació. Aquest epígraf s'ha basat en una recerca conjunta amb altres grups internacionals. Alhora, els resultats són prometedors, puix que proven la validesa de la metodologia per a detectar, no sols la presència de l'avaria, sinó també per a determinar la severitat de la fallada en el rotor. Especialment interessant és el fet que els resultats són més concloents, si açó és possible, en el cas de motors amb arrancadors amb control en les tres fases, que són / Corral Hernández, JÁ. (2018). Aportaciones al diagnóstico de averías en motores eléctricos basados en el análisis avanzado de corrientes [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/106368