Download E04 Desarrollo De Un Sistema Productivo Para Su

UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE
FACULTAD DE INGENIERÍA
Departamento de Ingeniería Mecánica
Área de Procesos Mecánicos
INGENIERÍA EJECUCIÓN EN MECÁNICA
PLAN 2002
GUÍA DE LABORATORIO
ASIGNATURA “TÓPICO I”
CÓDIGO 15072
NIVEL 08
EXPERIENCIA E04
“DESARROLLO DE UN SISTEMA PRODUCTIVO
PARA SU AUTOMATIZACIÓN”
HORARIO:JUEVES:9-10-11-12
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DESARROLLO DE UN SISTEMA PRODUCTIVO PARA SU
AUTOMATIZACIÓN
1.- OBJETIVO GENERAL
Que el alumno se familiarice con la metodología para desarrollar equipos industriales
usando diversos tipos de actuadores y conversores energéticos, (neumáticos, hidráulicos,
térmicos, eléctricos, electrónicos, mecánicos; (traslación y rotación), etc.). incluyendo la
definición de las filosofías de control a implementar para que realicen un proceso
especificado en forma automática.
2.- OBJETIVOS ESPECÍFICOS
2.1.- Que el alumno comprenda el principio de funcionamiento de los pares actuadoresconversores energéticos, y los criterios de selección para ser utilizados en procesos
de manufactura.
2.2.- Que el alumno sea capaz de desarrollar e interpretar circuitos eléctricos y
electrónicos básicos, presentes en los equipos automatizados.
2.3.- Conocer la metodología para seleccionar los sistemas de medición, (transductores,
acondicionadores de señal, trasmisores y conversores de análogo a digital), que
permitan informar al controlador el valor de las variables de campo.
2.4.- Que el alumno adquiera la capacidad de identificar las variables de entrada y de
salida del controlador, requeridas para controlar un equipo dado.
3.- INTRODUCCIÓN TEÓRICA
3.1
MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA
Por el fácil manejo de transmisión, distribución y transformación de la C.A, se ha
constituido en la corriente con más uso en la sociedad moderna.
Es por ello que los motores de C.A, son los más normales y con el desarrollo tecnológico
se ha conseguido un rendimiento altísimo que hace que más del 90 % de los motores
instalados sea de C.A.
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Los motores de C.A, se dividen por sus características en:
Sincrónicos
 Trifásico con Colector.
 Trifásico con Anillos.
 Y Rotor Bobinado.
Asincrónicos o de Inducción
 Trifásico Jaula de Ardilla.
 Monofásico: Condensador, Resistencia.
 Asincrónicos Sincronizados: Serie o Universal.
 Espira en corto circuito.
 Hiposincrónico.
 Repulsión.
3.1.1 MOTOR SINCRÓNICO
Esta fundamentado en la reversibilidad de un alternador. El campo interior de una aguja se
orienta de acuerdo a la polaridad que adopta en cada momento el campo giratorio en que
se haya inmersa y siempre el polo S de la aguja se enfrenta al polo N cambiable de
posición del campo giratorio, la aguja sigue cambiando con la misma velocidad con que lo
hace el campo giratorio. Se produce un perfecto sincronismo entre la velocidad de giro del
campo y la de la aguja.
Si tomamos un estator de doce ranuras y lo alimentamos con corriente trifásica, se creará
un campo giratorio. Si al mismo tiempo a las bobinas del rotor le aplicamos una C.C, girará
hasta llegar a sincronizarse con la velocidad del campo giratorio, de tal manera que se
enfrentan simultáneamente polos de signos diferentes, este motor no puede girar a
velocidades superiores a las de sincronismo, de tal forma que será un motor de velocidad
constante. La velocidad del campo y la del rotor, dependerán del número de pares de
polos magnéticos que tenga la corriente. Un motor de doce ranuras producirá un solo par
de polos y a una frecuencia de 60 Hz, girará a 3600 R.P.M.
Como se verá el principal inconveniente que presenta los motores sincrónicos, es que
necesitan una C.C. para la excitación de las bobinas del rotor, pero en grandes
instalaciones (Siderúrgicas), el avance de corriente que produce el motor sincrónico
compensa parcialmente el retraso que determinan los motores asincrónicos, mejorando
con ello el factor de potencia general de la instalación, es decir, el motor produce sobre la
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red el mismo efecto que un banco de condensadores, el mismo aprovechamiento de esta
propiedad, es la mayor ventaja del motor sincrónico.
