1. INTRODUCCIÓN
2. SISTEMAS DE CONTROL
3. AMPLIFICADORES
3.1. AMPLIFICADORES ELECTRÓNICOS
3.2. AMPLIFICADOR HIDRÁULICO
4. ELECTROIMANES
4.1. RELÉS
4.2. RELÉS ELECTROMAGNÉTICOS
4.3. CARACTERÍSTICAS DE LOS RELÉS
5. MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA
5.1. CONTROL DE LOS MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA
6. MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA
7. MOTORES PASO A PASO
8. ACTUADORES NEUMÁTICOS E HIDRÁULICOS
8.1. ACTUADORES NEUMÁTICOS
8.2. ACTUADORES HIDRÁULICOS
9. CONCLUSIONES
10. BIBLIOGRAFÍA
− Sistemas automáticos de control. Compañía Editorial Continental
− Tecnología Industrial. Edebé.
− Tecnología Industrial. Anaya
− Neumática. Paraninfo.
1. INTRODUCCIÓN
El actuador es el elemento final del sistema de control. Se encarga de suministrar la energía mecánica, eléctrica, etc., que requiere el proceso a controlar. Hay actuadores para cada uno de los distintos procesos. A continuación ser verán los mas importantes.
El actuador recibe la señal de salida del controlador y realiza una acción en respuesta a la señal controladora.
Los actuadores constan de un amplificador y el actuador. El amplificador amplifica la señal para activar el elemento final y el actuador modifica la variable de salida del proceso.
Los tipos de amplificadores más usuales son Electrónicos e Hidráulicos.
Entre los actuadores se puede distinguir los electromecánicos, electrohidráulicos y electroneumáticos.
Los actuadores electromecánicos ofrecen acciones de control mecánicas a partir de una señal eléctrica como los relés, los motores de continua y los motores de alterna.
Los actuadores electrohidráulicos regulan la variación de caudal de un fluido. El elemento final de control es una válvula de caudal sacando la fuerza necesaria para accionar la válvula con un motor hidráulico.
Los actuadores electroneumáticos tienen los mismos elementos que el hidráulico pero usando aire de fluido. Este tema tiene un importante peso en el currículo de tecnología además de se tratado en bachillerato.
2. SISTEMAS DE CONTROL
Un sistema de control es el conjunto de componentes físicos unidos o relacionados de forman que mandan o regulan un sistema u otro. Un sistema de control tienes los siguientes elementos: entrada, comparador, realimentación, controlador, actuador y planta.
En el control de lazo abierto la medida de la magnitud no tiene efecto sobre el controlador, y en el de lazo cerrado si existe realimentación.
AMPLIFICADORES
3.1. AMPLIFICADORES ELECTRÓNICOS
Los amplificadores son circuitos compuestos fundamentalmente por componentes semiconductores, como transistores, tiristores, triacs.
Estos funcionan tomando la señal de pequeño valor del controlador o regulador y convertida en una señal de potencia de intensidad y tensión mayor. Se necesita una fuente de alimentación de corriente continua que transforma el amplificador en señal de entrada.
El transistor es un dispositivo semiconductor provisto de tres terminales llamados base, emisor y colector, capaz de funcionar como rectificador, amplificador, oscilador, interruptor, etc.
El triac es un dispositivo semiconductor de tres terminales que se usa para controlar el flujo de corriente promedio a una carga, con la particularidad de que conduce en ambos sentidos y puede ser bloqueado por inversión de la tensión o al disminuir la corriente por debajo del valor de mantenimiento.
Un tiristor posee tres conexiones: ánodo, cátodo y puerta. La puerta es la encargada de controlar el paso de corriente entre el ánodo y el cátodo. Funciona básicamente como un diodo rectificador controlado, permitiendo circular la corriente en un solo sentido.
3.2. AMPLIFICADOR HIDRÁULICO
Está formado por una válvula de distribución y un cilindro hidráulico.
La válvula de distribución actúa como un controlador. Con el suministro de fluido a alta presión, la válvula lo envía a una u otra cara del pistón del cilindro principal, según el movimiento del eje de entrada de la válvula.
fuerza que mueve el eje de la válvula.
El amplificador hidráulico se utiliza en aplicaciones en las que se necesita una potencia elevada en desplazamientos lineales, como pueden ser máquinas herramientas, aparatos industriales de elevación, etc.
