apuntes de control de procesos industriales

Buenos aires, JUNIO 2019

APUNTES DE CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES

ACTUADORES ELECTRICOS

Para 6° año de ELECTRONICA

Christian G. MORALES

ESVUELA TECNICA RAGGIO

4

Escuela Técnica RAGGIO

CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES

Área ELECTRICIDAD ACTUADORES ELECTRICOS

Christian G. MORALES (Uso exclusivamente interno de la Escuela Técnica RAGGIO) - 1 -

El motor eléctrico es una máquina eléctrica rotativa que transforma en energía mecánica la energía eléctrica que absorbe de la red. El uso del motor eléctrico se impone en gran número de aplicaciones industriales debido a ciertas ventajas: están normalizados, son robustos, sencillos de mantener, fáciles de instalar y de bajo coste.

Su desarrollo se basa en las experiencias de Hans Christian Oersted en la que al colocar una espira alrededor de una brújula, y al pasar una corriente por la espira, la aguja de la brújula se mueve. Demostrando así la relación que existe entre electricidad y magnetismo. Básicamente, el funcionamiento del motor eléctrico se basa en las fuerzas de atracción y repulsión establecidas entre un imán y una bobina por donde circula corriente eléctrica. Entonces si esta bobina, por la que circula corriente eléctrica, se encuentra montada sobre un eje y ubicada dentro de un campo magnético, se mueve perpendicularmente a dicho campo magnético.





CONCEPTOS DE ELECTROMAGNETISMO APLICADO A MOTORES ELÉCTRICOS

Comportamiento de un conductor con corriente en el interior de un campo magnético. Si circula una corriente continua, por un conductor colocado en el interior de un campo magnético, de manera que ambos sean perpendiculares, la interacción entre el campo creado por la corriente alrededor del conductor y el campo en cuyo seno está, origina la aparición de una fuerza lateral sobre el conductor.

Esta fuerza (medida en Newton) depende de la inducción magnética B, del valor y el sentido de circulación de la intensidad de corriente y de la longitud del conductor sometida a la acción del campo magnético.

IlBF ⋅⋅= La dirección del movimiento del conductor puede determinarse en forma práctica a través de la regla de la mano izquierda.





Efecto motor. Si en lugar de un conductor, se coloca una espira (montada sobre un eje) en el interior del campo magnético, aparecerá en cada uno de los conductores (caras activas de la espira) una fuerza, perpendicular al campo magnético. Estas fuerzas serán de igual magnitud pero de sentidos opuestos. Este “par” de fuerzas provocará el giro de la espira y para las máquinas eléctricas recibe el nombre de par motor o cupla motora.

El efecto de un campo magnético sobre bobinas recorridas por una corriente es aprovechada en los motores eléctricos.

Según el tipo de tensión utilizada, los motores eléctricos se clasifican en: 1. Motor de corriente alterna:

a. Motor asincrónico. i. Trifásico (de rotor bobinado, con rotor tipo jaula) ii. Monofásico (de inducción, universal)

b. Motor sincrónico.

2. Motor de corriente continua: a. De excitación independiente. b. Autoexcitados (serie, derivación o shunt, compuesto o compound)





Motor trifásico asincrónico. Entre los diversos tipos de motores existentes, los motores asíncronos trifásicos, especialmente los de rotor tipo jaula, son los más utilizados en la industria, y también en ámbitos domésticos en aplicaciones de cierta potencia. Además, aunque su mando y control mediante sistemas con contactores está perfectamente adaptado para una gran mayoría de aplicaciones, la utilización de componentes electrónicos, en constante evolución, amplía su campo de aplicación. Entre estas aplicaciones destacan el arranque y parada con los arrancadores - ralentizadores progresivos y una buena regulación de velocidad mediante los variadores - reguladores de velocidad. Los motores trifásicos asincrónicos se clasifican en:

• Con rotor en cortocircuito o jaula de ardilla.

• Con rotor bobinado.

Estos últimos se utilizan en menor medida para ciertas aplicaciones de gran potencia.