3.1.2 MOTORES ASINCRÓNICOS O DE INDUCCIÓN
Son los de mayor uso en la industria, por lo tanto son los que mayor análisis merecen.
Cuando aplicamos una corriente alterna a un estator, se produce un campo magnético
giratorio, este campo de acuerdo a las leyes de inducción electromagnéticas, induce
corriente en las bobinas del rotor y éstas producen otro campo magnético opuesto según
la ley de Lenz y que por lo mismo tiende a seguirlo en su rotación de tal forma que el rotor
empieza a girar con tendencia a igualar la velocidad del campo magnético giratorio, sin
que ello llegue a producirse. Si sucediera, dejaría de producirse la variación de flujo
indispensable para la inducción de corriente en la bobina del inducido.
A medida que se vaya haciéndose mayor la diferencia entre la velocidad de giro del campo
y la del rotor, las corrientes inducidas en él y por lo tanto su propio campo, irán en
aumento gracias a la composición de ambos campos se consigue una velocidad
estacionaria. En los motores asincrónicos nunca se alcanza la velocidad del sincronismo,
los bobinados del rotor cortan siempre el flujo giratorio del campo inductor.
3.1.3 MOTORES ASINCRÓNICOS, JAULA DE ARDILLA
Es sin duda el más común de todos los motores eléctricos, por su sencillez y forma
constructiva. Elimina el devanado en el rotor o inducido. Las planchas magnéticas forman
el núcleo del rotor, una vez ensambladas dejan unos espacios cilíndricos que sustituyen a
las ranuras de los rotores bobinados, por estas ranuras pasan unas barras de cobre (o
aluminio) que sobresalen ligeramente del núcleo, estas barras o conductores están unidos
en ambos lados por unos anillos de cobre. Se denomina Jaula de Ardilla por la similitud
que tiene con una jaula.
En los motores de jaula de pequeña potencia, las barras son reemplazadas por aluminio
inyectado igual que los anillos de cierre, a los que se les agregan unas aletas que actúan a
su vez en forma de ventilador.
Las ranuras o barras pueden tener diferentes formas y lo que se pretende con ello es
mejorar el rendimiento del motor, especialmente reducir las corrientes elevadas que
producen los motores de jaula en el momento de arranque.
Cuando el inducido está parado y conectamos el estator tienen la misma frecuencia que la
que podemos medir en la línea, por lo tanto, la autoinducción en el rotor será muy elevada,
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lo que motiva una reactancia inductiva que es mayor donde mayor es el campo. De la
manipulación de las ranuras y en consecuencia las barras dependerán que las corrientes
sean más o menos elevadas, lo que en definitiva es el mayor problema de los motores de
jaula.
Si analizamos el siguiente cuadro, se podría pensar en un motor que abarca las dos
alternativas. Este motor existe, es el motor asincrónico sincronizado, su construcción es
muy parecida a la del motor asincrónico con el rotor bobinado con anillos rozantes, con la
diferencia de que una de la tres fase está dividida en dos partes conectadas en paralelo.
¿Cuál es el inconveniente que presenta este motor por lo que sólo es utilizado en grandes
instalaciones?, Que para pasar de asíncrono a síncrono, necesita una serie de equipos
tales como: Resistencia para el arranque como motor asíncrono, conmutador que
desconecta esta resistencia y conecta la C.C. a los anillos rozantes cuando trabaja como
síncrono.
POSITIVAS
SINCRONICOS


ASINCRONICOS
3.2

NEGATIVAS
Elevado factor de
potencia.
Funcionamiento
económico.
Fuerte arranque.
a de potencia
mediana.
VARIADOR DE FRECUENCIA
El motor de corriente alterna, a pesar de ser un motor robusto, de poco mantenimiento,
liviano e ideal para la mayoría de las aplicaciones industriales, tiene el inconveniente de
ser un motor rígido en cuanto a su velocidad. La velocidad del motor asincrónico depende
de la forma constructiva del motor y de la frecuencia de alimentación.
Como la frecuencia de alimentación que entregan las Compañías de electricidad es
constante, la velocidad de los motores asincrónicos es constante, salvo que se varíe el
número de polos, el resbalamiento o la frecuencia.
