Mecatrónica Módulo 4: Accionamiento y mandos eléctricos

Mecatrónica Módulo 4: Accionamiento y mandos eléctricos Libro de Texto (Concepto) Matthias Römer Universidad Técnica de Chemnitz, Alemania Proyecto ampliado de transferencia del concepto europeo para la calificación agregada de la Mecatrónica las fuerzas especializadas en la producción industrial globalizada Proyecto EU Nr. 2005-146319 MINOS, Plazo: 2005 hasta 2007 Proyecto EU Nr. DE/08/LLP-LdV/TOI/147110 MINOS**, Plazo: 2008 hasta 2010 El presente proyecto ha sido financiado con el apoyo de la Comisión Europea. Esta publicación (comunicación) es responsabilidad exclusiva de su autor. La Comisión no es responsable del uso que pueda hacerse da la información aquí difundida. www.minos-mechatronic.eu

Colaboradores en la elaboración y aprobación del concepto conjunto de eseñanza: Technische Universität Chemnitz, Institut für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse, Deutschland Projektleitung Corvinus Universität Budapest, Institut für Informationstechnologien, Ungarn Universität Stockholm, Institut für Soziologie, Schweden Technische Universität Wroclaw, Institut für Produktionstechnik und Automatisierung, Polen Henschke Consulting Dresden, Deutschland Christian Stöhr Unternehmensberatung, Deutschland Neugebauer und Partner OHG Dresden, Deutschland Korff Isomatic sp.z.o.o. Wroclaw, Polen Euroregionale Industrie- und Handelskammer Jelenia Gora, Polen Dunaferr Metallwerke Dunajvaros, Ungarn Knorr-Bremse Kft. Kecskemet, Ungarn Nationales Institut für berufliche Bildung Budapest, Ungarn IMH, Spanien VUT Brno, Tschechische Republik CICmargune, Spanien University of Naples, Italien Unis, Tschechische Republik Blumenbecker, Tschechische Republik Tower Automotive, Italien Bildungs-Werkstatt ggmbh, Deutschland VEMAS, Deutschland Concepto conjunto de enseñanza: Libro de texto, libro de ejercicios y libro de soluciones Módulo 1-8: Fundamentos / Competencia intercultural y administración de proyectos / Técnica de fluidos / Accionamiento y mandos eléctricos / Componentes mecatrónicos / Sistemas y funciones de la mecatrónica / La puesta en marcha, seguridad y teleservicio / Mantenimiento y diagnóstico Módulo 9-12: Prototipado Rápido/ Robótica/ Migración Europea/ Interfaces Todos los módulos están disponibles en los siguientes idiomas: Alemán, Inglés, español, italiano, polaco, checo, húngaro Más Información Dr.-Ing. Andreas Hirsch Technische Universität Chemnitz Reichenhainer Straße 70, 09107 Chemnitz, Deutschland Tel: + 49(0)371 531-23500 Fax: + 49(0)371 531-23509 Email: minos@mb.tu-chemnitz.de Internet: www.tu-chemnitz.de/mb/werkzmasch oder www.minos-mechatronic.eu

