Apuntes Sistemas Automaticos

 

 

UNIDAD I CONCEPTOS FUNDAMENTALES FUNDAMENTALES

SINOPSIS:EN ESTE CAPITULO SE ESTUDIARA LA HISTORIA DE LA AUTOMATIZACION, Y LOS TIPOS DE AUTOMATIZACION QUE EXISTEN HOY EN DIA (FIJA, PROGRAMABLE Y FLEXIBLE.)

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1.1 HISTORIA DE LA AUTOMATIZACION Automatización (automatización; del griego antiguo auto: guiado por uno mismo) es el uso de sistemas o elementos computarizados y electromecánicos para controlar maquinarias y/o procesos industriales. La automatización como una disciplina de la ingeniería que es más amplia que un mero sistema de control, abarca la instrumentación industrial,   que incluye los sensores, los transmisores de campo, los industrial, sistemas de control y supervisión, los sistemas de transmisión y recolección de datos y las aplicaciones de software en tiempo real para supervisar, controlar las operaciones de plantas o procesos industriales. Las primeras máquinas simples sustituían una forma de esfuerzo en otra forma que fueran manejadas por el ser humano, tal como levantar un peso pesado con sistema de poleas o con una palanca. Posteriormente las máquinas fueron capaces de sustituir formas naturales de energía renovable, tales como el viento, mareas, o un flujo de agua por energía humana. Todavía después, algunas formas de automatización fueron controlados por mecanismos de relojería o dispositivos similares utilizando algunas formas de fuentes de poder artificiales -algún resorte, un flujo canalizado de agua o vapor para producir acciones simples y repetitivas, tal como figuras en movimiento, creación de música, o juegos. Dichos dispositivos caracterizaban a figuras humanas, fueron conocidos como autómatas y datan posiblemente desde 300 AC. En 1801, la patente de un telar automático utilizando tarjetas perforadas fue dada a Joseph Marie Jacquard, Jacquard,   quien revolucionó la industria del textil.  textil.  La parte más visible de la automatización actual puede ser la robótica la robótica industrial. Algunas ventajas son repetitividad, control de calidad más estrecho, mayor eficiencia, integración con sistemas empresariales, incremento de productividad y reducción de trabajo. Algunas desventajas son requerimientos de un gran capital, decremento

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severo en la flexibilidad, y un incremento en la dependencia del mantenimiento y reparación. Por ejemplo, Japón ha tenido necesidad de retirar muchos de sus robots industriales cuando encontraron que eran incapaces de adaptarse a los cambios dramáticos de los requerimientos de producción y no eran capaces de justificar sus altos costos iniciales. Para mediados del siglo XX, la automatización había existido por muchos años en una escala pequeña, utilizando mecanismos simples para automatizar tareas sencillas de manufactura. Sin embargo el concepto solamente llegó a ser realmente práctico con la adición (y evolución) de las computadoras digitales, cuya flexibilidad permitió manejar cualquier clase de tarea. Las computadoras digitales con la combinación requerida de velocidad, poder de cómputo, precio y tamaño empezaron a aparecer en la década de 1960s. Antes de ese tiempo, las computadoras industriales eran exclusivamente computadoras analógicas computadoras híbridas. entonces las computadoras digitalesy tomaron el control de la Desde mayoría de las tareas simples, repetitivas, tareas semi especializadas y especializadas, con algunas excepciones notables en la producción e inspección de alimentos. Como un famoso dicho anónimo dice, "para muchas y muy cambiantes tareas, es difícil remplazar al ser humano, quienes son fácilmente vueltos a entrenar dentro de un amplio rango de tareas, más aún, son producidos a bajo costo por personal sin entrenamiento." Existen muchos trabajos donde no existe riesgo inmediato de la automatización. Ningún dispositivo ha sido inventado que pueda competir contra el ojo humano para la precisión y certeza en muchas tareas; tampoco el oído humano. El más inútil de los seres humanos puede identificar y distinguir mayor cantidad de esencias que cualquier dispositivo automático. Las habilidades para el patrón de reconocimiento humano, reconocimiento de lenguaje y producción de lenguaje se encuentran más allá de cualquier expectativa de los ingenieros de automatización. Existe un concepto fundamental y muy actual en torno a la  Automatización y es el deDistribuido DCS (Sistemas de Control Distribuido).. Un Industrial Distribuido) Sistema de Control está formado por

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varios niveles de automatización que van desde un mínimo de 3 hasta 5. Los mismos de denominan: nivel de campo (donde se encuentran los sensores y actuadores), nivel de control (donde se encuentran los PLCs o las Estaciones de Automatización), nivel de supervisión (donde se encuentran las Estaciones de Operación y los Servidores de Proceso), nivel MES (donde se encuentran PCs con softwares especializados para la distribución de toda la información inf ormación de planta así como la generación de reportes)y el nivel ERP (donde se encuentran igualmente PCs con softwares especializados para la planificación y administración de la producción de toda la industria o empresa). Computadoras especializadas y tarjetas de entradas y salidas tanto analógicas como digitales, son utilizadas para leer entradas de campo a través de sensores y en base a su programa, generar salidas hacia el campo a través de actuadores. Esto conduce para controlar acciones precisas que permitan un control estrecho de cualquier proceso industrial. (Secon temía que estos dispositivos fueran vulnerables al error del año 2000, consecuencias catastróficas, ya que son tan comunes dentro del mundo de la industria). Las interfaces Hombre-Máquina (HMI) o interfaces HombreComputadora (CHI), formalmente conocidas como interfaces HombreMáquina, son comúnmente empleadas para comunicarse con los PLCs y otras computadoras, para labores tales como introducir y monitorear temperaturas o presiones para controles automáticos o respuesta a mensajes de alarma. El personal de servicio que monitorea y controla estas interfaces son conocidos como ingenieros de estación y el personal que opera directamente en la HMI o SCADA (Sistema de Control y Adquisición de Datos)es conocido como personal de operación. Otra forma de automatización que involucra computadoras es la prueba de automatización, donde las computadoras controlan un equipo de prueba automático que es programado para simular seres humanos que prueban manualmente una aplicación. Esto es acompañado por lo general de herramientas automáticas para generar instrucciones especiales (escritas como programas de computadora) que equipo automático en prueba en la dirección exacta paradireccionan terminar lasalpruebas.

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1.2 AUTOMATIZACION La automatización es un sistema donde se trasfieren tareas de producción, realizadas habitualmente por operadores humanos a un conjunto de elementos tecnológicos. Un sistema automatizado consta de dos partes principales:   Parte de Mando

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  Parte Operativa

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La Parte Operativa  es la parte que actúa directamente sobre la máquina. Son los elementos que hacen que la máquina se mueva y realice la operación deseada. Los elementos que forman la parte operativa son los accionadores de las máquinas como mot motores, ores, cilindros, compresores y los captadores como fotodiodos, finales de carrera. La Parte de Mando  suele ser un autómata programable (tecnología programada), aunque hasta hace bien poco se utilizaban relés electromagnéticos, tarjetas electrónicas o módulos lógicos neumáticos (tecnología cableada). En un sistema de fabricación automatizado el autómata programable está en el centro del sistema. Este debe ser capaz de comunicarse con todos los constituyentes de sistema automatizado.

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1.2.1 Objetivos de la automatización  

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  Mejorar la product productividad ividad de la empresa, reduciendo los costes de la producción y mejorando la calidad de la misma.

  Mejorar las condiciones de trabaj trabajo o del personal, suprimiendo los trabajos trabajos penosos e incrementando la seguridad. 6 

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  Realizar las operaciones imposi imposibles bles de controlar intelectual o manualmente.

  Mejorar la disponibilidad de los pro productos, ductos, pudiendo proveer las cantidades necesarias en el momento preciso.

  Simplificar el mant mantenimiento enimiento de forma que el operario no requiera grandes conocimientos para la manipulación del proceso productivo.

  Integrar la gestión y producción.

 

 

1.2.2 La automatización fija  Se utiliza cuando el volumen de producción es muy alto, y por tanto ta nto es adecuada para diseñar equipos especializados para procesar el producto (o un componente de producto) con alto rendimiento y con elevadas tasas de producción. Sus desventajas son que su costo de inversión inicial eseselevado, queeluna vez quede que seobsoleto. acaba el ciclo de vida del producto probableyque equipo Las características típicas son:   Fuerte inversión inicial para equipo de ingeniería

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  Altos índices de producción

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  Relativamente inflexible en adaptarse a cambios en el producto

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1.2.3 Automatización programable La automatización programable se emplea cuando el volumen de producción es relativamente bajo y hay una diversidad de producción a obtener. En este caso el equipo de producción es diseñado para adaptarse a la variaciones de configuración del producto; ésta adaptación se realiza por medio de un programa (Software). 

