LABORATORIO DE CONTROL INDUSTRIAL

GUÍA DE PRÁCTICAS

ING. HUGO VITERI

CONTENIDO

Pg.

PRÁCTICA 1: Funcionamiento de elementos electromecánicos……………..………..………

PRÁCTICA 2: Uso de contactores……………………………….....…………………………..

PRÁCTICA 3: Secuencias de control con interbloqueos…………..…...………………………

PRÁCTICA 4: Arranque estrella-triangulo de motores de inducción de jaula de ardilla………

PRÁCTICA 5: Control de un motor monofásico...................................................................…..

PRÁCTICA 6: Arranque de motores de inducción de rotor bobinado……………………..…..

PRÁCTICA 7: Control de arranque y velocidad de un motor universal utilizando elementos de estado sólido ………………………………………………..…………………...……………....

PRÁCTICA 8: Arranque y frenado de un motor de corriente continua....…..………………….

PRÁCTICA 9: Controladores lógicos programables………..…..……………………………...

PRÁCTICA 10: Variadores automáticos de velocidad…………....……………………………

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PRÁCTICA No. 1: FUNCIONAMIENTO DE ELEMENTOS ELECTROMECÁNICOS

1.1.- OBJETIVO

- Establecer las curvas de encendido y apagado (curvas de trabajo) de un contactor electromecánico y determinar su tiempo de actuación.

1.2.- EQUIPO A USARSE

- Un contactor.- Un relé en buen estado.- Un relé en mal estado.- 2 resistencias de 200 y 30, respectivamente.- Un capacitor de 1000 f.- 2 pulsantes.- Una fuente de C.A.- Equipo de medición y conexionado.

1.3.- MARCO TEÓRICO

EL CONTACTOR

FIGURA 1.1: Estructura de un contactor.

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Definición.- El contactor es un interruptor accionado a distancia por medio de un electroimán.

Estructura y funcionamiento.- A continuación se pasan a revisar los principales componentes y el funcionamiento de un contactor electromecánico.

Carcasa.- Es el soporte, está fabricado en material no conductor y tiene un alto grado de rigidez y resistencia al calor; sobre el mismo se fijan todos los componentes conductores del contactor.

Electroimán.- Es el elemento motor, está compuesto por una serie de dispositivos cuya finalidad es transformar la energía eléctrica en magnetismo, generando un campo magnético muy intenso que a su vez produce un movimiento mecánico.

Bobina.- Es un arrollamiento de alambre de cobre muy delgado y con un gran número de espiras que, al aplicársele tensión, genera un campo magnético.

Efectivamente, cuando una bobina se energiza con corriente alterna, la intensidad absorbida por esta, denominada corriente de llamada, es relativamente elevada debido a que en el circuito prácticamente solo se tiene la resistencia del conductor. Esta corriente elevada genera un campo magnético intenso que hace que el núcleo pueda atraer a la armadura a pesar del gran entrehierro y la resistencia mecánica del resorte o muelle que los mantiene separados en estado de reposo.

Una vez que se cierra el circuito magnético al juntarse el núcleo con la armadura, aumenta la impedancia de la bobina de tal manera que la corriente de llamada se reduce considerablemente obteniéndose de esta manera una corriente de mantenimiento o trabajo mucho más baja.

Núcleo.- Es una parte de material ferromagnético, generalmente en forma de “E”, que va fijo en la carcasa; su función es concentrar y aumentar el flujo magnético que genera la bobina (colocada en la columna central del núcleo) para atraer con mayor eficiencia a la armadura.

Armadura.- Elemento móvil cuya construcción se parece a la del núcleo pero sin espiras de sombra; su función es cerrar el circuito magnético una vez energizada la bobina (en el estado de reposo debe estar separada del núcleo por acción de un muelle). El espacio de separación se denomina entrehierro o cota de llamada.

Las características del muelle permiten que tanto el cierre como la apertura del circuito magnético se realicen en una forma muy rápida (10 milisegundos). Cuando el par resistente del muelle es mayor que el par electromagnético, el núcleo no logrará atraer la armadura. Por otro lado, si el par resistente del muelle es demasiado débil, la separación de la armadura no se producirá con la rapidez necesaria.

Contactos.- Son elementos conductores que tienen por objeto establecer o interrumpir el paso de corriente tanto en el circuito de potencia (contactos principales) como en circuito de mando (contactos auxiliares) tan pronto se energice la bobina, por lo que se denominan contactos instantáneos.

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Todo contacto está compuesto por tres elementos: dos partes fijas ubicadas en la carcasa y una parte móvil colocada en la armadura. El contacto móvil lleva un resorte que garantiza la presión y por consiguiente la unión de las tres partes.

Contactos principales.- Su función específica es establecer o interrumpir el circuito de potencia.

Contactos auxiliares.- Son contactos cuya función es permitir o interrumpir el paso de la corriente a las bobinas de los contactores o a los elementos de señalización; por lo que están dimensionados para intensidades pequeñas.

1.4.- DESARROLLO DE LA PRÁCTICA

En la primera parte de la práctica se establecerán las curvas de trabajo tanto para un relé en buen estado como para un relé en mal estado, para lo cual se sigue el siguiente proceso:

Energice el relé aplicando el voltaje en forma progresiva (se recomienda hacerlo en pasos de 10V), en cada paso anote los valores de voltaje y corriente observados enfatizando los valores para los cuales el relé cambia de estado. Repita el proceso en forma descendente iniciando con el valor nominal de operación. Finalmente grafique la curva voltaje vs. corriente (curva de trabajo).

RELÉ EN BUEN ESTADO

ASCENDENTE (encendido) DESCENDENTE (apagado)

VOLTAJE (V) CORRIENTE (mA) POTENCIA (W) VOLTAJE (V) CORRIENTE (mA) POTENCIA (W)

10 110

TABLA 1.1.

RELÉ EN MAL ESTADO

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ASCENDENTE (encendido) DESCENDENTE (apagado)

VOLTAJE (V) CORRIENTE (mA) POTENCIA (W) VOLTAJE (V) CORRIENTE (mA) POTENCIA (W)

10 110

TABLA 1.2.

Una vez obtenidas las curvas de trabajo, la segunda parte de la práctica consiste en comparar los tiempos de actuación manual y automático de un contactor.

Para esto se hace uso de un circuito (Figura 1.2), en el cual el tiempo de actuación se calcula con la siguiente fórmula:

Se practican diferentes operaciones del contactor, tanto de forma manual como automática, en cada una de las cuales se mide el voltaje de carga del capacitor al momento de la operación y se calcula el tiempo de actuación.

FIGURA 1.2: Circuito RC utilizado.

MANUAL

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R ( ) C ( ) V (V) t (ms)

30 0.00130 0.00130 0.00130 0.00130 0.00130 0.001

PROMEDIO 30 0.001

TABLA 1.3.

AUTOMÁTICO

R ( ) C ( ) V (V) t (ms)

30 0.00130 0.00130 0.00130 0.00130 0.00130 0.001

PROMEDIO 30 0.001

TABLA 1.4.

MANUAL

R ( ) C ( ) V (V) t (ms)

200 0.001200 0.001200 0.001200 0.001200 0.001200 0.001

PROMEDIO 200 0.001

TABLA 1.5.

AUTOMÁTICO

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R ( ) C ( ) V (V) t (ms)

200 0.001200 0.001200 0.001200 0.001200 0.001200 0.001

PROMEDIO 200 0.001

TABLA 1.6.

Finalmente escriba sus conclusiones y recomendaciones.

PRÁCTICA No. 2: USO DE CONTACTORES(APLICACIÓN AL CONTROL DE LLENADO DE TANQUES DE AGUA)

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2.1.- OBJETIVOS

- Observar la aplicación práctica de los contactores.

- Familiarizarse con los diferentes dispositivos que intervienen en procesos hidráulicos.

2.2.- EQUIPO A USARSE

- 3 contactores.- Un relé temporizador.- 2 lámparas de señalización.- Un interruptor general.- 4 pulsantes N.O.- 4 pulsantes N.C.- Una fuente de C.A.- Equipo de medición y conexionado.

2.3.- MARCO TEÓRICO

BOMBAS

Definición.- Una bomba es una máquina hidráulica que transforma la energía (generalmente energía mecánica proveniente de un motor eléctrico, térmico, etc.) con la que es accionada en energía hidráulica del fluido incompresible que mueve. Al incrementar la energía del fluido, se aumenta su presión, su velocidad o su altura, todas ellas relacionadas según el principio de Bernoulli. En general, una bomba se utiliza para incrementar la presión de un líquido añadiendo energía al sistema hidráulico, para mover el fluido de una zona de menor presión o altitud a otra de mayor presión o altitud.

Clasificación.- Se pueden considerar dos grandes grupos: bombas rotodinámicas y bombas de desplazamiento positivo.