El método más eficiente de controlar la velocidad de un motor eléctrico es por medio de un
variador electrónico de frecuencia. No se requieren motores especiales, son mucho más
eficientes y tienen precios cada vez más competitivos.
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El variador de frecuencia regula la frecuencia del voltaje aplicado al motor, logrando
modificar su velocidad. Sin embargo, simultáneamente con el cambio de frecuencia, debe
variarse el voltaje aplicado al motor para evitar la saturación del flujo magnético con una
elevación de la corriente que dañaría el motor.
Los parámetros del variador de frecuencia son la frecuencia mínimo, la frecuencia
máxima, la rampa de aceleración y la rampa de frenado, cabe señalar que una frecuencia
menor de la mínima no es posible por una prohibición eléctrica y una frecuencia mayor de
la frecuencia máxima es prohibitiva por problemas mecánicos.
Los variadores de frecuencia están compuestos por:
 Etapa Rectificadora. Convierte la tensión alterna en continua mediante rectificadores
de diodos, tiristores, etc.
 Etapa intermedia. Filtro para suavizar la tensión rectificada y reducir la emisión de
armónicos.
 Inversor o "Inverter". Convierte la tensión continua en otra de tensión y frecuencia
variable mediante la generación de pulsos. Actualmente se emplean IGBT´s (Isolated
Gate Bipolar Transistors) para generar los pulsos controlados de tensión. Los equipos
más modernos utilizan IGBT´s inteligentes que incorporan un microprocesador con
todas las protecciones por sobrecorriente, sobretensión, baja tensión, cortocircuitos,
puesta a masa del motor, sobretemperaturas, etc.
 Etapa de control. Esta etapa controla los IGBT para generar los pulsos variables de
tensión y frecuencia. Y además controla los parámetros externos en general, etc.
Los variadores mas utilizados utilizan modulación PWM (Modulación de Ancho de Pulsos)
y usan en la etapa rectificadora puente de diodos rectificadores. En la etapa intermedia se
usan condensadores y bobinas para disminuir las armónicas y mejorar el factor de
potencia. Los fabricantes que utilizan bobinas en la línea en lugar del circuito intermedio,
pero tienen la desventaja de ocupar más espacio y disminuir la eficiencia del variador.
El Inversor o Inverter convierte la tensión continua de la etapa intermedia en una tensión
de frecuencia y tensión variables. Los IGBT envían pulsos de duración variable y se
obtiene una corriente casi senoidal en el motor.
La frecuencia portadora de los IGBT se encuentra entre 2 a 16kHz. Una portadora con alta
frecuencia reduce el ruido acústico del motor pero disminuye el rendimiento del motor y la
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longitud permisible del cable hacia el motor. Por otra parte, los IGBT´s generan mayor
calor.
Las señales de control para arranque, parada y variación de velocidad (potenciómetro o
señales externas de referencia) estén aisladas galvánicamente para evitar daños en
sensores o controles y evitar ruidos en la etapa de control.
Aplicaciones de los Variadores de frecuencia
Los variadores de frecuencia tienen sus principales aplicaciones en los siguientes tipos de
máquinas:
 Transportadoras. Controlan y sincronizan la velocidad de producción de acuerdo al
tipo de producto que se transporta, para dosificar, para evitar ruidos y golpes en
transporte de botellas y envases, para arrancar suavemente y evitar la caída del
producto que se transporta, etc.
 Bombas y ventiladores centrífugos. Controlan el caudal, uso en sistemas de presión
constante y volumen variable. En este caso se obtiene un gran ahorro de energía
porque el consumo varía con el cubo de la velocidad, o sea que para la mitad de la
velocidad, el consumo es la octava parte de la nominal.
 Bombas de desplazamiento positivo. Control de caudal y dosificación con precisión,
controlando la velocidad. Por ejemplo en bombas de tornillo, bombas de engranajes.
Para transporte de pulpa de fruta, pasta, concentrados mineros, aditivos químicos,
chocolates, miel, barro, etc.
 Ascensores y elevadores. Para arranque y parada suaves manteniendo la cupla del
motor constante, y diferentes velocidades para aplicaciones distintas.
 Extrusoras. Se obtiene una gran variación de velocidades y control total de la cupla
del motor.
 Centrífugas. Se consigue un arranque suave evitando picos de corriente y velocidades
de resonancia.
 Prensas mecánicas y balancines. Se consiguen arranques suaves y mediante
velocidades bajas en el inicio de la tarea, se evitan los desperdicios de materiales.