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Las características típicas son:   Fuerte inversión en equipo general

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  Índices bajos de producción para la automatización fija

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  Flexibilidad con n ca cambios mbios en la configuración del producto para lidiar co   Conveniente para la producción en montones

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1.2.4 Automatización flexible

La automatización flexible es más adecuada para un rango de producción medio. Estos sistemas flexibles poseen características de la automatización fija y de la automatización programada. Los sistemas flexibles suelen estar constituidos por una serie de estaciones de trabajo interconectadas entre si por sistemas de almacenamiento y manipulación de materiales, controlados en su conjunto por una computadora. Las características típicas pueden resumirse como sigue: 

  Fuerte inversión para equipo de ingeniería

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  Producción continua de mezclas variables de productos

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  Índices de producción media



  Flexibilidad para lidiar con las variaciones en diseño de dell producto

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Las características esenciales que distinguen la automatización flexible de la programable son: I.

Capacidad para cambiar partes del programa sin perder tiempo de producción y;

II.

Capacidad para cambiar sobre algo establecido físicamente asimismo sin perder tiempo de producción. 9 

1.3 CONFIGURACIÓN DE SISTEMAS AUTOMATICOS Configuración: Conjunto de variables que controlan la operación general de un programa o datos que determinan el valor de algunas variables. Sistema: Está compuesto de diferentes elementos en cargados de hacer funcionar un cuerpo. Sistemas Automáticos: es un mecanismo que funciona en toda parte o por si solo; su objetivo es evitar que el hombre realice dicho trabajo.

 

 

UNIDAD II Elementos de señal

SINOPSIS: EN ESTE CAPITULO EL ALUMNO EXPLICARÁ LOS COMPONENTES DE UN SISTEMA  AUTOMÁTICO Y LA RELACIÓN ENTRE ELLOS, EL LOS, ASÍ COMO SU FUNCIÓN

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2.1INTRODUCCION   Transporta elementos de datos

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  Lo que se envía

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  Son los portadores

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2.2 CLASIFICACIÓN Y FUNCIONAMIENTO DE LOS ELEMENTOS DE SEÑAL   Señales de consigna

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  Señales de control

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Estos a su vez forman un sistema de control.

2.3ELEMENTOS DE SEÑAL DIGITALES BINARIOS 2.3.1 Eléctricos Señal eléctrica Entenderemos por señal eléctrica a una magnitud eléctrica cuyo valoro intensidad depende del tiempo. Así, v(t) es una tensión cuya amplitud depende del tiempo e i(t) es una corriente cuya intensidad depende del tiempo. Por lo general se designa la palabra señal para referirse a magnitudes que varían de alguna forma en el tiempo. Interpretaremos a las magnitudes constantes como casos particulares de señales eléctricas.

2.3.2 De proximidad En el amplio aspecto de aplicaciones industriales que existen, una de las principales informaciones que es necesario extraer de un proceso determinado es la presencia o ausencia de un objeto, al paso por un punto determinado, la cercanía a una región de importancia, el contaje de número de piezas que pasan, el verificar la completitud de un lote de elementos, etc., es decir, en definitiva el detectar la presencia o proximidad de un objeto determinado. En este criterio se agrupan los diferentes tipos de sensores bajo la denominación de sensores de proximidad.

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Clasificación: Reciben el nombre de detectores de objetos todos los dispositivos que proporcionan una señal en función de la presencia de un objeto. La detección de la presencia de un objeto depende de varios factores: la distancia, la velocidad, el tipo de material, etc. La variación de estos factores en amplios márgenes, hace que existan diferentes procedimientos de detección que dan lugar a otros tantos tipos de sensores. Existen dos formas principales en que un objeto actúa sobre un sensor, que se diferencian por la existencia o no de contacto entre ambos: I.

Sensores con contacto: son sensores en los que el objeto toca físicamente al sensor y cierra o abra uno a más circuitos eléctricos.

II.

Sensores sin contacto: son sensores que detectan la presencia de un objeto sin necesidad de que exista un contacto físico entre el objeto y dicho sensor.

  Sensores con contacto

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En múltiples sistemas de control es necesaria la utilización de sensores detectores de objetos sencillos, robustos, fiables y de coste reducido. Pueden ser de dos tipos: -  Microrruptores -  Finales de carrera

Las características comentadas son típicas de los sensores con contacto, que presentan las siguientes ventajas con respecto a los sensores sin contacto: -  Pueden detectar cualquier objeto independientemente del

material con el que estén realizado.

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-  No les afectan las interferencias procedentes del medio exterior,

como por ejemplo los ruidos eléctricos, fuentes de luz, radiaciones electromagnéticas, etc. -  Su salida está constituida por uno o más contactos libres de

potencial por lo que se pueden utilizar para ´proporcionar una variable binaria a un sistema electrónico digital. -  Su funcionamiento es exclusivamente mecánico. Presentan el inconveniente de que su salida produce rebotes que es necesario eliminar cuando se conectan a un sistema electrónico.

Figura. Ejemplo de Sensor de Contacto   Sensores sin contacto

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Conforman un grupo de sensores muy amplio. Como su nombre lo indica, la característica principal es el hecho de que permiten detectar el objeto sin que se necesario el contacto físico. Esto confiere una capacidad de maniobra mucho mayor y además permite mantener inalterable el sistema de control. Estos sensores presentan las siguientes ventajas con respecto a los anteriores. -  Detectan objetos a distancia, sin necesidad de contacto físico. -  Suelen poseer únicamente capacidad de detección y no son a la

vez elementos de corte de corriente. -  Son versátiles en sus características de uso, pudiendo dar

información directa o indirectamente de varias magnitudes físicas.

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-  Pueden ofrecer ventaj ventajas as selectivas de funcionamiento con

ciertos materiales sin verse afectados por otros. Es un grupo muy heterogéneo de sensores, pero engloba sensores con principios de funcionamiento muy diferentes, desde sensores que se basan en la transmisión de sonido hasta los que se fundamentan en la inducción electromagnética. Todos necesitan alimentación externa para su funcionamiento. Los grandes grupos de sensores sin contacto reciben los nombres siguientes: Inductivos, capacitivos, opto electrónicos, ultrasónicos y magnéticos.

Figura. Ejemplo de Sensor sin Contacto   Sensores de proximidad ultrasónicos

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Introducción Los sensores de ultrasonidos son detectores de proximidad que trabajan libres de roces mecánicos y detectan objetos a distancias de hasta 8m. El sensor emite pulsos ultrasónicos. Estos reflejan en un objeto, el sensor recibe el eco producido y lo convierte en señales eléctricas, las cuales son elaboradas en el aparato de valoración. Estos sensores trabajan solamente en el aire, y pueden detectar objetos con diferentes formas, colores, superficies y de diferentes materiales. Los materiales pueden ser sólidos, líquidos o polvorientos, sin embargo han de ser deflectores de sonido. Los sensores trabajan

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según el tiempo de transcurso del eco, es decir, se valora la distancia temporal entre el impulso de emisión y el impulso del eco.

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Figura. Ejemplo de sensor ultrasónico Características de los ultrasonidos La frecuencia del sonido que está por encima del límite audible humano se conoce con el nombre de ultrasonido. El limite más bajo esta aproximadamente en los 20kHz. Las particulares características de los ultrasonidos, aplicada a los sensores de proximidad, son el resultado de la propagación de largas ondas mecánicas, que se manifiestan por una variación periódica de la densidad del medio portador, que conduce a comprensiones y dilataciones. La propagación de las ondas de sonido depende del medio transmisor, con lo que no es posible que se propague en el vacío.

Figura. Escala de la frecuencia del sonido Funcionamiento El sensor de proximidad ultrasónico puede dividirse en tres módulos principales, el transductor la unidad de evaluación y la etapa de salida; un pulso ultrasónico, corto dispara brevemente el transmisor

 

 

ultrasónico. Este es generalmente un módulo piezoeléctrico, es decir, basado en piezooxidos (materiales cerámicos que reaccionan según el efecto piezoeléctrico, de forma similar al cuarzo). El transmisor ultrasónico emite ondas sónicas en el rango inaudible a cualquier frecuencia, generalmente entre 30 y 300 kHz. En muchos casos, el transmisor ultrasónico cambia de emisor a receptor, es decir, operando como en un micrófono. Los filtros dentro del sensor de proximidad ultrasónico, comprueban si el sonido recibido es realmente el eco de las ondas sónicas emitidas.

Figura. Gráfica funcionamiento Características técnicas de los sensores de proximidad pro ximidad ultrasónicos. Los sensores de proximidad ultrasónicos generalmente están disponibles en forma de sensores de reflexión directa, donde el emisor y el receptor se hallan en un mismo cuerpo. Por otro lado, se dispone de barreras ultrasónicas, que tienen el emisor y el receptor en cuerpos separados. Se pueden citar las siguientes ventajas: -  Rango de detección relativamente amplio (hasta varios metros). -  Detección del objeto independientemente del material y del color -  detección segura de objetos transparentes (por ejemplo, botellas

de vidrio). -  Relativamente insensibles a la suciedad y el polvo.

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-  Posibilidad de desvanecimiento gradual del fondo. -  Posibilidad de aplicaciones al aire libre y detección sin contacto

con puntos de conmutación de precisión variable. -  La zona de detección puede dividirse a voluntad. -  Se dispone de versiones programables.

