PA5.-Evalúa y presenta investigación sobre la relación de variables a controlar y la aplicación de los actuadores en la industria, generando plasmándolo en un reporte

 Sensores y Actuadores

Los sensores y actuadores son una parte imprescindible de cualquier sistema industrial de control automatizado. De hecho, representan el nivel de campo de la pirámide de la automatización. Los sensores son los sentidos del sistema de control: le proporcionan información sobre lo que está ocurriendo. Los actuadores son las manos del sistema de control: le permiten modificar lo que ocurre en la planta.

Para realizar las tareas de control de un proceso industrial, los sensores nos permiten conocer el valor de las variables físicas adecuadas que participan en el proceso y convertirlas en señales eléctricas. En base a estas señales, el programa de control debe marcar las directrices de actuación sobre las máquinas y elementos que intervienen en el proceso. Para llevar a cabo las acciones oportunas, los actuadores se encargan de convertir las señales eléctricas de control en otro tipo de señales o en señales eléctricas de mayor potencia.

Los actuadores (también llamados accionadores) constituyen la interfaz entre las señales de control del dispositivo de control (por ejemplo, del autómata) y el mismo proceso industrial. Podemos distinguir tres tipos de actuadores según la fuente de energía con la que trabajan: eléctricos, neumáticos (aire) e hidráulicos (aceite).

Para que un sistema electrónico de control pueda controlar un proceso o producto es necesario que pueda actuar sobre el mismo.

• Los dispositivos que realizan esta función reciben diversos nombres, entre ellos: accionamientos y actuadores.
• No existe una única definición de actuador aceptada de manera universal. Se considera, en general, que es todo “dispositivo que convierte una magnitud eléctrica en una salida, generalmente mecánica, que puede provocar un efecto sobre el proceso automatizado”.

Tipos de accionamientos eléctricos:

• Motor de corriente continua
• Motor de corriente alterna (asíncrono, jaula de ardilla)
• Motor de corriente alterna (rotor bobinado)
• Motor paso a paso
• Servomotores
• Servomotor brushless DC
• Servomotor brushless AC

Tipos de actuadores

Los actuadores se categorizan según la fuente de energía que utilizan para generar el movimiento. Por ejemplo:

• Los actuadores neumáticos utilizan aire comprimido para producir el movimiento deseado
• Los actuadores hidráulicos utilizan líquido para generar movimiento
• Los actuadores eléctricos usan una fuente de energía externa, como una batería, para producir movimiento
• Los actuadores térmicos utilizan la energía calorífica o magnética para producir el movimiento deseado

Actuadores mecánicos

Los actuadores mecánicos trabajan mediante la conversión de un tipo de movimiento (por ejemplo, movimiento rotativo) a otro tipo de movimiento (por ejemplo, un movimiento lineal). Estos actuadores emplean una combinación de componentes para operar, incluidos engranes, poleas, cadenas, resortes y rieles, entre otros.

Un ejemplo sencillo de la operación de un actuador mecánico es un bloque de cadena con engranes utilizado para levantar una carga desde el piso. El movimiento mecánico de la cadena sobre los engranes crea un movimiento lineal ascendente, que permite levantar la carga.

Actuadores neumáticos

Los actuadores neumáticos son quizás el tipo de actuador más común. Su fuente de energía es el aire comprimido, el cual se utiliza para mover un pistón cuando el aire se libera o descomprime. Los actuadores neumáticos de pistón se usan comúnmente para la operación de válvulas mariposa.

Los actuadores neumáticos son deseables en muchas aplicaciones, debido a que pueden responder con rapidez a operaciones de arranque y paro, así como debido a que no necesitan una fuente de energía para operar. Asimismo, son más baratos, seguros, más poderosos y confiables que otros actuadores.

Actuadores hidráulicos

Los actuadores hidráulicos utilizan líquidos como aceite para generar movimientos lineales, rotativos u oscilatorios. A diferencia del aire, los líquidos son prácticamente imposibles de comprimir, por lo que los actuadores hidráulicos se utilizan en aplicaciones donde se requiere de una fuerza inmensa. Se utilizan en todos los sistemas que manejan cargas grandes, como maquinaria pesada de construcción y barcos.

