CALCULO Y DISEÑO DE MAQUINAS ELECTRICAS

EPILOGO CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES METODOLOGICAS

LA ENSEÑANZA DEL CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS ASISTIDO POR COMPUTADORA

Ing. Jorge N. L. Sacchi - Ing. Alfredo Rifaldi

Introducción

Estas notas pretenden resumir la experiencia hecha tanto del punto de vista de diseño de los programas, métodos de cálculo adoptados, forma de trabajo con los alumnos, y resultados obtenidos, a modo de epilogo y conclusión de esta obra hasta este punto.

El cálculo de una máquina eléctrica por sus características es una tarea de ingeniería que obliga a adoptar distintos enfoques que implican largos y tediosos cálculos que se repiten con el objetivo de lograr soluciones óptimas.

Desde 1983 iniciamos la experiencia de intentar una importante modificación en la forma de enseñar el cálculo y diseño de máquinas eléctricas.

Decidimos posibilitar a los alumnos el uso de la computadora entendiendo que este es el medio actual muy utilizado en la industria y que reduciendo la efectiva tarea de realizar cuentas, permite al alumno concentrar todo su esfuerzo en la obtención de los verdaderos objetivos de su estudio (que es estudiar y no el hacer cuentas).

Debimos recorrer sucesivamente las etapas de realización de los programas que nos permitieran pasar sin demasiado sobresalto de una modalidad clásica, que conocimos quienes estudiamos en los años '50 y '60 a la modalidad que necesitan quienes hoy estudian, para incorporarse a la industria del mundo actual.

Relatamos las experiencias de diseño de los programas, de su utilización tanto para poder controlar su efectiva utilidad como para poder adquirir la convicción necesaria para guiar a los alumnos en su aprovechamiento y las distintas formas de reaccionar que hemos observado a lo largo del tiempo sobre gran cantidad de alumnos.

También comentamos la experiencia desarrollada con algunos colegas que, entendiendo la inevitable necesidad de adaptarse a los nuevos tiempos, se acercaron para compartir estas facilidades.

La metodología de cálculo de máquinas eléctricas que figura en distinta bibliografía, se basa en realizar una serie de pasos sucesivos, que primero esbozan el objeto de cálculo en modo grosero, y luego afinan los cálculos ocupándose más y más de detalles.

El proyectista cuando realiza esta tarea utiliza su experiencia y su intuición y dirige en cada paso el cálculo para orientarse mejor hacia el objetivo final.

Dos proyectistas en distintos ambientes (con distintas experiencias y recursos disponibles) teniendo que calcular una misma máquina seguramente se aproximarán en soluciones semejantes cuando las observamos de lejos, pero sus detalles serán muy distintos debido precisamente a la influencia del ambiente.

Hay algo en el cálculo de máquinas, que está muy ligado al proyectista, su "olfato", su intuición parecen difíciles de encajonar en un programa.

Veamos ahora que ocurre con los alumnos que cursando esta materia, desarrollan sus trabajos prácticos.

Estos pueden consistir en problemas singulares alrededor de los cuales el alumno debe optimizar la solución, pero no puede entonces (por la particularidad del problema) tener la visión general y global.

Más lógico parece fijar al alumno el objetivo de calcular una máquina (construíble), por su falta de experiencia, seguramente llegará después de mucho trabajo a soluciones lejos de ser correctas y menos aún optimizadas (quizás inconstruibles).

Lo más probable es que intentando satisfacer algún objetivo actúe (como lo hicimos cuando alumnos) deshonestamente torciendo los resultados de cálculos intermedios, para que los resultados finales no sean objetados por el docente (que no puede revisar el detalle).

A la época en que nos preguntamos si tenía sentido enseñar a calcular máquinas eléctricas, asistidos por computadora teníamos ya algunas experiencias, y habíamos leído alguna bibliografía sobre estas aplicaciones posibles de las computadoras.

Las experiencias se habían hecho en una materia totalmente distinta, instalaciones eléctricas, y el resultado no era satisfactorio, porque pese a disponer de los programas los alumnos no los utilizaban.

La disponibilidad de computadoras (main frame - tarjetas perforadas) existía, pero la oscuridad de los lotes de "job control (JCL)" y la gran cantidad de datos a preparar, y la gran cantidad de sucesivas ejecuciones para mejorar los resultados, creemos eran causa del fracaso.

Así todo en ese momento decidimos con esperanza iniciar esta nueva experiencia en el cálculo de máquinas eléctricas.