Los sensores de proximidad ultrasónicos tienen las siguientes desventajas: -  Si se utilizan sensores de proximidad ultrasónicos para

superficies inclinadas, el sonido se desvía. Por ello, es importante que la superficie del objeto a reflejar esté dispuesta perpendicularmente al eje de propagación del sonido, o bien, que se utilicen barreras ultrasónicas. -  Los sensores de proximidad ultrasónicos reaccionan con relativa

lentitud. La frecuencia de conmutación máxima esta entre 1 y 125 Hz.

-  Los sensores de proximidad ultrasónicos son generalmente mas

caros que los sensores de proximidad ópticos (casi el doble). Ejemplos:

Figura. Medición del diámetro del enrollado de un rollo

Figura. Detección de Llenado

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Figura. Detección de la rotura de un hilo   Sensores de proximidad fotoeléctricos

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Censar con un haz de luz ha sido popular desde 1950. El sensor fotoeléctrico de hoy es uno de los más versátiles dispositivos de censado de no contacto conocido por el hombre. La fiabilidad de los sensores fotoeléctricos dieron un gran salto en los años 70 cuando la luz del diodo emisor (LED) reemplazo la luz incandescente. En comparación con los demás sensores de proximidad, los sensores fotoeléctricos presentan las siguientes ventajas: -  Distancias de det detección ección mucho más grandes que en el caso de

los capacitivos e inductivos. Se pueden obtener hasta 500 metros en tipo separado y 5 metros en deflexión. -  Permiten la identificación de colores y objetos de pequeño

tamaño (decimas de milímetro). Los sensores fotoeléctricos de pulso modulado responden únicamente a la luz emitida por su propia fuente de luz.

Figura. Sensor fotoeléctrico

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Modular la luz de un LED simplemente significa encenderlo y apagarlo en alta frecuencia. El secreto de la eficiencia de un sistema modulado es que el fototransistor del sensor y el amplificador estén sintonizados a la frecuencia de la modulación, dando como resultado, que únicamente la luz modulada es amplificada, y toda la otra luz que alcanza al fototransistor es ignorada. Esto es análogo a un radio receptor el cual sintoniza fuertemente a una estación mientras que ignora las otras ondas de radio que están presentes en el lugar. 19 

Figura. Esquema Básico del funcionamiento del sensor fotoeléctrico Modos de detección de los sensores fotoeléctricos. f otoeléctricos. Este tipo de sensores generalmente incorporan un circuito que permite la activación de sensores por la presencia o por la ausencia del objeto, a estos modos se les denomina Light ON (activación por luz) y Dark ON (activación por obscuridad).  

Light ON (Activación por Luz) El objeto por sí mismo debe reflejar el haz de luz al lente del receptor.

 

 

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Dark ON (Activación por Obscuridad)

El objeto debe romper o disminuir un haz de luz existente entre la fuente de luz y el lente receptor.

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Características de un sensor fotoeléctrico. Distancia de censado: Es una de las primeras características que se busca en los sensores, ¿cuál es la distancia que puede censar?, y esto es desde luego porque se tiene la necesidad de censar un objeto a cierta por lo que se debe buscar el más apropiado, es decir, que distancia, no cense algo que está más lejos de los que se desea detectar o que se quede corto y no detecte lo que se requiere, es decir buscar la eficiencia tanto e calidad de detección como en el costo del sensor.

 Angulo direccional: Cuando se realizan pruebas en la instalación de los sensores tipo separado o retroreflectivo, es conveniente realizar pruebas que permitan saber cuál es el alcance del sensor cuando este pudiera moverse y que no llegara a estar en línea de vista el emisor con el receptor, estos sensores están compuestos de dos elementos o partes, por lo que se debe de considerar el ángulo direccional que pudieran formar estas partes, este ángulo nos informa cual es el rango máximo en que puede funcionar este sensor.

 

 

Figura. Medición Del Ángulo Direccional   Sensores de proximidad capacitivos.

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Funcionamiento. Los sensores de proximidad capacitivos se diseñan para trabajar generando un campo electrostático y detectando cambios en dicho campo a causa de un objeto que se aproxima a la superficie de detección. Los elementos de trabajo del sensor son, a saber, una sonda capacitiva de detección, un oscilador, un rectificador de señal, un circuito de filtrado y el correspondiente circuito de salida. En ausencia de objetos el oscilador se encuentra inactivo. Cuando se aproxima un objeto, el oscilador aumenta la capacitancia del condensador que hace de detector. Al superar la capacitancia un umbral predeterminado se activa el oscilador, el cual dispara el circuito de salida para que cambie entre “on” (encendido) y “off”(apagado).  La capacitancia de la sonda de detección viene condicionada por el tamaño del objeto a detectar, por la constante dieléctrica y por la distancia de este al sensor. A mayor tamaño y mayor constante dieléctrica de un objeto, mayor el incremento de la capacitancia. A menor distancia entre el objeto y sensor, mayor el incremento de capacitancia de la sonda por parte del objeto. Los sensores capacitivos son a menudo más utilizados exitosamente en las aplicaciones que no pueden ser resueltas por otras técnicas de sensado. Estos responden a un cambio de dieléctrico en el medio que

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rodea la zona activa y, por medio de la regulación incorporada, permite sensar prácticamente cualquier sustancia. Además pueden detectar materiales a través de paredes de vidrio, plástico, o láminas de cartón. Para el sensado de materiales de alta constante dieléctrica (agua, metales, aceite, combustible, azúcar, papel), no es necesario el contacto físico de los materiales con el sensor. Para los materiales plásticos y de baja densidad es necesario realizar un ajuste cuidadoso, ya que al ser materiales de baja constante dieléctrica, son de difícil detección. El sensor fotoeléctrico consta fundamentalmente de un electrodo situado en el extremo del detector, conectado al citado circuito oscilador. Este electrodo constituye normalmente la palca de un condensador, el cual, a su vez, forma parte de un bucle de retroalimentación positiva dentro de dicho circuito oscilador; la otra placa de este condensador variable la constituye, o bien el propio objeto a detectar, el cual debe estar conectado previamente a masa, o bien una placa de masa independiente, ante la que se interpone el objeto.

Figura. Funcionamiento Generalmente, el oscilador no oscila cuando la retroalimentación positiva es insuficiente. Debido a la presencia del objeto frente al electrodo, el circuito oscilador recibe un incremento de esta realimentación y empieza a oscilar, provocando la aparición de una

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señal de salida. Este tipo de sensor sen sor puede detectar materiales líquidos conductores con gran sensibilidad. Sin embargo, la sensibilidad de detección de los aislantes es menor que la de las sustancia conductoras. Cuanto mayor es la constante dieléctrica y menor es el espesor, mayor es el sensado obtenido. La sensibilidad depende de las sustancias conductoras conectadas a los aislantes o colocadas en los mismos.   Sensores de proximidad inductivos

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Los sensores inductivos hacen uso de las propiedades magnéticas de diversos materiales y de las variaciones de diferentes parámetros asociados a los circuitos magnéticos (longitudes o secciones de núcleos, entrehierros, etc.), para alterar la inductancia de bobinas normalmente fijas, consiguiendo variar la geometría del circuito magnético, permitiéndole detectar la presencia de objetos metálicos. Constitución física. Estos son los bloques que habitualmente constituyen un sensor inductivo, aunque en algunos modelos el amplificador puede estar implementado en otro dispositivo con carcasa independiente, para reducir el tamaño del sensor.

Figura. Bloques de un sensor inductivo

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Modo de operación Cuando un objeto o placa metálica se mueve dentro de un campo magnético, sobre la placa magnética se generan unas corrientes eléctricas conocidas como corrientes de Eddy o corrientes co rrientes de Focault. Este es el principio que usan la mayor parte de los sensores inductivos empleados en la industria. En ellos la bobina sensora está provista de un núcleo descubierto hacia el lado de detección, al aplicar tensión al sensor, la bobina produce un campo magnético alterno de alta frecuencia, dirigido hacia el lado activo sensible.  Al acercarse un metal al lado activo, se presentan unas corrientes parasitas, las cuales influyen en el circuito oscilador, reduciendo la amplitud de oscilación y reduciendo el consumo de corriente del sensor. Estas señales son tratadas por el circuito rectificador y comparador, emitiendo la correspondiente señal de salida. Las principales aplicaciones de los sensores inductivos son la detección de piezas metálicas. Debido a su funcionamiento, en el que detectan los objetos sin contacto físico, permiten el contaje, analizar su posición y forma de los objetos metálicos, se pueden emplear en la industria alimentaria, ya que no interfiere en los productos. produc tos.

2.3.3 Encoders Un encoder, también conocido como codificador o decodificador en Español, es un dispositivo, circuito, programa de software, un algoritmo o incluso hasta una persona cuyo objetivo es convertir información de un formato a otro con el propósito de estandarización, velocidad, confidencialidad, seguridad o incluso para comprimir archivos. Los encoders de los que hablaremos aquí son encoders para motores eléctricos DC más comúnmente usados en la industria minera, de transporte (trenes) y en generadores de turbinas eólicas. Su función es la de convertir el movimiento mecánico (giros del eje) en pulsos digitales o análogos que pueden ser interpretados por un controlador de movimiento.