Actuador eléctrico

Los actuadores eléctricos son de los más limpios, fáciles de usar y de disponibilidad inmediata, debido a que no usan aceite ni requieren aire comprimido para operar. En cambio, dependen de la energía de una fuente externa, como una batería, para conducir un motor y convertir la energía eléctrica en fuerza mecánica. Los actuadores eléctricos operados por motor se utilizan en líneas de tubería de grandes diámetros.

También existen los actuadores eléctricos solenoide que se utilizan para propósitos de encendido y apagado en sistemas de válvulas que requieren paros de emergencia frecuentes.

Actuadores térmicos

Los actuadores térmicos utilizan energía térmica o magnética para producir el movimiento deseado. Son ligeros, muy económicos y brindan densidad de alta potencia.

Motor de corriente continua.

El motor de corriente continua, denominado también motor de corriente directa, motor CC o motor DC (por las iniciales en inglés: direct current), es una máquina que convierte energía eléctrica en energía mecánica, provocando un movimiento rotatorio, gracias a la acción de un campo magnético.

Los componentes de un motor de corriente continua se divide en dos partes:

- Estator: parte que da soporte mecánico al aparato y contiene los polos de la máquina, que pueden ser devanados de hilo de cobre sobre un núcleo de hierro o imanes permanentes.

- Rotor: es un componente generalmente de forma cilíndrica, también devanado y con núcleo, alimentado con corriente continua a través del colector formado por delgas. Las delgas se fabrican generalmente de cobre y están en contacto alternante con las escobillas fijas.

El principal inconveniente que tienen estos motores es el mantenimiento costoso y laborioso, debido principalmente al desgaste que sufren las escobillas al entrar en contacto con las delgas. Las escobillas de los motores de baja potencia se fabrican de grafito. Por otro lado, los que requieren corrientes elevadas como los motores de arranque de los vehículos, se fabrican con una aleación de grafito y metal.

Algunas aplicaciones especiales de estos motores son: los motores lineales, servomotores, motores paso a paso o cuando ejercen tracción sobre un riel. Además, existen motores de CC sin escobillas (brushless en inglés) utilizados en el aeromodelismo por su bajo par motor y su gran velocidad.

Es posible controlar la velocidad y el par de estos motores utilizando técnicas de control de motores de corriente continua.

Características:

• Desde potencias fraccionarias hasta el millar de KW
• En tareas de regulación de velocidad o par
• Regula desde cero rpm a velocidad nominal con muy buena precisión
• Regulación de par
• Con par a cero rpm

Motor de corriente continua. 

Aplicaciones:

Aplicaciones de regulación de velocidad en general

• Máquinas de envase y embalaje 
• Cintas tranportadoras
• Ventilación

Aplicaciones que requieren precisión

• Posicionammiento

Regulacion de par y par a cero rpm

• Enrolladoras 
• Elevacion

Regulacion de motores de potencias grandes

• Laminadoras 
• Extrusoras

Motor de corriente alterna (asíncrono)

El motor asíncrono, motor asincrónico o motor de inducción es un motor eléctrico de corriente alterna, en el cual su rotor gira a una velocidad diferente a la del campo magnético del estator.

El motor asíncrono trifásico está formado por un rotor, que puede ser de dos tipos: a) de jaula de ardilla; b) bobinado, y un estator, en el que se encuentran las bobinas inductoras. Estas bobinas son trifásicas y están desfasadas entre sí 120º en el espacio. Según el teorema de Ferraris, cuando por estas bobinas circula un sistema de corrientes trifásicas equilibradas, cuyo desfase en el tiempo es también de 120º, se induce un campo magnético giratorio que envuelve al rotor. Este campo magnético variable va a inducir una tensión eléctrica en el rotor según la ley de inducción de Faraday:

La diferencia entre el motor a inducción y el motor universal es que en el motor a inducción el devanado del rotor no está conectado al circuito de excitación del motor sino que está eléctricamente aislado. Tiene barras de conducción en todo su largo, incrustadas en ranuras a distancias uniformes alrededor de la periferia. Las barras están conectadas con anillos (en cortocircuito) a cada extremidad del rotor. Están soldadas a las extremidades de las barras. Este ensamblado se parece a las pequeñas jaulas rotativas para ejercitar a mascotas como hámsteres y por eso a veces se llama "jaula de ardillas", y los motores de inducción se llaman motores de jaula de ardilla.