Bombas rotodinámicas.- el principio de funcionamiento está basado en el intercambio de cantidad de movimiento entre la máquina y el fluido, aplicando la hidrodinámica. En este tipo de bombas hay uno o varios rodetes con álabes que giran generando un campo de presiones en el fluido. En estas máquinas la circulación del fluido es continua. A su vez, estas turbomáquinas hidráulicas generadoras pueden subdividirse en:

Bombas radiales o centrífugas.- El agua entra por el centro u ojo del rodete, es arrastrada por los álabes y lanzada en dirección radial. Las bombas centrífugas, debido a sus características, son las que más se aplican en la industria.

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Bombas axiales.- cuando el fluido pasa por los canales de los álabes siguiendo una trayectoria contenida en un cilindro.

Bombas diagonales o helicocentrífugas.- cuando el fluido sigue una trayectoria contenida en cono coaxial con el eje del rodete.

Bombas de desplazamiento positivo o volumétricas.- el principio de funcionamiento está basado en la hidrostática. Estas bombas guían al fluido que se desplaza a lo largo de toda su trayectoria, el cual siempre está contenido entre el elemento impulsor, que puede ser un embolo, un diente de engranaje, un aspa, un tornillo, etc., y la carcasa o el cilindro. El movimiento del desplazamiento positivo consiste en el movimiento de un fluido causado por la disminución del volumen de una cámara. Por consiguiente, en una máquina de desplazamiento positivo, el elemento que origina el intercambio de energía no tiene necesariamente movimiento alternativo (émbolo), sino que puede tener movimiento rotatorio (rotor). Sin embargo, en las máquinas de desplazamiento positivo, tanto alternativas como rotatorias, siempre hay una cámara que aumenta de volumen (succión) y disminuye volumen (impulsión), por esto a estas máquinas también se les denomina volumétricas.

Bombas alternativas.- Llamadas también reciprocantes; en este tipo de bombas existe uno o varios compartimentos fijos, pero de volumen variable por la acción de un émbolo o de una membrana. En estas máquinas, el movimiento del fluido es discontinuo y los procesos de carga y descarga se realizan por válvulas que abren y cierran alternativamente.

Bombas rotatorias.- También llamadas rotoestáticas debido a que son máquinas de desplazamiento positivo provistas de un movimiento rotatorio. La masa fluida es confinada en uno o varios compartimentos que se desplazan desde la zona de entrada (de baja presión) hasta la zona de salida (de alta presión) de la máquina.

VÁLVULAS HIDRÁULICAS

Definición.- Una válvula se puede definir como un aparato mecánico con el cual se puede iniciar, detener o regular la circulación de un fluido mediante una pieza movible que abre, cierra u obstruye en forma parcial o total uno o más orificios o conductos. Componentes.- Las válvulas de control constan básicamente de dos partes que son: la parte motriz o actuador y el cuerpo.

Actuador.- También llamado accionador o motor; puede ser neumático, eléctrico o hidráulico, pero los más utilizados son los dos primeros por ser los más sencillos y de rápida actuación; aproximadamente el 90% de las válvulas utilizadas en la industria son accionadas neumáticamente. Los actuadores neumáticos constan básicamente de un diafragma, un vástago y un resorte; lo que se busca en un actuador de tipo neumático es que cada valor de la presión recibida por la válvula corresponda a una posición determinada del vástago.

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Cuerpo de la válvula.- Este está provisto de un obturador o tapón, los asientos del mismo y una serie de accesorios. La unión entre la válvula y la tubería puede hacerse por medio de bridas (soldadas o roscadas). El tapón es el encargado de controlar la cantidad de fluido que pasa a través de la válvula. Esta unido por medio de un vástago al actuador.

Clasificación.- Debido a las diferentes variables, no puede haber una válvula universal; por lo tanto, para satisfacer los cambiantes requerimientos de la industria se han creado innumerables diseños y variantes conforme se han desarrollado nuevos materiales. Resultaría ocioso describir las características de cada tipo de válvula que se fabrica, basta con mencionar que todos los tipos de válvulas recaen en nueve categorías: válvulas de compuerta, válvulas de globo, válvulas de bola, válvulas de mariposa, válvulas de apriete, válvulas de diafragma, válvulas de macho, válvulas de retención y válvulas de desahogo o alivio.

MEDIDORES DE CAUDAL

Definición.- La medida de caudal en conducciones cerradas consiste en la determinación de la cantidad de masa o volumen que circula por la conducción por unidad de tiempo. Los instrumentos que llevan a cabo esta medida se denominan, habitualmente, caudalímetros o medidores de caudal.

Clasificación.- Los medidores de caudal volumétrico pueden determinar el caudal de volumen de fluido de dos formas:

- Directamente, mediante dispositivos con accionamiento mecánico, o- Indirectamente, mediante dispositivos de: presión diferencial, velocidad, fuerza, etc.

Medidores con accionamiento mecánico.- Los medidores con accionamiento mecánico, habitualmente de tipo rotativo, se subdividen en:

Medidores de desplazamiento positivo.- estos medidores miden la cantidad de fluido que circula por un conducto, dividiendo el flujo en volúmenes separados y sumando los volúmenes que pasan a través del medidor. En cada medidor, se pueden destacar tres componentes comunes: una cámara que se encuentra llena de fluido; un desplazador que, bajo la acción del fluido circulante, transfiere el fluido desde el final de una cámara a la siguiente; y un mecanismo indicador o registrador conectado al desplazador que cuenta el número de veces que éste se mueve de una parte otra de la cámara de trabajo. Dentro de los principales tipos de medidores de desplazamiento positivo para líquidos, se pueden nombrar los siguientes: medidores de tipo pistón, medidores de paletas deslizantes y medidores de engranajes.

Medidores de turbina.- Constan de una longitud de tubería en el centro de la cual hay un rotor de paletas múltiple, montado sobre cojinetes, para que pueda girar con facilidad, y soportado aguas arriba y aguas abajo por un dispositivo de centrado tipo cruceta que, normalmente, incorpora un enderezador de la vena fluida. La energía cinética del fluido circulando hace girar el rotor con una velocidad angular que, en el margen lineal del medidor, es proporcional a la velocidad media axial del fluido y, por tanto, al caudal volumétrico. Una salida mediante impulsos eléctricos se

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produce cuando se detecta el paso de cada paleta alrededor de uno o más sensores situados en el campo del medidor. El punto más débil de un medidor de turbina para líquidos son los cojinetes, ya que tienen que soportar el peso del rotor.

Medidores de presión diferencial.- Son los más comúnmente utilizados en la industria, esta clase de medidores presenta una reducción de la sección de paso del fluido, dando lugar a que el fluido aumente su velocidad, lo que origina un aumento de su energía cinética y por consiguiente, su presión tiende a disminuir en una proporción equivalente de acuerdo con el principio de la conservación de la energía, creando una diferencia de presión estática entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor. Entre los principales tipos de medidores de presión diferencial se pueden destacar los siguientes: placas de orificio, toberas, tubos Venturi, tubos Pitot, tubos Annubar, codos, medidores de área variable y medidores de placa. Se estima que actualmente al menos un 75% de los medidores industriales en uso son dispositivos de presión diferencial, siendo el más popular la placa de orificio.

Otros medidores volumétricos.-

Medidores de caudal electromagnéticos.- El medidor de caudal electromagnético utiliza el mismo principio básico que el electrogenerador; es decir, cuando un conductor se mueve a través de un campo magnético se genera una fuerza electromotriz en el conductor, siendo su magnitud directamente proporcional a la velocidad media del conductor en movimiento. Si el conductor es una sección de un líquido conductor circulando por un tubo aislado eléctricamente a través de un campo magnético y se montan los electrodos diametralmente opuestos en la pared de la tubería, la fuerza electromotriz generada a través de los electrodos es directamente proporcional a la velocidad media del fluido. Es importante señalar que la diferencia de potencial entre los electrodos es del orden de milivoltios, por lo que dicha señal tiene que ser amplificada mediante un dispositivo secundario denominado convertidor.

Medidores ultrasónicos.- Generalmente, se utilizan dos tipos de medidores ultrasónicos para la medida del caudal en circuitos cerrados. Un primero (tiempo de tránsito o de propagación) utiliza la transmisión por impulsos, mientras que el segundo (efecto Doppler) usa la transmisión continua de ondas.

Hidrantes.- En su forma más sencilla, los hidrantes son una combinación de dos elementos en un mismo cuerpo: una válvula hidráulica y un contador de agua. La válvula hidráulica tiene la acción de apertura y cierre por membrana; esta acción se realiza mediante la propia presión del agua de la tubería. El contador se basa en una hélice colocada en las líneas del flujo de agua, misma que gira al paso del fluido por la válvula, transmitiendo la rotación a los engranajes de un cabezal de registro mediante una transmisión magnética. El cabezal dispone de dígitos para totalizar el volumen de agua que circula por la válvula.