Características de funcionamiento. Campo magnético giratorio o rotante. El principio de funcionamiento del motor asincrónico se basa en la creación de una corriente inducida en un conductor cuando éste corta las líneas de fuerza de un campo magnético, de ahí que también reciba el nombre de motor de inducción. La acción combinada de la corriente en el inducido y el campo magnético crea la cupla motora, o par motor, en el rotor del motor. Tres arrollamientos, geométricamente desfasados 120º, se alimentan cada uno con una de las fases de la red trifásica de corriente alterna.

Los arrollamientos están recorridos por corrientes alternas que tienen también el mismo desfasaje eléctrico y que producen cada una un campo magnético alterno senoidal.





Esta variación de los campos magnéticos y su resultante provocan que el máximo valor de campo magnético se desplace constantemente por la periferia del estator realizando una vuelta completa por cada periodo de la corriente. Por ejemplo: ü Instante t1.

ü Instante t2.





ü Instante t3.

ü Instante t4.





ü Instante t5.

ü Instante t6.

Como este campo realiza una vuelta completa durante un período completo de la corriente de alimentación, se denomina campo magnético giratorio.





Velocidad de sincronismo. La velocidad de giro del campo magnético se llama velocidad de sincronismo y depende de la frecuencia de la red eléctrica (f) y del número de pares de polos (p), y puede ser determinada a través de la expresión:

pfnS

•=

60

En muchos casos, los arrollamientos tienen más de un grupo de bobinas por fase, es decir forman más de dos polos permitiendo obtener varias velocidades sincrónicas.

2 polos 4 polos

Por ejemplo:

Numero de pares de polos

Velocidad de sincronismo en r. p. m.

f: 50 Hz f: 60 Hz f: 100 Hz 1 3000 3600 6000 2 1500 1800 3000 3 1000 1200 2000 4 750 900 1500 5 600 720 1200

Hay que tener presente que en la práctica no siempre es posible aumentar la velocidad de un motor asincrónico alimentándolo a una frecuencia superior a la prevista, aun adaptando la tensión. En efecto, se necesita comprobar si su diseño mecánico y eléctrico lo permiten. Los motores de inducción trifásicos de baja tensión (hasta 1 kV) se fabrican de dos, cuatro, seis u ocho polos, siendo los más difundidos los de dos y cuatro polos, respectivamente.





Resbalamiento o deslizamiento. Al medir la velocidad de giro del eje del motor (valor que se está inscripto en la placa o chapa característica, ubicada sobre la carcaza) se observará que esta es ligeramente menor a la velocidad de sincronismo. Recordando que no puede existir par motor si no existe corriente inducida circulando por las espiras del rotor, este par depende de la corriente que circula por ellas y no puede existir si no existe variación de flujo en las espiras. Los motores trifásicos más utilizados forman las espiras a través de barras de cobre con aluminio inyectado que se conectan rígidamente a un par de aros, del mismo material, montados en los extremos denominados anillos terminales o de cortocircuito.

Simplificando, el rotor “ve” el campo magnético giratorio del estator, este campo induce una tensión en las barras del rotor, entonces circula una intensidad de corriente por las barras y alrededor de los anillos terminales.

Por tanto, es necesario tener una diferencia de velocidad entre la espira y el campo magnético giratorio. Esta diferencia de velocidades se conoce como resbalamiento o deslizamiento y puede calcularse a través de la expresión:

S

EJES

nnn

s−

=

ns nEJE s (%)

3000 2950 0.016 (1.6%) 1500 1470 0.02 (2%) 1000 960 0.04 (4%) 750 700 0.06 (6%) 600 550 0.08 (8%)

Por esta diferencia de velocidades, este motor también es llamado motor asincrónico.





Motor trifásico con rotor jaula de ardilla Es de construcción sencilla y bajo costo de mantenimiento. Como todo motor eléctrico, tiene dos partes principales: rotor y estator.

El rotor es el elemento móvil del motor. Al igual que en el estator, el circuito magnético está formado por chapas delgadas apiladas y aisladas entre sí formando un cilindro que está encastrado al eje del motor. En los huecos dispuestos a lo largo del rotor se colocan barras conductoras conectadas en cada extremo a una corona metálica. El conjunto tiene el aspecto de una jaula de ardilla, de ahí el nombre.