Diseño de los programas

El tema de interés consiste en calcular cuatro máquinas eléctricas:

Cada máquina a su vez cubre variantes llegando a ser muy distintas:

El transformador puede ser de columnas (monofásico o trifásico, y con distintos número de columnas), acorazado aunque por ahora siempre se trata de devanados concéntricos.

El motor asincrónico puede ser de:

la máquina sincrónica:

La función de los programas es didáctica.

La primera condición que nos impusimos fue que no se necesitara "manual de uso" del programa para utilizarlo, debido a que observamos que la permanente dificultad de acceso a ellos impedía su buen uso.

El desarrollo de los programas fue con un proceso de sucesivos replanteos a través de los cuales se fueron aclarando algunos principios en que se debía basar el desarrollo, que justifican plenamente los siguientes comentarios.

Lo que el programa hace debe ser fácil de comprender o de imaginar.

El seguimiento de la ejecución debe corresponder como lo que se enseñó simulando el método de cálculo manual, el método debe estar incorporado al programa.

Para poder prescindir del manual de uso del programa, y que no sea necesario leer instrucciones, es útil que un lote de datos nulos produzca una ejecución válida.

El programa debe contener un ejemplo, si no se impone un dato, o un dato es incorrecto, el programa no debe interrumpirse, debe proponer y utilizar el valor adecuado, si en cambio el dato es correcto debe aceptarlo.

De esta manera se obtiene una ejecución que sirve para una preparación de datos del problema concreto.

Debe permitir variar características físicas de los materiales (peso específico, conductividad, pérdidas específicas etc.) para hacer investigaciones quizás absurdas.

Debe permitir desarrollar los trabajos prácticos en forma lineal, sin hacer control de validez y por razones didácticas sin contener lazos correctivos, forzando al usuario a analizar los resultados y proponer nuevos datos cuando desea optimizar el diseño.

El programa debe ahorrar tiempo de cálculo al alumno y permitir aumentar el tiempo de estudio y análisis.

A partir de estos principios se fueron encarando los problemas de detalle que presentaba cada máquina, separando aquellos procedimientos que eran repetitivos generalizándolos.

En la metodología de cálculo frecuentemente es necesario calcular un parámetro, y con su valor se entra a un gráfico (basado en expresiones matemáticas teórico empíricas en forma de ábaco) donde se obtiene el valor de otro parámetro de salida con el que se prosigue el cálculo.

Existen dos tipos de gráficos en la bibliografía, lineales y logarítmicos, rutinas de tipo general de interpolación que hicimos, nos permitieron resolver este frecuente problema, otros problemas que se presentaron se resolvieron en forma similar, realizando o adoptando de la bibliografía rutinas adecuadas.

Otro aspecto de detalle es el nombre de las variables, que lo decidimos poner en los listados de salida (tratando de utilizar nombres que ayuden a su interpretación), además de la descripción en palabras del significado.

Los programas fueron divididos en pasos con objetivos definidos, de acuerdo con métodos de cálculo manuales, y se decidió imprimir prácticamente todos los resultados intermedios.

La "verborragia" resultante de esta decisión permite al alumno seguir el orden del cálculo y darse cuenta de lo que se está haciendo en cada punto del cálculo.

El lenguaje seleccionado para el desarrollo de los programas, decisión tomada en 1982, fue Fortran IV, sucesivamente se incluyeron facilidades del Fortran VS, la razón era que sólo podíamos disponer de máquinas grandes (MF) tanto para "desarrollo" como para "producción".

De todos modos desarrollamos algunos estudios con Basic de Commodore (64 y 128) o el Basic Extended (Texas TI 99/4A), esto lo hicimos cuando la necesidad de desarrollo rápido exigía una elevada interacción entre la modificación del programa y obtención de resultados.

Hacia 1986 la disponibilidad de PC, y correspondientes y sucesivos compiladores Fortran nos permitieron sacar el desarrollo de la MF aumentando nuestra velocidad de trabajo.

Es deber aclarar en este punto que este trabajo fue realizado quitando horas al sueño, o a la familia, después de las horas de "trabajo normal" que para ninguno de los dos era el cálculo de máquinas. De todos modos estábamos seguros de que el sacrificio valía la pena.

El esfuerzo de diseñar los programas ha debido conjugar dos mentalidades distintas, la del proyectista que busca una solución y la del programador que al diseñar el programa se esfuerza en mantener el control de lo que este debe hacer. Esta circunstancia obligó a rever y profundizar temas y nos enriqueció notablemente.

