TECNOLÓGICO DE ESTUDIOS SUPERIORES DE COACALCO

Actuadores Eléctricos

Docente. Orozco Magallón Eduardo

Alumno. Santillan Rosete José Alfonso

Grupo: 3711 Turno: Matutino Matricula: 201210062

Docente. Orozco Magallón Eduardo

Alumno. Santillan Rosete José Alfonso

Grupo: 3711 Turno: Matutino

COACALCO DE BERRIOZABAL, MÉX. Marzo 28 2016

COACALCO DE BERRIOZABAL, MÉX. Marzo 28 2016

Contenido Actuadores Eléctricos ................................................................................................................................................................ 1

Introducción ............................................................................................................................................................................. 3

Eléctricos. ................................................................................................................................................................................ 3

Motores de corriente continua (DC) .................................................................................................................................... 3

El motor de corriente directa (c.d.) y la "ley de la fuerza de lorentz".............................................................................. 5

Excitación del motor en corriente directa........................................................................................................................... 7

Velocidad del motor en corriente directa. ........................................................................................................................... 7

Motor de Corriente Alterna .................................................................................................................................................... 8

MOTOR MONOFÁSICO SÍNCRONO ................................................................................................................................ 9

MOTOR MONOFÁSICO ASÍNCRONO ............................................................................................................................ 10

MOTOR TRIFÁSICO SÍNCRONO ..................................................................................................................................... 11

MOTOR TRIFÁSICO ASÍNCRONO ................................................................................................................................. 12

Conexión en estrella: ........................................................................................................................................................... 12

Conexión en triángulo: ......................................................................................................................................................... 13

Servomotor ............................................................................................................................................................................ 15

Actuadores Neumáticos ...................................................................................................................................................... 16

ACTUADORES LINEALES ................................................................................................................................................. 16

Cilindros de doble efecto ..................................................................................................................................................... 17

Bibliografías: .......................................................................................................................................................................... 18

Introducción En el siguiente trabajo se hablara de los tipos de actuadores que hoy en día existen y de la importancia de cada uno, sus ventajas y desventajas y cada papel que juega cada uno. Con este trabajo se pretende tener más en claro los características de un actuador y las partes que lo componen dependiendo de qué actuador sea y el tipo.

Los actuadores en tiempo atrás eran solo un dispositivo que el hombre le proporcionaba movimiento a este, se le llamaba actuador “Humano”, con el tiempo fue muy tedioso su comprensión hasta que el hombre decidió automatizarlos. A continuación hablaremos más de los actuadores, ya que estos actuadores tienen como misión generar el movimiento de los elementos del robot u otros dispositivos con las que sean integradas según las órdenes dadas por la unidad de control. Se clasifican en tres grandes grupos, según la energía que utilizan.

Eléctricos.

Los actuadores electrónicos también son muy utilizados en los aparatos mecatrónicos, como por ejemplo, en los robots de tamaño mediano, pues éstos no requieren de tanta velocidad ni potencia como los robots diseñados para funcionar con actuadores hidráulicos. Los robots que usan la energía eléctrica se caracterizan por una mayor exactitud y repetitividad. Los servomotores CA sin escobillas se utilizaran en el futuro como actuadores de posicionamiento preciso debido a la demanda de funcionamiento sin tantas horas de mantenimiento.

Motores de corriente continua (DC)

Son los más usados en la actualidad debido a su facilidad de control. En este caso, se utiliza en el propio motor un sensor de posición (Encoder) para poder realizar su control.

Los motores de DC están constituidos por dos devanados internos, inductor e inducido, que se alimentan con corriente continua: El inducido, también denominado devanado de excitación, está situado en el estator y crea un campo magnético de dirección fija, denominado excitación.

El inducido, situado en el rotor, hace girar al mismo debido a la fuerza de Lorentz que aparece como combinación de la corriente circulante por él y del campo magnético de excitación. Recibe la corriente del exterior a través del colector de delgas, en el que se apoyan unas escobillas de grafito.

