Tema 69 – Elementos actuadores en los circuitos de control

En la Automatización, resulta evidente que la cadena de realimentación resulta imprescindible en muchos automatismos industriales para poder realizar un control en lazo cerrado, con las conocidas ventajas en cuanto a cancelación de errores y posibilidades de regulación precisa y rápida. A su vez, dicha cadena de realimentación requiere unos elementos de captación de las magnitudes de planta, a los que llamamos genéricamente sensores o transductores y unos circuitos adaptadores llamados circuitos de interfaz.

Por otro lado, es evidente la necesidad de unos accionamientos o elementos que actúan sobre la parte de potencia de la planta. La potencia necesaria para actuar sobre los accionamientos puede ser considerable y, a veces, no puede ser suministrada directamente por el sistema de control. En tales casos, se requieren unos elementos intermedios encargados de interpretar las señales de control y actuar sobre la parte de potencia propiamente dicha. Dichos elementos se denominan habitualmente preaccionamientos y cumplen una función de amplificadores, ya sea para señales analógicas o para señales digitales.

Nos centraremos en el estudio de los sensores y preaccionamientos ligados a sistemas de control de tipo eléctrico o electrónico, básicamente autómatas programables. En definitiva, nos ocuparemos básicamente de aquellos sensores cuya salida es una señal eléctrica o electromagnética y de los preaccionamientos gobernados por señales eléctricas.

También es habitual que los sensores requieran una adaptación de la señal eléctrica que suministran para que sean conectables a un determinado sistema de control. Esta función la realizan los bloques de interfaz, que pueden ser totalmente independientes del sensor o estar parcialmente incluidos en él. En cualquier caso, en la descripción que vamos a dar aquí, pretendemos aclarar esencialmente el principio de funcionamiento del captador propiamente dicho e incluiremos únicamente la parte de interfaz que incorporen habitualmente los sensores disponibles comercialmente.

1. Sensores. Clasificación.

Los términos «sensor» y «transductor» se suelen aceptar como sinónimos, aunque, si hubiera que hacer alguna distinción, el término transductor es quizás más amplio, incluyendo una parte sensible o «captador» propiamente dicho y algún tipo de circuito de acondicionamiento de la señal detectada. Si nos centramos en el estudio de los transductores cuya salida es una señal eléctrica, podemos dar la siguiente definición:

«Un transductor es un dispositivo capaz de convertir el valor de una magnitud física en una señal eléctrica codificada, ya sea en forma analógica o digital».

No todos los transductores tienen por qué dar una salida en forma de señal eléctrica. Como ejemplo puede valer el caso de un termómetro basado en la diferencia de dilatación de una lámina bimetálica, donde la temperatura se convierte directamente en un desplazamiento de una aguja indicadora.

Sin embargo, el término transductor suele asociarse bastante a dispositivos cuya salida es alguna magnitud eléctrica o magnética y, por otro lado, nos interesan aquí sólo este tipo de transductores, en la medida que son elementos conectables a autómatas programables a través de las interfaces adecuadas.

Limitándonos, pues, a los transductores basados fenómenos eléctricos o magnéticos, éstos suelen tener una estructura general como la que muestra la Figura 1, en la cual podemos distinguir las siguientes partes:

– Elemento sensor o captador. Convierte las variaciones de una magnitud física en variaciones de una magnitud eléctrica o magnética, que denominaremos habitualmente señal

– Bloque de tratamiento de señal. Si existe, suele filtrar, amplificar, linealizar y, en general, modificar la señal obtenida en el captador, por regla general utilizando circuitos electrónicos.

– Etapa de salida. Esta etapa comprende los amplificadores, interruptores, conversores de código, transmisores y, en general, todas aquellas partes que adaptan la señal a las necesidades de la carga exterior.

Podemos dar varias clasificaciones de los transductores de tipo eléctrico o magnético, atendiendo a diversos puntos de vista que vamos a repasar a continuación.

1.1. Clasificaciones según el tipo de señal de salida.

Atendiendo a la forma de codificar la magnitud medida podemos establecer una clasificación de sensores en:

– Analógicos. Aquellos que dan como salida un valor de tensión o corriente variable en forma continua dentro del campo de medida. Es frecuente para este tipo de transductores que incluyan una etapa de salida para suministrar señales normalizadas de 0-10 V o 4-20 mA.

– Digitales. Son aquellos que dan como salida una señal codificada en forma de pulsos o en forma una palabra digital codificada en binario, BCD u otro sistema cualquiera.

