Universidad de Oriente

Núcleo Monagas

Departamento de Ingeniería de Sistemas

Curso Especial de Grado

Área: Automatización y Control de Procesos Industriales

Seminario: Instrumentación y Control Industrial

CONTROLADORES DE VELOCIDAD

Tutor de Seminario: Equipo HMI:

Ing. Édgar Goncálves Carlos Martínez C.I:19232194

Juan González C.I:18325757

Maturín, Octubre de 2014

CONTENIDO

INTRODUCCIÓN ................................................................................................................. 1

MARCO TEÓRICO .............................................................................................................. 2

Control ................................................................................................................................... 2

Velocidad ............................................................................................................................... 2

Controlador o variador de velocidad ................................................................................. 2

Ventajas de emplear variadores o controladores de velocidad.................................... 3

Tipos de variadores o controladores de velocidad ......................................................... 3

Variadores mecánicos ......................................................................................................... 4

Variadores hidráulicos ......................................................................................................... 4

Variadores eléctrico-electrónicos ...................................................................................... 5

Control reversible de velocidad ......................................................................................... 6

Control de velocidad de vehículos motores..................................................................... 6

Control de velocidad inteligente......................................................................................... 6

DISCUSIÓN .......................................................................................................................... 7

CONCLUSIÓNES ................................................................................................................ 9

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..............................................................................10

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INTRODUCCIÓN

La velocidad se puede definir como la rapidez con la que se ejecuta una acción determinada en un período de tiempo específico, o también podemos decir

que está representada por la cantidad de veces en que se puede repetir una actividad en un tiempo dado. El control de la velocidad en el ambiente industrial se

debe ejecutar a través de una serie de dispositivos especializados para dicho propósito que permitan la regulación y el registro de las variaciones de esta magnitud, ya que como es bien sabido, para las organizaciones es de vital

importancia mantener un control adecuado de todas las variables que interactúan en cada uno de sus actividades de producción.

En este trabajo se estudiarán las características de estos dispositivos, conocidos como mecanismos controladores o variadores de velocidad, los cuales,

como su nombre lo indica, llevan a cabo las acciones de regulación de esta magnitud, a través de una serie de artefactos de diversa índole, especialmente

construidos para dicha función. Veremos las ventajas que produce la implementación de estos sistemas de control, así como un estudio detallado de su clasificación y como interactuamos las personas con ellos en algunas actividades

cotidianas.

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MARCO TEÓRICO

Control

Balcells y Romeral plantean que “Podríamos definir el control como la manipulación indirecta de las magnitudes de un sistema denominado planta a través de otro sistema llamado sistema de control.” (p. 4)

Todo sistema que se encuentre operando requiere que su funcionamiento sea regulado para de esta manera cumplir con los objetivos que el mismo se

propone. La regulación consiste en medir el desempeño del sistema para efectuar las correcciones necesarias que permitan el logro de las metas y objetivos propuestos. El conjunto de acciones, procedimientos, normas o técnicas que

aseguran la regulación de un sistema es lo que se denomina Control.

Velocidad La velocidad es la magnitud física que muestra y expresa la variación en

cuanto a posición de un objeto y en función del tiempo, que sería lo mismo que decir

que es la distancia recorrida por un objeto en la unidad de tiempo. Pero además del tiempo, para definir la velocidad de desplazamiento de un objeto, será preciso tener en cuenta también la dirección y el sentido del mencionado desplazamiento.

Controlador o variador de velocidad

El Variador de Velocidad (VSD, por sus siglas en inglés Variable Speed Drive) es en un sentido amplio un dispositivo o conjunto de dispositivos mecánicos,

hidráulicos, eléctricos o electrónicos empleados para controlar la velocidad giratoria de maquinaria, especialmente de motores. También es conocido como

Accionamiento de Velocidad Variable (ASD, también por sus siglas en inglés Adjustable-Speed Drive)

La maquinaria industrial generalmente es accionada a través de motores

eléctricos, a velocidades constantes o variables, pero con valores precisos. No obstante, los motores eléctricos generalmente operan a velocidad constante o casi-

constante, y con valores que dependen de la alimentación y de las características propias del motor, los cuales no se pueden modificar fácilmente. Para lograr regular la velocidad de los motores, se emplea un controlador especial que recibe el nombre

de variador de velocidad.

