Sistemas eléctricos
Al estudiar los sistemas eléctricos que se emplean como actuadores de control deberán tenerse en cuenta los siguientes dispositivos y sistemas:1. Dispositivos de conmutación, como son los interruptores mecánicos (relevadores) y los interruptores de estado sólido (diodos, tiristores y transistores), en los que la señal de control enciende o apaga un dispositivo eléctrico, por ejemplo, un calentador o un motor.
2. Dispositivos tipo solenoide, en los cuales una corriente que pasa por un solenoide acciona un núcleo de hierro dulce, por ejemplo una válvula hidráulica/neumática operada por solenoide, donde la corriente de control pasa por el solenoide que se utiliza para regular el flujo hidráulico/neumático.
3. Sistemas motrices, por ejemplo, motores de cd y de ca, en los cuales la corriente que pasa por el motor produce una rotación.
Interruptores mecánicos
El relevador eléctrico es un ejemplo de interruptor mecánico que en los sistemas de control se usa como actuador.
Relevadores
Al circular una corriente por un embobinado de alambre se produce un campo magnético y atrae un brazo movible, que es la armadura, la cual produce la apertura o cierre de los contactos.
Por lo general hay dos juegos de contactos, uno que se cierra y otro que se abre debido a la acción.
Esta acción se aprovecha para transmitir corriente a un motor o a un calentador eléctrico de un sistema de control de temperatura.
Los relevadores de retardo son relevadores de control y su acción de conmutación se produce con un retardo, que por lo general es ajustable y se inicia al pasar una corriente por el devanado del revelador, o cuando deja de pasar por éste.
Interruptores de estado sólido
Para realizar la conmutación electrónica de los circuitos se utilizan diversos dispositivos de estado sólido. Entre éstos figuran los siguientes:
1. Diodos.
2. Tiristorcs y triacs.
3. Transistores bipolares.
4. MOSFETs de potencia.
Este permite el paso de una cantidad significativa de corriente sólo en una dirección. De ahí que, el diodo se considera como un elemento direccional que permite el paso de corriente sólo cuando su polarización es directa, es decir, si el ánodo es positivo respecto del cátodo.
Si el diodo tiene una polarización inversa suficiente, es decir, un voltaje muy alto, causa una ruptura. Si a un diodo se aplica un voltaje alterno, se puede considerar que está conectado sólo cuando la dirección del voltaje es tal que produce una polarización directa; el diodo se desconecta cuando está en la dirección de polarización inversa.
El tiristor o rectificador controlado por silicio (SCR, por sus siglas en inglés), es un diodo con una compuerta que controla las condiciones en las que se activa.
Si el tiristor tiene polarización directa, la corriente también es despreciable, hasta que se rebasa el voltaje de ruptura. Cuando esto sucede, el voltaje en el diodo desciende a un nivel bajo, de l o 2 V, y lo único que limita la corriente es la resistencia externa en un circuito.
1. Diodos.
2. Tiristorcs y triacs.
3. Transistores bipolares.
4. MOSFETs de potencia.
Diodos
Este permite el paso de una cantidad significativa de corriente sólo en una dirección. De ahí que, el diodo se considera como un elemento direccional que permite el paso de corriente sólo cuando su polarización es directa, es decir, si el ánodo es positivo respecto del cátodo.
Si el diodo tiene una polarización inversa suficiente, es decir, un voltaje muy alto, causa una ruptura. Si a un diodo se aplica un voltaje alterno, se puede considerar que está conectado sólo cuando la dirección del voltaje es tal que produce una polarización directa; el diodo se desconecta cuando está en la dirección de polarización inversa.
Tiristores y triacs
El tiristor o rectificador controlado por silicio (SCR, por sus siglas en inglés), es un diodo con una compuerta que controla las condiciones en las que se activa.
Si el tiristor tiene polarización directa, la corriente también es despreciable, hasta que se rebasa el voltaje de ruptura. Cuando esto sucede, el voltaje en el diodo desciende a un nivel bajo, de l o 2 V, y lo único que limita la corriente es la resistencia externa en un circuito.
El triac (tiristor bidireccional) es similar al tiristor y equivale a un par de tiristores conectados en forma inversa y en paralelo al mismo chio. El triac se activa tanto en sentido directo como en sentido inverso.
Los triacs son un medio sencillo y más o menos barato para controlar potencia con ca.