– Todo-nada. Indican únicamente cuándo la variable detectada rebasa un cierto umbral o límite. Pueden considerarse como un caso límite de los sensores digitales en el que se codifican sólo dos estados.

Otro criterio de clasificación, relacionado con la señal de salida, es el hecho de que el captador propiamente dicho requiera o no una alimentación externa para su funcionamiento. En el primer caso se denominan sensores pasivos y en el segundo caso activos o directos.

Los sensores pasivos se basan, por lo general, en la modificación de la impedancia eléctrica o magnética de un material bajo determinadas condiciones físicas o químicas (resistencia, capacidad, inductancia, reluctancia, etc.).

Este tipo de sensores, debidamente alimentados, provoca cambios de tensión o de corriente en un circuito, los cuales son recogidos por el circuito de interfaz.

Los sensores activos son, en realidad, generadores eléctricos, generalmente de pequeña señal. Por ello no necesitan alimentación exterior para funcionar, aunque sí suelen necesitarla para amplificar la débil señal del captador.

1.2. Clasificación según la magnitud física a detectar.

En cuanto a la naturaleza de la magnitud física a detectar, existe una gran variedad de sensores en la industria. En la siguiente tabla se da un resumen de los más frecuentes utilizados en los automatismos. Obsérvese que en la columna encabezada como «TRANSDUCTOR» aparece a veces el nombre del elemento captador de dicho transductor, sobre todo en casos de medición indirecta. Así, por ejemplo, para fuerza y par se utilizan captadores de deformación unidos a piezas mecánicas elásticas.

En general, los principios físicos en los que suelen estar basados los elementos sensores son los siguientes:

– cambios de resistividad,

– electromagnetismo (inducción electromagnética),

– piezoelectricidad,

– efecto fotovoltaico,

– termoelectricidad.

1.3. Características generales de los sensores.

El comportamiento de un sistema en lazo cerrado depende muy directamente de los transductores e interfaces empleados en el lazo de realimentación.

Es más, la relación salida/entrada en régimen permanente depende casi exclusivamente del bucle de realimentación. Así pues, dejando a un lado las características constructivas particulares de cada transductor o de cada sistema de medida previsto como lazo de realimentación, es importante conocer diversos aspectos genéricos de su comportamiento a fin de prever o corregir la actuación tanto estática como dinámica del lazo de control.

Un transductor ideal sería aquel en que la relación entre la magnitud de salida y la variable de entrada fuese puramente proporcional y de respuesta instantánea e idéntica para todos los elementos de un mismo tipo. Sin embargo, la respuesta real de los transductores nunca es del todo lineal, tiene un campo limitado de validez, suele estar afectada por perturbaciones del entorno exterior y tiene un cierto retardo a la respuesta. Todo ello hace que la relación salida/entrada deba expresarse por una curva, o mejor por una familia de curvas, para transductores de un mismo tipo y modelo.

Para definir el comportamiento real de los transductores se suelen comparar éstos con un modelo ideal de comportamiento o con un transductor «patrón» y se definen una serie de características que ponen de manifiesto las desviaciones respecto a dicho modelo. Dichas características pueden agruparse en dos grandes bloques:

– Características estáticas, que describen la actuación del sensor en régimen permanente o con cambios muy lentos de la variable a medir.

– Características dinámicas, que describen la actuación del sensor en régimen transitorio, a base de dar su respuesta temporal ante determinados estímulos estándar o a base de identificar el comportamiento del transductor con sistemas estándar, e indicar las constantes de tiempo relevantes.

A continuación se dan las definiciones de las características estáticas y dinámicas más relevantes que suelen aparecer en la mayoría de especificaciones técnicas de los transductores. Debe tenerse en cuenta que todas las características suelen variar con las condiciones ambientales. Por ello, uno de los parámetros esenciales a comprobar al elegir un transductor es el campo de validez de los parámetros que se indican como nominales del mismo y las máximas desviaciones provocadas por dichas condiciones ambientales.

1.3.1. Características estáticas.

· CAMPO DE MEDIDA. El campo de medida, es el rango de valores de la magnitud de entrada comprendido entre el máximo y el mínimo detectables por un sensor, con una tolerancia de error aceptable.

· RESOLUCIÓN. Indica la capacidad del sensor para discernir entre valores muy próximos de la variable de entrada. Se mide por la mínima diferencia entre dos valores próximos que el sensor es capaz de distinguir. Se puede indicar en términos de valor absoluto de la variable física medida o en porcentaje respecto al fondo de escala de la salida.