También se pueden presentar los rotores con doble jaula y los rotores de jaula profunda.





El rotor con doble jaula está constituido por dos jaulas, una externa de menor sección y material de alta resistividad, y otra interna de sección mayor y material de baja resistividad. Ambas jaulas están separadas entre sí en cada ranura por medio de una delgada rendija que aumenta el flujo de dispersión en la jaula inferior. De este modo se consigue una jaula exterior de alta resistencia y baja reactancia y una jaula interior de baja resistencia y baja reactancia. En el arranque (la reactancia predomina sobre la resistencia, pues f es grande) la corriente fluye en su mayor parte por la jaula exterior (menor reactancia). A la velocidad nominal (las resistencia predomina sobre la reactancia, f es muy pequeña) la corriente fluye en su mayor parte por la jaula interior (menor resistencia).

Con todo esto se consigue que en el arranque la resistencia sea alta, lo que implica alto par de arranque y baja intensidad, y a la velocidad nominal, como la resistencia es baja, se tiene buen rendimiento.





Un efecto análogo al anterior se obtiene mediante un rotor de ranuras profundas, ocupadas por barras altas y profundas donde, debido al efecto de autoinducción y de Foucault, la corriente se distribuye de forma diferente en el arranque y en el funcionamiento de trabajo.

Estas características constructivas influyen sobre la intensidad de corriente y la cupla motora durante las diferentes etapas de funcionamiento del motor: arranque, velocidad nominal, freno.





El estator es la parte fija del motor. Una carcaza de acero o aleación ligera rodea una corona de chapas delgadas de acero al silicio. Las chapas están aisladas entre sí por oxidación o mediante barnices aislantes. Las chapas tienen ranuras en las que se colocan las bobinas del estator destinadas a producir un campo magnético giratorio. Estas bobinas se agrupan en tres conjuntos, uno para cada fase, y la forma de conexión entre sí determina el número de pares de polos del motor, y por lo tanto su velocidad de giro.

Como en toda máquina eléctrica rotativa, el estator se completa con las tapas que sostienen en su cavidad a los rodamientos y al ventilador. Además en el estator se encuentra la placa de conexiones o bornera. Un despiece del motor trifásico asincrónico con rotor tipo jaula sería:

Los motores tienen en la caja de conexiones un tornillo para empalmar el conductor de tierra. Si se trata de motores, superiores al tamaño constructivo 180, para la puesta a tierra se dispone adicionalmente un borne en la pata o bien en la carcasa.





Conexión de las bobinas. Cada conjunto de bobinas (tres en total) vinculan sus extremos a una placa de conexiones (o bornera). Para tener una referencia estos extremos se identifican con letras (o letras y número): U (o U1) – V (o V1) – W (o W1) para los comienzos y X (o U2) – Y (o V2) – Z (o W2) para los finales. A los fines prácticos, cada extremo de las bobinas se ubica en la placa de conexiones, de la siguiente manera:

Según las tensiones de red y de funcionamiento del motor, sus bobinas se pueden conectar en:

• Estrella.

• Triángulo.

Comercialmente se fabrican motores 380/660 y 220/380. Cuando se indican dos tensiones, la más pequeña, generalmente el primer número a la izquierda, indica la tensión de diseño del bobinado de fase. Este primer número es para la conexión triángulo y el segundo para conexión estrella. Si solo se indica 380 V significa que el motor está bobinado para esta tensión y son aptos para arranque directo en triángulo para líneas de 380 V.





Conexión del motor a una red trifásica de 380V. Cuando la placa del motor indique 380V/660V (valores normalizados 400/690) se debe interpretar que cada bobina del motor está diseñada para soportar un máximo de 380V (tensión de trabajo) y se pueden conectar directamente a la red. Es decir, se conectará en triangulo, ya que la tensión a la que queda sometida cada bobina coincide con dicha tensión de red.

Si la placa del motor indica 220V/380V (valores normalizados 230/400), cada bobinado está diseñado para soportar una tensión de trabajo de 220V. El motor se conecta en estrella porque de esta manera las bobinas reciben una tensión 3 menor respecto de la red o sea 220V aproximadamente.