Para que se pueda dar la conversión de energía eléctrica en energía mecánica de forma continua es necesario que los campos magnéticos del estator y del rotor permanezcan estáticos entre sí. Esta transformación es máxima cuando ambos campos se encuentran en cuadratura. El colector de delgas es un conmutador sincronizado con el rotor encargado de que se mantenga el ángulo relativo entre el campo del estator y el creado por las corrientes rotoricas. De esta forma se consigue transformar automáticamente, en función de la velocidad de la máquina, la corriente continua que alimenta al motor en corriente alterna de frecuencia variable en el inducido. Este tipo de funcionamiento se conoce con el nombre de autopilotado.

Al aumentar la tensión del inducido aumenta la velocidad de la máquina. Si el motor esta alimentado a tensión constante, se puede aumentar la velocidad disminuyendo el flujo de excitación. Pero cuanto más débil sea el flujo, menor será el par motor que se puede desarrollar para una intensidad de inducido constante, mientras que la tensión del inducido se utiliza para controlar la velocidad de giro.

En los controlados por excitación se actúa al contrario. Además, en los motores controlados por inducido se produce un efecto estabilizador de la velocidad de giro originado por la realimentación intrínseca que posee a través de la fuerza contra electromotriz. Por estos motivos, de los dos tipos de motores DC es el controlado por inducido el que se usa en el accionamiento con robots.

Para mejorar el comportamiento de este tipo de motores, el campo de excitación se genera mediante imanes permanentes, con lo que se evalúan fluctuaciones del mismo. Estos imanes son de aleaciones especiales como sumario-cobalto. Además, para disminuir la inercia que poseería un rotor bobinado, que es el inducido, se construye este mediante una serie de espiras serigrafiadas en un disco plano, este tipo de rotor no posee apenas masa térmica lo que aumenta los problemas de calentamiento por sobrecarga.

Las velocidades de rotación que se consiguen con estos motores son del orden de 1000 a 3000 rpm con un comportamiento muy lineal y bajas constantes de tiempo. Las potencias que pueden manejar pueden llegar a los 10KW.

Como se ha indicado, los motores DC son controlados mediante referencias de velocidad. Estas normalmente son seguidas mediante un bucle de retroalimentación de velocidad analógica que se cierra mediante una electrónica específica (accionado del motor).

El motor de corriente directa (c.d.) y la "ley de la fuerza de lorentz" La “Ley de la Fuerza de Lorenz”, descubierta por el físico-matemático holandés Hendrix Antón Lorenz (1853-1928), postula que cuando una partícula cargada eléctricamente se mueve dentro de un campo magnético experimenta una fuerza perpendicular a la dirección de ese movimiento y perpendicular, a su vez, a la dirección del flujo del campo magnético. Demostración de cómo actúa la “Ley de la fuerza de Lorenz” empleando la “Regla de la mano izquierda” La “Ley de la Fuerza de Lorenz” se puede. Demostrar empleando la “Regla de la mano. Izquierda” propuesta por el físico e ingeniero. Eléctrico británico John Umbrosa Fleming. (1849-1945). En esta ilustración se puede observar. El dedo índice de la mano izquierda señalando. En. La dirección que tienen las líneas de flujo magnético. “” del imán permanente (del polo. Norte al polo sur), el dedo medio señalando el. Sentido de circulación de la corriente eléctrica “I” a. través del cable conductor creando un campo. Electromagnético a su alrededor y, finalmente, el. Dedo pulgar señalando en la. Dirección “F” en la que se moverá el cable cuando su. Campo. Electromagnético interactúe con el campo. Magnético del imán permanente. Se representa gráficamente cómo actúa en la práctica. La “Regla de la mano izquierda”, representándola por medio de flechas o vectores.

Como se puede observar en la figura que ilustra la “Regla de la mano izquierda”, mientras el dedo índice apunta en la misma dirección que siguen las líneas de fuerza “ ” del campo magnético de un imán permanente (partiendo siempre del polo norte “N” en dirección al polo sur “S”), el dedo medio se coloca formando un ángulo de 90º con el índice para apuntar en el mismo sentido que fluye la corriente eléctrica “I” a través del cable conductor en el que se crea un campo electromagnético a su alrededor. Bajo esas condiciones, el dedo pulgar, que se ha colocado formando una “L” en relación con el dedo índice, señalará en la dirección “F” hacia donde se moverá el cable cuando su campo electromagnético interactúe con el campo magnético del imán permanente. Generador es toda máquina que convierte energía mecánica en eléctrica. Motor es la máquina que convierte energía eléctrica en mecánica. Sin embargo, una misma máquina se puede usar como motor y como generador.