· PRECISIÓN. La precisión define la máxima desviación entre la salida real obtenida de un sensor en determinadas condiciones de entorno y el valor teórico de dicha salida que correspondería, en idénticas condiciones, según el modelo ideal especificado como patrón. Se suele indicar en valor absoluto de la variable de entrada o en porcentaje sobre el fondo de escala de la salida.

· REPETIBILIDAD. Característica que indica la máxima desviación entre valores de salida obtenidos al medir varias veces un mismo valor de entrada, con el mismo sensor y en idénticas condiciones ambientales. Se suele expresar en porcentaje referido al fondo de escala y da una indicación del error aleatorio del sensor. Algunas veces se suministran datos de repetibilidad variando ciertas condiciones ambientales, lo cual permite obtener las derivas ante dichos cambios.

· LINEALIDAD. Se dice que un transductor es lineal, si existe una constante de proporcionalidad única que relaciona los incrementos de señal de salida con los correspondientes incrementos de señal de entrada, en todo el campo de medida. La no linealidad se mide por la máxima desviación entre la respuesta real y la característica puramente lineal, referida al fondo de escala.

· SENSIBILIDAD. Característica que indica la mayor o menor variación de la salida por unidad de la magnitud de entrada. Un sensor es tanto más sensible cuanto mayor sea la variación de la salida producida por una determinada variación de entrada.

La sensibilidad se mide, pues, por la relación:

Obsérvese que para transductores lineales esta relación es constante en todo el campo de medida, mientras que en un transductor de respuesta no lineal depende del punto en que se mida.

· RUIDO. Se entiende por ruido cualquier perturbación aleatoria del propio transductor o del sistema de medida, que produce una desviación de la salida con respecto al valor teórico.

· HISTÉRESIS. Se dice que un transductor presenta histéresis cuando, a igualdad de la magnitud de entrada, la salida depende de si dicha entrada se alcanzó con aumentos en sentido creciente o en sentido decreciente. Se suele medir en términos de valor absoluto de la variable física o en porcentaje sobre el fondo de escala. Obsérvese que la histéresis puede no ser constante en todo el campo de medida. En el caso de sensores todo-nada se denomina histéresis a la diferencia entre el valor de entrada que provoca el basculamiento de 0 à 1 y aquel que provoca el basculamiento inverso de 1 à 0.

Debemos observar la clara diferencia entre los términos resolución, precisión, repetibilidad y sensibilidad, términos que suelen confundirse muchas veces, incluso en alguna bibliografía.

1.3.2. Características dinámicas.

La mayor parte de transductores tienen un comportamiento dinámico que se puede asimilar a un sistema de primer o segundo orden, es decir, con una o, como máximo, dos constantes de tiempo dominante. Los principales parámetros que caracterizan el comportamiento dinámico de un transductor serán, pues, los que se definieron para estos tipos de sistemas. Sólo cabe destacar que los transductores que responden a modelos de segundo orden suelen ser sistemas sobreamortiguados, es decir, sistemas en los que no hay rebasamiento en la respuesta al escalón. A continuación damos un resumen de las características dinámicas más importantes:

· VELOCIDAD DE RESPUESTA. La velocidad de respuesta mide la capacidad de un transductor para que la señal de salida siga sin retraso las variaciones de la señal de entrada. La forma de cuantificar este parámetro es a base de una o más constantes de tiempo, que suelen obtenerse de la respuesta al escalón. Los parámetros más relevantes empleados en la definición de la velocidad de respuesta son los siguientes:

§ TIEMPO DE RETARDO. Es el tiempo transcurrido desde la aplicación del escalón de entrada hasta que la salida alcanza el 10% de su valor permanente.

§ TIEMPO DE SUBIDA. Es el tiempo transcurrido desde que la salida alcanza el 10% de su valor permanente hasta que llega por primera vez al 90% de dicho valor.

§ TIEMPO DE ESTABLECIMIENTO AL 99%. Es el tiempo transcurrido desde la aplicación de un escalón de entrada hasta que la respuesta alcanza el régimen permanente, con una tolerancia de ± 1%.

§ CONSTANTE DE TIEMPO. Para un transductor con respuesta de primer orden (una sola constante de tiempo dominante) se puede determinar la constante d e tiempo a base de medir el tiempo empleado para que la salida alcance el 63% de su valor de régimen permanente, cuando a la entrada se le aplica un cambio en escalón.