Índice 1 Fundamentos de la Electrotécnia 7 1.1 Introducción 7 1.1.1 Áreas de aplicación de la Electrotécnia 8 1.1.2 Tecnología energética o técnica de propulsión 8 1.1.3 Automatización 9 1.1.4 Electrónica 10 1.1.5 Ingeniería de Telecomunicaciones 10 1.1.6 Historia de la electrotecnia 11 1.2 Tensión, corriente y resistencia 14 1.2.1 Carga eléctrica y tensión 14 1.2.2 Intensidad de corriente eléctrica 17 1.2.3 La resistencia eléctrica 19 1.2.4 Resistencia eléctrica específica o resistividad 20 1.3 Potencia eléctrica y trabajo 21 1.4 Circuitos eléctricos 22 1.4.1 Circuito en serie y en paralelo 24 1.4.2 Conexión de aparatos de medición 27 1.5 Tensión continua 29 1.6 Tensión alterna 30 1.6.1 Cargas inductivas y capacitivas 32 1.7 Representación de circuitos eléctricos 36 1.7.1 Dispositivos eléctricos 36 1.7.2 Diagramas electrónicos 38 1.8 Componentes eléctricos 42 1.8.1 Interruptores y pulsadores 42 1.8.2 Botón pulsador de fin de carrera 46 1.8.3 Interruptores a presión o presostatos 49 1.8.4 Alarmas 50 1.8.5 Relés y contactores 52 1.9 Circuitos comunes sencillos 54 1.9.1 Autoretención eléctrica 54 1.9.2 Sistemas de control secuencial 55 1.9.3 Diagramas eléctricos para neumática e hidráulica 56 1.10 Tipos de protección 58

2 Controlador lógico programable 61 2.1 Introducción61 2.1.1 Historia del PLC 62 2.1.2 Comparación entre el PLC y el controlador de lógica cableada WLC 64 2.1.3 Ventajas y desventajas del PLC 65 2.2 Estructura del PLC 66 2.2.1 Elementos del PLC 66 2.2.2 Función del PLC 70 2.2.3 Proceso de programación del PLC 72 2.3 Fundamentos de la técnica digital 73 2.3.1 Bit y Byte 74 2.3.2 SIstemas numéricos 75 2.3.3 Sistema binario 75 2.3.4 Sistema hexadecimal 77 2.3.5 Código binario decimal BDC 78 2.3.6 Los números enteros 80 2.3.7 Números con coma flotante 81 2.4 Relaciones binarias 82 2.4.1 La conexión Y 83 2.4.2 Conexión O 84 2.4.3 Negación 85 2.4.4 Afirmación 86 2.4.5 Puerta NAND (NO-Y) 87 2.4.6 PUERTA NO-O 88 2.4.7 Inhibición 89 2.4.8 Impicación 90 2.4.9 Equivalencia 91 2.4.10 Puerta exclusiva O 92 2.4.11 Memorias 93 2.4.12 Álgebra booleana 95 2.5 Programación de un PLC 97 2.5.1 Programación estructurada 97 2.5.2 Declaración de variables 99 2.5.3 Las intrucciones 100 2.5.4 Lista de instrucciones AWL 101 2.5.5 Lenguaje Ladder 102 2.5.6 Lenguaje de módulo de funciones FBs 103 2.5.7 Lenguaje de bloques secuenciales 104 2.5.8 Texto estructurado ST 105 2.5.9 Temporizador 106 2.5.10 Contadores 107 2.5.11 Memorias 108 2.5.12 El secuenciador 109

3 Accionamiento eléctrico 110 3.1 Introducción 110 3.2 Campos eléctricos y magnéticos 111 3.2.1 El campo eléctrico 111 3.2.2 El campo magnético 114 3.2.3 Inducción 116 3.3 Fundamentos de la alimentación de corriente 118 3.3.1 La producción de energía eléctrica 118 3.3.2 Transporte de corriente y distribución 119 3.4 Transformadores 120 3.4.1 Transformador ideal 120 3.4.2 El transformador real 122 3.5 Máquinas eléctricas de rotación 124 3.5.1 Introducción 124 3.5.2 Máquinas de campo giratorio 125 3.5.3 El par de giro y la potencia 126 3.6 Motores asíncronos 127 3.6.1 Rotor en jaula de ardilla 128 3.6.2 Motores en jaula de ardilla con corriente monofásica 129 3.7 Motores con convertidores de corriente 131 3.7.1 Interruptores de motores de CC 133 3.7.2 Motores universales 136 3.7.3 Fallos en los motores con convertidores de corriente 137 3.8 Otros motores 138 3.8.1 Motores sincrónicos 138 3.8.2 Los motores paso a paso 140 3.9 Control de motores de campo giratorio 142 3.9.1 Interruptores de arranque en motores trifásicos 143 3.9.2 Control de maquinaria con convertidores 148 3.10 El guardamotor 150 3.10.1 Tipos de aislamiento 152 3.10.2 Modos de funcionamiento 153 3.11 Seguridad de funcionamiento 154 3.11.1 Medidas de protección 155 3.11.2 Método de protección contra errores 156 3.11.3 Compatibilidad electromagnética CEM 157