4. ELECTROIMANES
Constan de una bobina de excitación enrollada a un núcleo de material ferromagnético que tiene una parte móvil. Al circular una corriente eléctrica por la bobina, se crea un campo magnético que atrae a la parte móvil. Cuando se interrumpe el flujo de la corriente por la bobina, la parte móvil vuelve a la posición inicial mediante un muelle.
Es el accionamiento clásico en relés, contactores, electroválvulas, cerraduras eléctricas, frenos y embragues electromagnéticos, para levantar chatarra, etc.
4.1. RELÉS
Un relé es un interruptor mecánico accionado eléctricamente. Consta de dos o más contactos, correspondientes a uno o varios circuitos independientes, y de un elemento que controla la conmutación.
La corriente y tensión necesarias para el control son muy pequeñas respecto a la potencia del circuito controlado.
Cada contacto móvil de un relé se denomina “polo”, así un relé simple tiene un único polo. En un relé con dos polos hay dos contactos móviles accionados simultáneamente. Al activar el relé, el polo se mueve hasta que toca un contacto, cuya posición es fija. Para cada polo puede haber uno o dos contactos fijos.
Los relés con dos contactos fijos, pueden tener una acción de apertura y de cierre, es decir que se abre un circuito antes de cerrar el otro o viceversa.
4.2. RELÉS ELECTROMAGNÉTICOS
En los relés electromagnéticos el elemento de control es un electroimán. El interruptor puede estar normalmente abierto o normalmente cerrado y se cierra o se abre cuando circula una corriente por el electroimán. Esta corriente crea un campo magnético que atrae a la armadura, que a su vez arrastrar el contacto móvil sobre el fijo (cierre) o los separa (apertura).
4.3. CARACTERÍSTICAS DE LOS RELÉS
Las características de los relés se diferencian por el contacto, a la conmutación o al elemento de control. Las características de los contactos, es la resistencia al estar cerrados, la máxima potencia, tensión y corriente que aguantan por los contactos.
Las características de la conmutación se refieren tanto a la vida útil como a la acción de conmutación, teniendo en cuenta los tiempos de cierre y rebote de los contactos.
El elemento de control se caracteriza por su tensión nominal, el consumo y los valores que activan el circuito. Para que un relé no se deteriore hay que evitar que entre sus contactos aparezcan corrientes y tensiones elevadas.
5. MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA
El motor de corriente continua es uno de los actuadores mas utilizados por su flexibilidad, rendimiento y bajo coste. Se basan en los principios de fuerza electromagnética y de fuerza electromotriz inducida.
Consta de una parte fija formada por el estator y la carcasa y otra móvil llamada rotor o inducido.
El estator crea el campo magnético y está formado por unas bobinas de hilo de cobre colocadas alrededor de un material ferromagnético que según la dirección de la intensidad crea un campo en un sentido u otro.
El rotor está formado por conductores de cobre dispuestos en forma de bobinas. Las bobinas están alojadas en ranuras y los principios y finales de las distintas bobinas están conectados eléctricamente a una pieza de cobre denominada colector de delgas, que gira con el eje. Las delgas son las partes en las que se divide el colector y están aisladas unas de otras.
Para introducir la corriente en los conductores del inducido se utilizan las escobillas, que son piezas de grafito que están en contacto con el colector de delgas y que, por tanto conectan el circuito exterior con el interior de la máquina.
Las 4 características que definen un motor de corriente continua son:
A) FUERZA CONTRAELECTROMOTRIZ
Cuando se aplica una tensión externa al inducido, éste gira e induce una fuerza contraelectromotriz que se opone a la tensión aplicada.
B) PARMOTOR
En los conductores del rotor se ejercen fuerzas electromagnéticas dando un par electromagnético o momento de rotación llamado par motor. La expresión del par es: M= k × I × B (es decir par igual a constante por intensidad del inductor por campo creado por el estator)
C) VELOCIDAD DE ROTACIÓN
Donde la velocidad de rotación es directamente proporcional a la fuerza contraelectromotriz e inversamente proporcional al flujo.
D) CORRIENTE DE INDUCIDO
Es la cantidad de corriente absorbida por el inducido. Hay que evitar que el rotor esté parado y con tensión en los bornes. Para el arranque se usa una tensión muy pequeña hasta que disminuya la corriente por el inducido donde se podrá aumentar la tensión de los bornes hasta su valor nominal y esta función se hace con tiristores.
5.1. CONTROL DE LOS MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA
Hemos comentado que el par es igual a una constante según el servomotor multiplicado por la intensidad del inductor y por el campo del estator. Entonces si queremos controlar el campo, actuamos en la intensidad del inductor dando el control por armaduras o variando el campo del estator que sería un control por campo.