· RESPUESTA FRECUENCIAL. Relación entre la sensibilidad y la frecuencia cuando la entrada es una excitación senoidal. Se suele indicar gráficamente mediante un gráfico de Bode. La respuesta frecuencial está muy directamente relacionada con la velocidad de respuesta.

· ESTABILIDAD Y DERIVAS. Características que indican la desviación de salida del sensor al variar ciertos parámetros exteriores distintos del que se pretende medir, tales como condiciones ambientales, alimentación, u otras perturbaciones.

2. Detectores.

Aplicando los conocimientos vistos en los temas anteriores del temario podemos ver a continuación una clasificación de los distintos tipos de detectores o transductores:

– Detectores de posición.

– Detectores de proximidad.

– Inductivos.

– Capacitivos.

– Ópticos.

– Ultrasónicos.

– Detectores de Posición o distancia.

– Potenciómetros.

– Encoders.

– Sincros y resolvers.

– Inductosyn.

– Sensores Láser.

– Sensores ultrasónicos.

– Sensores magnetoestrictivos.

– Medidores de desplazamientos o deformaciones.

– Transductores de velocidad.

– Acelerómetros.

– Transductores de fuerza y par.

– Transductores de temperatura.

– Transductores de presión.

– Transductores de caudal.

– Medidores de nivel.

– Detectores de parámetros químicos.

3. Actuadores.

En la introducción hemos definido el accionamiento como aquel dispositivo o subsistema que se encarga de regular la potencia de una planta o de un automatismo. El accionamiento puede estar bajo el control directo de la parte de mando o puede requerir algún preaccionamiento para amplificar la señal de mando.

La gama de posibles accionamientos que puede controlar un autómata programable es enormemente extensa y variada. Entre los más habituales se encuentran los destinados a producir movimiento (motores y cilindros), los destinados a trasiego de fluidos (bombas) y los de tipo térmico (hornos, intercambiadores, etc.). Sin embargo, no es nuestro propósito estudiar aquí motores, bombas u otros tipos de accionamientos convencionales, sino que trataremos preferentemente de los preaccionamientos y otras partes más directamente ligadas al control, tales como servomotores, servoválvulas, etc., que se pueden considerar como complementos del autómata en las funciones de regulación.

Para empezar podemos establecer una clasificación atendiendo a la tecnología o, si se quiere, dependiendo del tipo de energía empleada en el accionamiento. Según esto podemos distinguir:

– Accionamientos eléctricos.

– Accionamientos hidráulicos

– Accionamientos neumáticos.

– Accionamientos térmicos.

Dentro de cada una de estas tecnologías encontramos, a su vez, accionamientos de dos tipos:

– Accionamientos todo o nada.

– Accionamientos de tipo continuo.

3.1. Accionamientos eléctricos.

De alguna manera, todos los preaccionamientos que se conectan a los autómatas suelen tener mando eléctrico. Pero dentro de este apartado nos referiremos únicamente a relés, contactores y servomotores de tipo eléctrico.

3.1.1. Relés y contactores.

Los relés y contactores son dispositivos electromagnéticos que conectan o desconectan un circuito eléctrico de potencia al excitar un electroimán o bobina de mando. La diferencia entre relé y contactor está precisamente en la potencia que es capaz de seccionar cada uno. Los relés están previstos para accionar pequeñas potencias, generalmente inferiores a 1 kW, mientras que los contactores pueden accionar grandes potencias (centenares de kilovatios).

Los relés se suelen emplear como etapa previa para accionar dispositivos más potentes como los propios contactores, electroválvulas u otros. El relé separa en general la parte de mando, que trabaja con tensiones y corrientes débiles, de la parte de potencia, con tensiones y corrientes más elevadas. Muchas etapas de salida de autómatas utilizan relés cuya bobina va gobernada directamente por los circuitos electrónicos y que aportan la ventaja de aislar eléctricamente el circuito electrónico de los contactos de utilización.

Las características más relevantes de relés y contactores son:

– Tensión de mando: Tensión de alimentación de la bobina de mando.

– Potencia de mando: Potencia necesaria para accionar la bobina de mando.

– Tensión de aislamiento, Ui: Tensión de prueba entre circuito de mando y contactos.

– Tensión de empleo, Ue: Tensión de trabajo de los contactos de potencia.

– Corriente térmica, Ith: Corriente máxima que pueden soportar los contactos una vez cerrados sin sobrepasar los límites de calentamiento. No debe confundirse con la corriente de empleo.

– Corriente de empleo, Ie: Es la corriente que el dispositivo es capaz de accionar e interrumpir para cada tensión de empleo y con carga resistiva.

