CONTROL DE MQUINAS Y ACCIONAMIENTOS ELCTRICOSACCIONAMIENTOS ELCTRICOS

TEMA 1: INTRODUCCIN A LOS CIRCUITOS DE CONTROL Y ACCIONAMIENTOS ELCTRICOSCONTROL Y ACCIONAMIENTOS ELCTRICOS

Curso 2015-2016

TEMA 1: INTRODUCCIN A LOS CIRCUITOS DE CONTROL Y ACCIONAMIENTOS ELCTRICOS

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CONTROL Y ACCIONAMIENTOS ELCTRICOS

1.1 Introduccin1.2 Objetivos de los accionamientos elctricos1.3 Requisitos que deben cumplir los circuitos de control y

accionamientos1 4 Dinmica de la combinacin motor-carga1.4 Dinmica de la combinacin motor-carga

1.4.1 Tipos de cargas mecnicas1.4.2 Caractersticas mecnicas de motores elctricos1.4.3 Fases del movimiento en la variacin de velocidad

1.5 Cuadrantes de funcionamiento de un accionamiento1 6 Di1.6 Diagramas o esquemas1.7 Principales elementos que componen los circuitos de

control y accionamientosy1.8 Aplicaciones comunes de motores elctricos

1.1 Introduccin1.1 Introduccin3

U i i t l t i i t Un accionamiento elctrico es un sistema capazde convertir la potencia elctrica tomada de la

d t i i d i dred, en potencia mecnica, produciendo untrabajo til y manteniendo el control sobre el

d iproceso de conversin.

1.1 Introduccin4

1.1 Introduccin

Persiguen conseguir una determinadarespuesta de un sistema mecnico, que puedeser:

un par de referencia una velocidad de referencia una velocidad de referencia una posicin de referencia

1 2 Objetivos de los accionamientos elctricos5

1.2 Objetivos de los accionamientos elctricos

Arrancar y parar con suavidad el motor

Proteccin del motor y mquina accionada

Fijar, variar o mantener la velocidad

Sincronizar la velocidad de motores

Sincronizar posiciones

1.3 Requisitos que deben cumplir los circuitos de control y accionamientoscircuitos de control y accionamientos

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Debe realizar todas las funciones para las que ha sidoproyectado, de acuerdo con las condiciones especificadas.

Ha ser completamente seguro incluso en caso de avera ofallo.

Debe merecer una razonable confianza y continuidad encondiciones anormales de trabajo.D b d d l d Debe de constar del menor nmero de componentes y nollevar ningn componente de ms.D b f il id l i il i i d Debe ser fcil y rpida la vigilancia y reparacin en caso deavera o sustitucin de piezas.

1.4 Dinmica de la combinacin motor-carga

El t i t i d l i t t7

El comportamiento mecnico del sistema motor-carga, ypor tanto la velocidad de giro en cada momento, estdefinido por la segunda ley de Newton, que para el caso de

i i t d t i d l iun movimiento de rotacin, responde a la ecuacin:

T : Par motorTm: Par motorTr: Par resistenteJ: Momento de inercia

JdtdTT rm

w: Velocidad angulardt

En el caso de accionamiento de inercia constante:dJTT dt

JTT rm

1.6 Dinmica de la combinacin motor-carga

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El par motor tiende a acelerar el conjunto y elpar resistente a frenarlo

Si Tm > Tr hay un par acelerador, la aceleracincontina hasta que ambos pares se igualencontina hasta que ambos pares se igualen,entonces se alcanza el equilibrio y la velocidadde rgimen se hace constante.de rgimen se hace constante.

La curva que representa los valores del par enfuncin de la velocidad se llama caractersticamecnica.

1.4 Dinmica de la combinacin motor-carga

Caractersticas mecnicas de motor y carga Punto de9

Caractersticas mecnicas de motor y carga. Punto defuncionamiento

cargamotor

- Punto de funcionamiento estable - Punto de funcionamiento inestable

1.4.1 Tipos de cargas mecnicas1.4.1 Tipos de cargas mecnicas

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Carga de par resistenteconstante, independiente de la

PP

velocidad. La potencia esproporcional a la velocidad. Gras,ascensores cintas transportadoras

TrTr

ascensores, cintas transportadoras. Carga de par lineal y por lo tanto,

la potencia ser proporcional alla potencia ser proporcional alcuadrado de la velocidad. Tpico enmquinas de tratamiento de papel y

TrP

q p p ypulidoras y todos aquellosmecanismos de rozamientofludico.