En el control del motor por campo se produce cuando se mantiene constante la corriente del rotor y se varía la corriente del estator. Aquí lo difícil es tener una fuente de corriente constante. La respuesta de los motores controlados por campo, es más rápida que por armaduras, pero con rendimiento menor, con lo que la corriente del inductor debe ser grande y por eso se aplica refrigeración por aletas por el calor generado.
El control del motor por rotor o por armadura se produce cuando se mantiene constante la corriente del estator y se varía la corriente del rotor. Aquí el campo constante se hace con un devanado o un imán permanente.
6. MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA
El motor de corriente alterna es una máquina que transforma energía eléctrica en energía mecánica que transmite a su eje. En los motores de corriente alterna, los motores asíncronos son los usados en las máquinas industriales.
El motor asíncrono trifásico está formado por un rotor y un estator en el que se encuentran las bobinas inductoras. Estas bobinas son trifásicas y están desfasadas entre sí 120º. Cuando por estas bobinas circula un sistema de corrientes trifásicas, se induce un campo magnético giratorio que envuelve al rotor.
producido por las bobinas inductoras del estator genera una corriente inducida en el rotor. Como esta corriente inducida se encuentra en el seno de un campo magnético, aparecen en el rotor un par de fuerzas que lo ponen en movimiento.
El campo magnético giratorio gira a una velocidad denominada de sincronismo. Sin embargo el rotor gira algo más despacio, a una velocidad parecida a la de sincronismo. El hecho de que el rotor gire más despacio que el campo magnético originado por el estator, se debe a que si el rotor girase a la velocidad de sincronismo, esto es, a la misma velocidad que el campo magnético giratorio, el campo magnético dejaría de ser variable con respecto al rotor, con lo que no aparecería ninguna corriente inducida en el rotor, y por consiguiente no aparecería un par de fuerzas que lo impulsaran a moverse.
Últimamente se usa el motor de inducción trifásico asociado a un convertidor de frecuencia electrónico que lleva en conjunto los elementos de control y preaccionamiento
7. MOTORES PASO A PASO
Son actuadores que convierten impulsos eléctricos en desplazamiento mecánico. Un impulso eléctrico hace girar un determinado número de grados el eje de salida.
Funcionan como un motor síncrono. Consta de un estator con varios pares de polos, y un rotor de imán permanente. Si se aplica una tensión a un par de polos, en el rotor se genera un par que hace que gire para situarse alineado con el par de polos excitados. Si se deja de alimentar estos polos y se excitan los siguientes, el rotor vuelve a girar para situarse frente a dichos polos. Así si se aplican correctamente se puede hacer girar en el sentido deseado.
Según el número de polos, a cada pulso de control el motor gira un ángulo determinado. Si recibe un número determinado de pulsos el rotor debe girar un ángulo conocido.
Los motores paso a paso constan de varios estatores que con unos devanados forman los polos que determinan las fases del motor. Según se conecten los devanados se divide en accionamiento unipolar o bipolar.
Se utilizan en sistemas de posicionamiento de pequeño tamaño como impresoras, plotters, etc, en máquinas-herramientas y en válvulas de control.
La fórmula que relaciona la velocidad en revoluciones por minuto con el número de polos y frecuencia es:
8. ACTUADORES NEUMÁTICOS E HIDRÁULICOS
8.1. ACTUADORES NEUMÁTICOS
Los actuadores neumáticos utilizan la energía neumática para transformarla en trabajo mecánico. Los cilindros realizan la fuerza longitudinalmente y los motores rotatorio. Veamos cilindros, motores, válvulas, ventosas y pinzas
Cilindros neumáticos
Se trata de elementos que transforman la energía neumática en trabajo mecánico de movimiento rectilíneo en avance o retroceso. Son tubos cilíndricos de acero, con un émbolo que separa dos cámaras y un vástago unido al émbolo. Pueden ser de dos tipos de simple efecto o de doble efecto.
Los cilindros de simple efecto disponen de una sola conexión de aire por lo que sólo realizan trabajo en un sentido. Tienen un muelle recuperador y pueden trabajar a compresión o a tracción. Se utilizan para realizar operaciones de expulsión, apretado,
etc.