1 Fundamentos de la Electrotecnia 1.1 Introducción La electrotecnia se ocupa del conjunto de las aplicaciones técnicas, en las que se utiliza fuentes de corriente eléctrica, al igual que características de campos eléctricos y magnéticos. Este apartado también abarca la producción de energía eléctrica, su correspondiente transmisión y consumo. En este caso la energía eléctrica no se emplea únicamente en la puesta en marcha de máquinas, sino también en el campo de la técnica de medición, control y medición. La energía eléctrica se utiliza además en ordenadores y en la transmisioón en el sector de telecomunicaciones. El empleo de energía en instalaciones y maquinaria es imprescindible. Además, para los mecatrónicos supone toda una ventaja disponer de conocimientos básicos de electrotecnia. a esto va unido la comprensión de diagramas eléctricos. En diversas piezas para producción nos podemos topar con diferentes formas de energía. Por ejemplo, una gran variedad de válvulas se activan mediante energía, aunque estos mandos mecánicos se controlan mediante sistemas líquidos o de gas. En general, podemos decir que la tensión sobre 50 V de tensión alterna o 120 V de tensión continua pueden ser muy peligrosas. Debemos tener en todo momento extrema precaución ya que se podrían peder vidas. Si queremos trabajar con tensiones que suponen tal peligro se necesita una formación específica y una autorización. Trabajar con pequeño voltaje puede hacerlo cualquiera. Los intentos prácticos en la formación serán trabajados con 24V. 7

Accionamientos y mandos eléctricos 1.1.1 Áreas de aplicación de la Electrotecnia La clasificación típica de la Electrotecnia contaba con la técnica de corriente de fuerza y corriente débil. La técnica de corriente de fuerza se conoce hoy en día como tecnología energética o técnica de propulsión. La técnica de corriente débil se ha desarrollado en el campo de la telecomunicaciones. La Electrotecnia incluye otras áreas de aplicación como la técnica de medición y regulación. Además, la Electrónica forma parte de esta disciplina. Los límites que separan estos campos no son del todo restringidos. Cada área se ha desarrollado por separado creando diversas aplicaciones de especialización. En nuestra sociedad actual casi todos los procesos de desarrollo y dispositivo se accionan o funcionan mediante una gran parte de aparatos y controles. 1.1.2 Tecnología energética o técnica de propulsión Lo que hace años se conocía como técnica de corriente débil se denomina hoy en día tecnología energética. Esta disciplina se ocupa de la gereración, transmisión y conversión de la energía eléctrica. La técnica de alta tensión se encuentra también dentro de la tecnología energética. En la mayoría de los casos la energía eléctrica se genera de la conversión de energía mecánica mediante generadores rotatorios. En este apartado también encontramos la técnica de propulsión, que se ocupa del consumo de la energía eléctrica. La técnica de propulsión se conocía como técnica de corriente fuerte y se encarga de las máquinas eléctricas que transforman la energía eléctrica en energía eléctrica. Los ejemplos típicos de estas máquinas son máquinas síncronas, asíncronas y de corriente continua. Además, si tenemos en cuenta dispositivos de menor tamaño, encontraremos muchos más tipos. En la técnica de propulsión se trabaja además en el desarrollo de motores lineares, en los que la energía eléctrica se transforma directamenete en un movimiento mecánico lineal. En este caso se produce una conversión mediante un movimiento de rotación de mecánica. 8