MEDIDORES DE PRESIÓN O MANÓMETROS

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Definición.- El manómetro es un instrumento utilizado para la medición de la presión en los fluidos, generalmente determinando la diferencia de la presión entre el fluido y la presión local. Cuando los manómetros deben indicar fluctuaciones rápidas de presión se suelen utilizar sensores piezoeléctricos o electrostáticos que proporcionan una respuesta instantánea.

Hay que tener en cuenta que la mayoría de los manómetros miden la diferencia entre la presión del fluido y la presión atmosférica local; entonces, habrá que sumar ésta última al valor indicado por el manómetro para hallar la presión absoluta. Cuando se obtiene una medida negativa en el manómetro es debida a un vacío parcial.

Clasificación.- los principales tipos de manómetros utilizados para medir la presión de los líquidos son:

Manómetro de Burdon.- Instrumento mecánico de medición de presiones que emplea como elemento sensible un tubo metálico curvado o torcido, de sección transversal aplanada. Un extremo del tubo esta cerrado, y la presión que se va a medir se aplica por el otro extremo. A medida que la presión aumenta, el tubo tiende a adquirir una sección circular y enderezarse. El movimiento del extremo libre (cerrado) mide la presión interior y provoca el movimiento de una aguja. Este manómetro es el elemento industrial de medición de presiones más generalizado, debido a su bajo costo, su suficiente aproximación y su duración.

Manómetro de columna de líquido.- Doble columna líquida utilizada para medir la diferencia entre las presiones de dos fluidos. El manómetro de columna de líquido es el patrón base para la medición de pequeñas diferencias de presión. Las dos variedades principales son el manómetro de tubo de vidrio, para la simple indicación de la diferencia de las presiones, y el manómetro de mercurio con recipiente metálico, utilizado para regular o registrar una diferencia de presión o una corriente de un líquido. Por su parte, los tres tipos básicos de manómetro de tubo de vidrio son el de tubo en “U”, los de tintero y los de tubo inclinado, que pueden medir el vacío o la presión manométrica dejando una rama abierta a la atmósfera. Si bien los manómetros de tubo de vidrio son precisos y seguros, no producen un movimiento mecánico que pueda gobernar aparatos de registro y de regulación. Para esta aplicación se usan manómetros de mercurio del tipo de campana, de flotador, o de diafragma.

MEDIDORES DE NIVEL

Definición.- Son aparatos utilizados para medir la distancia existente entre una línea de referencia y la superficie del fluido, generalmente dicha línea de referencia se toma como fondo del recipiente.

Clasificación.- El nivel es la variable que puede ser más fácilmente medida; pero existen factores tales como la viscosidad del fluido, tipo de medición deseada, presión, si el recipiente esta o no presurizado, etc. que traen como consecuencia que existan varios métodos y tipos de instrumentos medidores del nivel. Los métodos utilizados para la medición del nivel de líquidos básicamente pueden ser clasificados en: métodos de medición directa, métodos de presión hidrostática y métodos de medición eléctrica.

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Los instrumentos de medida directa se dividen en:

- Medidor de sonda (regla graduada).- Medidor de cinta y plomada.- Medidor de nivel de cristal.- Medidor de flotador.

Los aparatos que miden el nivel aprovechando la presión hidrostática se dividen en:

- Medidor manométrico.- Medidor de membrana.- Medidor de tipo burbujeo.- Medidor de presión diferencial de diafragma.

Los instrumentos que utilizan características eléctricas del líquido se clasifican en:

- Medidor conductivo.- Medidor capacitivo.- Medidor ultrasónico.- Medidor de radiación- Medidor láser.

Cabe anotar, con relación a los medidores estudiados (tanto de caudal, como de presión y de nivel), que actualmente existen artefactos que están dirigidos por microprocesadores, lo que garantiza una alta precisión y fiabilidad además de un tiempo de respuesta breve. Estos dispositivos poseen una carcasa que es resistente al polvo y al agua y los más tecnológicos brindan la posibilidad de trasmitir los datos recogidos hacia un ordenador, laptop o impresora; o bien, a una memoria interna.

2.4.- DESARROLLO DE LA PRÁCTICA

El proceso a simular es el siguiente: se tienen tres tanques que deberán ser llenados; inicialmente se abre la válvula V1, con lo cual se empezará a llenar el tanque T1. Una vez que se supere el nivel mínimo del primer tanque, se accionará la bomba B1 que permitirá el llenado del tanque T2. De la misma forma, una vez superado el nivel mínimo en el segundo tanque, entrará en funcionamiento de bomba B2, misma que empezará a llenar el tercer tanque. Luego de superado el nivel mínimo del tanque T3, empezará a correr un tiempo (calculado como el necesario para que se llene el tercer tanque). Después de cumplido este tiempo, se apagará la bomba B2. Una vez alcanzado el nivel máximo en el tanque T2, se apagará la bomba B1 y una vez que se llena el primer tanque el proceso termina, con los tres tanques llenos.

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FIGURA 2.1: Diagrama del proceso.

Para resolver el problema, utilizando los elementos del laboratorio, arme el circuito de la Figura 2.2 donde, para simular los sensores de nivel se usan pulsantes, para simular la válvula se usa un interruptor general en tanto que las bombas son simuladas con lámparas de señalización.

FIGURA 2.2: Circuito de control.

Por último, explique el funcionamiento del circuito, escriba sus conclusiones y observaciones.

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PRÁCTICA No. 3: SECUENCIAS DE CONTROL CON INTERBLOQUEOS

(APLICACIÓN AL CONTROL DE SEMAFORIZACIÓN)

3.1.- OBJETIVO

- Entender el funcionamiento y la aplicación de los relés temporizadores.

- Comprender el funcionamiento y la utilidad de interbloqueos.

3.2.- EQUIPO A USARSE

- 4 contactores.- 4 relés temporizadores.- 6 lámparas de señalización.- Un interruptor general.- Un pulsante N.O.- Un pulsante N.C.- Una fuente de C.A.- Equipo de medición y conexionado.

3.3.- MARCO TEÓRICO

LOS RELÉS TEMPORIZADORES

FIGURA 3.1: Relés temporizadores.

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Definición.- el relé temporizador es un aparato mediante el cual se puede regular la conexión ó desconexión de un circuito eléctrico luego de transcurrido un cierto tiempo definido a priori. El temporizador es un tipo de relé auxiliar, con la diferencia de que sus contactos no cambian de posición instantáneamente. Es importante recalcar que estos dispositivos siempre terminan su función así el circuito de mando sufra un apagón repentino.

Clasificación.- En general, los relés temporizadores se clasifican en:

- Térmicos.- Neumáticos.- De motor síncrono.- Electrónicos.

Adicionalmente, los temporizadores pueden trabajar a la conexión (on delay) o a la desconexión (off delay).

Temporizadores térmicos.- Actúan por calentamiento de una lamina bimetálica y el tiempo viene determinado por el curvado de la misma. Constan de un transformador cuyo primario se conecta a la red mientras que el secundario, que tiene pocas espiras y está conectado en serie con la lamina bimetálica, siempre tiene que estar en cortocircuito para producir el calentamiento de dicha lamina. Cuando realiza la temporización se tiene que desconectar el primario.

Temporizadores neumáticos.- Su funcionamiento está basado en la acción de un fuelle que se comprime al ser accionado por el electroimán del relé. Una vez comprimido, el tiempo de recuperación del fuelle, que es el que da la temporización, se controla variando el tamaño del orificio por el cual entra aire al mismo.

Temporizadores de motor síncrono.- Son los temporizadores que actúan por medio de un mecanismo de relojería accionado por un pequeño motor con embrague electromagnético. Al cabo de cierto tiempo de funcionamiento entra en acción el embrague y se produce la apertura o cierre del circuito.

Temporizadores electrónicos.- El principio básico de este tipo de temporización es la carga o descarga de un condensador mediante una resistencia. Por lo general, se emplean condensadores electrolíticos, siempre que su resistencia de aislamiento sea mayor que la resistencia de descarga; caso contrario el condensador se descargaría a través de su insuficiente resistencia de aislamiento.

Temporizador a la conexión.- Es un relé cuyo contacto de salida se activa después de un cierto retardo a partir del instante de conexión de los bornes de su bobina. El tiempo de retardo es ajustable mediante un potenciómetro, un regulador frontal del aparato si es electrónico o mediante un potenciómetro remoto que permita el mando a distancia.

Temporizador a la desconexión.- Es un relé cuyo contacto de salida conecta instantáneamente al aplicar la tensión de alimentación en los bornes de la bobina. Al quedar sin alimentación, el relé

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permanece conectado durante el tiempo ajustado por el potenciómetro frontal o remoto, desconectándose al final de dicho tiempo.