Características:

• De potencias fraccionarias hasta centenas de KW
• Coste motor bajo
• Arranque por contactores, arrancadores con contactores
• Coste arranque con contactores bajo
• Regulación de velocidad hasta la decena de KW
• Buena precisión entre 10 y 100% velocidad nominal
• Par nominal en este tramo
• Coste variador alto
• Coste variador + motor mas caro que otras alternativas

Motor de corriente alterna (asíncrono). 

Aplicaciones:

• Accionamientos directos con contactores
• Accionamientos con arrancadores electrónicos
• Variadores de velocidad de poca potencia y precisión
• Aplicaciones sin regulación

Motor de corriente alterna (rotor bobinado). 

Es la parte móvil del motor. Esta situado en el interior del estator y consiste en un núcleo de chapas de acero al silicio apiladas que forman un cilindro, en el interior del cual se dispone un bobinado eléctrico. 

Características:

• Desde decenas a centenas de KW
• Como arrancador progresivo
• Regulador de velocidad por deslizamiento
• Prestaciones de regulación medias
• Maniobras de elevación

Motor de corriente alterna (rotor bobinado). 

Aplicaciones:

• Arranque de motores de decenas y centenas KW. Por medio del sistema de resistencias rotóricas permiten el arranque con puntas de corrientes reducidas. La corriente es inferior a la necesaria para un motor con rotor de jaula con arrancador estrlla-triángulo
• Regulación de maniobras de elevación con motores de decenas y centenas KW. Permite sustituir sistemas de corriente continua.

Motor paso a paso. 

El motor paso a paso es un motor de corriente continua sin escobillas en el que la rotación se divide en un cierto número de pasos resultantes de la estructura del motor. Normalmente, una revolución completa del eje de 360° se divide en 200 pasos, lo que significa que se realiza una sola carrera del eje cada 1,8°.

Características:

• Potencias pequeñas
• Velocidades bajas
• Posicionamientos con precisión

Motor paso a paso. 

Funcionamiento:

El motor paso a paso está compuesto por rotor y estator. El estator es una parte estacionaria, mientras que el rotor montado en el eje con un cojinete gira siguiendo el campo magnético giratorio creado alrededor del estator. El estator, hecho de acero u otro metal, es el marco de un conjunto de electroimanes, que son bobinas montadas en lugares específicos alrededor del rotor. Cuando la corriente fluye a través de las bobinas del estator, se crea un campo magnético a su alrededor. Los flujos magnéticos particulares tienen una dirección e intensidad que dependen de la intensidad y la dirección de la corriente que fluye a través de una bobina determinada.

Cuando la bobina se energiza, se forma un electroimán atrayendo a un imán (diente) montado en el rotor, desplazado por un cierto desplazamiento con respecto a él. Luego, el rotor y el eje giran en el ángulo en el que su posición se opone menos al flujo magnético o la resultante de múltiples flujos. Después de pasar por este desplazamiento, se enciende otro electroimán (bobina o bobinas) en el estator y se tira del rotor a su nueva posición. 

Servomotor

Un servomotor es un actuador rotativo o motor que permite un control preciso en términos de posición angular, aceleración y velocidad, capacidades que un motor normal no tiene. En definitiva, utiliza un motor normal y lo combina con un sensor para la retroalimentación de posición.

Pero, los servomotores no son en realidad una clase específica de motor, sino una combinación de piezas específicas, que incluyen un motor de corriente continua o alterna, y son adecuados para su uso en un sistema de control de bucle cerrado.