– Poder de corte: Se define por la corriente que el relé es capaz de accionar e interrumpir para cada tipo de carga (inductiva, capacitiva, motores, etc.) y para un número de maniobras determinado. Los tipos de servicio más frecuentes según normas IEC son:

PARA RELÉS.

DC11. Mando de bobinas y electroimanes en general en corriente continua.

AC11. Mando de bobinas y electroimanes en general en corriente alterna.

PARA CONTACTORES.

ACl. Conexión y corte de cargas resistivas.

AC2: Mando de motores de CA de rotor en cortocircuito, sin posibilidad de corte durante el arranque ni inversión a motor lanzado.

AC3: Mando de motores de CA de rotor en cortocircuito, con posibilidad de corte durante el arranque e inversión de marcha a motor lanzado.

AC4: Mando de motores de CA con corriente limitada por resistencias, autotransformador u otros medios.

3.1.2. Servomotores de Corriente Continua.

Los servomotores de corriente continua (CC) son pequeñas máquinas especialmente diseñadas para control de posicionamiento.

Aunque el principio de funcionamiento es el de una máquina de continua convencional con excitación independiente, su forma constructiva está adaptada a obtener un comportamiento dinámico rápido y estable y un par de arranque importante.

Por lo general, el inductor se encuentra en el estator y puede ser o bobinado o de imán permanente. El inducido, alojado en el rotor, se suele construir de forma que presente una inercia mínima. Constructivamente se diferencian básicamente en la forma del rotor (Figura 2). Las más habituales son:

– Rotor alargado.

– Rotor en forma de cesta.

–

Rotor de disco.

Figura 2. Formas constructivas del rotor en servomotores de CC.

Los dos primeros suelen tener un colector clásico de forma cilíndrica, mientras que en los de disco suele estar dispuesto en forma radial. El rotor de dichos motores de disco puede estar construido a base de circuito impreso o cable rígido con soporte de resina, dando una inercia propia extremadamente baja.

Los parámetros esenciales de un servomotor de CC y las unidades de medida habituales son los siguientes:

– n velocidad (r.p.m.)

– Ei fuerza electromotriz del inducido (voltios).

– Ui tensión de inducido (voltios).

– Ii corriente de inducido (amperios).

– (e flujo inductor o excitación, en caso de motores con bobinado de excitación es proporcional a la corriente de la bobina inductora.

– Te Constante de tiempo eléctrica L/Ri (segundos).

– Cm par motor (metros . newton).

– P potencia (vatios).

– Ke constante eléctrica (r.p.m.7voltio). Su valor se puede obtener de la relación (nnom7Enom).

– Km constante mecánica, medida en metros newton / amperio. Se obtiene de la relación (Cm nom / Ii nom).

Las relaciones fundamentales entre dichos parámetros para un servomotor con excitación por imanes permanentes o excitación independiente y constante son las siguientes:

A partir de estas relaciones se deduce que el control de velocidad del motor puede hacerse regulando la tensión de inducido y compensando la caída de tensión Ri · Ii y el control de par requiere regular la corriente de inducido. En ambos casos se debe mantener constante el flujo de excitación.

Para caracterizar el comportamiento dinámico de un accionamiento debemos obtener el diagrama de bloques del motor más la carga, supuesta ésta con un par resistente Cr una inercia J y un rozamiento viscoso f. La Figura 3 muestra un esquema del accionamiento junto con el diagrama de bloques completo, donde JT representa la inercia total del rotor del propio motor más la de la carga.

Figura 3. Modelo del servomotor de CC.

Dado que el rozamiento viscoso suele ser pequeño frente a la inercia, el sistema mecánico se comporta prácticamente como un integrador puro. En tal caso, simplificando el diagrama en lazo cerrado, se obtiene la siguiente función de transferencia:

donde Tm es la denominada constante de tiempo mecánica, cuyo valor es:

Este modelo de motor permite determinar el comportamiento dinámico del motor más carga y elegir el regulador más conveniente para sistemas de regulación de velocidad o posición.

3.1.3. Servomotores de Corriente Alterna.

Para accionamientos de cierta potencia, el motor de alterna presenta diversas ventajas frente al de continua, la principal de ellas la ausencia de colector y escobillas. Dentro de los motores de alterna podemos distinguir los asíncronos y los síncronos.

El motor asíncrono convencional no es apropiado para muchos servosistemas que requieran cierta precisión, a causa del deslizamiento y de la poca linealidad de las características par-velocidad. Se emplea, acompañado de variadores de frecuencia, para accionamientos de velocidad variable, donde gracias a un control en lazo cerrado pueden ser obtenidas precisiones aceptables.