INTERBLOQUEOS

Resumidamente, los interbloqueos consisten en la activación alternativa de contactores; es decir, la activación de uno produce la desactivación del otro. Los interbloqueos son necesarios para asegurar el funcionamiento correcto de una secuencia de control, existen dos tipos:

Interbloqueos mecánicos.- consisten en colocar balancines en los núcleos de las bobinas de los contactores. Al activarse el uno, éste atrae al balancín y por ende la otra bobina forzosamente queda desconectada.

Interbloqueos eléctricos.- consisten en utilizar, por ejemplo, pulsantes dobles con un contacto normalmente abierto y otro normalmente cerrado; de tal manera que al pulsar se active un circuito e inmediatamente se desactive otro para evitar un cortocircuito. También se pueden utilizar los contactos auxiliares de las bobinas.

3.4.- DESARROLLO DE LA PRÁCTICA

En la presente práctica se construirá un circuito para una secuencia de control de dos semáforos. Para asegurar el funcionamiento de la secuencia se aplicarán interbloqueos. La secuencia es la siguiente:

Inicialmente, se encienden las lámparas Vp (verde vía primaria) y Rs (rojo vía secundaria); transcurridos 10 segundos se activa la lámpara Ap (amarillo vía primario); luego de 5 segundos se apagan las tres lámparas y se encienden las lámparas Rp y Vs; es decir, el rojo para la vía primaria y el verde para la secundaria; posteriormente, tras 10 segundos, se enciende la lámpara As (amarillo vía secundaria). Finalmente, luego de 5 segundos se apagan estas lámparas y se reinicia el ciclo. El siguiente diagrama ilustra lo descrito.

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FIGURA 3.2: Secuencia de control.

Para simular esta secuencia, haciendo uso de los elementos del laboratorio, arme el circuito de control de la Figura 3.3 y el circuito de fuerza de la Figura 3.4.

FIGURA 3.3: Circuito de control.

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FIGURA 3.4: Circuito de fuerza.

Finalmente, explique el funcionamiento de los circuitos, enfatizando en los interbloqueos, escriba sus conclusiones y de sus recomendaciones.

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PRÁCTICA No. 4: ARRANQUE ESTRELLA–TRIÁNGULO DE MOTORES DE INDUCCIÓN DE JAULA DE ARDILLA

4.1.- OBJETIVO:

- Comprender el método de arranque estrella – triángulo de un motor.

4.2.- EQUIPO A USARSE:

- Un motor de inducción de jaula de ardilla.- 4 contactores.- 2 temporizadores.- 2 lámparas de señalización.- 2 pulsantes.- Una fuente de C.A.- Una fuente de C.C.- Equipo de medición y conexionado.

4.3.- MARCO TEÓRICO:

EL MOTOR DE INDUCCIÓN DE JAULA DE ARDILLA

En un motor de inducción de jaula de ardilla los conductores del rotor están igualmente distribuidos por la periferia del rotor; los extremos de estos conductores están cortocircuitados, por tanto no hay posibilidad de conexión del devanado del rotor con el exterior. La posición inclinada de las ranuras mejora las propiedades de arranque y disminuye los ruidos.

FIGURA 4.1: Motor de inducción de jaula de ardilla.

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FIGURA 4.2: Esquema de la jaula.

CONCEPTOS GENERALES SOBRE ARRANQUE DE MOTORES

Se denomina arranque de un motor al régimen transitorio en el que se eleva la velocidad del mismo desde el estado de motor detenido hasta el de motor girando a la velocidad de régimen permanente. La elección correcta de las características de los motores eléctricos y arrancadores a instalar está basada en el conocimiento de las particularidades de este régimen transitorio.

Para que el conjunto motor-máquina comience a girar se necesita que el par motor supere al par resistente, de manera que genere una aceleración angular de arranque. El proceso de arranque finaliza cuando se equilibra el par motor con el par resistente, estabilizándose la velocidad de giro del motor:

Donde es el par motor, el par resistente, es el momento de inercia del conjunto motor-maquina accionada y es la velocidad angular de dicho conjunto.

Como la cupla motora es el producto de la corriente absorbida por el flujo del campo magnético además de un factor que caracteriza al tipo de máquina, este par mayor de arranque generalmente está asociado a una mayor corriente de arranque, misma que no debe superar determinado límite por el calentamiento de los conductores involucrados.

Aunque se suele enfocar el diseño de los sistemas de arranque en atención a las corrientes y cuplas involucradas, no deben dejarse de lado otros aspectos que también resultan importantes como son el consumo de energía disipada en forma de calor y las perturbaciones sobre la red de baja tensión.

Los problemas generados en el arranque de motores eléctricos de C.A. se resumen en tres aspectos: gran consumo de corriente (5 a 7 veces mayor que a plena carga), alto torque y sobrecalentamiento del motor. Existen muchos sistemas eléctricos con los cuales se pueden disminuir estos problemas, en la presente práctica se analizará uno de ellos, el llamado arranque estrella-triángulo.

ARRANQUE ESTRELLA-TRIÁNGULO

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Los motores de corriente alterna con rotor en jaula de ardilla se pueden poner en marcha mediante métodos de arranque directo o a tensión reducida.

Los métodos de arranque a tensión reducida se utilizan para motores que no necesiten una gran cupla de arranque. El método consiste en producir en el momento del arranque una tensión menor que la nominal en los arrollamientos del motor. Al reducirse la tensión se reduce proporcionalmente la corriente, la intensidad del campo magnético y la cupla motriz. Uno de los métodos de arranque a tensión reducida más utilizados debido a su construcción simple, su bajo precio y su alta confiabilidad es el arranque estrella-triángulo.

En este método, el procedimiento para reducir la tensión en el arranque consiste en conmutar las conexiones de los arrollamientos en los motores trifásicos previstos para trabajar conectados en triángulo a la red. Los bobinados inicialmente se conectan en estrella (o sea que reciben la tensión de fase) y luego se conectan en delta o triángulo a la tensión de línea; por tanto, la tensión durante el arranque se reduce 1,73 veces. Por ser ésta una relación fija, y dado que la influencia de la tensión sobre la corriente y la cupla es cuadrática, tanto la corriente como el par de arranque del motor se reducen en tres veces.

Para que a un motor se le pueda hacer el arranque estrella-triangulo, la tensión de red y la de triangulo del motor deben ser iguales. Además, los seis bornes del devanado estatórico deben ser accesibles. Tal circunstancia se da hoy en día en la generalidad de los motores de jaula de ardilla, siendo la disposición general de la caja de bornes la que esquemáticamente presenta la siguiente figura:

FIGURA 4.3: Caja de bornes de un motor de jaula de ardilla.

La conmutación de estrella a triángulo generalmente se hace en forma automática luego de transcurrido un lapso de tiempo regulable en el que el motor alcanza determinada velocidad. En el caso más simple tres contactores realizan la tarea de maniobrar el motor, disponiendo de enclavamientos adecuados.

La protección del motor se hace por medio de relés térmicos y fusibles, mismos que deben estar colocados en las fases del motor y su calibración debe hacerse a un valor que resulta de multiplicar la corriente de línea por 0,58.

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Consideraciones.- Algunas indicaciones que se deben tener en cuenta sobre el punto de conmutación son:

- El pico de corriente que toma el motor al conectar a plena tensión (etapa de triángulo) debe ser el menor posible; por ello, la conmutación debe efectuarse cuando el motor esté cercano a su velocidad nominal (95% de la misma); es decir, cuando la corriente de arranque baje prácticamente a su valor normal en la etapa de estrella.

- La corriente de arranque sólo se puede reducir hasta el punto donde el par de arranque sea aún superior al requerido por la carga; bajo este punto la aceleración del motor cesará y el conjunto carga-motor no alcanzará la velocidad máxima. El relé de tiempo debe ajustarse para conmutar en este momento, no antes ni mucho después.

- Habitualmente, un arranque normal puede durar hasta 10 segundos, si supera los 12 segundos se debe consultar al proveedor del equipo. Si no se cumple con lo anterior, el pico de corriente que se produce al pasar a la etapa de triángulo es muy alto, perjudicando a los contactores, al motor y a la máquina accionada. El efecto es similar al de un arranque directo.

Limitaciones.- Las limitaciones más significativas de este tipo de arranque son:

- No hay control sobre el nivel de reducción de la corriente ni del par.

- Se producen importantes cambios de la corriente y del par debido a la transición estrella-triángulo. Esto aumenta el estrés mecánico y eléctrico y puede producir averías. Los cambios se producen debido a que el motor está en movimiento y al desconectarse la alimentación hace que el motor actúe como un generador con tensión de salida, que puede ser de la misma amplitud que la de red. Esta tensión está aún presente cuando se reconecta el motor en triángulo.

- La cupla de arranque que se obtiene a veces no es suficiente para hacer arrancar máquinas con mucho momento de inercia.

FRENO DINÁMICO

En general, un motor eléctrico se puede parar desconectándolo de la línea. Sin embrago, si el motor se reconecta de manera que funcione como un generador, se parará más rápidamente. Esto se conoce con el nombre de freno dinámico.