Cabe aclarar que en una y otra conexión, permanecen invariables los parámetros de potencia, par motor y velocidad. Conexión del motor a una red trifásica de 220V. Estas redes están actualmente en desuso, aunque por diferentes motivos en algunos sectores de la ciudad y en algunas fábricas se siguen manteniendo. Cuando la placa del motor indique 380V/660V este no podrá utilizarse porque la tensión de red es inferior a la tensión de trabajo de sus bobinas. Si la placa del motor indica 220V/380V, el motor se conecta en triángulo, ya que la tensión a la que queda sometida cada bobina coincide con la tensión de la red.





Arranque de un motor trifásico. Para que se produzca el arranque del motor, es necesario que el par de arranque del motor sea superior al par resistente de la carga mecánica. De esta manera se produce una aceleración que hace girar el rotor a una velocidad cada vez mayor, obteniéndose el régimen permanente cuando se igualan el par motor y el par resistente. En el arranque se produce una elevada corriente IARR (en el circuito equivalente la resistencia de carga vale 0 pues el deslizamiento vale 1) y para reducir el valor de esta corriente eléctrica, en el momento del arranque se emplean diferentes métodos que actúan normalmente sobre el valor de tensión que se le aplica a las bobinas ya sea por cambios en la conexiones o por aplicar resistencias en el circuito. (Se debe tener en cuenta que el par motor sufre modificación en los diferentes métodos de arranque del motor trifásico)





Arranque directo de un motor trifásico con rotor tipo jaula. El arranque directo es la manera más simple de iniciar el funcionamiento de un motor eléctrico. Se emplea en motores de poca potencia. Un arranque es directo porque el estator se conecta directamente a la red, permitiéndole desarrollar toda su potencia y par motor.

En general, en el momento de la puesta en marcha, la corriente inducida en el rotor es importante por lo tanto la corriente absorbida de la red también lo es:

I ARRANQUE = 3 a 9 l NOMINAL El par de arranque medio es:

CARRANQUE = 0,5 a 1,5 CNOMINAL





A pesar de las ventajas que conlleva (sencillez del equipo, elevado par de arranque, arranque rápido, bajo coste), sólo es posible utilizar el arranque directo cuando la potencia del motor es débil con respecto a la de la red para limitar las perturbaciones que provoca la corriente solicitada o si la máquina accionada no requiere un aumento progresivo de velocidad y dispone de un dispositivo mecánico (por ejemplo, un reductor) que impide el arranque brusco. Relé de protección térmica. El relé térmico es el aparato más utilizado para proteger los motores eléctricos contra las sobrecargas débiles y prolongadas originadas por un defecto mecánico o por la falta de una fase de alimentación. Por ello siempre deben estar presentes en los circuitos para el arranque de un motor eléctrico. El relé térmico se conecta al circuito de potencia mediante seis bornes destinados a tal fin. En los relés térmicos de baja potencia, los terminales de entrada se suelen presentar en forma de varillas o pletinas de cobre para insertar directamente en el contactor.

Estos seis terminales corresponden a los tres contactos principales construidos con biláminas (o bimetales) compuestas cada una por dos metales con coeficientes de dilatación muy diferentes unidos mediante laminación y rodeadas de un bobinado de calentamiento.





Cada bobinado de calentamiento está conectado en serie a una fase del motor. La corriente absorbida por el motor calienta los bobinados, logrando que los bimetales se deformen en mayor o menor grado según la intensidad de dicha corriente. La deformación de los bimetales provoca a su vez el movimiento giratorio de una leva o de un árbol unido al dispositivo de disparo. En el circuito de mando de un contactor, el relé térmico, se conecta mediante un contacto auxiliar normal cerrado (identificado con los números 95 y 96). Si la corriente absorbida por el receptor supera el valor de regulación del relé térmico, los bimetales se deformarán lo bastante como para que la pieza a la que están unidas las partes móviles de los contactos se libere del tope de sujeción. Este movimiento causa la apertura brusca del contacto auxiliar, el que está intercalado en el circuito de alimentación de la bobina del contactor y provoca la apertura de este. El rearme no será posible hasta que se enfríen las láminas del bimetal. Además, algunos relés térmicos poseen un segundo contacto auxiliar, normalmente abierto e identificado con los números 97 y 98, utilizado para para conectar una lámpara de señalización que indique su actuación.