No obstante, en sistemas de posicionamiento y pequeña potencia, los motores de alterna más utilizados son el síncrono y el de reluctancia, debido a la ausencia de deslizamiento. A ellos nos referimos habitualmente al hablar de servomotor de CA.

Las formas constructivas del servomotor de CA pueden ser varias. Lo clásico en una máquina síncrona es disponer un devanado estatórico, alimentado en CA y un devanado rotórico, alimentado en CC a través de escobillas y un sistema de anillos rozantes.

Sin embargo, en los servomotores el rotor suele estar constituido por un bloque de hierro (motor de reluctancia) o por un imán permanente, para evitar la existencia de escobillas. Las piezas polares y el rotor suelen tener forma dentada, igual que se verá en los motores paso a paso.

Los motores síncronos con rotor de imán permanente y los motores de reluctancia con rotor liso funcionan con devanados trifásicos en el estator y con uno o más pares de polos por fase, de forma que se cree un campo giratorio sin saltos. Los parámetros esenciales de los que depende el funcionamiento del motor son los siguientes:

– n velocidad (r.p.m.).

– f frecuencia (hercios equivalente a segundos^-1).

– p pares de polos.

– Ui tensión de inducido (voltios).

– Ii corriente de inducido (amperios).

– Li inductancia de cada devanado (henrios).

– Cm par motor (metros . newton).

– Km constante de par (m.N 1 A).

– P potencia (vatios).

Las relaciones fundamentales que cumple el motor son las siguientes:

De dichas relaciones se desprende que la velocidad es proporcional a la frecuencia, mientras que el par es proporcional a la corriente inductora.

En cuanto a los motores de reluctancia, son en realidad máquinas asíncronas, pero se suelen construir con una forma dentada del rotor y del estator, tal como muestra la Figura 4, o con polos salientes. De esta forma, el rotor tiende siempre a orientarse en la posición de menor reluctancia y se consigue una curva par-velocidad con una zona plana (deslizamiento cero) manteniendo el sincronismo para una amplia gama de par y actuando como verdaderos motores síncronos, en los que la velocidad depende sólo de la frecuencia de alimentación para una amplia gama de par (Figura 5). Para pares altos, sin embargo, pueden perder el sincronismo y pasan a funcionar como máquinas asíncronas.

	Figura 4. Forma constructiva del circuito magnético de los motores de reluctancia y motores paso a paso

Los motores paso a paso, que se estudian en el apartado siguiente, pueden considerarse también dentro de esta familia, pues no son más que motores de reluctancia bifásicos, con estator imantado, al objeto de obtener un par de retención a motor parado.

3.1.4. Motores paso a paso.

Como se ha dicho en el apartado anterior, los motores paso a paso no son más que motores de reluctancia, en general bifásicos, cuyo estator tiene una imantación permanente con objeto de obtener un par de retención a motor parado, incluso en ausencia de alimentación.

El estator contiene dos conjuntos de bobinas decaladas 90° eléctricos y las piezas polares tienen forma dentada, tal como muestra la Figura 4. Sin embargo, las piezas polares del rotor y del estator no tienen el mismo paso entre dientes, de forma que sólo un diente del rotor queda enfrentado a uno del estator y el resto quedan decalados entre sí. (En el ejemplo de la Figura el rotor tiene 50 dientes y el estator 48).

El estator puede tener una o dos bobinas por fase. En el primer caso se habla de motores de tres hilos y en el segundo se llaman motores de devanado partido. Ambos tipos de motores se suelen alimentar de una fuente de corriente continua a través de un conmutador a base de transistores, como muestran la Figura 6.

Figura 6. Alimentación de motores paso a paso y motores de reluctancia bifásico.

En el caso de motores de tres hilos, la secuencia de conmutaciones es la que muestra la Figura 6, donde se ve que el ciclo se completa con cuatro conmutaciones o «pasos».

Cada vez que se efectúa una conmutación o «paso» se cambia la orientación del campo en el entrehierro en saltos de 90° (o de 45° en el caso de 1/2 paso). Sin embargo, debido al distinto paso entre dientes del rotor y del estator, cada vez que se hace girar el campo una vuelta completa, el rotor avanza sólo uno o dos dientes (la diferencia entre dientes de rotor y estator) ya que se tiende siempre a que los dientes del rotor queden alineados con el campo. Así, cada ciclo completo de conmutaciones el campo gira 360° eléctricos, pero el rotor avanza sólo un ángulo A CICLO tal que:

donde Nr y Ne indican, respectivamente, el número de dientes del rotor y del estator y p es el número de pares de polos del estator.