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¿Cómo Funciona? Para explicar cómo funciona un encoder debemos mencionar que un encoder se compone básicamente de un disco conectado a un eje giratorio. El disco está hecho de vidrio o plástico y se encuentra “codificado”

con unas partes transparentes y otras opacas que bloquean el paso de la luz emitida por la fuente de luz (típicamente emisores infrarrojos). En la mayoría de los casos, estas áreas bloqueadas (codificadas) están arregladas en forma radial.  A medida que el eje rota, el emisor infrarrojo emite luz que es recibida por el sensor óptico (o foto-transistor) generando los pulsos digitales a medida que la luz cruza a través del disco o es bloqueada en diferentes secciones de este. Esto produce una secuencia que puede ser usada para controlar el radio de giro, la dirección del movimiento e incluso la velocidad. Los encoders son utilizados en una infinidad de campos e industrias que van desde máquinas de fax, electro-domésticos de consumo hasta robótica, robótica, minería transporte, maquinaria, aeroespacial y más. ¿Cuántos tipos de encoders hay? Existen básicamente dos tipos de encoder según su diseños básico y funcionalidad: encoder Incremental y encoder absoluto. Adicionalmente existen otros tipos de encoders como por ejemplo el encoder óptico, lineal y el encoder de cuadratura. cuad ratura.   Encoder Óptico

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El encoder óptico es el tipo de encoder más comúnmente usado y consta básicamente de tres partes: una fuente emisora de luz, un disco giratorio y un detector de luz conocido como “foto detector”.  El disco está montado sobre un eje giratorio y cuenta con secciones opacas y transparentes sobre la cara del disco. La luz que emite la fuente es recibida por el foto-detector o interrumpida por el patrón de secciones opacas produciendo como resultado señales de pulso.

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El código que se produce con dichas señales de pulso es entonces leído por un dispositivo controlador el cual incluyen un microprocesador para determinar el ángulo exacto del eje.   Encoder Lineal

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Un encoder lineal es un dispositivo o sensor que cuenta con una escala graduada para determinar su posición. Los sensores en el encoder leen la escala para después convertir su posición codificada en una señal digital que puede ser interpretada por un controlador de movimiento electrónico. Los encoders lineales pueden ser absolutos o incrementales y existen diferentes tipos de encoders lineales según la tecnología usada en su mecanismo, por ejemplo, tecnología óptica, magnética, inductiva o capacitiva. Este tipo de encoder es más utilizado en aplicaciones de metrología, sistemas de movimiento y para controlar instrumentos de alta precisión utilizados en la fabricación de herramientas.   Encoder de Cuadratura

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Un encoder de cuadratura es un tipo de encoder rotativo incremental el cual tiene la capacidad de indicar tanto la posición como la dirección y la velocidad del movimiento. Los encoders de cuadratura se encuentran con mucha más frecuencia en muchos productos eléctricos de consumo y en una infinidad de aplicaciones comerciales. La flexibilidad del encoder de cuadratura es su principal ventaja ya que ofrecen una alta resolución, medición con precisión quirúrgica y pueden trabajar en un gran espectro de velocidades que van desde unas cuantas revoluciones por minuto hasta velocidades que van más allá de las 5000 RPM. Este tipo de encoder de cuadratura generalmente utiliza sensores ópticos o magnéticos, lo cual los convierte en dispositivos sencillos de usar y extremadamente duraderos.   Encoder Incremental

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Un encoder incremental, Un encoder incremental,   como su nombre lo indica, es un encoder que determina el ángulo de posición por medio de realizar cuentas incrementales. Esto quiere decir que el encoder incremental provee una posición estratégica desde donde siempre comenzará la cuenta. La posición actual del encoder es incremental cuando es comparada con la última posición registrada por el sensor. Los encoders incrementales son un tipo de encoder óptico y este en este tipo de encoder cada posición es completamente única.

Figura. Encoder Incremental   Encoder Absoluto

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Un encoder absoluto se basa en la información proveída para Un  determinar la posición absoluta en secuencia. Un encoder absoluto ofrece un cogido único para cada posición. Los encoders absolutos se dividen en dos grupos: los encoders de un solo giro y los encoders absolutos de giro múltiple y su tamaño es pequeño para permitir una integración más simple. Los encoders absolutos son más comúnmente usados en motores eléctricos de corriente directa sin cepillos (brushless DC motors), en la medicina, la industria del transporte en especial en trenes, en la minería y otras industrias.

Figura. Encoder Absoluto

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2.4 ELEMENTOS DE SEÑAL ANALÓGICOS El comportamiento de la naturaleza es analógico: la intensidad (amplitud) de los fenómenos que en ella se producen cambian continuamente a través del tiempo. La presión atmosférica y la temperatura, por ejemplo, están cambiando continuamente de un valor a otro y en el ínterin registran millones de valores. Otro ejemplo de señal analógica es la que envía nuestra voz. 28 

Figura. Señal Analógica Las señales analógicas son por ende señales eléctricas de variación continua en intensidad o amplitud en el tiempo, como se puede apreciar en la figura. Hasta hace poco, la forma dominante de transmisión de señales de radio y televisión ha sido analógica. La gran desventaja de ese tipo de transmisión es que el ambiente genera también señales del tipo analógico, conocidas como ruido, que generalmente interfieren con las que acarrean información y crean complicaciones resultando en una señal de menor calidad.

Figura. Señal Digital Por otro lado, las señales digitales adquieren uno de dos valores a través del tiempo, como se puede apreciar en la figura. Su

 

 

comportamiento se puede equiparar al de un interruptor (o switch) que tiene uno de dos estados: encendido o apagado. Las ventajas de este tipo de transmisión es, primero, su inmunidad a las interferencias ya que al digitalizar una señal se elimina el “ruido” producido por el medio

ambiente, produciendo una señal más pura y de mayor resolución (si se cumplen otros requisitos que no son importantes en este momento); y, segundo, que puede codificarse usando el sistema binario que se basa en los dígitos 1 (encendido) y 0 (apagado). Ese tipo de código se presta al almacenamiento; o sea, se puede guardar en memorias de las utilizadas en cámaras digitales y discos duros de computadoras.

2.4.1 Sensores Un sensor o captador, como prefiera llamársele, no es más que un dispositivo diseñado para recibir información de una magnitud del exterior y transformarla en otra magnitud, normalmente eléctrica, que seamos capaces de cuantificar y manipular. Normalmente estos dispositivos se encuentran realizados mediante la utilización de componentes pasivos (resistencias variables, PTC, NTC, LDR, etc... todos aquellos componentes que varían su magnitud en función de alguna variable), y la utilización de componentes com ponentes activos.

2.4.2Transmisores Generalidades Los transmisores son instrumentos que captan la variable de proceso y la transmiten a distancia a un instrumento receptor indicador, registrador, controlador o combinación de estos. Existen varios tipos de señales de transmisión: neumáticas, electrónicas, digitales, hidráulicas y telemétricas. Según el tipo de señal se clasificarán los transmisores.

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  Transmisores neumáticos

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Los transmisores neumáticos generan una señal neumática variable linealmente de 3 a 15 psi para el campo de medida de 0-100% de la variable. Utilizando el sistema métrico decimal la señal que se empleará será de 0,2-1 bar, siendo prácticamente equivalente a la anterior. Así, por este procedimiento, según la presión de salida se transmitirá un valor de la variable. Existen varias configuraciones posibles basándose todas ellas en un sistema tobera-obturador, mediante el cual se regula la presión de la señal de salida. El movimiento del obturador, dejando más sección de la tobera libre o menos, nos determina la presión de salida, así sólo queda regular el movimiento de éste en función de la señal de entrada. A continuación se presenta el dispositivo tobera obturador, además de diferentes variantes de este tipo de transmisores.

Figura. Sistema Tobera-obturador   Transmisores electrónicos



Los transmisores electrónicos generan una señal estándar de 4-20 mA c.c. A veces esta señal de salida es sustituida por un voltaje de 15V, si existen problemas de suministro electrónico. Así cualquier señal captada se podrá transmitir en forma de señal eléctrica estableciendo una relación, a ser posible lineal, entre el valor de la variable recibida y el de corriente saliente. El hecho de tener como valor asignado a la entrada nula una corriente de 4 mA se debe a la posibilidad de detectar de este modo cortes de línea.

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  Transmisores digitales



Los transmisores digitales emiten una señal digital, que consiste en una serie de impulsos (señal de muy pequeña duración) en forma de bits. Cada bit consistirá en dos signos, el 0 y el 1, que corresponden al paso o no de corriente. Así según el número de bits que tengamos podremos codificar diferente número de niveles, mayor a más bits. Así al tener un mayor número de niveles de señal de salida mejor será la resolución al poder representar niveles de la de entrada más próximos, suponiendo una relación lineal entre ambas variables en todo el campo de medida. La principal ventaja de este tipo de transmisor es que su señal de salida puede ser recibida directamente por un procesador. La gran innovación de este tipo de transmisor fue la posibilidad de introducir en él funciones adicionales, a la propia de medida de la variable.

