Actuadores Motor de corriente continua

Transcripción

1 Introducción a la electrónica industrial Patricio G. Donato Jonatan Fischer Noelia Echeverría Nahuel Dalgaard Laboratorio de Instrumentación y Control (LIC) Introducción a la electrónica industrial 1 Esquema básico de control Introducción Control de procesos Medición de variables Control a partir de una referencia Acción sobre la planta Introducción a la electrónica industrial 2

2 Introducción Esquema básico de control Magnitudes Magnitudes eléctricas eléctricas Transducción Transducción Otras Otras magnitudes magnitudes 3 Introducción a la electrónica industrial Introducción Un actuador es un dispositivo, generalmente mecánico, cuya función es proporcionar fuerza para mover o actuar otro dispositivo mecánico. La fuerza que provoca el actuador proviene de tres fuentes posibles: Presión neumática Presión hidráulica Fuerza motriz eléctrica Mecánicos (ej. Engranajes, poleas, cadenas, etc.) Otros Otrostipos tiposde de actuadores actuadores Térmicos ON - OFF Introducción a la electrónica industrial 4

3 Fuerza de Lorentz Motor de corriente continua Fuerza ejercida por el campo electromagnético que recibe una partícula cargada o una corriente eléctrica. F = I dl B L Introducción a la electrónica industrial 5 Motor de corriente continua Espira bajo la influencia de un campo magnético Introducción a la electrónica industrial 6

4 Principio de funcionamiento de un motor de corriente continua Motor de corriente continua Introducción a la electrónica industrial 7 Motor de corriente continua Construcción de un motor de corriente continua Introducción a la electrónica industrial 8

5 Motor de corriente continua Tipos de conexionado de motores de CC Imán permanente Elevado torque de arranque No puede operar sin carga Serie Baja potencia Buena regulación de velocidad Desmagnetización Paralelo (Shunt) Buena regulación de velocidad Compuesto Introducción a la electrónica industrial 9 Principio de funcionamiento Motor de corriente alterna asincrónico Introducción a la electrónica industrial 10

6 Motor de corriente alterna asincrónico Tipos de motores de corriente alterna asincrónico Introducción a la electrónica industrial 11 Característica torque/velocidad Motor de corriente alterna asincrónico n 120 f = ( 1 s) p Potencia (hp) Resbalamiento típico (%) n= velocidad de rotación del eje f= frecuencia de alimentación p= número de pares de polos s= resbalamiento s = ns nr n s Introducción a la electrónica industrial 12

7 Motor de corriente alterna asincrónico Control de velocidad Tensión en el estator Resistencia rotor Control V/f Introducción a la electrónica industrial 13 Modelo simplificado del motor asincrónico Motor de corriente alterna asincrónico Magnitudes por fase R 1 es la resistencia estatórica. X 1 es la reactancia estatórica. R 2 ' es la resistencia rotórica equivalente referida al estator. X 2 ' es la reactancia rotórica equivalente referida al estator. R C es la resistencia que representa las pérdidas en el núcleo. X M es la reactancia magnetizante. Pe = 3 f 1 P Fe VIcosϕ V = 3 R 2 Fe C P Rot 2 I2R2 = 3 ( 1 s) s V 1 es la tensión en el estator. s es el resbalamiento del motor. Introducción a la electrónica industrial 14

8 Principio de funcionamiento Motor de corriente alterna sincrónico El motor sincrónico, como su nombre indica, opera exactamente a la misma velocidad que el campo del estator, sin deslizamiento. Utiliza el mismo concepto de un campo magnético giratorio producido por el estator, pero ahora el rotor consta de electroimanes o de imanes permanentes (PM) que giran sincrónicamente con el campo del estator. Introducción a la electrónica industrial 15 Alimentación del bobinado inductor del rotor Motor de corriente alterna sincrónico n f = 120 p n= velocidad de rotación del eje f= frecuencia de alimentación p= número de pares de polos Introducción a la electrónica industrial 16

9 Principio de funcionamiento Motor paso a paso (stepper motor) Introducción a la electrónica industrial 17 Motor paso a paso (stepper motor) Secuencias de operación Medio paso Wave Micropaso Full Introducción a la electrónica industrial 18

10 Tipos de motores paso a paso Motor paso a paso (stepper motor) Imán permanente: Permite mantener un par diferente de cero cuando el motor no está energizado. Dependiendo de la construcción del motor, es típicamente posible obtener pasos angulares de 7.5º, 11.25º, 15º, 18º, 45º o 90. El ángulo de rotación se determina por el número de polos en el estator Reluctancia variable (VR): Tiene un rotor multipolar de hierro y un estator devanado laminado, y rota cuando los dientes del rotor son atraídos a los dientes del estator electromagnéticamente energizados. La inercia del rotor de un motor de paso de reluctancia variable es pequeña y la respuesta es muy rápida, pero la inercia permitida de la carga es pequeña. Cuando los devanados no están energizados, el par estático de este tipo de motor es cero. Generalmente, el paso angular de este motor de paso de reluctancia variable es de 15 Introducción a la electrónica industrial 19 Tipos de motores paso a paso Motor paso a paso (stepper motor) Híbrido: Se caracteriza por tener varios dientes en el estator y en el rotor, el rotor con un imán concéntrico magnetizado axialmente alrededor de su eje. Se puede ver que esta configuración es una mezcla de los tipos de reluctancia variable e imán permanente. Este tipo de motor tiene una alta precisión y alto par y se puede configurar para suministrar un paso angular tan pequeño como Introducción a la electrónica industrial 20