Cuando a un tiristor, o a un triac se aplica voltaje de manera súbita, con la compuerta apagada, el tiristor cambia su condición de desactivación a la de activación. Un valor de voltaje característico que permite producir este efecto es del orden de 50 V/m-s.
Transitores bipolares
En el transistor pnp la corriente principal entra por el emisor y sale por el colector y en la base se aplica una señal de control.
La combinación de un par de transistores que permita la conmutación de un valor de corriente alto con una entrada de corriente pequeña se conoce como par de Darlington, el cual se puede obtener en dispositivos de un solo chip.
Por lo general, un diodo de protección se conecta en paralelo con el transistor de potencia para evitar que el transistor se dañe durante su desconexión, dado que en general se emplea con cargas inductivas y pueden producirse voltajes transitorios considerables.
Cuando se utilizan actuadores controlados por transistor con un microprocesador, hay que prestar atención a la magnitud de la corriente de base requerida y a su dirección. El valor de dicha corriente podría ser demasiado grande y requerir el empleo de un búfer. Este aumenta la corriente de excitación hasta alcanzar el valor requerido. El búfer también puede servir para invertir.
MOFETs
Hay dos tipos de MOSFETs (transistores de efecto de campo de semiconductor de óxido metálico, por sus siglas en ingles): de canal n y de canal p.
La principal diferencia en el uso de un MOSFET para conmutación y un transistor bipolar para el mismo propósito es que no entra corriente a la compuerta para lograr dicho control. El voltaje de compuerta es la señal controladora.
Por lo tanto, los circuitos de excitación se simplifican dado que no es necesario ocuparse de la magnitud de la corriente.
Solenoides
Los solenoides se pueden usar como actuadores operados eléctricamente. Las válvulas de solenoide son un ejemplo de estos dispositivos y se utilizan para controlar el flujo de fluidos en sistemas hidráulicos o neumáticos,
Motores de cd
Los motores eléctricos con frecuencia se emplean como elemento (le control final en los sistemas de control por posición o de velocidad,
Los motores se pueden clasificar en dos categorías principales: motores de cd y motores de ca. La mayoría de los motores que se emplean en los sistemas de control modernos son motores de cd.
Los principios básicos del funcionamiento de un motor son los siguientes:
1. Cuando en un campo magnético, una corriente pasa por un conductor, se ejerce una fuerza sobre el conductor. Para un conductor de longitud L que lleva una corriente / en un campo magnético que tiene una densidad de flujo B y es perpendicular al conductor, la fuerza ejercida F es igual a BIL.
2. Cuando un conductor se desplaza dentro de un campo magnético, sobre él se induce una f.e.m. . La f.e.m. inducida, e, es igual a la velocidad con la que cambia el flujo magnético <P (el flujo magnético es igual al producto de la densidad de flujo por el área) que cubre el conductor (ley de Faraday), es decir, e = — d<T>/dt.
Motor de cd de imán permanente
Si hay N conductores, la fuerza producida es NBiL. Las fuerzas dan por resultado un par de rotación Jen el eje del devanado con un valor de Fb, siendo b el ancho de la espira.
Motores de cd con devanados de campo
1. Motor (con excitación) en serie.
En el motor en serie, los devanados de la armadura y de los campos están en serie. Este motor produce el par de rotación de arranque de mayor intensidad y alcanza la mayor velocidad sin carga. Con cargas ligeras existe el riesgo de que el motor alcance velocidades muy altas.
2. Motor en derivación (en paralelo).
En éste, los devanados de armadura y de campo están en paralelo; genera el par de rotación de menor intensidad, en el arranque tiene una velocidad sin carga mucho menor y permite una buena regulación de la velocidad.
3. Motor de excitación compuesta.
Este motor tiene dos devanados de campo, uno en serie con la armadura y otro en paralelo. En estos motores se intenta conjuntar lo mejor del motor (excitado) en serie y del motor en paralelo.
4. Motor de excitación independiente.
En este motor el control de las corrientes de armadura y de campo es independiente y se le puede considerar como un caso especial del motor en paralelo.
En el motor en serie, los devanados de la armadura y de los campos están en serie. Este motor produce el par de rotación de arranque de mayor intensidad y alcanza la mayor velocidad sin carga. Con cargas ligeras existe el riesgo de que el motor alcance velocidades muy altas.