1.4.1 Tipos de cargas mecnicas

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p g

Cargas de par cuadrtico, el par esproporcional al cuadrado de la velocidad yla potencia es proporcional a la tercerapotencia. Bombas centrfugas,ventiladores turbocompresores

Tr

Pventiladores, turbocompresores. Carga de potencia constante, en este

caso el par es inversamente proporcionalp p pa la velocidad. Es tpico en mquinasherramientas: tornos, fresadoras,enrolladoras de cable Para eliminar el par

Penrolladoras de cable. Para eliminar el parseco que se presenta en el arranque seinyecta aceite a presin que forma una

Tr

delgada pelcula entre el eje y loscojinetes de la mquina.

1.4.2 Caractersticas mecnicas de motores elctricos

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elctricos

Caracterstica rgida (1) : el par noafecta a la velocidad (motores )sncronos).

Caracterstica semi-rgida (2): lavariacin de par genera unavariacin de par genera unapequea variacin de velocidad(motores asncronos y motores de

i t ti d i icorriente continua derivacin yexcitacin compuesta).

Caracterstica suave: la variacin Caracterstica suave: la variacinde par genera una importantevariacin de velocidad (motoresd i t ti i )de corriente continua serie).

1.4.3 Fases del movimiento en la variacin develocidadvelocidad

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d0

dtd

0dtd

0dtd

dt

Tm Tr

Tm-Tr = Tm-Tr =

T T = m r Tm-Tr =

1.5 Cuadrantes de funcionamiento de un accionamientoaccionamiento

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En el cuadrante I, lamquina elctrica funcionacomo motor desarrolla un paren el mismo sentido que la

En el cuadrante II, el par de lamquina se opone al movimiento,(velocidad positiva, par negativo),funcionamiento como freno La

T > 0T < 0

en el mismo sentido que lavelocidad de giro.

funcionamiento como freno. Lapotencia es negativa, luegoabsorbe potencia de la carga.Puede ocurrir que esta potencia de Tm > 0

P > 0

Tm < 0 P < 0

q pfrenado se disipe en unaresistencia (frenado disipativo) osea devuelta a la red (frenadoregenerativo)

TIII

III IV

regenerativo).

Tm > 0 P < 0

Tm < 0

P > 0

III IV

Los cuadrantes III y IV, sonsimilares pero con sentido de giro similares pero con sentido de giroopuesto.

1.5 Cuadrantes de funcionamiento de i i t

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un accionamiento

1.5 Cuadrantes de funcionamiento de i i t

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un accionamientoUn caso tpico de accionamiento de 4 cuadrantes es un ascensor:pEn el primer cuadrante el ascensor est subiendo y cargado. El par motor T es positivo, ya que tieneel mismo sentido que la velocidad angular. El par resistente Tr acta en sentido opuesto al derotacin y es negativo. La potencia mecnica que desarrolla la mquina, producto del par motor porla velocidad angular es positiva En el primer cuadrante la mquina trabaja como motor en sentidola velocidad angular es positiva. En el primer cuadrante la mquina trabaja como motor en sentidodirecto.En el segundo cuadrante el ascensor sube, pero sin carga, movido por la accin del contrapeso, queal pesar ms que la cabina vaca tira de ella, y en estas condiciones la velocidad de subida puedealcanzar valores elevados y peligrosos Para evitar esto el par motor debe actuar en sentido opuestoalcanzar valores elevados y peligrosos. Para evitar esto el par motor debe actuar en sentido opuestoal de rotacin, lo que significa que la potencia es negativa. La mquina trabaja como frenodesarrollando un par que se opone al movimiento, frenando la carga. En el segundo cuadrante lamquina funciona en rgimen de frenado en sentido directo.En el tercer cuadrante, el ascensor baja con la cabina vaca. El contrapeso evita el embalamiento dela cabina. Para que el ascensor baje, el par motor debe actuar en el mismo sentido que elmovimiento. De este modo tanto el par como la velocidad son negativos, por lo que la potenciamecnica es positiva. El tercer cuadrante representa el comportamiento de la mquina como motorp p p qgirando en sentido inverso.En el cuarto cuadrante el ascensor est cargado. La cabina baja por su propio peso, sin necesidaddel motor, pero la velocidad de cada podra alcanzar valores peligrosos. Por ello la mquinaelctrica debe desarrollar un par que se oponga a la aceleracin de la cabina El motor acta comoelctrica debe desarrollar un par que se oponga a la aceleracin de la cabina. El motor acta comofreno, siendo el producto del par por la velocidad negativo. El cuarto cuadrante representa elcomportamiento de la mquina como freno en sentido inverso.