Si el motor se reconecta para que el campo se excite, y existe un paso de baja resistencia a través de la armadura, la acción del generador convertirá parte de la energía mecánica de rotación en energía eléctrica, en forma de calor, en las resistencias; esto baja más pronto la velocidad del motor.

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Al disminuir la velocidad del motor, la acción del generador se hace menor, disminuye la corriente y se reduce la acción del freno.

4.4.- DESARROLLO DE LA PRÁCTICA:

Para realizar el arranque estrella-triángulo del motor se arma el circuito de control presentado en la Figura 4.4 que funciona de la siguiente manera: Al oprimir b1 se energiza el circuito alimentando al contactor de línea CL; al mismo tiempo actúa el contactor CY que realiza la conexión en estrella. Después de un tiempo, dado por el temporizador T1, se activa el contactor CD que realiza la conexión en triángulo y desenergiza el contactor CY.

El pulsante bo sirve para el frenado dinámico, al oprimirlo se energiza el contactor FD que actúa durante un tiempo dado por T2 inyectando corriente continua al rotor frenando así el motor.

FIGURA 4.4: Circuito de control.

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FIGURA 4.5: Circuito de fuerza.

Una vez realizadas las conexiones y energizado el sistema, mida el voltaje en los terminales del motor al momento del arranque en estrella, al momento que está estabilizado en estrella y cuando está conectado en triángulo. Así mismo, mida la corriente por los fusibles al momento del arranque en estrella, al momento que está estabilizado en estrella, al instante del cambio de conexión y cuando está conectado en triángulo.

VOLTAJE (V) CORRIENTE (A)

ARRANQUE ESTRELLA

ESTRELLA ESTABILIZADO

CAMBIO DE CONEXIÓN -

TRIÁNGULO

TABLA 4.1.

Adicionalmente, mida el tiempo de frenado para diferentes valores de Vcc.

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Vcc (V) TIEMPO DE FRENADO

TABLA 4.2.

Finalmente, escriba sus conclusiones y recomendaciones.

PRÁCTICA N o: 5 CONTROL DE UN MOTOR MONOFÁSICO(APLICADO AL CONTROL DE UNA PUERTA ELÉCTRICA)

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5.1.- OBJETIVO

- Comprender las características, funcionamiento y aplicaciones de los motores monofásicos.

5.2.- EQUIPO A USARSE

- Un motor monofásico.- 2 contactores.- 2 relés auxiliares.- Un temporizador.- Un pulsante NC.- Un pulsante doble NO-NC.- 2 fin carreras NC (interruptores).- 2 lámparas de señalización. - Una fuente de C.A.- Equipo de medición y conexionado.

5.3.- MARCO TEÓRICO

EL MOTOR MONOFÁSICO

FIGURA 5.1: Motor monofásico.

En el motor de inducción monofásico el estator se alimenta con una única tensión, por lo que no es posible generar un campo magnético giratorio; en su lugar, tan sólo se consigue un campo pulsante. Por esta razón, estos motores tienen el grave inconveniente de que no son capaces de arrancar por si solos.

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Efectivamente, si en un primer momento se considera que el rotor es simplemente una masa de hierro o acero, el campo magnético pulsante lo más que va a conseguir será hacerlo temblar (dado que el campo al que está sometido cambia de sentido 60 veces por segundo, en caso de ser alimentado a 60Hz), pero no lo moverá; dado que el campo producido por el bobinado del estator está siempre en la misma posición. Debido a este inconveniente, las aplicaciones para los motores monofásicos son de muy baja potencia (de hasta un HP), normalmente domésticas o de oficina. Los métodos para arrancar un motor monofásico son varios, a continuación se explicará el llamado arranque por condensador.

ARRANQUE POR CONDENSADOR

Dado que existen tres variedades de motor con condensador, cada de la cuales con su conjunto particular de características, se definirá primero el motor con condensador que es el utilizado en la presente práctica:

Motor con arranque por condensador.- Un motor con condensador tiene dos arrollamientos: uno llamado arrollamiento principal (o de trabajo) que es el más voluminoso, de mayor sección y de menos espiras y el otro llamado arrollamiento auxiliar (o de arranque). Este último esta desplazado en el espacio con respecto al primero usualmente un ángulo de 90 grados eléctricos, dado que está conectado en serie con un condensador (característica común a los tres tipos de motores con condensador). Se denomina arranque por condensador ya que el arrollamiento auxiliar y el condensador son utilizados solamente durante el arranque.

FIGURA 5.2: Motor con arranque por condensador.

Motor de condensador permanente.- Por otra parte, el segundo tipo de motor con condensador hace uso del arrollamiento auxiliar y del condensador continuamente, sin cambio alguno de capacidad.

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Motor con condensador doble.- Por último, el motor con condensador doble es un motor que hace uso de un valor de capacidad para el arranque y de otro diferente valor para las condiciones de trabajo.

5.4.- DESARROLLO DE LA PRÁCTICA

El funcionamiento de una puerta eléctrica es el siguiente: al pulsar b1 el motor empieza a girar en un sentido simulando que está abriendo la puerta, en el momento que se acaba de abrir se acciona un fin carrera f1, el cual apaga el motor; entonces empieza a correr un tiempo “t” dado por el temporizador d, una vez transcurrido ese tiempo automáticamente el motor comienza a girar en sentido contrario; es decir cerrando la puerta, cuando la puerta se cierra completamente se acciona un fin carrera f2 que apaga al motor.

A continuación se muestran los circuitos de control y de fuerza que el estudiante debe armar para simular la secuencia descrita en el párrafo anterior.

FIGURA 5.3: Circuito de control.

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FIGURA 5.4: Circuito de fuerza.

Para terminar esta práctica escriba sus conclusiones y haga sus observaciones.

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PRÁCTICA No. 6: ARRANQUE DE MOTORES DE INDUCCIÓN DE ROTOR BOBINADO

6.1.- OBJETIVO:

- Comprender las características y funcionamiento de los motores de inducción de rotor bobinado.

6.2.- EQUIPO A USARSE:

- Un motor de inducción de rotor bobinado.- 3 contactores.- 2 temporizadores.- 2 lámparas de señalización.- 2 pulsantes.- Resistencias.- Una fuente de C.A.- Equipo de medición y conexionado.

6.3.- MARCO TEÓRICO:

EL MOTOR DE INDUCCIÓN DE ROTOR BOBINADO

FIGURA 6.1: Motor de inducción de rotor bobinado.

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En este tipo de motores de inducción los devanados del rotor son similares a los del estator con el que está asociado. El número de fases del rotor no tiene por qué ser el mismo que el del estator, lo que sí tiene que ser igual es el número de polos. Los devanados del rotor están conectados a anillos colectores, también llamados anillos rozantes, montados sobre el mismo eje.

ARRANQUE DE MOTORES DE INDUCCIÓN DE ROTOR BOBINADO

En un motor asincrónico, la velocidad a la que se produce la máxima cupla es función de la resistencia del circuito rotórico. En particular, la máxima cupla de arranque se tiene cuando dicha resistencia es aproximadamente igual a la reactancia del motor. En los motores de corriente alterna con rotor bobinado, para efectuar el proceso de puesta en marcha se instala un reóstato de arranque conectado a los anillos rozantes del motor de manera de aumentar a voluntad la resistencia rotórica total. En este método, el motor arranca con toda la resistencia en serie con el circuito del rotor. Luego por medios manuales o automáticos, en forma continua o escalonada, se va reduciendo la resistencia a medida que la máquina gana velocidad, hasta que en régimen permanente el reóstato queda en cortocircuito.

FIGURA 6.2: Disposición de las resistencias exteriores.

Ventajas.- Las principales ventajas de este método de arranque son:

- Las corrientes de arranque son muy similares a la nominal con picos reducidos durante las sucesivas conmutaciones.

- Es un arranque suave.- Cupla máxima durante todo el arranque.- Permite manejar los tiempos de arranque.

6.4.- DESARROLLO DE LA PRÁCTICA:

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La presente práctica consta de dos partes: una primera en la que el arranque del motor se efectúa mediante resistencias fijas en el rotor que son retiradas por pasos y una segunda en la que se usan resistencias variables.

Para la primera parte arme el circuito de control mostrado en la siguiente figura, mismo que funciona de la siguiente manera: Al oprimir b1 se energiza el circuito, accionándose el contactor de línea, el cual permite el accionamiento del temporizador T1, transcurrido el conteo (6s), se acciona el contacto de la bobina F1 que cortocircuita el primer grupo de resistencias rotóricas al mismo tiempo que activa el segundo temporizador, tras nuevos seis segundos, se activa la bobina F2 que cortocircuita el rotor al cortocircuitar el segundo y último grupo de resistencias. El accionamiento tanto de F1 como de F2 desactiva el temporizador T1 mientras que el accionamiento de F2 desactiva el temporizador T2. El botón bo sirve como parada de emergencia.