Partes que integran un motor común de corriente directa Un motor común de corriente directa o continua se compone de las siguientes partes o piezas:

Carcasa metálica o cuerpo del motor. Aloja en su interior, de forma fija, dos imanes permanentes con forma de semicírculo, con sus correspondientes polos norte y sur.

Rotor o parte giratoria del motor. Se compone de una estructura metálica formada por un conjunto de chapas o láminas de acero al silicio, troqueladas con forma circular y montadas en un mismo eje con sus correspondientes bobinas de alambre de cobre, que lo convierten en un electroimán giratorio. Por norma general el rotor de la mayoría de los pequeños motores de C.D. se compone de tres enrollados o bobinas que crean tres polos magnéticos. Los extremos de cada una de esas bobinas se encuentran conectados a diferentes segmentos del colector.

Colector o conmutador. Situado en uno de los extremos del eje del rotor, se compone de un anillo deslizante seccionado en dos o más segmentos. Generalmente el colector de los pequeños motores comunes de C.D. se divide en tres segmentos.

Escobillas. Representan dos contactos que pueden ser metálicos en unos casos, o compuesto por dos piezas de carbón en otros. Las escobillas constituyen contactos eléctricos que se deslizan por encima de los segmentos del colector mientras estos giran. Su misión es suministrar a la bobina o bobinas del rotor a través del colector, la corriente eléctrica directa necesaria para energizar el electroimán. En los pequeños motores las escobillas normalmente se componen de

dos piezas o flejes metálicos que se encuentran fijos en la tapa que cierra la carcasa o cuerpo del motor.

Tapa de la carcasa (izquierda en la foto). Es la tapa que se emplea para cerrar uno de los extremos del cuerpo o carcasa del motor. En su cara interna se encuentran situadas las escobillas de forma fija. El motor de esta foto utiliza en función de escobillas dos flejes metálicos.

Excitación del motor en corriente directa.

La forma de conectar las bobinas del estator es lo que se define como tipo de excitación. Podemos

distinguir entre:

INDEPENDIENTE: Los devanados del estator se conectan totalmente por separado a una fuente

de corriente continua, y el motor se comporta exactamente igual que el de imanes permanentes.

En las aplicaciones industriales de los motores de C.C. es la configuración más extendida.

SERIE: Consiste en conectar el devanado del estator en serie con el de la armadura. Se emplea

cuando se precisa un gran par de arranque, y precisamente se utiliza en los automóviles. Los

motores con este tipo de excitación se embalan en ausencia de carga mecánica. Los motores

con esta configuración funcionan también con corriente alterna.

PARALELO: Estator y rotor están conectados a la misma tensión, lo que permite un perfecto

control sobre la velocidad y el par.

COMPOUND: Del inglés, compuesto, significa que parte del devanado de excitación se conecta

en serie, y parte en paralelo. Las corrientes de cada sección pueden ser aditivas o sustractivas

respecto a la del rotor, lo que da bastante juego, pero no es este el lugar para entrar en detalles

al respecto.

Velocidad del motor en corriente directa.

Como ya hemos dicho, la configuración más popular es la de excitación independiente, y a ella se

refieren las dos expresiones que vienen a continuación:

La velocidad es proporcional al valor de la tensión media de C.C. esto es válido siempre que se

mantengan constantes, las condiciones de excitación y el par mecánico resistente.

El valor de la tensión media aplicada a las conexiones de la armadura del motor se distribuye

fundamentalmente de la forma:

U: Tensión media aplicada.

RxI: Caída de tensión debida a la corriente que circula por el inducido.

E: Fuerza contra electromotriz inducida (velocidad).