1.6 Diagramas o esquemas

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El esquema o diagrama de conexiones nos muestracomo van enlazados los distintos componentes de unsistema controlsistema control.

o Esquema de situacin o deo Esquema de situacin o deemplazamiento

o Esquema de montaje o deq jconexiones

o Esquema funcional osimplificado o de principio

1.6 Diagramas o esquemas

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E f i l i lifi d d i i i Esquema funcional o simplificado o de principioSe trata de una representacin que prescinde totalmente de la posicin relativaocupada por los distintos elementos del equipo de controlocupada por los distintos elementos del equipo de control.El esquema funcional proporciona una imagen clara y sencilla de cmo quedanconectados entre s los diversos componentes del circuito permitiendo un estudiorpido de su funcionamiento, localizacin de averas o bien realizacin prctica.p , pLos circuitos de potencia (o fuerza) y de mando estn representados en partesdistintas del esquema.En los circuitos de potencia las lneas horizontales representan la red. Los distintosp pmotores o receptores estn colocados sobre las derivaciones. Se puede adoptarrepresentacin unifilar o multifilar. Los bornes de conexin de los aparatos exteriores alconjunto del aparellaje estn indicadas en el esquema.El esquema de mando est desarrollado entre dos lneas horizontales o verticales en

las que figuran las dos polaridades.Los rganos de mando de los contactores, rels etc... estn colocados unos acontinuacin de otros, siempre que sea posible en orden correspondiente a sualimentacin para su funcionamiento normal.

1.6 Diagramas o esquemas

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E f i l i lifi d d i i i Esquema funcional o simplificado o de principio

Circuito de fuerza o potencia Circuito de mando

1.7 Principales elementos que componen loscircuitos de control y accionamientoscircuitos de control y accionamientos

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Interruptores y conmutadores o combinadores Interruptores y conmutadores o combinadores Manuales: de cuchillas, de levas, de tambor.. Automticos: finales de carrera de presin de Automticos: finales de carrera, de presin, de

temperatura...

1.7 Principales elementos que componen losi it d t l i i tcircuitos de control y accionamientos

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Pulsadores: Pulsadores:Se accionan mecnicamente paraque abran o cierren (o ambas cosas)los circuitos auxiliares o de mandolos circuitos auxiliares o de mando,para accionar contactores u otroselementos que actuarn sobre loscircuitos de potenciacircuitos de potencia.Suelen emplearse varios colorespara una rpida identificacin, esusual emplear negro o verde (parausual emplear, negro o verde (parabotones de arranque) y rojo (parabotones de paro).

Accin momentnea

Accin sostenida Accin sostenida

1.7 Principales elementos que componen loscircuitos de control y accionamientoscircuitos de control y accionamientos

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Dispositivos de proteccin Fusibles: son dispositivos destructivos Fusibles: son dispositivos destructivos

que interrumpen el circuito al sercalentados y destruidos por el paso de

b i t id duna sobreintensidad. Interruptores automticos: son elementos

que se abren automticamente por laque se abren automticamente por laaccin de rels acoplados a los circuitosque se trata de proteger.

Elementos trmicos: los ms comunesson los rels trmicos y losmagnetotrmicosmagnetotrmicos.

1.7 Principales elementos que componen loscircuitos de control y accionamientoscircuitos de control y accionamientos

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Di iti d t i Dispositivos de proteccin

Interruptor automtico Rel trmicomagnetotrmico

C t tContactos auxiliares en el circuito de mando

Contactos principales en el circuito de fuerza

1.7 Principales elementos que componen losi it d t l i i tcircuitos de control y accionamientos

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Rels y Contactores electromagnticosSon aparatos de maniobra que interrumpen y restablecenl i it i d l t t il di tlos circuitos accionando los contactos mviles mediantela accin de un electroimn.