Una clara idea de la metodología de cálculo manual, y una estructuración ajustada de los programas, nos permitió avanzar sin generar las dificultades que hubiera implicado un profundo cambio metodológico, que seguramente se juzgará necesario si planteamos el problema global a un especialista en computación.

Los programas se dividieron en pasos, y dentro de ellos se hacen algunos cálculos, y llamadas a subrutinas que realizan tareas de detalle.

Los hitos principales de este trabajo fueron presentados entre 1985 y 1987 en la revista que publica la Asociación Electrotécnica Argentina. Pero el trabajo no termino allí, siguió engrosándose y enriqueciéndose en apuntes sucesivamente perfeccionados y que ya son un libro electrónico... presentación que corresponde al nuevo milenio...

Experiencia con los alumnos

La experiencia con los alumnos presentaba muchas dificultades, sobre todo no ligadas al objetivo de la materia en si.

Hubo que explicar y reiterar a los alumnos y colegas que el objetivo de la materia es enseñar a calcular máquinas eléctricas y no a hacer computación.

Algunos colegas todavía dudan de la conveniencia de dar acceso a los alumnos a estas facilidades, juzgando poco formativa la tarea desarrollada de esta manera.

Otros en cambio con sorprendente entusiasmo y haciendo un enorme esfuerzo de adaptación no fácil para quien ya es maduro en su profesión, nos han acompañado y estimulado en esta experiencia, extendiéndola a su área de influencia.

Es necesario que se le de suficiente asistencia a los alumnos para que estos no se distraigan con los meandros de la computación.

Como no negábamos a los alumnos el acceso a los programas fuente, algunos intentaban seguir el cálculo dentro de ellos, pero esto no es conveniente, es necesario tener antes claros los objetivos globales.

Entrar en los fuente significa meterse en detalles... el árbol no deja ver el bosque, y generalmente no se avanza, esta es la razón por la cual dejamos de dar acceso a los programas fuente.

Comenzamos a comprender que los viejos apuntes y textos no ayudaban suficientemente a los alumnos en esta nueva experiencia y hubo que hacer un enorme esfuerzo en un nuevo texto (quizás superior al esfuerzo hecho en desarrollo de los programas).

Esto último sirvió para rever punto por punto los programas y controlar en detalle distintas posibilidades de cálculo que enriquecieron enormemente el trabajo inicial.

Algunas críticas al trabajo fueron, ¿por qué no se adoptó otro lenguaje en el desarrollo del programa? lo importante para el alumno es un módulo ejecutable que funcione para su trabajo, no quisimos que el alumno se meta en problemas de computación.

Si el alumno no sabe Fortran no importa ya que no necesita saberlo, y si quiere comprender los fuentes sabrá que no está calculando máquinas (y está fuera de los objetivos de la materia).

De todos modos creemos conveniente en casos justificados, transferirle los fuentes al alumno que realmente presenta interés, es una forma de facilitarle el progreso pudiendo así aprovechar la experiencia que los programas contienen.

Hecha la ejecución del programa el alumno dispone entre 4 y 10 hojas de informe escrito... que debe leer con sentido crítico, ubicando sus resultados y viendo si fueron satisfechos los objetivos.

Frente a estas hojas hemos observado distintas formas de reaccionar de los alumnos, que van desde el entusiasmo hasta la perplejidad.

El problema de calcular una máquina eléctrica para una aplicación real, que debe satisfacer una especificación determinada, presenta algunas indefiniciones que el proyectista debe adoptar criteriosamente convirtiéndolas en datos de su problema específico.

Hemos notado que los alumnos frente a esta situación, que podemos representar con más incógnitas que ecuaciones, quedan inmovilizados, es indispensable que desde los primeros cursos universitarios se enseñe a los alumnos a pensar, a concentrarse en descubrir los problemas reales que no se presentan con la formulación de un enunciado completo.

Una tarea importante en el proyecto de una máquina eléctrica es el dibujo de su forma (geometría y proporciones), que permite abrir juicio de su posibilidad constructiva, y sus características.

Desarrollamos un programa para PC (actualmente en Qbasic) que entrando los datos del objeto de cálculo permite verlo en pantalla.

Se pueden obtener en cada caso dos vistas (corte longitudinal y transversal) y se puede variar el tamaño de la ventana hasta observar los mínimos detalles, también este programa fue presentado en la Revista Electrotécnica.