2.5 OTROS ELEMENTOS DE SEÑAL   2.5.1Sensores de visión Los sistemas de visión industrial miden, guían, inspeccionan, cuentan e identifican productos en las líneas de producción más rápidas. Los sistemas de visión le ayudan a optimizar sus procesos de producción, relacionando la captura y procesando de imágenes a alta velocidad, para comparar imágenes que ayuden a inspeccionar los productos través los dedesechos un proceso de fabricación, ayudando a las empresas aareducir y duplicación del trabajo. Las industrias desde la farmacéutica hasta la automotriz o electrónica requieren sistemas de visión para garantizar que los productos terminados que suministran a sus clientes alcancen los mayores niveles de calidad. Los sistemas de visión le ayudan a identificar con gran exactitud y precisión incluso en las líneas de producción más rápidas, cubriendo diversos sistemas de identificación como códigos de barras 1D o 2D, caracteres alfanuméricos, forma o color, grabados, etc.

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Los sistemas brindan resultados inigualables en la lectura de códigos de 1D y 2D, nuestras potentes herramientas de OCR lee cadenas de textos incluso en las condiciones más variadas como la rotación e iluminación irregular. Los sensores de Visión, pueden utilizarse en aplicaciones de presencia /ausencia y aplicaciones de medición, puede realizar varias comprobaciones en cada uno de los productos que fabriquen, entre las principales ventajas se incluye:

-  Reducción de residuos. -  Reducción de periodos de inactividad y mantenimiento -  Simplificación

de la operación de con configuración y

mantenimiento. -  Visualización y grabación de imágenes -  Eliminación de programación en PLC -  Inspección del 100% de las Piezas

Figura. Sensor de Visión La solución de Sensores de Visión, inspeccionar rasgos que otros sensores no pueden como un código impreso en una etiqueta, grafico de una imagen o varios rasgos en una sola imagen, los Checker entienden lo que ven. Los sensores de Visión, aprovechan las mejores características de los sensores fotoeléctricos para brindar a las empresas un sistema de todo en un solo dispositivo, cámara integrada, procesador, iluminación, óptica e interfaces digitales.

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UNIDAD III ELEMENTOS DE TRABAJO Y MANDO

SINOPSIS: EN ESTE CAPITULO EL ALUMNO  APLICARÁ LOS DIFERENTES TIPOS DE ELEMENTOS DE TRABAJO Y MANDO EN LA OPERACIÓN DE UN SISTEMA AUTOMÁTICO.

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3.1 INTRODUCCIÓN Los sistemas de movimiento y control basados en fluidos pueden ser neumáticos, hidráulicos, eléctricos y mecánicos.

3.2 ELEMENTOS DE TRABAJO Y MANDO M ANDO NEUMÁTICOS. La palabra neumática se refiere al estudio del movimiento del aire y así en sus comienzos el hombre utilizo el viento en la navegación y en el uso de los molinos para moler grano y bombear agua. En 1868 George Westinghouse fabrico un freno de aire que revoluciono la seguridad en el transporte ferroviario. Es a partir de 1950 que la neumática se desarrolla ampliamente en la industria con el desarrollo paralelo de los sensores. Los sistemas de aire comprimido proporcionan un movimiento controlado con el empleo de cilindros y motores neumáticos y se aplican en herramientas, válvulas de control y posicionadores, martillos neumáticos, pistolas para pintar, motores neumáticos, sistemas de empaquetado, elevadores, herramientas de impacto, prensas neumáticas, robots industriales, vibradores, frenos neumáticos, etc. Las ventajas que presenta el uso de la neumática son el bajo coste de sus componentes, su facilidad de diseño e implementación y el bajo par o la fuerza escasa que puede desarrollar a las bajas presiones con que trabaja (típico 6 bar) lo que constituye un factor de seguridad. Otras características favorables son el riesgo nulo de Explosión, su conversión fácil al movimiento giratorio así como al lineal, la posibilidad de transmitir energía a grandes distancias, una construcción y mantenimiento fáciles y la economía en las aplicaciones. Entre las desventajas figura la imposibilidad de obtener velocidades estables debido a la compresibilidad del aire, los altos costes de la energía neumática y las posibles fugas que reducen el rendimiento. rendi miento.

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La neumática precisa de una estación de generación y preparación del aire comprimido formada por un compresor de aire, un depósito, un sistema de preparación del aire (filtro, lubricador y regulador de presión), una red de tuberías para llegar al utilizador y un conjunto de preparación del aire para cada dispositivo neumático individual (figura 1.1). Los sistemas neumáticos se complementan con los eléctricos y electrónicos lo que les permite obtener un alto grado de sofisticación y flexibilidad. Utilizan válvulas solenoide, señales de realimentación de interruptores magnéticos, sensores e interruptores eléctricos de final de carrera. El PLC (programmable logic controller) les permite programar la lógica de funcionamiento de un cilindro o de un conjunto de cilindros realizando una tarea específica.

Fig. 1.1 Preparación del aire

En determinadas aplicaciones, tales como en movimientos de aproximación rápido y avance lento, típicos de las fresadoras y rectificadoras, en la sujeción de piezas utilizada en los cortes a alta velocidad sobre materiales duros y en la automatización de procesos de producción, se combinan la neumática y la hidráulica en un circuito oleo neumático, utilizando la parte neumática para el accionamiento y control y la parte hidráulica para el actuador.

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3.2.1 Actuadores neumáticos Los actuadores neumáticos convierten la energía del aire comprimido en trabajo mecánico generando un movimiento lineal mediante servomotores de diafragma o cilindros, o bien un movimiento giratorio con motores neumáticos. La aplicación principal de los servomotores de diafragma reside en las válvulas de control neumáticas en las que el servomotor esta accionado por la señal neumática de 0,2 - 1 bar (3  –  15 psi) y actúa directamente sobre un vástago que posiciona el obturador con relación al asiento. La posición relativa entre el obturador y el asiento permite pasar el fluido desde un caudal nulo hasta el caudal máximo.

Los cilindros neumáticos de movimiento lineal son utilizados comúnmente en aplicaciones donde la fuerza de empuje del pistón y su desplazamiento son elevados. Entre los mismos se encuentran los cilindros de simple y doble efecto, el cilindro tándem, el de multiposición, el cilindro neumático guiado, el cilindro sin vástago y el cilindro neumático de impacto. Los actuadores neumáticos de movimiento giratorio pueden ser: Cilindro giratorio de pistón-cremallera –piñón y de dos pistones con dos cremalleras en los que el movimiento lineal del pistón es transformado en un movimiento giratorio mediante un conjunto de piñón y cremallera y Cilindro de aletas giratorias de doble efecto para ángulos entre 0° y 270°.

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Los músculos neumáticos son dispositivos que emulan el musculo humano. Consisten en un una manguera de material especial que al ser alimentado con aire ejerce una gran fuerza con muy poco recorrido. Es de aplicación en ordenadores, robots y maquinas de todo tipo. Es más sencillo que cualquier otro tipo de accionamiento. Se trata de una tecnología nueva, aun en estudio, siendo los más difundidos los músculos neumáticos.

3.2.2 Válvulas neumáticas de dirección, presión y flujo. flu jo. Según LA Norma DIN 24300, la definición de válvula es: “Válvulas son dispositivos para controlar o regular el arranque, parada

y sentido así como la presión y el flujo del medio de presión, impulsado por una bomba hidráulica, un compresor, una bomba de vacío o acumulado en un depósito. La denominación de válvula es de significado superior, correspondiendo al uso internacional del idioma, para todas las formas de construcción tales como válvulas de compuerta, válvulas de bola, válvulas de plato, grifos, etc. La forma de construcción de una válvula es de una significación secundaria dentro de un equipo neumático, en él solo importa la función que puede obtenerse de ella, la forma de accionamiento y el tamaño de la rosca de conexión; con esta última característica queda determinado el paso correspondiente. Las válvulas empleadas en Neumática sirven principalmente para controlar un proceso actuando sobre las magnitudes que intervienen en él. Para poder controlar, se necesita una energía de control con la que debe intentarse conseguir el mayor efecto posible con el gasto mínimo. La energía de control viene determinada por la forma de accionamiento de una válvula y puede conseguirse manualmente o por medios mecánicos, eléctricos, hidráulicos o neumáticos.

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De acuerdo con la función que realizan, las válvulas neumáticas se clasifican en los siguientes grupos principales:   Válvulas

distribuidoras o de vías.

  Válvulas

antiterremot antiterremoto o o de bloqueo.