FIGURA 6.3: Circuito de control para la primera parte.

La siguiente ilustración presenta el circuito de fuerza para la primera parte de la práctica:

34

FIGURA 6.4: Circuito de fuerza para la primera parte.

Una vez hechas las conexiones, energice los circuitos y realice las mediciones necesarias para llenar las siguientes tablas (se recomienda usar R1 = 5 y R2 = 10 para la primera tabla y R1 = 7.8 y R2 = 25 para la segunda):

R1 =

R2 =

I ESTATOR (A) I ROTOR (A) V ROTOR (V) VELOCIDAD (RPM)

ARRANQUE

CORTOCIRCUITO R1

CORTOCIRCUITO R2

TABLA 6.1.

R1 =

R2 =

35

I ESTATOR (A) I ROTOR (A) V ROTOR (V) VELOCIDAD (RPM)

ARRANQUE

CORTOCIRCUITO R1

CORTOCIRCUITO R2

TABLA 6.2.

Como se anticipó, la segunda parte de la práctica consiste el realizar el arranque del motor de rotor bobinado por medio de resistencias rotóricas variables, para el efecto se arma el siguiente circuito:

FIGURA 6.5: Circuito de control para la segunda parte.

Como se observa, el circuito se reduce notablemente puesto que la variación de la resistencia se la hace manualmente y de forma continua. El circuito de potencia se muestra a continuación:

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FIGURA 6.6: Circuito de fuerza para la segunda parte.

Tras realizar las conexiones y energizar el sistema realice las siguientes mediciones:

I ESTATOR (A) I ROTOR (A) V ROTOR (V)VELOCIDAD

(RPM)ARRANQUE

RESISTENCIA INICIAL

RESISTENCIA A LA MITAD

RESISTENCIA CERO

TABLA 6.3.

Para concluir anote sus conclusiones y recomendaciones.

PRÁCTICA No: 7 CONTROL DE ARRANQUE Y VELOCIDAD DE UN MOTOR UNIVERSAL UTILIZANDO ELEMENTOS DE

ESTADO SÓLIDO

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7.1.- OBJETIVO

- Entender el funcionamiento de un circuito de control de arranque y velocidad de un motor universal que utiliza elementos de estado sólido.

7.2.- EQUIPO A USARSE

- Un motor universal de 120 V, 3 Hp.- Un TRIAC.- Un DIAC.- 2 resistencias (100 y 200 Ω).- Un potenciómetro de 500 kΩ.- Un interruptor general.- Un osciloscopio.- 3 capacitores de 0.1 F.- Una fuente de C.A.- Equipo de medición y conexionado.

7.3.- MARCO TEÓRICO

EL MOTOR UNIVERSAL

FIGURA 7.1: Motor universal.

Definición.- El motor universal, o también llamado motor monofásico en serie, es un tipo de motor previsto para funcionar con corriente alterna o con corriente continua sin que sus características principales varíen significativamente. Comúnmente se utilizan con corriente alterna. Por lo general son construidos de pequeña potencia para aplicaciones domésticas, aunque también existen de elevada potencia.

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Características.- Las principales características de este tipo de motores son:

- Los bobinados del estator y del rotor están conectados en serie a través de unas escobillas.

- El par de arranque es 2 ó 3 veces el par normal.- La velocidad cambia según la carga.- Cuando aumenta el par motor, disminuye la velocidad.- Se suelen construir para velocidades de 3000 a 8000 r.p.m., aunque también se

encuentran para 12000 r.p.m. - Cuando el motor es alimentado las corrientes tanto en el estator como en el rotor circulan

en el mismo sentido, pero en el cambio de ciclo cambia también el sentido en las mismas provocando el arranque del motor.

- El cambio de giro es controlable, únicamente se tiene que intercambiar una fase en el estator o en el rotor, no en los dos.

- Se puede variar la velocidad del motor actuando sobre la tensión de excitación. Los métodos más comunes para este propósito utilizan reóstatos de regulación, elementos de estado sólido (usados en esta práctica) y variadores electrónicos de velocidad.

CONTROL DE ARRANQUE Y VELOCIDAD DE UN MOTOR UNIVERSAL UTILIZANDO ELEMENTOS DE ESTADO SÓLIDO

Antes de abordar este apartado, es preciso revisar algunas definiciones estudiadas en electrónica de potencia.

TRIAC.- es un dispositivo semiconductor de tres terminales que se usa para controlar el flujo de corriente hacia una carga, con la particularidad de que conduce en ambos sentidos y puede ser bloqueado por inversión de la tensión o al de disminuir la corriente por debajo del valor de mantenimiento. El TRIAC puede ser disparado independiente de la polarización de la compuerta, es decir mediante corriente de compuerta positiva o negativa.

DIAC.- es un dispositivo bidireccional simétrico (sin polaridad) con dos electrodos principales y ninguno de control. Es un componente electrónico que está preparado para conducir en los dos sentidos de sus terminales, por ello se le denomina bidireccional, siempre que alcance su tensión de disparo.

Una de las aplicaciones que tienen estos elementos semiconductores se la encuentra en el control de velocidad de motores universales cuando se trabaja con corriente alterna. Este tipo de control permite un amplio rango de regulación de velocidad así como un comportamiento “suave” del motor. En el desarrollo de esta práctica se estudiará uno de los circuitos utilizados para este propósito.7.4.- DESARROLLO DE LA PRÁCTICA

Para controlar el arranque de un motor universal así como su velocidad, en primer lugar, arme el circuito reproducido en la Figura 7.2 donde, R2 y C1 forman una red de desplazamiento de fase, la cual se pone a través de la entrada en C.A. en serie con los devanados del motor, R2 es el

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control de velocidad y R1 con C2 trabajan como un divisor de voltaje, mientras que R3 y C3 actúan como absorbedores de los pulsos inductivos que se presentan.

FIGURA 7.2: Circuito para control de arranque y velocidad de un motor universal.

Posteriormente, mediante el uso de un osciloscopio obtenga la forma de onda que alimenta al motor como consecuencia del disparo de TRIAC.

Finalmente, explique en forma detallada la forma de trabajar del circuito y anote sus conclusiones y recomendaciones.

PRÁCTICA No 8: ARRANQUE Y FRENADO DE UN MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA

8.1.- OBJETIVOS

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- Comprender las características y funcionamiento de los motores de corriente continua.

8.2.- EQUIPO A USARSE

- Un motor de corriente continua.- 4 contactores.- 3 temporizadores.- 2 pulsantes.- 3 lámparas.- Una fuente de C.C.- Equipo de medición y conexionado.

8.3.- MARCO TEÓRICO

EL MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA

FIGURA 8.1: Motor de corriente continua.

Definición.- El motor de corriente continua es aquel que trabaja o se alimenta de corriente continua. Un motor de corriente de continua basa su funcionamiento en la fuerza producida en un conductor a causa de la presencia de un campo magnético sobre una intensidad de corriente eléctrica.

Estructura.- Este tipo de motores está formado por las siguientes partes:

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Inductor o estator (arrollamiento de excitación).- Es un electroimán formado por un número par de polos. Las bobinas que los arrollan son las encargadas de producir el campo inductor al circular por ellas la corriente de excitación.

Inducido o rotor (arrollamiento de inducido).- Es una pieza giratoria formada por un núcleo magnético alrededor del cual va el devanado de inducido, sobre el que actúa el campo magnético.

Colector de delgas.- Es un anillo de láminas de cobre llamadas delgas, dispuesto sobre el eje del rotor que sirve para conectar las bobinas del inducido con el circuito exterior a través de las escobillas.

Escobillas.- Son unas piezas de grafito que se colocan sobre el colector de delgas, permitiendo la unión eléctrica de las delgas con los bornes de conexión del inducido. Al girar el rotor, las escobillas van rozando con las delgas, conectando la bobina de inducido correspondiente a cada par de delgas con el circuito exterior.

Clasificación.- Según las combinaciones de sus devanados existen cuatro tipos de motores de corriente continua.

De excitación independiente.- Son aquellos que obtienen la alimentación del rotor y del estator de dos fuentes de tensión independientes. Con ello, el campo del estator es constante al no depender de la carga del motor haciendo que el par de fuerza sea también prácticamente constante. Las variaciones de velocidad al aumentar la carga se deberán sólo a la disminución de la fuerza electromotriz por aumentar la caída de tensión en el rotor. Este sistema de excitación no se suele utilizar debido al inconveniente que presenta el tener que utilizar una fuente exterior de corriente.

De excitación en derivación.- Los devanados inducido e inductor están conectados en paralelo y alimentados por una fuente común. También se denominan máquinas shunt. En ellas un aumento de la tensión en el inducido hace aumentar la velocidad de la máquina.