Una mejora de este programa realizada en 1994, genera un archivo de intercambio gráfico (*.DXF) que puede ser levantado por los poderosos programas de dibujo actualmente difundidos. Con esta facilidad el alumno podría avanzar inclusive en el desarrollo de planos constructivos o matricería.

También se desarrollaron facilidades complementarias para preparar datos, sintetizar e imprimir resultados.

Las facilidades que acabamos de describir y disponibles actualmente, superan lo mínimo con que debe contar un alumno cuando se desea orientarlo a hacer experiencia con el uso de computadoras.

Utilización de este medio

Un planteo que debe hacerse el que intenta encarar el estudio de su materia orientando a los alumnos a estos medios es:

Independientemente de esto el alumno que se sienta frente a la PC debe saber utilizarla, esto hoy es fácil ya que muchos disponen de su propia computadora.

Si el alumno no domina la PC la consecuencia hará que pierda el tiempo del objetivo básico que consiste en calcular máquinas, aunque quizá gane en el objetivo uso de PC (no siendo esta la función prioritaria para la materia que está cursando).

Es necesario entonces que en el ámbito donde se encuentran disponibles las PC, alguno de los docentes auxiliares de la cátedra que sea aventajado usuario de estos medios, se ponga al servicio de los alumnos para que estos no fracasen en su intento de obtener al menos los resultados impresos.

El volcar a papel los resultados permite al alumno un estudio más minucioso, facilita encontrar los valores dispersos, asociarlos.

Una tarea importantísima en esta materia (como en otras) es pensar... como acercarse mejor a la solución óptima, que hay que cambiar en los datos para mejorar la solución, preparar el plan de trabajo para aprovechar al máximo la próxima ocasión de utilizar la PC.

El alumno que dispone de una PC sin duda no necesita volcar sus resultados a papel y avanza en el ejercicio observando los resultados obtenidos y actuando sobre los datos en consecuencia.

Debemos reconocer que resulta difícil que los alumnos (salvo casos muy puntuales) comprendan realmente esta filosofía de trabajo y la utilicen en forma eficiente, a pesar de los esfuerzos realizados por parte de quienes pretendemos enseñar de este modo.

Una pregunta que surge es ¿por qué estos programas son de tipo batch y no son interactivos? la única razón es la época en que fueron hechos.

El cálculo del motor monofásico se ha desarrollado con metodología interactiva, el usuario debe trabajosamente confirmar los datos o modificarlos a medida que avanza, además debe observar sus resultados parciales y tomar decisiones acertadas, o retornar mas pasos atrás para cambiar un dato con el objeto de acercarse (la esperanza de acercarse) a una mejor solución... pero debe estar frente a la computadora todo el tiempo!

¿Por qué los programas que presentamos no optimizan?

Precisamente ese es el trabajo que pretendemos haga el alumno, es una forma de forzarlo a pensar a trabajar en forma ordenada y sistemática.

¿Si el programa optimizara qué le quedaría al alumno?

Esta es la forma de trabajo del mundo real de hoy y en consecuencia quisimos con esto introducir al alumno en los nuevos modos de trabajar.

Todos los programas presentan resultados en archivos de texto, se levantan con un procesador de texto se observa en pantalla la simulación de lo que se podría imprimir, se selecciona el tipo de caracteres (debiendo elegirse caracteres de tamaño igual, no proporcional, para que se conserve el encolumnado), hoy todos los que se acercan a una computadora saben aprovechar estas facilidades...

Tipo de hard suficiente

Los programas de cálculo no tienen ninguna exigencia particular de "hard", pueden ser ejecutados en una XT, si logramos encontrarla...

La evolución del programa de dibujo en cambio lo ha llevado a requerir un monitor de buena definición gráfica, que hoy es común en cualquier computadora.

Uso en el aprendizaje

Uno de los principios de la enseñanza es ir de lo simple a lo complejo, y de lo concreto a lo abstracto.

En el uso de los programas para que los alumnos hagan experiencia de las materias que estudian es indispensable tener en cuenta estos principios.

La computadora debe ser presentada como algo simple de usar y dentro de la materia, como una herramienta de ayuda.

Planteada la metodología de cálculo se debe liberar al alumno de hacer cuentas y más cuentas, liberarlo de la posibilidad de cometer errores que invalidarían la experiencia positiva del cálculo, obligar al alumno a aprovechar la experiencia rápida que puede hacer.

El cálculo se transforma en algo simple, datos, programa, resultados, hay que formarle al alumno una imagen simple de lo que el programa hace y luego introducirlo en los detalles para que pase a lo complejo.