11 Servomotores Un servomotor podría definirse genéricamente como un motor que provee una salida precisa y exacta en función del tiempo, en términos de posición, velocidad y/o torque. Está compuesto por un motor brushless a imán permanente (máquina sincrónica), capaz de desarrollar torques elevados en forma transitoria. La denominación brushless se debe al hecho de que no posee escobillas y es una forma de diferenciarlo de sus predecesores los servomotores a imán permanente alimentados con corriente continua. En comparación con motores asincrónicos con jaula de ardilla (que tengan el mismo torque /velocidad en su eje) la inercia de un servomotor brushless es sustancialmente menor. Estas características los hacen útiles para el control del movimiento pues permiten rápidas aceleraciones y desaceleraciones, así como el control preciso de posición en altas velocidades. Introducción a la electrónica industrial 21 En el pasado Usos de los motores Integración del sistema Pequeño Mediano Grande Muy grande Posicionamiento Servos / PaP Regulación Torque CC CC CC CC Regulación Velocidad CC CC CC CC Variación de velocidad Asincrónico (rotor bobinado) Asincrónico (rotor bobinado) En la actualidad Integración del sistema Pequeño Mediano Grande Muy grande Posicionamiento Servos / PaP Servos Servos Servos Regulación Torque Regulación Velocidad Variación de velocidad Introducción a la electrónica industrial 22

12 Grado de protección IP Standard IEC Standard IEC Introducción a la electrónica industrial 23 neumáticos / hidráulicos Introducción a la electrónica industrial 24

13 neumáticos Cilindros / válvulas de simple efecto Un cilindro de simple efecto desarrolla un trabajo sólo en un sentido. El émbolo se hace retornar por medio de un resorte interno o por algún otro medio externo como cargas, movimientos mecánicos, etc Se aplica a los actuadores hidráulicos Introducción a la electrónica industrial 25 neumáticos Cilindros / válvulas de doble efecto Se aplica a los actuadores hidráulicos Los cilindros de doble efecto son aquellos que realizan tanto su carrera de avance como la de retroceso por acción del aire comprimido. Su denominación se debe a que emplean las dos caras del émbolo (aire en ambas cámaras), por lo que estos componentes sí que pueden realizar trabajo en ambos sentidos. Sus componentes internos son prácticamente iguales a los de simple efecto, con pequeñas variaciones en su construcción. Introducción a la electrónica industrial 26

14 neumáticos de giro Tipo paleta Piñon y cremallera 27 Introducción a la electrónica industrial hidráulicos lineales Pistones de simple efecto Pistones de doble efecto } Igual que los neumáticos Cilindro telescópico La barra de tipo tubo multietápico es empujada sucesivamente conforme se va aplicando al cilindro aceite a presión. Se puede lograr una carrera relativamente larga en comparación con la longitud del cilindro. Introducción a la electrónica industrial 28

15 hidráulicos Motores hidráulicos Motor de engranaje: El aceite a presión fluye desde la entrada que actúa sobre la cara dentada de cada engranaje generando torque en la dirección de la flecha. La estructura del motor es simple, por lo que es muy recomendable su uso en operaciones a alta velocidad y relativa baja presión ( bar). Introducción a la electrónica industrial 29 Motores hidráulicos hidráulicos Motor de pistones radiales: Los pistones van dispuestos perpendicularmente al eje del motor. El principio de funcionamiento es análogo al de los axiales pero aquí el par se consigue debido a la excentricidad, que hace que la componente transversal de la fuerza que el pistón ejerce sobre la carcasa sea distinta en dos posiciones diametralmente opuestas, dando lugar a una resultante no nula que origina el par de giro. Introducción a la electrónica industrial 30

16 Motores hidráulicos hidráulicos Motores de pistones axiales: Los pistones van dispuestos en la dirección del eje del motor. El líquido entra por la base del pistón y lo obliga desplazarse hacia fuera. Como la cabeza del pistón tiene forma de rodillo y apoya sobre una superficie inclinada, la fuerza que ejerce sobre ella se descompone según la dirección normal y según la dirección tangencial a la superficie. Esta última componente la obligará a girar, y con ella solidariamente, el eje sobre la que va montada. Introducción a la electrónica industrial 31