De excitación en serie.- Los devanados inducido e inductor están colocados en serie y alimentados por una misma fuente de tensión. En este tipo de motores existe dependencia entre el par y la velocidad; son motores en los que, al aumentar la corriente de excitación, disminuye la velocidad y aumenta el par.

De excitación compuesta.- También llamados compound. En este caso el devanado de excitación tiene una parte de él en serie con el inducido y otra parte en paralelo. El arrollamiento en serie está constituido por pocas espiras de gran sección, mientras que el otro está formado por un gran número de espiras de pequeña sección. Esta conexión permite obtener por tanto un motor con las ventajas del motor serie, pero sin sus inconvenientes. Sus curvas características serán intermedias entre las que se obtienen con excitación serie y con excitación en derivación. Existen dos tipos de excitación compuesta: en la llamada compuesta adicional el sentido de la corriente que recorre los arrollamientos serie y paralelo es el mismo, por lo que sus efectos se

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suman. A diferencia de la compuesta diferencial donde el sentido de la corriente que recorre los arrollamientos tiene sentido contrario y por lo tanto los efectos de ambos devanados se restan.

FIGURA 8.2: Tipos de motores de corriente continua.

ARRANQUE DE MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA

Para evitar un elevado valor de la corriente de arranque, en los motores de corriente continua se conecta en serie con el inducido, una resistencia de arranque; a medida que aumenta la velocidad del motor y, con ella, su fuerza contraelectromotriz, se reduce poco a poco esta resistencia de arranque, de forma que esta resistencia se desconecta cuando el motor adquiere su velocidad nominal (por tanto, su fuerza contraelectromotriz máxima), con lo que absorbe de la red su intensidad nominal.

La forma más práctica de disponer un arrancador para motores de corriente continua es el denominado reóstato de arranque; constituido por un número de plots o contactos conectados a grupos de resistencias y sobre los que se desliza un contacto giratorio solidario con una manecilla que puede accionarse manualmente o de forma automática. En la posición de parada, la manecilla descansa sobre un plot muerto; es decir, desconectado de las resistencias del reóstato.

Adicionalmente, cabe mencionar que en la actualidad se dispone de dispositivos electrónicos para el arranque de motores de corriente continua los cuales, mediante el uso de tiristores, reciben un suministro de corriente alterna monofásica o trifásica y lo convierten en un suministro de tensión continua variable que permite el arranque con aplicación progresiva de tensión, limitando la corriente y par de arranque.

Para frenar el motor se usará el freno dinámico, explicado en la Práctica No. 4.

8.4.- DESARROLLO DE LA PRÁCTICA

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A continuación, se aplicarán los conceptos estudiados en la sección teórica; para ello, se pide a los estudiantes armar los circuitos presentados en las Figuras 8.3 y 8.4 que corresponden en su orden, a los circuitos de control y de fuerza para el arranque y frenado de un motor de corriente continua.

El funcionamiento del circuito de control es el siguiente: Al oprimir B, se energiza la bobina de línea A, que además energiza el motor y acciona el temporizador T1, transcurrido el conteo, el contacto del temporizador energiza la bobina B que cortocircuita la resistencia R1 y acciona el segundo temporizador T2; luego del conteo, se energiza la tercera bobina C que cortocircuita la segunda resistencia R2 y desactiva los temporizadores.

La sección correspondiente al freno dinámico trabaja de la siguiente manera: al oprimir Bo, se desenergiza el circuito de arranque y se cierra el contacto D que energiza a la bobina D, misma que inserta la resistencia R3 y acciona el temporizador T3 para el frenado.

FIGURA 8.3: Circuito de control.

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FIGURA 8.4: Circuito de fuerza.

Una vez realizadas las conexiones, energice el sistema y realice las mediciones necesarias para llenar las siguientes tablas (se recomienda usar R1 = 10 , R2 = 10 y R3 = 10 para la primera tabla y R1 = 24 , R2 = 24,7 y R3 = 25 para la segunda):

R1 =  

R2 =  

R3=  

  V INDUCTOR (V) I INDUCTOR (A) VELOCIDAD (RPM)

ARRANQUE      

CON R1 Y R2        

CORTOCIRCUITO R1      

CORTOCIRCUITO R2      

FRENO        

TABLA 8.1.

R1 =  

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R2 =  

R3=  

  V INDUCTOR (V) I INDUCTOR (A) VELOCIDAD (RPM)

ARRANQUE      

CON R1 Y R2        

CORTOCIRCUITO R1      

CORTOCIRCUITO R2      

FRENO        

TABLA 8.2.

Finalmente, en base a lo observado, anote sus conclusiones y recomendaciones.

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PRÁCTICA No 9: CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMABLES

(APLICACIÓN AL CONTROL DE UN ARRANQUE ESTRELLA-TRIANGULO UTILIZANDO UN PLC SIEMENS LOGO)

9.1.- OBJETIVO

- Comprender el funcionamiento de un controlador lógico programable (PLC).

- Familiarizarse con el PLC SIEMENS LOGO.

9.2.- EQUIPO A USARSE

- Un computador personal.- Un PLC SIEMENS LOGO.- Interfaz de conexión PC-LOGO.- 3 lámparas de señalización.- 2 pulsantes.- Una fuente de C.A.- Equipo de medición y conexionado.

9.3.- MARCO TEÓRICO

EL CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE (PLC)

FIGURA 9.1: Controlador lógico programable (PLC).

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Definición.- Un Controlador Lógico Programable, PLC por sus siglas en inglés, es un equipo electrónico, programable en lenguaje no informático, diseñado para controlar en tiempo real y en un ambiente de tipo industrial procesos secuenciales. Un PLC trabaja en base a la información recibida por los captadores o entradas y el programa lógico interno, actuando sobre los accionadores de la instalación.

Estructura.- Un PLC tiene la organización típica de muchos sistemas programables. La estructura básica del hardware de un PLC está constituida por:

- Fuente de alimentación.- Unidad de procesamiento central (CPU).- Módulos de interfaces de entradas/salidas (E/S).- Modulo de memorias.- Unidad de programación.

En algunos casos cuando el trabajo que debe realizar el controlador es más exigente se incluyen Módulos Inteligentes.

Aplicaciones.- El PLC por sus especiales características de diseño tiene un campo de aplicación muy extenso; la constante evolución del hardware y software amplía constantemente este campo para satisfacer nuevas necesidades. Su utilización se da fundamentalmente en aquellas instalaciones en donde es necesario un proceso de maniobra, control, señalización, etc.; por tanto, su aplicación abarca desde procesos de fabricación industriales de cualquier tipo hasta transformaciones industriales, control de instalaciones, etc.

Sus reducidas dimensiones, la extremada facilidad de su montaje, la posibilidad de almacenar los programas para su posterior y rápida utilización y la posibilidad de modificación o alteración de los mismos, etc., hace que su eficacia se aprecie fundamentalmente en procesos en los que se presentan situaciones tales como:

- Espacio reducido.- Procesos de producción periódicamente cambiantes.- Procesos secuenciales.- Maquinaria de procesos variables.- Instalaciones de procesos complejos y amplios.- Chequeo de programación centralizada de las partes del proceso.

Ventajas.- Las principales ventajas de estos dispositivos son las siguientes:

- Menor tiempo empleado en la elaboración de proyectos debido a que no es necesario dibujar el esquema de contactos; no es necesario simplificar las ecuaciones lógicas, ya que, por lo general, la capacidad de almacenamiento del módulo de memoria es lo suficientemente grande.

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- La lista de materiales queda sensiblemente reducida y se elimina el problema que supone el tratar con diferentes proveedores, distintos plazos de entrega, etc.

- Posibilidad de introducir modificaciones sin cambiar el cableado ni añadir aparatos.- Mínimo espacio de ocupación.- Menor costo de mano de obra en la instalación.- Además de aumentar la fiabilidad del sistema, al eliminar contactos móviles, los mismos

autómatas pueden indicar y detectar averías.- Posibilidad de gobernar varias máquinas con un mismo PLC.- Menor tiempo para la puesta en funcionamiento del proceso al quedar reducido el tiempo

de cableado.- Si por alguna razón la máquina queda fuera de servicio, el PLC sigue siendo útil para otra

máquina o sistema de producción.

Inconvenientes.- Como inconvenientes se pueden considerar:

- Necesidad de un programador, lo que obliga a entrenar a uno de los técnicos. Hoy en día ese inconveniente está solucionado porque las universidades ya se encargan de dicho adiestramiento.

- El costo inicial también puede ser un inconveniente.

Funciones básicas.- Las principales funciones de un PLC son:

Detección.- Lee de la señal de los captadores distribuidos por el sistema.

Mando.- Elabora y envía las acciones al sistema mediante los accionadores y preaccionadores.

Diálogo hombre-máquina.- Mantiene un diálogo con los operarios de producción, obedeciendo sus consignas e informando sobre el estado del proceso.