En los esquemas eléctricos el relé térmico se representa, en el circuito de fuerza, entre el contactor y el motor; y en el circuito de mando, lo más próximo a la fase representada en la parte superior a través de su contacto auxiliar N.C.





Arranque directo con inversión de marcha. Los bornes de los motores trifásicos están marcados de tal manera, que el orden alfabético de denominación de bornes U, V, W, coincide con el orden cronológico si el motor gira hacia la derecha. Este sentido de giro también se conoce como “directo”.

Esta regla es válida para todas las máquinas cualquiera sea su potencia y su tensión de funcionamiento. Se logra invertir el sentido de giro, intercambiando la conexión de dos conductores de fase. Esto se puede realizar con un conmutador trifásico inversor manual o a través de un automatismo basado en dos contactores. En este último caso, uno de los contactores aplica las fases en los bornes del motor con un orden determinado (por ejemplo L1 – L2 – L3) y el otro hace lo mismo pero permutando dos de ellos (por ejemplo L3 – L2 – L1).

Así cuando la alimentación trifásica llega al motor por un contactor, el motor gira en un sentido, y si lo hace por el otro gira en sentido contrario.





En ningún caso se pueden activar los dos contactores a la vez ya que se produciría un cortocircuito. Esto se puede evitar utilizando dos contactores que dispongan de un enclavamiento mecánico o diseñando un circuito de mando de tal manera que inhiba el funcionamiento simultáneo de los contactores. En el primer caso los fabricantes de materiales eléctricos disponen de conjuntos de contactores con el enclavamiento ya montado o con un sistema de ensamble rápido que evita que los contactores puedan funcionar en simultáneo.

En el segundo caso es necesario utilizar contactos auxiliares que actúen sobre el circuito de mando. Siempre es conveniente usar ambas formas de enclavamiento simultáneamente, así se impide que mecánicamente se cierre accidentalmente el Contactor que no corresponde, evitando un cortocircuito de línea; y si estando el Contactor bloqueado por error se intenta alimentar la bobina, se impide que esta se queme. Se recomienda que antes de poner en marcha el motor, se revise el conexionado y el sentido de giro.





Contactor. Un contactor es un dispositivo de maniobra destinado a comandar equipamiento eléctrico en estado no perturbado o bajo las sobrecargas normales de servicio, con la posibilidad de ser accionado a distancia y preparado para grandes frecuencias de operación.

El contactor sólo puede adoptar dos estados: uno estable o de reposo, cuando no recibe acción alguna por parte del circuito de mando, y otro inestable, cuando es accionado y mantenido por su sistema de operación. Los contactores generalmente pueden operar corrientes del orden de 6 a 12 veces la intensidad nominal. Se caracterizan por su poca inercia mecánica y rapidez de respuesta; resultando elementos indispensables en las tareas de automatización. Si se combinan con relés adecuados, pueden emplearse para la protección de las cargas (generalmente motores) contra faltas de fase, sobretensiones, sobrecargas, corrientes inversas, etc. En estos casos el relé actúa sobre el circuito de operación del contactor. Cabe agregar que para la protección contra cortocircuitos deben utilizarse otros elementos colocados aguas arriba, como por ejemplo fusibles. La disposición de sus contactos puede ser: al aire (La apertura de los contactos se produce en el aire), en vacío (La apertura de los contactos se produce en el vacío), al aceite (La apertura de los contactos se produce en el seno de un baño de aceite). Se debe tener presente que existen contactores para corriente alterna y contactores para corriente continua. Cabe acotar que estos últimos requieren una construcción de sus contactos y cámaras de arco muy estudiadas, pues la corriente no se anula naturalmente y la energía almacenada magnéticamente se disipa durante el proceso de interrupción del circuito.