Los cilindros de doble efecto tienen dos tomas de aire, realizando trabajo en los dos sentidos, con lo que lleva orificios de alimentación en cada cámara. Se emplean cuando el émbolo tiene que realizar una misión al volver a su posición inicial. En este cilindro en el retroceso se hace menos trabajo que en el avance, no se pierde fuerza por el muelle y consume el doble de aire.
La fuerza ejercida por un elemento de trabajo depende de la presión del aire, del diámetro del cilindro y del rozamiento de las juntas. La fuerza teórica del émbolo se calcula con la siguiente fórmula:
Fteórica = A x P, siendo Fteórica la fuerza teórica del émbolo en Newton; A la superficie útil del émbolo en cm2 y P la presión de trabajo en N/cm2.
La velocidad del émbolo está entre 0,1 y 1,5 m/s.
Motores neumáticos
Realizan trabajo transformando la energía neumática en energía mecánica de rotación. Su funcionamiento es similar al de las bombas, pero al contrario. El arranque y paro es rápido, por lo que tienen poca inercia. En neumática se emplean motores de aletas, de pistones, de engranajes y turbomotores.
Válvulas de control
La válvula de control o servoválvula es uno de los actuadores más utilizados en el control de procesos industriales cuando varíe el caudal de un fluido Pueden ser neumáticas o hidráulicas.
Una válvula de control es un orificio de área variable que se intercala en la conducción por donde circula el fluido a controlar. Consta de un cuerpo y un motor que puede ser eléctrico o neumático. El actuador neumático sitúa el vástago de la válvula en función del equilibrio de fuerzas existente entre un resorte calibrado y una señal de control neumática.
El actuador eléctrico es un motor con control de posición en lazo cerrado o un motor paso a paso.
El cuerpo de la válvula contiene el fluido a controlar y debe soportar las condiciones de servicio que éste impone; por otro lado incorpora los medios de fijación a las tuberías que suelen ser bridas o conexiones roscadas.
La válvula puede ser de acción directa, cuando queda abierta al quedarse sin señal de control, o inversa, cuando queda cerrada al quedarse sin señal de control.
Ventosas y pinzas.
Las ventosas hacen la manipulación en vacío por que se crea y las pinzas son actuadores capaces de coger y soltar objetos. Existen pinzas de apertura angular o paralela y se usa en procesos automáticos como robots.
8.2. ACTUADORES HIDRÁULICOS
Los actuadores hidráulicos utilizan la energía de presión que les llega a través del fluido, para transformarla en trabajo mecánico. Los cilindros realizan un movimiento longitudinal o lineal, y los motores realizan un movimiento rotatorio.
En los elementos de trabajo se transforma la energía hidráulica en trabajo mecánico, el cual puede ser lineal de los cilindros o rotativo de los motores.
1. Cilindros
Son exactamente igual que los neumáticos. Pueden ser de simple efecto o de doble efecto. Algunos cilindros llevan amortiguadores para reducir la velocidad de desplazamiento del vástago cuando éste llega a sus límites de carrera.
2. Motores
Realizan trabajo mecánico en forma de movimiento giratorio entregando un par motor en el eje de salida. Su funcionamiento es inverso al de las bombas. Se emplean sobre todo porque entregan un par muy grande a velocidades de giro pequeñas en comparación con los motores eléctricos. Sus aplicaciones son para girar el brazo de una grúa, en las carretillas elevadoras para impulsar las ruedas motrices o para elevar la plataforma, etc.
Los parámetros fundamentales de los motores hidráulicos coinciden con los de las bombas, aunque también son importantes otras características como:
La velocidad de giro, que se obtiene dividiendo el caudal entre el desplazamiento.
El par motor es el momento de giro que son capaces de comunicar los motores a su eje. Su expresión es:
TM =
w 2 × π × n
siendo P la potencia, w la velocidad angular y n las rpm.
Se suelen emplear motores de engranajes, de paletas y de pistones.
Los Motores de engranajes son sencillos, económicos, de tamaño pequeño y fácilmente acoplable. Se fabrican con engranajes internos o externos.
Los Motores de paletas también se utilizan frecuentemente, se diferencian de las bombas de paletas en que el movimiento de las
paletas es forzado.
Los Motores de pistones son los más utilizados. Pueden ser de pistones axiales o radiales y de cilindrada fija o variable.
9. CONCLUSIONES
En este tema se han visto los actuadores más característicos y como se ha comprobado tiene una alta aplicación en la industria. Hoy en día, ya no es raro encontrar cerca una máquina o equipo que funcione con un circuito de control, donde la programación de estos equipos hace que las empresas y programadores estén puestos en las últimas tecnologías.