Motor de Corriente Alterna En este caso, los motores basan su funcionamiento en la obtención de un campo magnético giratorio. Dentro de este campo giratorio puede haber un electroimán, que gira a la misma velocidad que el campo. En este caso tendremos un motor síncrono. Una segunda posibilidad es que dentro del campo haya un bobinado sometido a inducción, por lo que aparece una corriente eléctrica y, por tanto, la fuerza de Lorentz. El giro será más lento que el del campo giratorio, razón por la cual el motor se denomina asíncrono o de inducción. Respecto a la corriente de alimentación, tendremos motores monofásicos y motores trifásicos. De forma similar a los motores de corriente continua, los de alterna están constituidos por una parte fija denominada estator, inductor o excitación, dotado de las bobinas generadoras del campo magnético, y por un rotor o inducido, también llamado armadura.

Motor de Corriente

Alterna

Inductores

Inducidos

Monofásico con un

par de bobinas

Monofásico con

dos pares de

bobinas

Monofásico con

tres pares de

bobinas

Bobinado con

anillos

Bobinado con

colector

De jaula de ardilla

MOTOR MONOFÁSICO SÍNCRONO Es un motor idéntico al motor de corriente continua con excitación en serie. Pero en corriente alterna, el funcionamiento del motor se basa en el acoplamiento de campos magnéticos que se repelen y atraen al unísono (para su estudio teórico se idealiza como un campo giratorio, pero eso no es tema de este curso).

Para que se produzca este acoplamiento, el rotor inducido tiene unas bobinas unidas a un colector formado por delgas, en serie con las bobinas de la excitación. Un par de escobillas aplican la corriente al rotor. Por lo tanto, el mismo motor puede funcionar tanto con corriente continua como con alterna. Pero, además, puede funcionar como dínamo. Por ello se le denomina motor universal, y es ampliamente utilizado en pequeños electrodomésticos.

También son motores típicos de los ferrocarriles eléctricos, especialmente suburbanos, por la posibilidad de funcionar tanto con corriente continua como con alterna, y también debido a su elevado par de arranque.

MOTOR MONOFÁSICO ASÍNCRONO En este tipo de motores, el estátor genera un campo magnético giratorio. Para ello, se dispone de dos pares de bobinas de excitación perpendiculares. Una de ellas se conecta directamente a la corriente alterna, generando un campo magnético oscilante. En la otra bobina se intercala un condensador cuya misión es desfasar la corriente que llega a la bobina 90° (eléctricos) respecto a la corriente de la bobina anterior, con lo cual, el campo magnético que genera esta segunda bobina estará también desfasado respecto al anterior. La composición de ambos campos es una suma de vectores y la resultante gira en el espacio, como se puede comprobar en la animación:

El campo magnético giratorio induce una corriente en los conductores del rótor (razón por la que al rótor se le llama también inducido) siempre que exista una variación de flujo magnético. Ésto ocurre siempre, ya que el rótor gira a menor velocidad que la velocidad de sincronismo a la que gira el campo. Y esta corriente inducida tiene los siguientes efectos:

En primer lugar, se produce una fuerza de Lorentz sobre los conductores del rótor.

Además, la propia corriente genera un campo magnético concéntrico respecto al cable que se suma al campo inductor, y entre los dos resulta una atracción magnética sobre la estructura de acero del rótor.

Las corrientes y fuerzas que aparecen en el inducido son tanto mayores cuanto mayor sea la velocidad relativa entre el rótor y el campo magnético. Ésto significa que los motores de inducción tendrán un elevado par de arranque y, además, cuando se sometan a alguna acción que les frene, esta disminución de velocidad de giro significa que la diferencia de velocidades aumenta, con lo cual

aumenta la inducción, la fuerza de Lorentz, etc. y todo ello da como resultado que el par también aumenta, venciendo el frenado. Para que se produzca corriente que circule libremente por el rotor, los conductores deben formar un cortocircuito, que se consigue con llamados rotores de jaula de ardilla:

MOTOR TRIFÁSICO SÍNCRONO De forma similar a los motores monofásicos, los motores trifásicos consiguen un campo magnético giratorio. El motor trifásico síncrono tiene un rótor constitutido por un electroimánque se mueve con el campo magnético. No es un motor muy corriente por la complicación que supone alimentar las bobinas de excitación con corriente alterna y el inducido con corriente continua, pero la velocidad de giro que se obtiene es fija e igual a la de sincronismo.