1.7 Principales elementos que componen losi it d t l i i tcircuitos de control y accionamientos

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R l iliC t t Rel auxiliarContactos principales

ContactorContactos auxiliares

Contactos auxiliares

1.7 Principales elementos que componen losi it d t l i i tcircuitos de control y accionamientos

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1.7 Principales elementos que componen losi it d t l i i tcircuitos de control y accionamientos

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Rels de retardo o temporizadoresExisten numerosos tipos, pueden ajustarse para regulartiempos cortsimos, ms largos como de varios minutos, oincluso sumamente dilatados como de varias horas.L i dif id d l l t i d d i i i d d La accin diferida del rel temporizado puede iniciarse de dosmaneras:

En el instante en que la bobina del dispositivo es excitada SeEn el instante en que la bobina del dispositivo es excitada. Sellaman rels de accin diferida posterior a la excitacin o deretardo al trabajo.

En el instante en que la bobina se desexcita. Se denominan deaccin diferida posterior a la desexcitacin o de retardo alaccin diferida posterior a la desexcitacin o de retardo alreposo.

1.7 Principales elementos que componen losi it d t l i i tcircuitos de control y accionamientos

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Resistencias y reostatosLa utilizacin normal de las resistencias yreostatos es la de limitar el paso de corrientereostatos es la de limitar el paso de corrientepor un elemento durante ciertos periodos detrabajo, as como para efectuar ajustes det itensin.Un reostato es una resistencia ajustableproyectada de forma que su valor puedeproyectada de forma que su valor puedemodificarse a voluntad sin interrumpir elcircuito en el que va conectado. La principalfuncin de los reostatos es el ajuste de lasfuncin de los reostatos es el ajuste de lascorrientes de excitacin de los generadores ymotores.

1.7 Principales elementos que componen losi it d t l i i tcircuitos de control y accionamientos

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TransformadoresSon mquinas elctricas estticas. Sus aplicaciones msi t t l i it d t l i i timportantes en los circuitos de control y accionamientos son:

Transformadores combinados con rectificadores Transformadores de mando o maniobra Transformadores compensadores Transformadores de tensin y de intensidad

1.7 Principales elementos que componen losi it d t l i i tcircuitos de control y accionamientos

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Convertidores electrnicos de potencia Convertidores electrnicos de potenciaEstn basados en dispositivos semiconductores y que trabajan enconmutacin comportndose como interruptores estticos Tipos:conmutacin comportndose como interruptores estticos. Tipos:- Conversin corriente alterna a corriente continua (rectificadores o

rectificadores controlados), regulacin de motores de c.c.C i i t ti i t ti ( h- Conversin corriente continua a corriente continua (choppers orecortadodes), regulacin de motores de c.c.

- Conversin corriente continua a corriente alterna, (inversores uonduladores), arranque y regulacin de motores de c.a.

- Conversin corriente alterna a corriente alterna:- Conversin c.a.-c.c.-c.a. (rectificadores +inversores), (control de laConversin c.a. c.c. c.a. (rectificadores inversores), (control de la

tensin y frecuencia)- Conversin c.a. a c.a. por control de fase (triacs o dos tiristores en

antiparalelo) (solo control de la tensin)antiparalelo) (solo control de la tensin)- Conversin directa c.a. a c.a. (cicloconvertidores)

1.7 Principales elementos que componen losi it d t l i i tcircuitos de control y accionamientos

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Mquinas elctricas rotativasEn gran parte de las instalaciones industriales losEn gran parte de las instalaciones industriales, losequipos que suministran la potencia principal estnconstituidos por mquinas elctricas rotativas. Def l t l d l ififorman elemental se pueden clasificar en:

Mquinas de corriente continuaqu as de co e e co ua Mquinas de corriente alterna:Mquinas Asncronas o de Induccin

De jaula de ardilla De rotor bobinado

Mquinas SncronasMquinas Sncronas

1.8 Aplicaciones comunes de los motores elctricoselctricos

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La tendencia (en media y gran potencia) es usar La tendencia (en media y gran potencia) es usarmotores de induccin de jaula de ardilla, controladospor convertidores de potencia.p p

Existe actualmente un gran desarrollo de los motoressncronos de imanes permanentes (media potencia).

Para aplicaciones de media y baja potencia an seemplean motores de corriente continua controlados porrectificadores o troceadores sin embargo su uso cadarectificadores o troceadores, sin embargo su uso cadavez es menor.

Tambin existen aplicaciones que emplean motores dep q pinduccin de rotor bobinado.

En baja y muy baja potencia (robtica) se usanli d i iampliamente motores de corriente continua.