Los variadores de velocidad se emplean en una amplia gama de

aplicaciones industriales, como en ventiladores y equipos de aire acondicionado, equipo de bombeo, bandas y transportadores industriales, elevadores, llenadoras, tornos y fresadoras, etc. Un variador de velocidad puede consistir en la combinación

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de un motor eléctrico y el controlador que se emplea para regular la velocidad del

mismo. La combinación de un motor de velocidad constante y de un dispositivo mecánico que permita cambiar la velocidad de forma continua (sin ser un motor

paso a paso) también puede ser designado como variador de velocidad.

Ventajas de emplear variadores o controladores de velocidad

El control de procesos y el ahorro de la energía son dos de las principales razones para el empleo de variadores de velocidad. Históricamente, los variadores

de velocidad fueron desarrollados originalmente para el control de procesos, pero el ahorro energético ha surgido como un objetivo tan importante como el primero. Entre las diversas ventajas en el control del proceso proporcionadas por el empleo

de variadores de velocidad destacan:

Operaciones más suaves.

Control de la aceleración.

Distintas velocidades de operación para cada fase del proceso.

Compensación de variables en procesos variables.

Permitir operaciones lentas para fines de ajuste o prueba.

Ajuste de la tasa de producción.

Permitir el posicionamiento de alta precisión.

Control del Par motor (torque).

Fomentar el ahorro de energía mediante el uso de variadores de velocidad

Un equipo accionado mediante un variador de velocidad emplea

generalmente menos energía que si dicho equipo fuera activado a una velocidad fija constante. Los ventiladores y bombas representan las aplicaciones más llamativas. Por ejemplo, cuando una bomba es impulsada por un motor que opera a velocidad

fija, el flujo producido puede ser mayor al necesario. Para ello, el flujo podría regularse mediante una válvula de control dejando estable la velocidad de la bomba,

pero resulta mucho más eficiente regular dicho flujo controlando la velocidad del motor, en lugar de restringirlo por medio de la válvula, ya que el motor no tendrá que consumir una energía no aprovechada.

Tipos de variadores o controladores de velocidad En términos generales, puede decirse que existen tres tipos básicos de

variadores de velocidad: mecánicos, hidráulicos y eléctrico-electrónicos. Dentro de

cada tipo pueden encontrarse más subtipos. Cabe aclarar que los variadores más antiguos fueron los mecánicos, que se emplearon originalmente para controlar la

velocidad de las ruedas hidráulicas de molinos, así como la velocidad de las

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máquinas de vapores. Los variadores de velocidad mecánicos e hidráulicos

generalmente son conocidos como transmisiones cuando se emplean en vehículos, equipo agroindustrial o algunos otros tipos de maquinaria.

Variadores mecánicos

Variador de paso ajustable: este dispositivo emplea poleas y bandas en las

cuales el diámetro de una o más poleas puede ser modificado.

Variador de tracción: transmite potencia a través de rodillos metálicos. La

relación de velocidades de entrada/salida se ajusta moviendo los rodillos para cambiar las áreas de contacto entre ellos y así la relación de

transmisión.

Variadores hidráulicos

Variador hidrostático: consta de una bomba hidráulica y un motor hidráulico

(ambos de desplazamiento positivo). Una revolución de la bomba o el motor corresponde a una cantidad bien definida de volumen del fluido manejado.

De esta forma la velocidad puede ser controlada mediante la regulación de una válvula de control, o bien, cambiando el desplazamiento de la bomba o

el motor.

Variador hidrodinámico: emplea aceite hidráulico para transmitir un par

mecánico entre un impulsor de entrada (sobre un eje de velocidad constante) y un rotor de salida (sobre un eje de velocidad ajustable). También llamado

acoplador hidráulico de llenado variable.

Variador hidroviscoso: consta de uno o más discos conectados con un eje

de entrada, los cuales estarán en contacto físico (pero no conectados mecánicamente) con uno o más discos conectados al eje de salida. El par

mecánico (torque) se transmite desde el eje de entrada al de salida a través de la película de aceite entre los discos. De esta forma, el par transmitido es proporcional a la presión ejercida por el cilindro hidráulico que presiona los

discos.