1.1.3 Automatización En la técnica de automatización se automatizan y controlan algunos pasos de trabajo manuales. En este caso se aplican métodos de las técnicas de medición, control y regularización. Durante el control y la regularización se emplea sobre todo la técnica digital. Uno de los puntos claves de la técnica de automatización es la regularización. Esta reglamentación contiene diversos sistemas técnicos. Algunas aplicaciones sencillas de la técnica de automatización del día a día son indicadores de temperatura en las planchas o en las lavadoras. Otros reguladores más complicados se utilizan por ejemplo en robots de industria y producción. Encontramos diversas aplicaciones como indicador de revoluciones de los motores. Además, en los vehículos de motor se utilizan otros indicadores, no sólo para el control de motores, sino también como control de estabilidad en mecanismos de tracción. En la industria química el control de muchos procesos también se efectúa por medio de la técnica de automatización. Las diferentes áreas de la Electrotecnia se solapan y también se complementan mutuamente. Dado que en la técnica de Automatización se producen múltiples movimientos mediante dispositivos electrónicos, la técnica de propulsión juega un papel muy importante. Además, la Electrónica es muy importante también a la hora de controlar y dirigir estos dispositivos. Estos dispositivos se alimentan al igual mediante sistemas de electrónica de potencia con energía eléctrica. Dentro de la Electrónica, esta disciplina se necesita para reducir la carga y optimizar la energía. 9

Accionamientos y mandos eléctricos 1.1.4 Electrónica La electrónica, dentro de la electrotecnia, se ocupa del desarrollo, la producción y la aplicación de dispositivos electrónicos, como, por ejemplo, condensadores y bobinas o dispositivos semiconductores como los diodos o transistores. La Microelectrónica, como rama de la Electrónica, es responsable del desarrollo de los circuitos integrados de los dispositivos semiconductores. En este caso, podemos encontrar elementos para la conexión fácil de señales, al igual que en unidades centrales de procesamiento o en procesadores de tarjetas gráficas. La electrónica de potencia juega un papel cada vez más importante en la técnica de propulsión debido al desarrollo de dispositivos semiconductores. Con lo convertidores de frecuencia la energía eléctrica es mucho más flexible, algo que se hace posible mediante transformadores. La técnica digital se clasifica también dentro de la electrónica. Esta rama se ocupa de los clásicos circuitos lógicos que hoy en día se construyen con transistores. La técnica digital también está relacionada con muchos controles, y, así, con la automatización. 1.1.5 Ingeniería de Telecomunicaciones La técnica de corriente débil se conoce hoy en día como ciencia de las telecomunicaciones. Otra denominación típica es técnica de la información y comunicación. El campo de aplicación de las Telecomunicaciones se basa en la transmisión de información por medio de impulsos eléctricos u ondas electromagnéticas desde un emisor a varios receptores. De este modo, los emisores y receptores se califican de fuentes de información. Además, la información debe ser lo más completa posible, lo que contribuye con la compresión de contenidos del receptor. Se conoce como técnica de alta tensión el campo de la Electrotecnia que se ocupa de la transmisión de información a alta frecuencia.. Un aspecto muy importante dentro de la ciencia de las comunicaciones es el procesamiento de senyales, como, por ejemplo, no sólo la filtración, sino también la codificación y descodificación de información. 10