El problema que planteamos a los alumnos es concreto, calcular una máquina, los cálculos estarán bien, los resultados deben juzgarse a la luz de si puede construirse el objeto.

Lentamente el alumno sobre distintos cálculos, puede observar la sensibilidad de los resultados a variaciones de datos, y avanzar en abstracciones o desarrollo de nuevos métodos llegando a optimizar su proyecto.

Un riesgo que enfrenta el docente que intenta estas modalidades es que los alumnos hagan planteos difíciles de responder.

Como el programa imprime se debe exigir que las preguntas estén acompañadas de la realidad del papel, de manera que la pregunta surja de la comparación de dos corridas, de los datos que efectivamente se usaron.

Muchísimas veces el usuario de un programa cree haber visto algo que no es cierto... los datos son leídos a golpe de vista... fueron preparados por quien los lee... se presume que no tienen errores, el revisar sobre el papel puede permitir notar lo que el alumno en pantalla no ha visto, por esto es importante el papel.

Lógicamente el docente debe tener claras las relaciones entre datos y resultados, inculcar al alumno a hacer proporciones fáciles.

Si el problema persiste, los papeles pasarán del alumno al docente, y este se enfrentará con un duro problema... estas pruebas, estos desafíos obligan a estudiar y también el docente resultará enriquecido... quizás descubra algo.

Haciendo los programas hemos aprendido e inclusive nos hemos ensartado más de una vez...

Preparamos así a los alumnos a internarse en un mundo donde se utilizan las computadoras, el acceso a éstas permite realizar cálculos con hipótesis más rigurosas y abordar tareas que en el pasado hubieran sido impensables.

El programa puede ser interpretado como una norma de cálculo, y puede servir entre docentes de punto de referencia para desarrollo de nuevos modos de calcular.

El haber desarrollado los programas en forma estructurada permite mejorar una rutina por vez... y entonces lograr paso a paso una mejora global del método.

En definitiva esta modalidad de trabajo que circunstancialmente se aplica al cálculo de máquinas eléctricas, puede extenderse a cualquier proyecto de ingeniería y porque no también a otras actividades.

También hemos descubierto que los alumnos necesitan saber aplicar con soltura importantes conceptos de matemáticas como por ejemplo interpolar, integrar, graficar curvas, funciones etc. asociados al uso de la computadora.

En las materias básicas deberían también hacerles utilizar programas que respondan a estos objetivos, y les permitan tener ideas claras y simples para poderlas aplicar con eficiencia.

Además notamos que las materias de informática no brindan a los alumnos de ingeniería la necesaria soltura en el manejo de estos medios.

Otra necesidad es que en las materias donde se estudian los fundamentos teóricos, por ejemplo circuitos, campos, etc. se utilicen programas que preparen el camino para la etapa de las materias tecnológicas.

Por último ¿quién nos critica a nosotros?... han pasado varios años de aplicación de estos programas, hemos comenzado a utilizarlos en otras aplicaciones.

Enfrentando problemas reales

Habiendo tenido que responder consultas de problemas que se presentan frente a la aplicación de máquinas eléctricas, interpretación de sus fallas, justificación de problemas de funcionamiento, reparación, errores de reparación, en fin las innumerables situaciones a que se expone el profesional que se dedica a la consultoría, comenzamos a utilizar los programas para auxiliarnos en estos quehaceres.

Esta situación nos obligó a varios afinamientos de la metodología de cálculo que los ha ennoblecido a su estado actual. También esta última etapa ha sido objeto de un reciente artículo publicado en la Revista citada donde resumimos estas experiencias y avances.

Conclusiones

Rápidamente se constató que la aumentada capacidad de cálculo incita a realizar estudios más minuciosos que de ninguna manera se hubiesen encarado sin este medio, y que permiten en consecuencia lograr diseños técnicamente superiores.

Surge evidente la conveniencia de usar estas herramientas computacionales actualmente disponibles, y el desafío de desarrollar otras similares que permiten una elevada eficiencia en la solución de los problemas.

Indudablemente hay que vencer con gran esfuerzo los obstáculos de desarrollo, estudio, profundización y puesta a punto de los programas, que no deben ser subestimados ni tampoco sobrestimados, anecdóticamente el trabajo presentado es el fruto de más de diez años de dedicación sistemática de al menos uno o dos días por semana.

Los resultados que ahora se observan justifican plenamente y con gran satisfacción los esfuerzos realizados.

Bibliografía

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