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Variadores eléctrico-electrónicos

Los variadores eléctrico-electrónicos incluyen tanto el controlador como el

motor eléctrico, sin embargo es práctica común emplear el término variador únicamente al controlador eléctrico. Los primeros variadores de esta categoría emplearon la tecnología de los tubos de vacío. Con los años después se han ido

incorporando dispositivos de estado sólido, lo cual ha reducido significativamente el volumen y costo, mejorando la eficiencia y confiabilidad de los dispositivos. Existen

cuatro categorías de variadores de velocidad eléctrico-electrónicos

Variadores para motores de CC: Estos variadores permiten controlar la

velocidad de motores de corriente continua, serie, derivación, compuesto y de imanes permanentes. La velocidad mecánica de un motor de CC es

directamente proporcional al voltaje terminal e inversamente proporcional al flujo magnético, el cual a su vez depende de la corriente de campo.

Variadores por corrientes de Eddy: Un variador de velocidad por corrientes

de Eddy consta de un motor de velocidad fija y un embrague de corrientes

de Eddy. El embrague contiene un rotor de velocidad fija (acoplado al motor) y un rotor de velocidad variable, separados por un pequeño entrehierro. Se cuenta, además, con una bobina de campo, cuya corriente puede ser

regulada, la cual produce un campo magnético que determinará el par mecánico transmitido del rotor de entrada al rotor de salida. De esta forma, a

mayor intensidad de campo magnético, mayor par y velocidad transmitidos, y a menor campo magnético menores serán el par y la velocidad en el rotor de salida.

Variadores de deslizamiento: Este tipo de variadores se aplica únicamente

para los motores de inducción de rotor devanado. En estos controladores se tiene que a mayor deslizamiento, menor velocidad mecánica del motor. El deslizamiento puede incrementarse al aumentar la resistencia del devanado

del rotor, o bien, al reducir el voltaje en el devanado del rotor. De esta forma es que puede conseguirse el control de la velocidad en los motores de

inducción de rotor devanado. Sin embargo, este tipo de variadores es de menor eficiencia que otros, razón por la cual en la actualidad tiene muy poca aplicación.

Variadores para motores de CA o variadores de frecuencia: Los

variadores de frecuencia (siglas AFD, del inglés Adjustable Frecuency Drive; o bien VFD Variable Frecuency Drive) permiten controlar la velocidad tanto de motores de inducción, como de los motores síncronos mediante el ajuste

de la frecuencia de alimentación al motor.

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Control reversible de velocidad

Algunas aplicaciones de control de velocidad en la industria requieren que la

rotación de un motor sea reversible. La inversión de la dirección de rotación puede efectuarse de dos maneras: Invirtiendo la dirección de la corriente de campo y manteniendo la misma dirección de la corriente de armadura, o invirtiendo la

dirección de la corriente de armadura y manteniendo misma dirección de la corriente de campo

Control de velocidad de vehículos motores

El control de velocidad, también conocido como regulador de velocidad o autocrucero (o cruise control en inglés) es un sistema que controla de forma

automática el factor de movimiento de un vehículo de motor. El conductor configura la velocidad y el sistema controlará la válvula de aceleración o throttle del vehículo para mantener la velocidad de forma continua.

Los primeros dispositivos para este propósito basados en un regulador centrífugo se usaron allá por los años 1910, principalmente por Peerless. Peerless

hizo una campaña publicitaria en la que explicaba que su sistema "mantendría la velocidad tanto cuesta arriba como cuesta abajo". La tecnología la crearon James Watt y Matthew Boulton en 1788 para controlar el motor de vapor. El controlador

ajusta la posición del acelerador a medida que la velocidad del motor varía con cargas diferentes.

Los controladores de velocidad modernos se inventaron en 1945 por el inventor ciego e ingeniero mecánico Ralph Teetor. El primer vehículo con el sistema de Teetor fue el Chrysler Imperial en 1958. Este sistema calculaba la velocidad

sobre la carretera basándose en las rotaciones del palier y usaba una bobina para variar la posición del acelerador según fuera necesario.

Control de velocidad inteligente

Este sistema (denominado en inglés adaptive cruise control, ACC) está disponible en algunos vehículos de última generación. Se basan en un radar o bien

en un láser para permitir mantener la misma velocidad que el vehículo precedente, también a bajas velocidades. El sistema frena y acelera de forma autónoma para

mantener la distancia preestablecida por el conductor.

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DISCUSIÓN

Las actividades industriales necesitan mantener bajo control una gran cantidad de variables de procesos para asegurar que su ejecución sea la más adecuada posible. La regulación de los valores de estas variables es de vital

importancia para la realización óptima de los procesos de las industrias, por lo que muchas veces se deben mantener sus magnitudes dentro de un rango apropiado

de acción.