Para el ciclo de cuatro «pasos» el ángulo de avance que corresponde a un paso será:

El número de pasos por vuelta, para la secuencia de cuatro pasos por ciclo, viene dado por la expresión:

Si se conmuta con una frecuencia de f (pasos/segundo), la velocidad del motor será:

Puede invertirse el sentido de giro del motor sin más que invertir el orden de las conmutaciones.

El par motor depende de la corriente de alimentación y, a su vez, ésta depende de la frecuencia, de forma que alimentando a tensión constante suele decrecer con la frecuencia, ya que aumenta la impedancia de los devanados.

Así pues, a tensión constante el par decrece con la velocidad. De todas formas, el convertidor puede aumentar la tensión a medida que aumenta la frecuencia, por lo que la curva de par-velocidad depende del motor y de la forma de actuación del convertidor.

Las expresiones anteriores y los convertidores de alimentación son válidas también para cualquier motor de reluctancia bifásico.

Figura 7. Alimentación del motor de reluctancia bifásico.

3.2. Accionamientos hidráulicos y neumáticos.

Los accionamientos hidráulicos y neumáticos se aplican de forma masiva en los automatismos industriales, gracias a su robustez y facilidad de control.

Básicamente estudiaremos dos tipos de accionamientos: los cilindros hidráulicos o neumáticos y los motores hidráulicos. Sin embargo, también describiremos brevemente las electroválvulas y servoválvulas como elementos previos de control o preaccionamientos indispensables en estos sistemas.

3.2.1. Válvulas.

Una válvula es un dispositivo que permite establecer o cortar la conexión hidráulica o neumática entre dos o más conductos o vías. En cualquier válvula hay que distinguir dos partes:

– Elemento de mando.

– Circuito de potencia.

El elemento de mando se encarga de conmutar la conexión hidráulica o neumática entre conductos del circuito de potencia. El mando puede ser de tipo eléctrico (electroimán), manual (pulsador), hidráulico o neumático. La Figura 8 muestra la forma constructiva de una válvula con mando eléctrico y manual de 2 vías y 2 posiciones.

Figura 8. Electroválvula de 2 vías/2 posiciones.

Las válvulas suelen clasificarse atendiendo al número de posiciones distintas que permite el circuito de mando y al número de vías de entrada y/o salida del circuito de potencia en cada posición. Así, por ejemplo, una válvula 4/2 indica una válvula de 4 vías y 2 posiciones.

Las válvulas de 2 posiciones pueden clasificarse, además, en monoestables o biestables. Las primeras tienden, en ausencia de mando, a una posición fija de reposo (generalmente obligada por un muelle). Las biestables y en ausencia de mando, pueden permanecer en cualquiera de las dos posiciones (permanecen en la última posición que les ha llevado el mando). La Figura 9 muestra los símbolos de una serie de

válvulas de dos posiciones, con distintos tipos de mando y la Figura 10 muestra algunos ejemplos de circuitos de potencia.

Figura 9. Distintos tipos de mando para válvulas: a), b) eléctrico (electroválvula); c), d) manual por pulsador; e), f) neumático o hidráulico.

Desde un punto de vista lógico, las válvulas monoestables permiten realizar funciones de tipo Y, O y NO y, por tanto, permiten realizar cualquier circuito neumático o hidráulico de tipo combinacional. Las biestables permiten realizar la función memoria y, por tanto, cualquier circuito secuencial. La Figura 11 muestra la estructura de varios dispositivos lógicos de tipo neumático.

Figura 10. Distintos tipos de válvulas según el circuito de potencia: a) 2 vías / 2 posiciones, b) 4 vías/2 posiciones.

En los automatismos controlados por un autómata, la lógica suele encargarse a éste, por lo que las válvulas suelen jugar un papel de preaccionamientos, que vistos desde el autómata son puramente bobinas de electroimán, activadas a través de salidas de tipo lógico, ya sea por relé o con interruptor estático (transistor o triac).

Figura 11. Válvulas de lógica neumática.

3.2.2. Servoválvulas.

El nombre de servoválvula o «válvula proporcional» se suele dar a una válvula que es capaz no sólo de abrir o cerrar un circuito hidráulico o neumático, sino de regular la presión o el caudal a través de un determinado conducto siguiendo una cierta magnitud de consigna de tipo eléctrico. Generalmente, se trata de componentes oleohidráulicos con un dispositivo motorizado que regula la posición de un pistón de tipo cónico, un obturador de tipo rotativo o un distribuidor.