Por lo que una definición más exacta de un servomotor sería la de un servomecanismo de bucle cerrado que utiliza la retroalimentación de posición para controlar su velocidad de rotación y posición. La señal de control es la entrada, ya sea analógica o digital, que representa el comando de posición final para el eje.

Cómo funciona un servomotor

Los servomotores se controlan enviando un pulso eléctrico de ancho variable, o modulación de ancho de pulso (PWM), a través del cable de control. Hay un pulso mínimo, un pulso máximo y una frecuencia de repetición.

Por lo general, un servomotor sólo puede girar 90° en cualquier dirección para un movimiento total de 180°. La posición neutra del motor se define como la posición en la que el servo tiene la misma cantidad de rotación potencial tanto en el sentido de las agujas del reloj como en el sentido contrario.

El PWM enviado al motor determina la posición del eje, y se basa en la duración del pulso enviado a través del cable de control; el rotor girará a la posición deseada.

El servomotor espera ver un pulso cada 20 milisegundos (ms) y la longitud del pulso determinará hasta dónde gira el motor. Por ejemplo, un pulso de 1.5ms hará que el motor gire a la posición de 90°.

Si el tiempo es inferior a 1,5 ms, se mueve en sentido contrario a las agujas del reloj hacia la posición de 0°, y si el tiempo es superior a 1,5 ms, el servo girará en sentido de las agujas del reloj hacia la posición de 180°.

Servomotor brushless DC

Los motores DC son también muy comunes en entornos industriales al ofrecer ventajas considerables en función de su construcción —ver pregunta relativa a los motores brushless—:

Son precisos y rápidos.

Su velocidad puede controlarse variando la tensión de alimentación

Son fáciles de instalar, incluso en sistemas móviles —alimentados por baterías—.

El par de arranque es elevado.

Las funciones de arranque, parada, aceleración o marcha atrás se efectúan con rapidez.

Son muy adecuados para aplicaciones dinámicas que requieran una alta precisión especialmente en términos de velocidad, como en el caso de los ascensores, o de posición, como en robots o máquinas herramientas.

También pueden ser una opción interesante para aplicaciones que requieran una potencia elevada —de 10.000 kW, por ejemplo—.

Sin embargo, presentan ciertas desventajas dependiendo de su construcción en comparación con los motores AC:

Son menos comunes porque son menos adecuados para aplicaciones que necesiten de grandes potencias.

Sus numerosas piezas se desgastan y su sustitución representa un coste significativo.

Servomotor brushless AC

Los servomotores brushless AC de  Rcc Industrial Solutions tienen como  características principales:

– Tamaño ultra-compacto con brida cuadrada de 40mm a 80mm

– Potencias de 30W a 750W

– Controlados por encoder (incremental o absoluto) o resolver

– Posibilidad de acoplamiento con reductores planetarios integrados

– Disponibles con accionamientos posicionales digitales

– Velocidad máxima hasta 5.000rpm

– Pares nominales de 0.095Nm a 2.39Nm

Un servomotor (también llamado servo) es un dispositivo similar a un motor de corriente contínua que tiene la capacidad de ubicarse en cualquier posición dentro de su rango de operación, y mantenerse estable en dicha posición.

Un servomotor es un motor eléctrico que puede ser controlado tanto en velocidad como en posición.

Es posible modificar un servomotor para obtener un motor de corriente continua que, si bien ya no tiene la capacidad de control del servo, conserva la fuerza, velocidad y baja inercia que caracteriza a estos dispositivos.

La potencia es proporcional a las cargas mecánicas. Un servo, por consiguiente, tiene un consumo de energía reducido.

La corriente que requiere depende del tamaño del servo. Normalmente el fabricante indica cuál es la corriente que consume. La corriente depende principalmente del par, y puede exceder un amperio si el servo está enclavado.

En otras palabras, un servomotor es un motor especial al que se ha añadido un sistema de control (tarjeta electrónica).

Biblografia:

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