2. Motor en derivación (en paralelo).
En éste, los devanados de armadura y de campo están en paralelo; genera el par de rotación de menor intensidad, en el arranque tiene una velocidad sin carga mucho menor y permite una buena regulación de la velocidad.
3. Motor de excitación compuesta.
Este motor tiene dos devanados de campo, uno en serie con la armadura y otro en paralelo. En estos motores se intenta conjuntar lo mejor del motor (excitado) en serie y del motor en paralelo.
4. Motor de excitación independiente.
En este motor el control de las corrientes de armadura y de campo es independiente y se le puede considerar como un caso especial del motor en paralelo.
Control de motores de cd
La velocidad que alcanza un motor de imán permanente depende de la magnitud de la corriente que pasa por el devanado de la armadura. En un motor con devanado de campo, la velocidad se modifica variando la corriente de la armadura, o la de campo; en general, es la primera la que se modifica.
Por lo tanto, para controlar la velocidad se puede utilizar el control del voltaje que se aplica a la armadura. Sin embargo, dado que el empleo de fuentes de voltaje de valor fijo es frecuente, el voltaje variable se logra mediante un circuito electrónico.
Motores de cd de imán permanente y sin escobillas
Las escobillas establecen contacto deslizante con el colector; las chispas que saltan entre ambos van desgastando las escobillas. Por ello, éstas deben ser reemplazadas de manera periódica y volver a recubrir el colector. Para evitar estos problemas se diseñaron los motores sin escobillas.
En esencia, estos motores constan de una secuencia de devanados de estator y un rotor de imán permanente. Un conductor por el que pasa corriente eléctrica y se encuentra en medio de un campo magnético experimenta una fuerza; asimismo, como consecuencia de la tercera ley del movimiento de Newton, el imán también experimenta una fuerza opuesta de igual magnitud.
En el motor de cd convencional, el imán está fijo y los conductores por los que pasa la corriente presentan movimiento. En el motor de cd de imán permanente y sin escobillas sucede lo contrario: los conductores por los que pasa corriente están fijos y es el imán el que se mueve. El rotor es un imán permanente de ferrila o cerámica.
Motores de ca
Los motores de corriente alterna se pueden clasificar en dos grupos: monofásicos y polifásicos, cada uno de los cuales se subdivide en motores de inducción y motores síncronos.
Existe la tendencia a usar motores monofásicos si la potencia requerida es baja, en tanto los polifásicos se emplean cuando se requiere mucha potencia.
Los motores de inducción en general son más baratos que los síncronos, de allí lo popular de su empleo.
Motores paso a paso
Por ejemplo, si en el caso de un motor un pulso produce un giro de 60, entonces 60 pulsos producirán una rotación de 360°.
Existen diversos tipos de motor paso a paso:
1. Motor paso a paso de reluctancia variable.
Cuando a un par de devanados, opuestos, llega corriente se produce un campo magnético cuyas líneas de tuerca pasan de los polos del estator a través del grupo de polos más cercano al rotor.
Dado que las lineas de fuerza se pueden considerar como un hilo elástico, siempre tratando de acortarse, el rotor se moverá hasta que sus polos y los del estator queden alineados. A lo anterior se le conoce como posición de reluctancia mínima.
2. Motor paso a paso de imán permanente
Cada uno de ellos está enrollado a un devanado de campo y las bobinas en pares opuestos de polos están en serie. A través de interruptores una fuente de cd proporciona la corriente a los devanados.
El rotor es un imán permanente, por lo que al conectar una corriente a uno de los pares de polos del estator, el rotor se desplaza hasta alinearse con él. Así, al conmutar las corrientes a través de los devanados, el rotor gira a pasos de 45°.
En este motor los ángulos de avance paso a paso por lo general son de 1.8°, 7.5°, 15, 30°, 34° o 90°.
3. Molar paso a paso híbrido
Los motores paso a paso híbridos conjuntan las características de los motores de reluctancia variable y de imán permanente; cuentan con un imán permanente inserto en tapones de hierro dentados el rotor se coloca a sí mismo en la posición de reluctancia mínima cuando se energiza un par de devanados del estator.
Ángulos de paso típicos son de 0.9° y 1.8°. Estos motores se usan mucho en aplicaciones que requieren un posicionamiento de alta precisión, por ejemplo, en las unidades de disco duro de las computadoras.
No hay comentarios:
Publicar un comentario