Para el propósito de este texto, es decir, para el autómata programable, la servoválvula es un elemento analógico que se gobierna a través de una señal continua entre 0 y l0 V o de 4 a 20 mA, o a través de una señal digital, si la válvula lleva incorporado su propio control. La mayoría de servoválvulas suelen llevar, además, algún tipo de sensor de posición que permite mantener su posición mediante un servo en lazo cerrado.

Los parámetros importantes para el sistema de control son la sensibilidad, la constante de tiempo y el coeficiente de amortiguamiento.

– Sensibilidad : Relación entre el caudal de salida y la señal analógica de control en régimen permanente.

– Constante de tiempo y constante de amortiguamiento. Generalmente las servoválvulas suelen tener un comportamiento como un sistema de segundo orden. En general, sin embargo, se suelen dotar de un amortiguamiento suficiente para que no se produzcan oscilaciones. En tal caso, la constante de tiempo es aproximadamente igual al tiempo que tarda la válvula en alcanzar el régimen permanente, cuando se aplica un escalón de referencia.

3.2.3. Cilindros.

Un cilindro neumático o hidráulico es un accionamiento que permite obtener un movimiento lineal aplicando una presión a uno u otro lado del émbolo. Según sus posibilidades de posicionamiento, podemos clasificar los cilindros en tres grandes grupos:

– De simple efecto.

– De doble efecto.

– De acción diferencial.

Los primeros permiten empujar en un solo sentido y retornan automáticamente al origen por la acción de un muelle. El mando de éstos se suele efectuar mediante una válvula de 3 vías y 2 posiciones, abierta o cerrada, según muestra la Figura 12a.

Los de doble efecto permiten empujar en ambos sentidos. El mando se suele realizar a través de una válvula de 4 vías y 2 posiciones, tal como muestra la Figura 12b.

Los cilindros de acción diferencial permiten mantener el émbolo en cualquier posición, aplicando presión a ambos lados del mismo o, simplemente, conseguir un movimiento más uniforme en el caso de carreras largas. Para su control hacen falta dos válvulas de bloqueo y un distribuidor 4/2, tal como muestra la Figura 13.

Debemos recordar además que, debido a la sección del vástago, el empuje de los cilindros de doble efecto no suele ser el mismo en ambas direcciones.

En general, las especificaciones técnicas de los cilindros suelen indicar la fuerza que es capaz de efectuar en cada uno de los sentidos en función de la presión aplicada. Dicha fuerza viene dada por.

Fs = K · P · Se (sentido de salida del vástago)

Fe = K · P · P · (Se-Sv) (sentido de entrada del vástago)

donde P es la presión, Se es la sección del émbolo, Si es la sección del vástago y K es el denominado coeficiente de carga, que se suele tomar entre 0,5 y 0,7.

En cuanto al comportamiento dinámico, se suelen indicar en las tablas de características los tiempos empleados en efectuar un recorrido en vacío en función de la presión y de las pérdidas de carga o «longitud equivalente» del circuito de distribución. La respuesta dinámica en carga dependerá de la masa o inercia que deba moverse. Para suavizar la parada se suelen, además, equipar con amortiguadores al final de la carrera.

3.2.4. Sujeción por vacío.

La técnica de sujeción por vacío permite la manipulación de pequeñas piezas a base de utilizar ventosas en las cuales se efectúa el vacío a través de un chorro de aire que provoca el efecto Venturi.

3.2.5. Bombas y motores hidráulicos.

En realidad las bombas y los motores oleohidráulicos son una misma máquina, cambiando únicamente el sentido de transferencia de la energía.

Como elementos periféricos de los autómatas, lo único que nos interesa es que las bombas suelen accionarse a través de motores eléctricos de CA regulados mediante onduladores a frecuencia y tensión variables. En la actualidad, muchos de estos reguladores se construyen con un microprocesador de control y admiten órdenes del autómata a través de un sistema de comunicación digital.

Lo más frecuente es que las bombas sean de tipo centrífugo, con un par creciente con la velocidad. En consecuencia, ofrecen relativa facilidad para ser reguladas.

En cuanto a los motores hidráulicos, éstos tienen poca relación directa con el mundo de laos autómatas, siendo, en general, controlados por otros dispositivos hidráulicos o neumáticos.