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 Máquinas textiles. Para distintos tipos de materiales, inclusive para telas que no
tienen un tejido simétrico se pueden obtener velocidades del tipo aleatorio para
conseguir telas especiales.
 Compresores de aire. Se obtienen arranques suaves con máxima cupla y menor
consumo de energía en el arranque.
 Pozos petroleros. Se usan para bombas de extracción con velocidades de acuerdo a
las necesidades del pozo.
3.3
MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA
En general, los motores de corriente continua son similares en su construcción a los
generadores. De hecho podrían describirse como generadores que funcionan al revés.
Cuando la corriente pasa a través de la armadura de un motor de corriente continua, se
genera un par de fuerzas por la reacción magnética, y la armadura gira. La acción del
conmutador y de las conexiones de las bobinas del campo de los motores son
exactamente las mismas que usan los generadores. La revolución de la armadura induce
un voltaje en las bobinas de ésta. Este voltaje es opuesto en la dirección al voltaje exterior
que se aplica a la armadura, y de ahí que se conozca como voltaje inducido o fuerza
contraelectromotriz. Cuando el motor gira más rápido, el voltaje inducido aumenta hasta
que es casi igual al aplicado. La corriente entonces es pequeña, y la velocidad del motor
permanecerá constante siempre que el motor no esté bajo carga y tenga que realizar otro
trabajo mecánico que no sea el requerido para mover la armadura. Bajo carga, la
armadura gira más lentamente, reduciendo el voltaje inducido y permitiendo que fluya una
corriente mayor en la armadura. El motor puede así recibir más potencia eléctrica de la
fuente, suministrándola y haciendo más trabajo mecánico.
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Debido a que la velocidad de rotación controla el flujo de la corriente en la armadura,
deben usarse aparatos especiales para arrancar los motores de corriente continua.
Cuando la armadura está parada, ésta no tiene realmente resistencia, y si se aplica el
voltaje de funcionamiento normal, se producirá una gran corriente, que podría dañar el
conmutador y las bobinas de la armadura. El medio normal de prevenir estos daños es el
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uso de una resistencia de encendido conectada en serie a la armadura, para disminuir la
corriente antes de que el motor consiga desarrollar el voltaje inducido adecuado. Cuando
el motor acelera, la resistencia se reduce gradualmente, tanto de forma manual como
automática.
La velocidad a la que funciona un motor depende de la intensidad del campo magnético
que actúa sobre la armadura, así como de la corriente de ésta. Cuanto más fuerte es el
campo, más bajo es el grado de rotación necesario para generar un voltaje inducido lo
bastante grande como para contrarrestar el voltaje aplicado. Por esta razón, la velocidad
de los motores de corriente continua puede controlarse mediante la variación de la
corriente del campo.
Las escobillas cierran el circuito de la fuente con las dos delgas y la espira conectada a
ellas, de esta forma circula corriente por las espiras, como esto ocurre dentro de un campo
magnético, aparecen fuerzas sobre las espiras y el rotor comienza a girar.
Como la espira gira dentro del campo lo hace cortando líneas de campo, lo mismo ocurre
con las fuerzas, pero esto induce una fuerza electromotriz que se opone a la de la fuente y
se denomina fuerza contra electromotriz (fcem) según la ley de Lenz.
V = fcem + I·Ri
Donde: V: tensión de la fuente.
fcem: fuerza contra electromotriz (E).
Ri: resistencia interna de la máquina (resistencia de las espiras más resistencia de los
carbones).
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Constitución
Estator: Parte fija formada por polos salientes y culata.
Inductor: Devanado formado por bobinas situadas alrededor del núcleo de los polos
principales que al ser recorridos por la corriente de excitación crea el campo magnético
inductor.
Rotor: Parte móvil que gira alrededor del eje.
Entrehierro: Distancia entre los polos principales y el rotor.
Inducido: Devanado situado en las ranuras del rotor y que por la influencia del campo
eléctrico, es objeto de fuerzas electromotrices inducidas y de fuerzas mecánicas.
Zonas neutras: Puntos del inducido en los que el campo es nulo.
Colector: Cilindro formado por delgas de cobre endurecido separadas por aislante,
conectadas al inducido y giran conjuntamente con él.
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Escobillas: Piezas conductoras metalografíticas resistentes al rozamiento que estando
fijas frotan con el colector móvil conectando el inducido con el exterior, al tiempo que
provoca la conmutación para que trabaje con corriente continua.
