El problema.
En la central hidroeléctrica tenemos un transformador que convierte la tensión de los alternadores (480V) a la tensión de la red (20KV). Como todo transformador, según la potencia que estemos entregando y la temperatura ambiente se calienta. Para proteger de una excesiva temperatura el trafo dispone de unas pt100 de tres hilos, una por cada fase introducidas dentro del nucleo seco de este.
Antes de este proyecto usabamos un dispositivo de la marca TecSystem modelo T154 que era el encargado de esta función. Este circuito funciona bien, pero debido a un problema que desconozco, cada vez que hay tormenta con fuerte aparato eléctrico se averiaba algún canal (temperatura de fase). Después de perder todas las fases de un aparato, decidimos adquirir otro, que precisamente no es barato. Al cabo del tiempo y tras varias tormentas se volvió a averiar con lo que decidimos que era la hora de sustituirlo por algo funcional y más asequible.
Funcionamiento del T154
Para nuestro proyecto hemos decidido clonar la funcionalidad del T154, realizando la monitorización de la temperatura y la protección del trafo.
El T154 se compone de:
- 3 entradas para pt100 de tres hilos
- Dos salidas de alarma. Ambas son salidas a relé y programables a distinto rango de temperaturas. Dichas alarmas se activan cuando se alcanza una temperatura y no se apagan hasta que dicha temperatura baje a determinada consigna.
- Salida de fallo, indicando que alguna de las sondas esta fallando.
- Salida de ventilador. Tiene la misma funcionalidad que las alarmas, es decir, se enciende a una temperatura y no se apaga hasta que la temperatura baje a cierto nivel. La única diferencia es su uso, en este caso para encender un ventilador que enfrie el transformador.
- Display de 7 segmentos para mostrar la información de programación y la temperatura.
Nosotros usaremos las mismas entradas y las salidas de alarma que provee el T154, también usaremos la salida de ventilador pero prescindiremos de la salida de fallo, ya que esta no está conectada a nada.
Todo ello lo haremos usando nuestra plataforma Arduino mejorando, además, el sistema de programación, utilizando un display alfanumérico y añadiendo comunicación ModBus para la comunicación con el sistema SCADA de la central, cosa que no posee.
Sobre las pt100
Una pt100 es un sensor RTD, Resistance Temperature Detector o detector de temperatura resistivo. Estos sensores se caracterizan porque el valor de su resistencia interna depende de la temperatura.
Basicamente hay dos tipos de RTD: PTC y NTC. PTC significa coeficiente de temperatura positivo, es decir, a mayor temperatura mayor resistencia. NTC significa lo contrario, coeficiente de temperatura negativo: a mayor temperatura menor resistencia. Las pt100 son del tipo PTC, es decir, su resistencia será mayor según la temperatura vaya subiendo.
El comportamiento será definido por el material con el que estan construidas, siendo el caso de las pt100 el platino. El "100" en el nombre indica la resistencia que tiene el sensor a 0ºC, es decir, 100 ohmios.
También existen pt1000, esto quiere decir que a 0 grados su resistencia será de 1000 ohmios.
Las pt100 presentan un problema: Un cambio de brusco de temperatura significa un cambio mínimo de resistencia. Cuando usamos cables con una distancia considerable, la propia resistencia del cable puede hacernos variar la temperatura del sensor varios grados. Por ello las pt100 se presenta en varios formatos.
El peor de todos es el formato de dos hilos. Esto significa que de los extremos de la pt100 sale un cable por cada lado. Cuando añadimos mas cable para llegar a donde está el aparato de medición, a la resistencia de la propia pt100 se le añade la de los dos cables.
La de tres hilos mejora la medición. De un extremo salen dos hilos y del otro solo uno. Bajo determinadas condiciones se puede reducir el error bastante.
El último formato es el de cuatro hilos. En este la resistencia de los cables se anula por completo y es el más fiable de ellos.
El problema de estos formatos es el precio, siendo la sonda de dos hilos la más barata y la de cuatro hilos la mas cara.
En cuanto a la evolución de la resistencia con la temperatura no tiene un comportamiento lineal, si no más bien curvo. Existen tablas donde se indica el valor de resistencia para una determinada temperatura.
Se puede implementar dicha tabla usando PROGMEM en Arduino, pero consumirá una cantidad de memoria bastante considerable. Dado que aunque el comportamiento no es lineal, pero muy aproximado a una recta, existe una fórmula que nos simplificará mucho el trabajo.
Dicha fórmula es la siguiente:
Siendo R0 el valor de la resistencia a la temperatura de 0 grados, en el caso la pt100 será 100. a será el coeficiente de temperatura del material siendo para el platino 0.00385. T será la temperatura.
Si sustituimos los valores y despejamos la variable de temperatura obtendremos la siguiente fórmula:
Esta fórmula será más fácil de programa en Arduino, ahora tan solo basta con poder interpretar la resistencia para calcular la temperatura.
Medición de la pt100 de tres hilos
En nuestro caso el transformador posee sondas de tres hilos. La medición de este tipo de sondas se realiza mediante una modificación del puente de Wheatstone. Pero nosotros vamos a utilizar una medición diferente.
Crearemos un generador de corriente cuya salida pasará a través de la pt100 y mediremos la caida de tensión correspondiente, como se muestra en la siguiente figura.
La resistencias llamadas RCx, representan la resistencia del cable.
La corriente i que debemos hacer circular debera ser pequeña, del orden de miliamperios. Si elegimos una corriente muy elevada, la pt100 emitirá calor y la temperatura será falseada.
Suponiendo que la entrada del voltimetro consume una corriente i2 despreciable obtendremos que la caida de tensión en el voltimetro dependera solo de la resistencia de la pt100 y de la del cable RC3. Si el cable tiene un grosor bastante considerable y una longitud adecuada podemos también despreciarla ya que el error será mínimo, quedando tan solo la resistencia de la pt100 que es lo que buscamos.
Continuará...