1.1.6 Historia de la electrotecnia Los comienzos de la electrotecnia se remontan a la física. Dentro de esta disciplina se llevaron a cabo los primeros inventos con relación a la electricidad. Por medio de los trabajos de Thomas Alva Edison y dé Werner von Siemens, la electronica se desarrolló como disciplina independiente. En 1752 Benjamin Franklin inventó el pararrayos. Durante los años 1751-53 publicó los resultados de sus experimentos. En 1792 Luigi Galvani realizó su famoso experimento con músculos de rana. Alessandro Volta quedó entusiasmado con los resultados y construyó, sobre 1800, su tan famosa pila voltaica, lo que supuso la batería en funcionamiento. En 1820 Hans Christian Ørsted llevó a cabo diversos experimentos con una aguja imantada por la que fluía corriente eléctrica. Del mismo modo, en 1820 André Marie Ampère demostró mediante sus experimentos que dos conductores eléctricos ejercen fuerzas entre ellos. Por este motivo se le atribuyen los conceptos de tensión y corriente eléctrica. Michael Faraday realizó una gran aportación en el área de campos eléctricos y magnéticos. A él se debe el concepto de línea de campos. James Clerk Maxwell tomó como base los estudios de Faraday para completar la teoría del electromagnetismo y la electrodinámica, y su respectiva fórmula matemática. En 1864 Maxwell publicó las ecuaciones de Maxwell, que suponen uno de los fundamentos de las teorías de la electrotecnia. En 1860 Philipp Reis inventó el teléfono en el Instituto Garnier, en Friedrichsdorf, Alemania, con lo que se posibilitó la transmisión electrónica del lenguaje. Sin embargo, a su invento no se le prestó mucha atención, hasta el anyo 1876, en el que Alexander Graham Bell construyó el primer teléfono con fines económicos en los Estados Unidos. El teléfono de Bell se comercializó con mucho éxito. 11

Accionamientos y mandos eléctricos Werner von Siemens forma parte de los precursores de la ciencia de la corriente de fuerza. En 1866 descubrió el principio dinamo eléctrico y, así, desarrolló el primer generador eléctrico. Con ello se puso a disposición por primera vez energía eléctrica utilizable en grandes cantidades. En el anyo 1879 Thomas Alva Edison descubrió la lámpara incandescente y así se introdujo la luz eléctrica en muchos hogares. De este modo la introducción de la electricidad se desarrolló en muchas áreas de la vida cotiniana. Al contrario que Edison, que apostó por la tensión continua, Nikola Tesla und Michail y Dolivo-Dobrowolsky determinaron los fundamentos de la tensión alterna. Con sus inventos con cibieron los fundamentos de los sistemas de abastecimiento eléctricos actuales. La primiera formación mundial en electrotecnia tuvo lugar en 1883, en la Universidad Técnica de Darmstadt, Alemania. Los estudios universitarios duraban cuatro anyos y se concluían con un examen para el título de ingeniería en electrotecnia. Entre 1885 y 1886 se implantaron otros cátedras en electrotecnia en la Universidad de Londres, y en los Estados Unidos, en la Universidad de Missouri. Los ingenieros que se formaron en estos centros posibilitaron que la electricidad se aplicara a múltiples campos. En 1884 Heinrich Rudolf Hertz consiguió demostrar de forma práctica las ecuaciones de Maxwell, confirmando la existencia de ondas electromagnéticas, con las que estableció los fundamentos de la transmisión de información inalámbrica. De esta forma nace la ciencia de la telecomunicaciones. En 1896 Guglielmo Marconi llevó a cabo la promera retransmisión por radio en 3 km. Los primeros sistemas de emisión y recepción se basaron en sus estudios, que se comercializaron a partir de 1900. El primer tubo de radio, un diodo, lo inventó, en 1905, John A. Fleming. Al año siguiente Robert von Lieben y Lee De Forest desarrollaron el primer triodo por separado. Estos amplificadores le dieron un gran impulso a la ingeniería radioeléctrica. En 1926 estableció los principios de la televisión. Con medio muy simples construyó el primer mecanismo para la televisión basado en discos de Nipkow. En 1928 se posibilitó la retransmisión a color. En este mismo se realizó la primera retransmisión trasatlántica desde Londres a Nueva York. Manfred von Ardenne introdujo, en 1931, el tubo de rayos catódicos. La televisión con discos de Nipkow se quedó rápidamente obsoleta ante este nuevo sistema electrónico. 12