Sistemas de Control y Actuadores en la Industria

Sistemas de Control: Lazo Cerrado

Proceso: Sistema físico que se quiere controlar.

Controlador o Regulador: Calcula la señal de entrada para que los actuadores se ajusten al valor de referencia (setpoint).

Comparador o Detector de Errores: Obtiene la señal de error comparando la señal de referencia con la señal de salida.

Accionador o Actuador: Dispositivo que influye en el proceso que se está controlando.

Sistema de Medida: Mide la variable del proceso y la traduce a una magnitud compatible con el sistema de regulación.

Actuadores

Elementos que convierten las señales eléctricas del equipo de control en acciones físicas sobre el proceso.

Pre-actuadores

Elemento que actúa de interfaz, recibe la señal eléctrica y gobierna el actuador.

Motores Eléctricos

Esenciales en la industria, ya que mueven accionamientos.

Corriente Continua (CC)

• Por el tipo de excitación:
  • Independiente
  • Serie
  • Shunt
  • Compound

Corriente Alterna (AC)

• Síncrono: Velocidad de rotación del eje y frecuencia eléctrica sincronizadas.
• Asíncrono: Rotor gira a velocidad diferente al campo magnético del estator.
  • Monofásico: Motor con bobinado auxiliar de arranque, motores de condensador, motores con espira auxiliar o espira en cortocircuito.
  • Trifásico: Rotor bobinado y rotor en cortocircuito o jaula de ardilla.
• Motores Paso a Paso:
  • De imanes permanentes
  • De reluctancia variable
  • Híbridos

Estator

Parte fija del motor y formada por una carcasa con una corona de chapas de acero de calidad especial con ranuras. 3 grupos de bobinas, cuyos ejes están desplazados 120º entre sí. Corrientes desfasadas 120º generan campo magnético giratorio.

Rotor

Es la parte móvil del motor en el interior del estator.

• Rotor de jaula de ardilla (rotor en cortocircuito): Chapas de acero forman un cilindro, en su interior y paralelo al eje tiene conductores que están conectados a una corona metálica.
• Rotor bobinado (rotor de anillos): En las ranuras de las chapas del rotor hay devanados iguales a los del estator. Un extremo de cada devanado está conectado en estrella, el otro extremo a un anillo de cobre solidario.

Características de los Motores

• Tensiones nominales: El valor de tensión al que se debe conectar el motor; mayor en estrella, menor en triángulo.
• Corrientes nominales: Las absorbidas de la red cuando el motor trabaja en el punto nominal.
• Velocidad nominal: Velocidad de giro del rotor en el punto nominal. Valor próximo al de sincronismo.
• Potencia mecánica nominal: O potencia útil, potencia entregada cuando trabaja en el punto nominal. También se llama potencia útil.

Puesta en Marcha de un Motor Asíncrono

• Directo de la red: + simple, - aceleración excesiva, roturas, sin confort, caída de tensión = mal funcionamiento de otros aparatos.
• Inserción de resistencias en el rotor
• Resistencia en el estator
• Estrella-triángulo: + barato y utilizado. Conectar el motor en estrella cuando debería ser triángulo = tensión inferior a la nominal. – par a la misma velocidad.
• Autotransformador: Mediante autotransformadores, - tensión de arranque = - flujo del campo magnético del estator, menos par e intensidad para valores mínimos de velocidad del rotor.
• Arranque estático: Equipo electrónico construido mediante tiristores, red de tensión eficaz con troceado de onda sinusoidal, no disminuye la amplitud (choppers). Incrementa gradualmente la tensión desde un valor inicial determinado hasta el valor nominal.

Motor Paso a Paso (Stepper)

Dispositivo electromecánico que convierte impulsos eléctricos en desplazamientos angulares discretos, gira una cantidad de grados en función de sus entradas de control. Funciona por atracción-repulsión que ocurre entre los polos magnéticos.

Tipos de Motores Paso a Paso según el Rotor

• Motores paso a paso de reluctancia variable: Cuando la bobina es energizada, los dientes del rotor se intentan alinear con los polos de los bobinados del estator por atracción magnética, reduciendo la reluctancia rotor-estator. La bobina 1 se apaga y la bobina 2 es energizada, el rotor volverá a girar buscando reducir la reluctancia rotor-estator. Si se invierten las fases, el rotor girará en sentido contrario. El rotor es de baja inercia, pero con bajo par que un motor eléctrico.
• Motores de imán permanente: Rotores de imán permanente sin dientes que son magnetizados perpendicularmente a los ejes.
• Motores paso a paso unipolares: Bobina con solo una polaridad. Las bobinas tienen un punto de conexión central y dos extremos, 5 o 6 cables.
• Motores paso a paso bipolares: Bobina con dos polaridades (N-S o S-N). Bobinas solo con conexiones en los dos extremos, 4 cables.
• Híbridos: Combinación de los dos anteriores, rotor y estator dentados, el rotor es de imán permanente.

Servomotor

Dispositivo de accionamiento para el control de precisión de velocidad, par motor y posición. Es un motor que utiliza retroalimentación de posición/velocidad para controlar su movimiento/posición final o velocidad. Solución a la variación de frecuencia, ya que no dan control de posición y son poco efectivos a bajas velocidades. Si la posición inicial es errónea, genera una señal de error y vuelve a la posición correcta.

• Un motor eléctrico, DC/AC: Genera movimiento con su eje, CA para velocidad constante, CC para velocidad variable.
• Sistema de control: Controla el movimiento del motor mediante pulsos eléctricos PWM.
• Sistema de regulación: Engranajes que aumentan o disminuyen la velocidad o el par.
• Sensor de posición: Conectado al eje central, permite conocer el ángulo del eje del motor.

PWM

Modulación por ancho de pulsos, técnica donde se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica.

• Ton: Tiempo en que la señal está en nivel alto.
• Toff: Tiempo en que la señal está en nivel bajo.
• Ciclo de trabajo: Relación entre el tiempo de encendido y el periodo. Si se varía el ciclo, se varía la tensión media. Necesita un driver de corriente para alimentar el motor con PWM.