  Válvulas

reguladoras de presión.   Válvulas reguladoras de flujo o velocidad. 38 

  Válvulas distribuidoras



Estas válvulas influyen en el camino del aire comprimido (de manera preferente arranque, parada y sentido de paso). Según el número de vías controladas se les llama válvulas de dos vías, tres vías, de cuatro vías o de múltiples vías. Como vías(es) se consideran: la conexión de entrada de aire comprimido, conexión de alimentación para el consumidor y orificios de purga (escape). Los orificios de purga de una válvula neumática de vías se consideran siempre como una vía única controlada.  Al grupo de las válvulas de dos vías pertenecen todas las llaves de paso, ya que estas poseen un orificio de entrada (1.a  vía) y otro de salida (2.a  vía). En ellas, si la válvula está abierta es de esa al aire comprimido puede circular libremente de izquierda a derecha o viceversa. Las válvulas de dos vías figuran en aquellas partes de los equipos neumáticos donde no es precisa ninguna purga de un aparato conectado a continuación a través de esa válvula; es decir, como válvulas de paso. Todos los cilindros deben purgarse (dar salida al aire) después de realizar el trabajo con el fin de comenzar una nueva fase. Un cilindro de doble efecto puede accionarse, por ejemplo, con dos válvulas de tres vías o también con una válvula de cuatro vías. En esta válvula se accionan alternativamente dos tuberías hacia el

 

 

consumidor y como también intervienen la toma de la red y el escape, se tienen ahora cuatro vías para controlar. Las válvulas de vía se designan según el número de las vías controladas y el de las posiciones de maniobra posibles. Por ejemplo, válvula de 2/2 vías, válvula de 3/2 vías, válvula de 4/2 vías, válvula de 4/3 vías. 39 

  Válvulas de presión



 A, diferencia de la Hidráulica, en la Neumática se emplean poco las válvulas de presión. Las válvulas de presión influyen sobre la presión del aire comprimido en circulación. La válvula limitadora de presión impide la elevación de la presión máxima admisible en un sistema. Es un componente de todo el equipo productor de aire comprimido, pero apenas se emplea en los equipos neumáticos. La válvula limitadora de presión sirve para seguridad, puesto que al sobrepasarse la presión presi ón máxima permitida en el sistema abre hacia la atmosfera libre un orificio y escapa el exceso de presión media máxima permisible o deseada; por regla general, esta fuerza es ajustable y de este modo también lo es la presión máxima (valor nominal). La válvula de secuencia es completamente similar en su funcionamiento a una válvula limitadora de presión, diferenciándose únicamente en la aplicación. La salida de una válvula seleccionada; de secuencia permanece bloqueada hasta que se alcanza la presión

 

 

solo entonces la válvula se abre y permite circular al aire comprimido. En los equipos neumáticos, las válvulas de secuencia se prevén en donde deba garantizarse una presión mínima determinada para el funcionamiento y por lo tanto deba evitarse el proceso de la maniobra con una presión inferior. Las válvulas reductoras de presión, regulan la presión de trabajo deseada o presión secundaria a un valor constante, que debe ser independiente de la presión primaria y del consumidor, la válvula se abre o se cierra por una membrana, por lo que la regulación de la presión se efectúa a través del movimiento de la membrana.

  Válvulas de flujo



La válvula de flujo se designaba anteriormente válvula de caudal, pudiendo deducirse unívocamente de esta denominación anterior la función de una válvula de esta clase. Las válvulas de flujo actúan de modo preferente sobre el caudal. La acción sobre el caudal, se limita exclusivamente al caudal circulante. En Neumática solo se emplea para esta finalidad un único representante de esta clase de válvulas, v álvulas, la válvula de estrangulación. Las válvulas de estrangulación pueden tener estrechamientos constantes o ajustables. En la práctica solo se emplean las de ésta clase de estrechamiento regulable (estrangulación). La posibilidad de ajuste viene indicada en el símbolo por la flecha. El efecto de estrangulación es el mismo en los dos sentidos de circulación. La

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regulación de una válvula de estrangulación en Neumática solo se realiza manualmente. En Neumática se emplean también las válvulas estranguladoras de retención, como válvulas de flujo para la regulación de caudal.

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3.3 ELEMENTOS DE TRABAJO Y MANDO M ANDO HIDRÁULICOS. La hidráulica utiliza básicamente los fluidos hidráulicos como medios de presión para mover los pistones de los cilindros. En la figura 1.2 se representa el movimiento típico de un pistón dentro del cilindro gracias a la energía proporcionada por un sistema hidráulico formado por una bomba, un depósito y un conjunto de tuberías que llevan el fluido a presión hasta los puntos de utilización. Dentro de estos sistemas se encuentran los motores hidráulicos con velocidades que abarcan desde 0,5 rpm hasta 10.000 rpm y el par que proporcionan va desde 1 Nm (baja velocidad) hasta 20.000 Nm (alta velocidad).

 

 

Fig. 1.2 Circuito típico de un pistón dentro del cilindro en un sistema hidráulico Los sistemas hidráulicos se aplican típicamente en dispositivos móviles tales como maquinaria de construcción, excavadoras, plataformas elevadoras, aparatos de elevación y transporte, maquinaria para agricultura y simuladores de vuelo. Sus aplicaciones en abarcan la fabricación y montaje de máquinas de tododispositivos tipo, líneasfijos transfer, aparatos de elevación y transporte, prensas, máquinas de inyección y moldeo, máquinas de laminación, ascensores y montacargas. Tienen las siguientes ventajas: Gran potencia transmitida con pequeños componentes, posicionamiento preciso, arranque con cargas pesadas, movimientos lineales independientes de la carga ya que los líquidos son casi incompresibles y pueden emplearse válvulas de control, operación suave calor. e inversa, buen control y regulación y disipación favorable de Y entre sus desventajas figuran: Polución del ambiente con riesgo de incendio y accidentes en el caso de fuga de aceite, sensibilidad a la suciedad, peligro presente debido a las excesivas presiones, dependencia de la temperatura por cambios en la viscosidad.

3.3.1 Actuadores hidráulicos Los actuadores hidráulicos, que son los más usuales y de mayor antigüedad en las instalaciones hidráulicas, pueden ser clasificados de acuerdo con la forma de operación, y aprovechan la energía de un

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circuito o instalación hidráulica de forma mecánica, generando movimientos lineales. Los cilindros hidráulicos pueden ser de simple efecto, de doble efecto y telescopios. En el primer el fluido hidráulico en un sentido pistón de cilindro y unatipo, fuerza externa (resorteempuja o Gravedad) lo retraeelen sentido contrario. 43 

El cilindro de acción doble utiliza la fuerza generada por el fluido hidráulico para mover el pistón en los dos sentidos, mediante una válvula solenoide. El cilindro telecpóico contiene otros de menor diámetro en su interior y se expanden por etapas, muy utilizados en grúas, etc. Los cilindros telescópicos pueden ser diseñados.

 

 

Los actuadores hidráulicos proporcionan pares y fuerzas elevados y un buen control de movimiento y ésta es su principal ventaja frente a los sistemas neumáticos y eléctricos. Los fluidos hidráulicos son virtualmente incompresibles y gracias a las altas presiones con que trabajan (35 a 350 bares) permiten un control del caudal lo suficientemente preciso para el actuador. Sus desventajas son el coste elevado y la necesidad de acondicionar, contener y filtrar el fluido hidráulico a temperaturas seguras y en centrales hidráulicas o unidades de potencia (power pack). Las aplicaciones típicas residen en vehículos, elevadores, grúas hidráulicas, máquinas herramientas, simuladores de vuelo, accionamiento de timones en los aviones, etc.

3.3.2 Válvulas hidráulicas de dirección, presión y flujo Las válvulas distribuidoras o de control de direccional se utilizan para cambiar el sentido de flujo del aceite dentro del cilindro y mover el pistón de un extremo al otro de su s u carrera. La válvula proporcional dispone de un solenoide que proporciona un desplazamiento del émbolo proporcional a la corriente que pasa a través de la bobina solenoide. La válvula proporcional con motor lineal contiene un motor diferencial de imán permanente formado por una bobina, imanes permanentes, piezas polares, una armadura dotada de émbolo y un dispositivo de centraje de resorte que, en caso de no haber corriente de control, mantiene el émbolo en una posición media neutral.

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3.4 ELEMENTOS DE TRABAJO Y MANDO ELÉCTRICOS Los contactos eléctricos son los elementos de mando que conectarán o desconectarán a nuestros receptores (bobinas, luces, motores, etc.). Dichos contactos están alojados en las cámaras de contactos y son accionados por diversos sistemas, p.e. pulsadores, interruptores, relés, etc. En cada cámara de contactos puede haber uno o varios contactos. Básicamente existen dos tipos de contactos: Normalmente Abierto (N.A.)

Normalmente Cerrado (N.C.)

El N.A. no deja pasar la corriente hasta que no es accionado. El N.C. sí deja pasar la corriente hasta que es accionado que la corta. Ambos contactos vuelven a la posición inicial una vez a finalizado el accionamiento.   Contactor



Es un interruptor accionado electro-magnéticamente diseñado para abrir y cerrar un circuito de potencia. Según la norma DIN (0660/52), el contactor “es un interruptor

mandado a distancia que vuelve a la posición de reposo cuando la fuerza de accionamiento deja de actuar sobre él”. él ”. 