MOTOR TRIFÁSICO ASÍNCRONO El funcionamiento de estos motores es totalmente análogo al de los motores monofásicos de inducción:

Un campo magnético giratorio

Inducción de corriente en el rótor por causa del campo que gira a mayor velocidad que el propio rótor

Fuerza de Lorentz y fuerza de atracción magnética

Y el campo magnético giratorio se consigue conectando cada una de las bobinas a una línea de corriente trifásica: El rótor o inducido suele ser de jaula de ardilla, pero también puede ser de tipo bobinado, con la ventaja de poder regular la corriente de cortocircuito mediante potenciómetros, con lo cual se regula la velocidad de giro y el par desarrollado por el motor.

Los motores trifásicos presentan unas características especiales de utilización, ya que con los mismos tres cables de corriente se pueden realizar dos tipos de conexiones en la excitación:

Conexión en estrella: Un extremo de las tres bobinas de excitación se junta y cada uno de los extremos libres se conecta a cada uno de los cables (si las tres bobinas son idénticas, las corrientes se compensan y no es necesario el conductor neutro). En este caso cada bobina del motor está sometida a la tensión UR, US y UT, que suele ser de 220 V, y por cada una circula una intensidad igual a la que circula por cada conductor:

Recordando la relación entre voltaje respecto al neutro (UR, US,UT) y voltaje de línea (URS, UST, UTR) en la corriente alterna trifásica, se deduce que la tensión a la que está conectada cada fase del motor es la tensión de línea entre √3 (220 V)

Por cada fase del motor pasa la misma intensidad que viene por los cables: IFASE = ILINEA

Conexión en triángulo: Cada extremo de las tres bobinas se une al extremo de la bobina siguiente no siéndo necesario el conductor neutro. En este caso cada bobina está sometida a tensión de línea, URS, UST y UTR, en otras palabras, la tensión de cada fase del motor es la tensión de línea (que suele ser de 380 V):

Cada cable tiene que dar corriente a dos fases del motor, por lo tanto, por cada fase pasa menos intensidad que la que viene por los cables, y el valor es inferior precisamente √3 veces.

IFASE = ILINEA/√3 Con estas posibilidades, se puede arrancar el giro de un motor a baja tensión de 220 V mediante una conexión en triángulo, y cuando se haya establecido la f.c.e.m. propia del giro, conectar el motor en estrella a 380 V para desarrollar toda su potencia, sin alcanzar nunca intensidades elevadas. Esto se realiza de forma automática mediante un arrancador estrella-triángulo, que son dos relés accionados por un temporizador:

Otra de las ventajas de los motores trifásicos de inducción es que se puede invertir su giro sin más que conmutar dos cualquiera de sus fases, tanto en estrella como en triángulo:

Velocidad del motor AC Como en el rotor los polos son fijos y en estator la polaridad de los campos varía (está alimentado por corriente alterna), los polos fijos del rotor, siguen las variaciones de polaridad de los devanados del estator. Habrá efectos de atracción y repulsión de campos magnéticos que causará la rotación del rotor. Como el voltaje de alimentación del estator es periódica, entonces el movimiento del rotor (rotación) sigue esta variación periódica del voltaje de alimentación y como consecuencia la velocidad de rotación es constante. La velocidad del motor AC está dada por la fórmula: Ns = 60 x f/p, donde: Ns = velocidad del motor en rpm (revoluciones por minuto) f = frecuencia de la alimentación en Hertz (Hz) p = número de pares de polos del motor. Forma Física