Dentro de estas variables que requieren de un control específico se

encuentra la velocidad, que en el ambiente industrial generalmente está representada por la rapidez de desplazamiento y funcionamiento de los motores de

las maquinarias y herramientas pesadas utilizadas para llevar a cabo los procesos de producción tales como la transformación de materias primas, el desplazamiento y empaquetado de productos terminados, entre otros.

Existe diversidad de sistemas de control que permiten regular la velocidad de

los motores industriales, los cuales usualmente trabajan a una velocidad constante o semi-constante con parámetros de rapidez que no son fáciles de modificar, por lo que requieren de elementos, o de un conjunto de elementos, que permitan su

manipulación y variación eficaz; a este grupo de elementos se les conoce como sistemas controladores o variadores de velocidad.

Los sistemas controladores de velocidad pueden utilizar mecanismos muy variados, tales como elementos mecánicos, hidráulicos o eléctricos, entre otros,

cada uno con características distintas y con requerimientos y funciones específicas que van acorde con su naturaleza. Estos sistemas de control se utilizan en una

amplia gama de actividades industriales, que van desde su implementación en ventiladores y equipos de aire acondicionado industriales, equipos de bombeo, bandas transportadoras industriales, elevadores, entre muchas otras.

Las ventajas y beneficios obtenidos por la utilización de los controladores y

reguladores de velocidad en ambientes industriales son muy numerosas, pero quizás los dos factores que más influencia tienen para ejecutar su aplicación son el ahorro de energía y el control de los procesos, ya que como se ha demostrado,

dichos sistemas permiten mantener un control más efectivo de las actividades que implican a la velocidad como variable de regulación, así como también provoca una

disminución considerable en el gasto de energía resultante de dichas actividades. Asimismo los controladores de velocidad tienen otras ventajas de uso tales como permitir mantener un control de la aceleración de los procesos, trabajar en distintas

velocidades de operación de fases, un ajuste en la tasa de producción, entre otras.

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Como se ha mencionado anteriormente existen varios tipos de controladores o variadores de velocidad, que se subdividen a su vez en otras categorías

específicas. Entre estos tipos encontramos: los variadores mecánicos, que se subdividen en variadores de paso ajustable y variadores de tracción; los controladores hidráulicos, entre los que se encuentran los hidrostáticos, los

hidrodinámicos y los hidroviscosos; y por último tenemos los controladores eléctrico-electrónicos entre los que encontramos: los variadores para motores de CC

(Corriente Continua), los de velocidad por corrientes de Eddy, los de deslizamiento y los variadores para motores de CA (Corriente Alterna).

Los controladores de velocidad también se implementan en ambientes y procesos de la vida cotidiana de las personas, entre los que se destacan los de

artefactos como ventiladores y aires acondicionados caseros, los ascensores y sobre todo los controles de velocidad de los autos, los cuales tienen un funcionamiento particular y que han ido evolucionando a través del tiempo, como

casi todos los procesos mecánicos y automáticos del mundo, para optimizar la realización de las actividades diarias de las personas, como en este caso la de

conducir automóviles.

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CONCLUSIÓNES

Los controladores de velocidad son un conjunto de dispositivos empleados para regular y variar la velocidad de trabajo de las herramientas y la maquinaria de producción industrial, y en especial de motores con las que estas operan.

Los variadores de velocidad pueden consistir en la combinación de un motor

eléctrico y un controlador que se emplea para regular la velocidad del mismo.

Los controladores de velocidad se emplean en una amplia gama de procesos

industriales, así como en una gran variedad de actividades cotidianas.

Existen tres tipos básicos de variadores de velocidad: mecánicos, hidráulicos

y eléctrico-electrónicos, los cuales a su vez se dividen en más subtipos.

Entre las ventajas de implementar sistemas de control de velocidad industriales tenemos la optimización en el control de procesos y en el ahorro de la energía.

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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Balcells, J; Romera, J. (2005) Autómatas Programables. Serie Mundo Electrónico

Variador de velocidad, Consulta en línea realizada el día 22 de Octubre de 2014. Disponible en http://es.wikipedia.org/wiki/Variador_de_velocidad

Control de Velocidad, Consulta en línea realizada el día 22 de Octubre de 2014. Disponible en http://es.wikipedia.org/wiki/Control_de_velocidad

Sistemas de control de velocidad de motores, Consulta en línea realizada el día 22

de Octubre de 2014. Disponible en http://es.slideshare.net/totycevallos/sistemas-de-control-de-velocidad-de-motores