El contactor se utiliza para la conexión de elementos de potencia y nos permitirá la automatización de nuestras maniobras. Básicamente es un interruptor trifásico que en lugar de accionarlo manualmente lo podemos hacer a distancia, con menor esfuerzo físico y mayor seguridad a través de una bobina. Básicamente están constituidos por: - Contactos principales: Destinad Destinados os a abrir y cerrar el circuito de potencia.

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- Contactos auxiliares: Destinados a abrir y cerrar el circuito de mando, están acoplados mecánicamente a los contactos principales. - Bobina: Pr Produce oduce una fuerza de atracción al ser at atravesado ravesado por una corriente eléctrica. Su alimentación puede ser de 12, 24, 110 o 220 V. - Armadura: Es la parte móvil que se encarga de desplazar los contactos principales y auxiliares por la excitación de la bobina. - Núcleo: Parte fij fija a por la que se cierra el flujo magnético producido por la bobina. - Resorte: Parte mecánica que devuelve a los cont contactos actos a su posición de reposo cuando haya desaparecido la excitación de la bobina.

Fig. Partes de un contactor Existen 2 tipos de contactores: de potencia y auxiliares. Los contactores de potencia tienen generalmente 3 contactos principales y por lo menos un contacto auxiliar y su aplicación es en control de cargas de potencia. Si el contactor no tiene contactos de potencia entonces se le llama relé auxiliar.  Al accionar el pulsador pul sador S1 damos paso de corriente a la bobina y esta cambia de posición todos los contactos de la cámara del contactor K1, es entonces, a través de sus contactos, quien alimenta al receptor M1

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como muestra la imagen 3.4.0.2. Cuando soltemos S1 la bobina se desconecta y los contactos vuelven a reposo parándose M1.

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Fig. Accionamiento de un contactor En estos circuitos se diferencian dos partes: Circuito de potencia: es el encargado de alimentar al receptor (p.e. motor, calefacción, electro freno, iluminación, etc.). Está compuesto por el contactor (identificado con la letra K), elementos de protección (identificados con la letra F como pueden ser los fusibles F1, relé térmico F2, relés magneto-térmicos, etc.) y un interruptor trifásico general (Q). Dicho circuito estará dimensionado a la tensión e intensidad que necesita el motor. En la figura 3.4.0.3 se muestra el circuito de potencia del arranque directo de un motor trifásico.

  Fig. Circuito de potencia

 

 

Circuito de mando: es el encargado de controlar el funcionamiento del contactor. Normalmente consta de elementos de mando (pulsadores, interruptores, etc. identificados con la primera letra con una S), elementos de protección, bobinas de contactores, temporizadores y contactos auxiliares. Este circuito está separado eléctricamente del circuito de potencia, es decir, que ambos circuitos pueden trabajar a tensiones diferentes, por ejemplo, el de potencia a 380 V de c.a. y el de mando a 24 V de c.c. Como ejemplo adjuntaremos una serie de esquemas de mando: 1. Marcha  –  Al pulsar SM accionamos KM1 y al soltarlo sigue en marcha por que el contacto MK1 realimenta a la bobina. El paro se hace a través de SP

Fig. Marcha con preferencia sobre el paro

Fig. Paro con preferencia del paro

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Inversión de giro de un motor trifásico Para lograr la inversión de giro de un motor vasta con montar dos contactores en paralelo, uno le enviará las 3 fases en un orden y en otro intercambiará dos de las fases entre si manteniendo la tercera igual. El esquema de potencia quedará como sigue.

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Fig. Inversión de giro de un motor En el esquema de mando tendremos que tener la precaución de que los dos contactores no puedan funcionar a la vez, ya que ello provocará un cortocircuito a través del circuito de potencia. Para evitarlo se montarán unos contactos cerrados, llamados de enclavamiento, en serie con las bobinas de los contactores contrarias. En el mercado también existen contactores ya construidos a tal efecto que incluyen unos enclavamientos mecánicos para una seguridad adicional.

 

 

Inversor de giro pasando por paro. Mando de dos contactores mediante dos pulsadores de marcha (S2 y S3) y parada a través del contacto del relé térmico F2 o pulsador S1. Ambos A mbos contactores no pueden funcionar a la vez (enclavamientos eléctricos). La marcha de un contactor debe pasar por paro. En caso de avería por sobreintensidad lucirá HAv.

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Fig. Inversor de giro pasando por paro Inversor de giro sin pasar por paro. Mando de dos contactores a través de los pulsadores S2 y S3. Parada del motor por avería F2 o el pulsador S1. Sólo puede funcionar uno y la inversión de marcha no es necesario pasar por paro.

Fig. Inversor de giro sin pasar por paro

 

 

  Temporizadores



Contactores cuya función es conmutar uno o más circuitos eléctricos en función del tiempo. Básicamente son de dos tipos: Los temporizadores “al energizar” (on-delay) son aquellos cuyos

contactos normalmente abiertos o cerrados cambian de normalidad después determinado tiempo una transcurrido previamente programadodeunaun vez que se haya mandado señal de encendido. Cuando conectamos la bobina, y la mantengamos así, los contactos cambiarán pasado el tiempo que tengan programado. Una vez desconectada desconecta da estos vuelven inmediatamente a su posición de reposo.

Fig. Temporizadores On Delay Los temporizadores al “desenergizar” (off -delay) -delay) son aquellos cuyos

contactos cambian de normalidad después de que se haya recibido una señal de apagado.  Al activar la bobina los contactos cambian inmediatamente y es al desconectarla cuando temporizan, pasado el tiempo programado retornan a reposo.

Fig.Temporizadores Fig.Temporizador es Off Delay

 

 

 Arranque Estrella-Triángulo Un motor trifásico, en el momento del arranque, consume entre 3 y 7 veces la intensidad nominal. Estas puntas de corriente, aunque no perjudican el motor, pueden ocasionar trastornos en los demás aparatos. Para evitar esto se realizan unos arranques especiales y uno de ellos es

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el estrella-triángulo. estrella-triángulo. Para realizar dicho arranque necesitamos acceder a los 6 bornes del

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motor y que trabaje en nominalmente en atriángulo. Con este arranque reducimos la tensión el primer punto 3 veces menor (conexión de KLínea y KEstrella), de esta manera la intensidad también se reduce. Pasado un tiempo KT aplica la tensión nominal al motor (deja conectado KLínea y KTriángulo). El esquema de potencia es como sigue:

Fig. Arranque estrella-triángulo

 

 

3.4.1 Motores de C.A y C.C  Antes de enumerar los l os diferentes tipos de motores, conviene aclarar un concepto básico que debe conocerse de un motor: el concepto de funcionamiento con carga y funcionamiento en vacío.   Un motor funciona con con carga cuando está está arrastrando arrastrando cualquier objeto o soportando cualquier resistencia externa (la carga) que le obliga a absorber energía mecánica. Así pues, en este caso, el par resistente se debe a factores internos y externos. Por ejemplo: una

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batidora encuentra resistencia cuando bate mayonesa; el motor de una grúa soporta las cargas que eleva, el propio cable, los elementos mecánicos mecánicos propios de la grúa,...; grúa,...; un motor de un coche coche eléctrico soporta numerosas cargas: el peso de los pasajeros, el peso del propio vehículo, la resistencia que ofrece la superficie del terreno.   Un motor funciona funciona en vacío, vacío, cuando el motor no está arrastrando ningún objeto, ni soportando ninguna resistencia externa. El eje está girando libremente y no está conectado a nada. En este caso, el par resistente se debe únicamente a factores internos.

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  Motor

de Corriente Alterna

En la actualidad, el motor de corriente alterna es el que más se utiliza para la mayor parte de las aplicaciones, aplicaciones, debido fundamentalmente fundamentalmente a que consiguen un buen rendimiento, bajo mantenimiento y sencillez, en su construcción, sobre todo en los motores asíncronos.  A este tipo de motores se les denomina motores de inducción debido a que su funcionamiento se basa en la interacción de campos magnéticos producidos por corrientes eléctricas.

 

 

Partes básicas de un motor de corriente alterna 1. Carcasa: caja que envuelve las partes eléctricas del motor, es la parte externa. 2. Estator: consta de un apilado de chapas magnéticas y sobre ellas está enrollado el bobinado estatórico, que es una parte fija y unida a la carcasa. 3. Rotor: consta de un apilado de chapas magnéticas y sobre ellas está enrollado el bobinado rotórico, que constituye la parte móvil del motor y resulta ser la salida o eje del motor.

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Fig. Partes de un motor de corriente alterna

Los motores de corriente alterna se clasifican por su velocidad de giro, por el tipo de rotor y por el número de fases de alim alimentación. entación.