Servomotor Un servomotor (también llamado Servo) es un dispositivo similar a un motor de corriente continua, que tiene la capacidad de ubicarse en cualquier posición dentro de su rango de operación, y mantenerse estable en dicha posición. Está conformado por un motor, una caja reductora y un circuito de control. Los servos se utilizan frecuentemente en sistemas de radio control y en robótica, pero su uso no está limitado a estos. Es posible modificar un servomotor para obtener un motor de corriente continua que, si bien ya no tiene la capacidad de control del servo, conserva la fuerza, velocidad y baja inercia que caracteriza a estos dispositivos. Un servo normal o Standard tiene 3kg por cm. de torque que es bastante fuerte para su tamaño. También potencia proporcional para cargas mecánicas. Un servo, por consiguiente, no consume mucha energía. La corriente que requiere depende del tamaño del servo. Normalmente el fabricante indica cual es la corriente que consume. Eso no significa mucho si todos los servos van a estar moviéndose todo el tiempo. La corriente depende principalmente del par, y puede exceder un amperio si el servo está enclavado. Partes De Un Servomotor

Actuadores Neumáticos El trabajo realizado por un actuador neumático puede ser lineal o rotativo. El movimiento lineal se obtiene por cilindros de émbolo (éstos también proporcionan movimiento rotativo con variedad de ángulos por medio de actuadores del tipo piñón cremallera). También encontramos actuadores neumáticos de rotación continua (motores neumáticos), movimientos combinados e incluso alguna transformación mecánica de movimiento que lo hace parecer de un tipo especial.

ACTUADORES LINEALES Los cilindros neumáticos independientemente de su forma constructiva, representan los actuadores más comunes que se utilizan en los circuitos neumáticos. Existen dos tipos fundamentales de los cuales derivan construcciones especiales •Cilindros de simple efecto, con una entrada de aire para producir una carrera de trabajo en un sentido. •Cilindros de doble efecto, con dos entradas de aire para producir carreras de trabajo de salida y retroceso. Más adelante se describen una gama variada de cilindros con sus correspondientes símbolos. CILINDROS DE SIMPLE EFECTO Un cilindro de simple efecto desarrolla un trabajo sólo en un sentido. El émbolo se hace retornar por medio de un resorte interno o por algún otro medio externo como cargas, movimientos mecánicos, etc. Puede ser de tipo “normalmente dentro” o “normalmente fuera”.

Los cilindros de simple efecto se utilizan para sujetar, marcar, expulsar, etc. Tienen un consumo de aire algo más bajo que un cilindro de doble efecto de igual tamaño. Sin embargo, hay una reducción de impulso debida a la fuerza contraria del resorte, así que puede ser necesario un diámetro interno algo más grande para conseguir una misma fuerza. También la adecuación del resorte tiene como consecuencia una longitud global más larga y una longitud de carrera limitada, debido a un espacio muerto. La variedad constructiva de los cilindros de simple efecto es muy importante, pero todos ellos presentan la misma mecánica de trabajo. Se muestran a continuación algunos ejemplos de los mismos:

Cilindros de doble efecto Los cilindros de doble efecto son aquellos que realizan tanto su carrera de avance como la de retroceso por acción del aire comprimido. Su denominación se debe a que emplean las dos caras del émbolo (aire en ambas cámaras), por lo que estos componentes sí que pueden realizar trabajo en ambos sentidos. Sus componentes internos son prácticamente iguales a los de simple efecto, con pequeñas variaciones en su construcción. Algunas de las más notables las encontramos en la culata anterior, que ahora ha de tener un orificio roscado para poder realizar la inyección de aire comprimido (en la disposición de simple efecto este orificio no suele prestarse a ser conexionado, siendo su función la comunicación con la atmósfera con el fin de que no se produzcan contrapresiones en el interior de la cámara). Motor de corriente directa Un pequeño motor común de corriente directa (C.D.) basa su funcionamiento en el rechazo que se produce entre el campo magnético que rodea al electroimán del rotor y el campo magnético de un imán permanente colocado de forma fija en el cuerpo del motor. Para que se entienda mejor, a continuación se explican las características de los imanes permanentes y de los electroimanes.

Bibliografías:

https://sites.google.com/site/tecnorlopez33/tema4-maquinas-electricas/06-motores-de-ca Palacios E. Remiro F Lopez L (2004) Microcontrolador pic16f84 desarrollo de proyectos Mexico DF alfaomega Pallas Casas Bragos (2008) Sensores y Acondicionales de Señal Problemas Recueltos