Polos auxiliares: Polos salientes situados entre los polos principales. cuyo arrollamiento
está conectado en serie con el inducido de forma que al crear un campo contrario al de
reacción del inducido evita sus problemas y provoca una buena conmutación sin chispas.
4.
METODO A SEGUIR
4.1 El profesor explica a los alumnos el principio de funcionamiento de diversos
conversores energéticos con sus correspondientes actuadores y la forma de realizar
el comando correspondiente; haciendo hincapié en las características técnicas, su
campo de aplicación y los criterios de selección correspondiente.
4.2 Mediante ejercicios prácticos, los alumnos se familiarizan y adquieren destreza en la
forma de comandar los conversores energéticos.
4.3 El profesor explica a los alumnos el principio de funcionamiento de diversos
transductores con sus correspondientes acondicionadores de señales y trasmisores y
la forma de ajustarlos; haciendo hincapié en las características técnicas, su campo
de aplicación y los criterios de selección respectivos.
4.4 Mediante ejercicios prácticos, los alumnos se familiarizan y adquieren destreza en la
forma de instalar y ajustar los sensores.
4.5 Familiarizados con el funcionamiento de los sistemas de medición, los conversores
energéticos y los actuadores correspondientes, el profesor explica a los alumnos el
proyecto a desarrollar.
4.6 Los alumnos proceden a desarrollar el proyecto del sistema productivo a
implementar. Realizando los montajes y pruebas preliminares.
5.-
VARIABLES A CONSIDERAR
5.1.
5.2.
5.3
5.4
5.5
5.6
Características técnicas de los conversores energéticos
Señales de comando de los actuadores o driver`s.
Variables a controlar.
Variables de control y de comando.
Variables perturbadoras.
Tipos de flujos energéticos usados en el proyecto.
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6.- TEMAS DE INTERROGACIÓN
6.1 Criterios de selección de los sistemas de medición usados en los equipos
automatizados.
6.2 Selección de los actuadores y de los conversores energéticos.
6.3 Filosofías de control.
7.-
EQUIPOS E INSTRUMENTOS A UTILIZAR
7.1 Pié de metro universal, resolución en: 0,02mm y 1/64”
7.2 Cilindros y motores neumáticos e hidráulicos, con sus correspondientes elementos
de los circuitos; fundamentalmente las electroválvulas todo/nada y proporcionales.
7.3 Motores eléctricos (de paso, de corriente continua y corriente alterna monofásica y
trifásica), con sus correspondientes driver´s.
7.4 Diversos sistemas de medición con salida en corriente y/o voltaje, tales como:
ENCODERS, tacómetros, potenciómetros, termómetros, transductores de presión,
dinamómetros, etc.
7.5 Multitester`s.
7.6 Osciloscopio.
7.7 Instrumentos y material fungible de los Laboratorios de Fabricación y de
Automatización.
8.
LO QUE SE PIDE EN EL INFORME:
8.1 Descripción del proyecto desarrollado.
8.2 Ingeniería de detalles del proyecto a automatizar: Proyecto mecánico, proyecto
neumático, proyecto hidráulico, proyecto térmico, proyecto eléctrico y proyecto
electrónico.
8.3 Las características técnicas de los equipos e instrumentos empleados en el proyecto
desarrollado durante el laboratorio.
8.4 Diagrama de bloques generalizado del equipo.
8.6 Descripción del método seguido.
8.5 Un análisis de los resultados obtenidos, comentarios y conclusiones personales.
8.6 La referencia bibliográfica.
8.5 El apéndice con:
a.1
Desarrollo de los cálculos par la selección de los componentes del proyecto
desarrollado.
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a.2
a.3
a.4
Presentación de resultados.
Gráficos.
Resultado de la investigación al tema propuesto por el profesor
9.- BIBLIOGRAFÍA
9.1
9.2
9.3
9.4
9.5
9.6
9.7
Apuntes de la asignatura “Automatización”. Prof. Héctor Muñoz Romero
Apuntes de la asignatura “Oleohidráulica y Neumática”.
Apuntes de la asignatura “Transferencia de calor”.
Catálogos de los componentes neumáticos e hidráulicos.
Catálogos de motores eléctricos trifásicos asíncronos.
Catálogos de servomotores CC y de paso.
Catálogos de Drivers CC y CA.
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