Constructivamente un contactor dispone de: • Contactos principales: Son los instalados en las vías principales para la conducción

de la corriente de servicio, destinados a abrir y cerrar el circuito de potencia. Generalmente tienen dos puntos de interrupción y están abiertos en reposo.

• Contactos auxiliares: Son los acoplados mecánicamente a los contactos principales,

encargados de abrir y cerrar los circuitos auxiliares y de mando del contactor; asegurando los enclavamientos de contactos y conectando las señalizaciones. Pueden ser del tipo normalmente abierto (NA) o normalmente cerrado (NC), y generalmente tienen dos puntos de interrupción y son de dimensiones reducidas, pues operan corrientes relativamente pequeñas.

• Bobina: Elemento que genera una fuerza de atracción al ser atravesado por una corriente eléctrica. Su tensión de alimentación puede ser de 12, 24, 110 y 220V de corriente alterna o continua.

• Armadura: Parte móvil del contactor que forma parte del circuito magnético. Desplaza

los contactos principales y auxiliares por la fuerza de atracción de la bobina.

• Núcleo: Parte fija por la que se cierra el flujo magnético producido por la bobina.

• Resortes antagónicos: Son los encargados de devolver los contactos a su posición de reposo una vez que cesa la fuerza de atracción.

• Cámaras de extinción o apagachispas: Son los recintos en los que se alojan los

contactos y que producen que el arco de ruptura se alargue, divida y finalmente se extinga.





• Soporte: Conjunto que permite fijar entre sí a las piezas que constituyen el contactor y éste a su tablero de montaje, mediante tornillos o riel DIN.

Cuando la bobina del contactor se excita por la circulación de corriente, el núcleo atrae a la armadura y arrastra los contactos principales y auxiliares, estableciendo el circuito entre la red y el receptor. Cuando la bobina deja de ser alimentada, se abren los contactos por efecto del resorte de presión de los polos y del resorte de retorno de la armadura móvil. El circuito magnético está preparado para resistir los choques mecánicos provocados por el cierre y la apertura de los contactos y los choques electromagnéticos debidos al paso de la corriente por las espiras de la bobina. Con el fin de reducir los choques mecánicos, a veces se instalan amortiguadores. Cabe acotar que para el uso con corriente alterna, se suele instalar una espira en cortocircuito (espira de sombra) que genera un flujo magnético desfasado con el principal, de manera que la fuerza de atracción pulsatoria resultante no se anule nunca, evitándose así las vibraciones que generan zumbidos molestos.





ANEXO: Interruptor automático termomagnético. Un interruptor es un mecanismo de apertura (y cierre) de un circuito, basado en un elemento móvil que puede realizar un número de maniobras elevado. Atendiendo al número de conductores que controla se clasifican en unipolar, bipolar, tripolar (que son los más utilizados en las redes de baja tensión industriales) y tetrapolar. Los interruptores automáticos no solo tienen la función de control de la carga que alimentan, sino que también tienen que proteger a los circuitos que alimentan contra las sobrecargas y cortocircuitos. Esta protección la realizan por medio de unidades de disparo o unidades de control cuya función es detectar las perturbaciones y producir el accionamiento del interruptor. Se dispone de dos tecnologías constructivas para las protecciones utilizadas en los interruptores automáticos. • Unidades termomagnéticos • Unidades electrónicas El interruptor automático termomagnético está compuesto por dos elementos, donde cada una se destina a una función de protección. Un elemento térmico, encargado de la protección contra sobrecarga y un elemento magnético encargado de la protección contra cortocircuito.





Elemento térmico: Está compuesto por una tira bimetálica por fase, fija en un extremo y libre en el opuesto para accionar el sistema mecánico, que origina la apertura del interruptor. El bimetal está compuesto por dos metales de distinto coeficiente de dilatación, que al calentarse (por causa de la corriente de carga) se deforma curvándose y accionando el mecanismo de apertura.





Elemento magnético: Su funcionamiento se basa en la fuerza de atracción ejercida entre piezas de material magnético. Esta fuerza mueve una pieza móvil que acciona el mecanismo mecánico de disparo del interruptor. Por el arrollamiento circula la corriente principal, la cual superado un dado umbral de corriente (fijo o regulable), produce el accionamiento de la protección.

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