 

 

1. Por su velocidad velocidad de giro giro:: a. Asíncronos b. Síncronos 2. Por el tipo de rotor: a. Motores de anillos rozantes. rozantes. b. Motores con colector colector c. Motores de jaula de ardilla 3. Por su número de fases de alimentación: alimentación: a. Monofásicos b. Bifásicos c. Trifásico Motores asíncronos

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En los motores eléctricos, la velocidad de giro del rotor es ligeramente inferior a la velocidad de giro del campo magnético del estator, debido a la fricción del rotor en los cojinetes, rozamiento con el aire y a la carga acoplada al eje del rotor, por tal motivo se les conoce a estos motores con el nombre de motores asíncronos. Motor asíncrono trifásico Cuando se alimenta el estator de un motor asíncrono con un sistema trifásico de tensiones de frecuencia f 1, se origina en el entrehierro un campo magnético giratorio de amplitud constante cuya velocidad es: n= (60 x f) / p p = número de pares de polos con los que se construyen los devanados del estator.

 

 

f = frecuencia de la red. Esta velocidad recibe el nombre de velocidad de sincronismo y depende del número de pares de polos del estator y de la l a frecuencia.  Arranque  Al conectar el estator de un motor trifásico, permaneciendo el rotor sin movimiento, en un principio, el campo giratorio corta los conductores del rotor, induciendo en estos una f.e.m. elevada de la misma frecuencia que la del estator, que a su vez producirá una corriente fuerte (cientos de amperios). Esta corriente al interactuar con el campo magnético, produce elevadas fuerzas mecánicas que al actuar sobre el rotor le proporciona un fuerte par de arranque. La fuerte corriente del rotor genera un campo magnético que intenta modificar el flujo común; como esto solo depende de la tensión aplicada al estator, aparece un incremento de corriente en el mismo que intenta compensar la f.e.m. producida por el rotor. Cuando aumenta la intensidad rotórica también lo hace la corriente estatórica que corresponde correspon de a la corriente tomada de la red por el motor.  Aceleración y carga  Al momento de circular corriente por el rotor parado, empieza a girar con un movimiento acelerado y en el mismo sentido que el campo giratorio.

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Debido a esto el movimiento relativo entre el campo y el rotor disminuye igual que la f.e.m. y la corriente. Si el motor está en vacío, se alcanza una velocidad próxima a la de sincronismo. Si se aplica una carga mecánica, el rotor tenderá a perder velocidad hasta lograr un equilibrio entre el par motor creado por el mismo y el par resistente ofrecido por la carga. Motores de jaula de ardilla El motor de rotor de jaula de ardilla, también llamado de rotor en cortocircuito, cortocircu ito, es el más m ás sencillo y el más utilizado actualmente. actualmente. En núcleo del rotor está construido de chapas estampadas de acero al silicio en el

 

 

interior de las cuales se disponen unas barras, gener generalmente almente de aluminio moldeado a presión.

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Fig. Motor trifásico asíncrono (Jaula de ardilla) Motores de anillos rozantes Son motores asíncronos con un devanado trifásico de cobre dispuesto en las ranuras de rotor, que va conectado a tres anillos metálicos por uno de sus extremos, en tanto que, por el otro lado se conectan en estrella. De este modo se puede controlar controlar desde el exterior la resistencia total del circuito rotórico, facilitando un control de la velocidad y corriente de arranque con un elevado par de arranque y un mejor factor de potencia que con el rotor en jaula de ardilla.

Fig. Motor trifásico asíncrono (Anillos rozantes)

 

 

Motor trifásico síncrono Este tipo de motor presenta la ventaja de que gira a una velocidad constante para diferentes regímenes de carga, siempre que se mantenga m antenga constante la frecuencia de alimentación. Al aplicar corriente alterna al devanado trifásico del estator se produce un campo magnético giratorio que gira la velocidad síncrona. Si se hace girar a las piezas polares del rotor a una velocidad igual, se produce una especie de acoplamiento entre los polos de distinta polaridad del rotor y los del campo giratorio, produciéndose un arrastre del rotor por dicho campo giratorio. La velocidad del rotor coincide con la velocidad de sincronismo del campo giratorio: n = 60 x f/ p n = velocidad del motor síncrono (r.p.m.) f = frecuencia de la red (Hz) p = número de pares de polos del devanado estatórico. estatórico. Motores monofásicos Dada la sencillez, robustez, bajo precio y ausencia de chispas son de gran aplicación los motores asíncronos monofásicos de inducción de rotor en corto circuito. La utilización de motores monofásicos será factible para aplicaciones de pequeña potencia. En los motores monofásicos no resulta sencillo iniciar el campo giratorio, por lo cual se tiene que usar algún elemento auxiliar. Su funcionamiento es el mismo que el de los motores asíncronos de inducción. Dentro de este grupo existen los siguientes si guientes motores: 1. De polos auxiliares o también llamados de fase partida partida

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2. Con condensador 3. Con espira en cortocircuito cortocircuito o también llamados de polos partidos

 

 

Motor monofásico de fase partida Tiene dos devanados, uno principal y otro auxiliar. El devanado auxiliar es el que provoca el arranque del motor, debido a que desfasa un flujo magnético respecto al flujo del devanado principal, así se logra tener dos fases en el momento del arranque. Al tener el devanado auxiliar la corriente desfasada respecto a la corriente principal, se genera un campo magnético que facilita el giro del rotor. Cuando la velocidad del giro del rotor acelera el par de motor aumenta. Si esta velocidad está próxima al sincronismo, se logra alcanzar un par de motor tan elevado casi como en un motor trifásico. Cuando la velocidad alcanza un 75% del sincronismo, el devanado auxiliar se desconecta gracias a un interruptor centrífugo que llevan incorporados estos motores, lo cual hace que el motor solo funcione con el devanado principal. Este tipo en de los motor dispone de un rotor dedeardilla los utilizados motores trifásicos. El pardedejaula motor estoscomo motores oscila entre 1500 y 3000 r.p.m., dependiendo si el motor es de 2 ó 4 polos, teniendo unas tensiones de 125 y 220 V. La velocidad es prácticamente constante. Para invertir el giro del motor se intercambian los giros de uno solo de los l os devanados (principal o auxiliar).

Motor monofásico con condensador de arranque También disponen de devanado principal y auxiliar. Se añade un condensador en serie con el devanado auxiliar de tal modo que el ángulo de desfase entre los flujos producidos por ambas bobinas se acerque a 90º. El par de arranque conseguido por estos motores aumenta con la capacidad del condensador. Sin embargo una capacidad excesivamente elevada puede reducir la impedancia total del devanado auxiliar avalores pequeños, aumentando la corriente absorbida por el devanado auxiliar. Si este devanado no se desconecta una vez arrancado el motor, el calor

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producido por la fuerte corriente puede llegar a destruirlo. Sin embargo para que esto no ocurra, se procede a la desconexión del conjunto formado por el condensador y el devanado auxiliar mediante un interruptor interrupt or centrífugo. Motor monofásico con espira en cortocircu cortocircuito ito El rotor de estos motores es de jaula de ardilla. El estator es de polos salientes, en el cual se arrolla la bobina principal como si fuese un transformador. transformado r. En la parte extrema de cada polo se coloca una espira en cortocircuito. El devanado principal produce un campo magnético alternativo que atraviesa el rotor y las dos espiras en cortocircuito situadas en el estator. En las espiras se induce una f.e.m. que hace aparecer una pequeña corriente y un pequeño flujo f lujo magnético que queda retrasado respecto al flujo principal, que es suficiente para provocar un par de arranque en el motor.   Motor

de corriente corriente directa

Un motor eléctrico de Corriente Continua es esencialmente una máquina que convierte energía eléctrica en movimiento o trabajo mecánico, a través de medios electromagnéticos. electromagnéticos. Los motores de corriente directa son insuperables para aplicaciones en las que debe ajustarse la velocidad, así como para aplicaciones en las que requiere un par grande. Los motores de corriente continua se clasifican según la forma de conexión de las bobinas inductoras e inducidas entre sí.   Motor de excitación independiente: El motor de excitación independiente independien te es tal que que el induc inductor tor y el inducido inducido se alimentan de dos fuentes de energía independientes. independientes. 

  Motor en serie: El motor serie es es tal q que ue los devanados del inductor y del inducido se encuentran en serie.

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  Motor en derivación o motor motor Shunt: El motor Shunt dispone los devanados inductor e inducido en paralelo.

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  Motor Compound: Compound: El motor Compound consta consta de dos devanados inductores, uno está en serie con el devanado inducido y el otro en paralelo.

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Motor en serie Como se comentó antes, en este tipo de motores las bobinas inductoras y las inducidas están conectadas enserie. La conexión forma un circuito en serie en el que la intensidad absorbida por el motor al conectarlo a la red (también llamada corriente de carga) es la misma, tanto para la bobina conduct conductora ora (del estator) estator) como para la bobina inducida (del rotor).

Fig. Motor en serie El motor serie es tal que: 1. Puede desarrollar un elevador par-motor de arranque, es decir,  justo al arrancar, arrancar, el par par motor es e elevado. levado. 2. Si disminuye disminuye la l a carga del motor, disminuye la intensidad de corriente absorbida y el motor aumenta su velocidad. Esto puede ser peligroso. En vacío el motor es inestable, pues la velocidad aumenta bruscamente.

 

 

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