Programación.- Para introducir, elaborar y cambiar el programa de aplicación del autómata. Este diálogo de programación permite modificar el programa incluso con el dispositivo controlando la máquina.

NOTA.- En la presente práctica se utilizará el PLC LOGO producido por SIEMENS, por lo que se sugiere al estudiante revisar la guía de usuario proporcionada por el fabricante antes del desarrollo de la práctica.

9.4.- DESARROLLO DE LA PRÁCTICA

Como lo anticipa el título, en esta práctica se pretende realizar un arranque estrella-triángulo, simulado por lámparas de señalización, utilizando un Controlador Lógico Programable que en este caso será el PLC SIEMENS LOGO.

A continuación se presenta el programa empleado tanto en diagramas de bloques como en lenguaje de contactos.

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FIGURA 9.2: Diagrama de bloques del programa empleado.

FIGURA 9.3: Diagrama en lenguaje de contactos del programa empleado.

El programa presentado tanto en la Figura 9.2 como en la 9.3 trabaja de la siguiente manera: al recibir el PLC una señal de entrada (I1), mediante el accionamiento del pulsante B1, se encienden las dos primeras lámparas que emulan al contactor de línea y al contactor estrella; el PLC comienza a contar un tiempo (5s), luego del cual automáticamente acciona la tercera lámpara que simula el comportamiento del contactor delta, culminando así la simulación del arranque del motor. Para apagar el motor, únicamente se da otra señal de entrada al PLC (I2) mediante el pulsante B0. El circuito de fuerza correspondiente se muestra en la siguiente figura:

FIGURA 9.4: Circuito de fuerza.

Para finalizar obtenga sus conclusiones y de sus recomendaciones.

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PRÁCTICA No 10: VARIADORES AUTOMÁTICOS DE VELOCIDAD

(APLICACIÓN DEL CONVERTIDOR MICROMASTER 420)

10.1.- OBJETIVOS

- Comprender el funcionamiento de los variadores automáticos de velocidad.

- Familiarizarse con el convertidor MICROMASTER 420.

10.2.- EQUIPO A USARSE

- Variador MICROMASTER 420.

10.3.- MARCO TEÓRICO

LOS VARIADORES AUTOMÁTICOS DE VELOCIDAD

FIGURA 10.1: Variadores automáticos de velocidad.

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Gran parte de los equipos utilizados en la industria moderna funcionan a velocidades variables, por tanto se requiere de un control preciso de la velocidad para lograr una adecuada productividad, la buena terminación de un producto elaborado, o garantizar la seguridad de personas y bienes.

Los motores de corriente alterna, a pesar de ser motores robustos, de poco mantenimiento, livianos e ideales para la mayoría de las aplicaciones industriales, tienen el inconveniente de ser rígidos en cuanto a su velocidad. La velocidad de los motores asincrónicos depende de la forma constructiva del motor y de la frecuencia de alimentación. Como la frecuencia de alimentación que entregan las compañías de electricidad es constante, la velocidad de los motores asincrónicos es constante, salvo que se varíe el número de polos, el resbalamiento o la frecuencia. El método más eficiente de controlar la velocidad de un motor eléctrico es por medio de un variador electrónico de frecuencia ya que no se requiere motores especiales, es mucho más eficiente y tiene precios cada vez más competitivos. El variador de frecuencia regula la frecuencia del voltaje aplicado al motor, logrando modificar su velocidad. Sin embargo, simultáneamente con el cambio de frecuencia, debe variarse el voltaje aplicado al motor para evitar la saturación del flujo magnético con una elevación de la corriente que dañaría el motor.

Definición.- Los variadores automáticos de velocidad son dispositivos electrónicos que permiten variar la velocidad y la cupla de los motores asincrónicos trifásicos, convirtiendo las magnitudes fijas de frecuencia y tensión de red en magnitudes variables.

Aplicaciones.- Se utilizan estos equipos cuando las necesidades de aplicación son:

- Dominio del par y la velocidad.- Regulación sin golpes mecánicos.- Movimientos complejos.- Mecánica delicada.

Funciones principales.- las funciones más destacadas de los variadores automáticos de velocidad son:

- Aceleración controlada.- Variación de velocidad.- Regulación de velocidad.- Desaceleración controlada.- Inversión del sentido de marcha.- Frenado.- Protección integrada.

Composición.- Los arrancadores y variadores de velocidad electrónicos se componen de dos módulos generalmente montados en una misma envolvente:

- Un módulo de control que controla el funcionamiento del aparato.- Un módulo de potencia que alimenta el motor con energía eléctrica.

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El módulo de control.- En los arrancadores y variadores modernos, todas las funciones se controlan mediante un microprocesador que gestiona la configuración, las órdenes transmitidas por un operador o por una unidad de proceso y los datos proporcionados por las medidas como la velocidad, la corriente, etc.

El módulo de potencia.- El módulo de potencia está principalmente constituido por:

- Componentes de potencia (diodos, tiristores, IGBT, etc.).- Interfaces de medida de las tensiones y/o corrientes.- Frecuentemente un sistema de ventilación.

FIGURA 10.2: Composición de los variadores automáticos de velocidad.

Ventajas.- Entre las ventajas más importantes de los variadores electrónicos de velocidad se tiene:

- El variador de velocidad no tiene elementos móviles, ni contactos.- La conexión del cableado es muy sencilla.- Permite arranques suaves, progresivos y sin saltos.- Controla la aceleración y el frenado progresivo.- Limita la corriente de arranque.- Permite el control de rampas de aceleración y deceleración regulables en el tiempo.- Consigue un ahorro de energía cuando el motor funciona parcialmente cargado, con

acción directa sobre el factor de potencia.- Puede detectar y controlar la falta de fase a la entrada y salida de un equipo. Protege al

motor.- Puede controlarse directamente a través de un autómata o microprocesador.- Se obtiene un mayor rendimiento del motor.- Permite ver las variables (tensión, frecuencia, r.p.m, etc.).

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Inconvenientes.- Por su parte, los principales inconvenientes son los siguientes:

- Es un sistema caro, pero rentable a largo plazo.- Requiere un estudio de las especificaciones del fabricante.- Requiere un tiempo para realizar la programación.

NOTA.- En la presente práctica se utilizará el variador de velocidad MICROMASTER 420 producido por SIEMENS, por lo que se sugiere al estudiante revisar la guía de usuario proporcionada por el fabricante antes del desarrollo de la práctica.

10.4.- DESARROLLO DE LA PRÁCTICA

Esquema general.- En la maleta de prueba, se encontrará un variador de velocidad MICROMASTER 420, con un selector de arranque y un potenciómetro para controlar la velocidad.

Parametrización rápida.- Para la parametrización, se procede de acuerdo al folleto amarillo que acompaña al equipo. Mientras parametriza el variador llene la siguiente tabla:

PARÁMETRO VALOR MODIFICADO SIGNIFICADO

P0010 Parametrización rápida

P0100 Operación EU/Europa

P0304 Voltaje motor (V)

P0305 Corriente nominal motor (A)

P0307 Potencia del motor (KW/hp)

P0310 Frecuencia del motor (Hz)

P0311 Velocidad del motor (rpm)

P0700 Fuente de ordenes

P1000 Fuente de consigna

P1080 Frecuencia mínima (Hz)

P1082 Frecuencia máxima (Hz)

P1120 Tiempo de aceleración (s)

P1121 Tiempo de desaceleración (s)

P3900 Fin de puesta en marcha

TABLA 10.1: Funciones del Micromaster 420.

Una vez que se ha ingresado los parámetros arriba mencionados, se empieza a ejecutar los ejercicios prácticos.

Ejercicio 1: Mando del variador por medio de una entrada digital y consigna de velocidad a través de un potenciómetro.

- Control simple de velocidad usando potenciómetro (>5k) o 0 – 10V desde fuente externa.

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- Foward/Reverse usando entrada digital (DIN2, pin 6).- Control Run/Stop usando entrada digital (DIN1, pin 5).

Estas entradas están habilitadas con la parametrización por defecto del MM420.

Parámetros:

P1000 = 2 Selección de consigna por entrada analógica.P0700 = 2 Selección de fuente de órdenes por medio de las entradas digitales.P0701 = 1 Función de entrada digital 1: On en sentido normal.P0702 = 12 Función de la entrada digital 2: Inversión de giro.

Ejercicio 2: Control por medio del Panel de Operador Básico (BOP).

Para operación Start/Stop y control de velocidad desde BOP, ponga las siguientes funciones:

P1000 = 1 (Setpoint desde BOP).P0700 = 1 (Comando desde BOP).

Para empezar a mover el motor se presiona la tecla verde “I”.

Para detener el motor se presiona “O”.

Para subir la velocidad se utiliza .

Para bajar la velocidad se utiliza .

Finalmente, tras verificar el correcto funcionamiento del equipo, de sus conclusiones y recomendaciones para esta práctica.

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