IPN ESCUELA SUPERIOR DE INGENIER˝A MEC`NICA Y ELÉCTRICA ... · Control de Motores ElØctricos y...

IPN ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD CULHUACAN

TESINA

QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:

INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRONICA

POR LA OPCION TITUTLACION DE: SEMINARIO

�CONTROL MODERNO APLICADO A MAQUINAS ELECTRICAS ROTATORIAS Y A SISTEMAS AUTOMATIZADOS�

REG: FNS5122005/05 PRESENTAN: C. MENDOZA SAMPERIO GABRIELA CAROLINA. C. ORTIZ CERNA MARIO ALBERTO. C. PONCE DE LEON ARIZMENDI LEONARDO. C. RODRIGUEZ LOPEZ WILBERT. TEMA: �SISTEMA DE RIEGO AUTOMATIZADO� OBJETIVO: AUTOMATIZAR UN SISTEMA DE RIEGO POR ASPERSION CAPITULO I. INTRODUCCION CAPITULO II. CONTROL DE MOTORES ELECTRICOS Y SISTEMAS DE IRRIGACION. CAPITULO III. PLANTEAMIENTO Y RESOLUCION DEL PROBLEMA. CAPITULO IV. CONCLUSIONES APENDICE A. APENDICE B BIBLIOGRAFIA.

MEXICO, D.F. A 2 DE FEBRERO DE 2007

_________________________ _____________________________ ________________________ M. EN C. LAZARO EDUARDO ING. EDGAR MAYA PEREZ M. EN C. GUILLERMO CASTILLO BARRERA ASESOR TRINIDAD SANCHEZ COORDINADOR ASESOR ASESOR

____________________________________________ M. EN C. HECTOR BECERRIL MENDOZA JEFE DE LA CARRERA DE INGENIERIA EN

COMUNICACIONES Y ELECTRONICA

- 2 -

INDICE. CAPITULO 1. Introducción. 2

• 1.1. Objetivo. 2 • 1.2. Estado del Arte. 3 • 1.3. Justificación. 5 • 1.4. Alcances. 5

CAPITULO 2. Control de Motores Eléctricos y Sistemas de Irrigación. ! 2.1. Controladores. 8 2.1.1. Funciones de control. 8 2.1.2. Función de protección. 9

! 2.2. Tipos de controladores. 11

2.2.1. Manuales. 11 2.2.2. Semiautomáticos. 11 2.2.3. Automáticos. 12 ! 2.3. Motores de corriente continúa. 12

2.3.1. Motores en derivación. 12 2.3.2. Motores en serie. 14 2.3.3. Motores mixtos. 14 2.3.4. Otros tipos. 15 ! 2.4. Motores de corriente alterna. 16

2.4.1. Motores universales. 16 2.4.2. Motores sincronos. 16 2.4.3. Motores jaula de ardilla. 17 ! 2.5. Sistemas de riego. 20

2.5.1. El fluido en tuberías. 20 2.5.2. Riego localizado. 21 2.5.3. Riego por aspersión. 22 2.5.4. Riego por goteo. 22 2.5.5. Riego subterráneo. 22 2.5.6. Sistema de filtrado. 23 2.5.7. Red de distribución. 23 2.5.8. Emisores. 24 2.5.9. Cintas de exudación. 25 ! 2.6. Implementación de un invernadero. 27

2.6.1. Invernadero de capilla. 27 CAPITULO 3. Planteamiento y Resolución del Problema. 29 ! 3.1. Descripción del sistema. 29

! 3.2. Selección del PLC. 31

3.2.1. Secuencia de arranque. 32 3.2.2. Secuencia de retorno. 33 3.2.3. Secuencia completa. 34

- 3 -

CAPITULO 4. Conclusiones. 37 BIBLIOGRAFIA Y REFERENCIAS. 41 APENDICE A. 46 APANDICE B. 57

C A P I

T U L O

1

INTRODUCCION

Control de Motores Eléctricos y Sistemas de Irrigación

- 5 -

1. INTRODUCCION.

En la actualidad los sistemas de riego exigen cada vez más un mejor funcionamiento y practicidad. El manejo de canales y redes especiales de aguas potables o grises para riego han proliferado como el mecanismo de acopio y distribución hidráulica mientras que los elementos de distribución hacia las áreas verdes han ido mejorando con el desarrollo de las nuevas tecnologías en dinámica de fluidos. Más aún, el ingreso de las tecnologías digitales a las necesidades de riego, han hecho cada vez más popular la adopción de sistemas automatizados en áreas verdes residenciales, comerciales e industriales.

El sistema que se utilizara en este proyecto será el de Riego por Aspersión, esta trata de imitar a la lluvia; es decir, el agua destinada al riego se hace llegar al las plantas por medio de tuberías y mediante unos pulverizadores, llamados aspersores y, gracias a una presión determinada, el agua se eleva para que luego caiga pulverizada o en forma de gotas sobre la superficie que se desea regar.

La manera en la que esto se llevara a cabo será por medio de la automatización del sistema; utilizando motores de corriente directa.

El motor de corriente continua es una máquina que convierte la energía eléctrica en mecánica, principalmente mediante el movimiento rotativo.

La principal característica del motor de corriente continua es la posibilidad de regular la velocidad desde vacío a plena carga.

Una máquina de corriente continua (generador o motor) se compone principalmente de dos partes, un estator que da soporte mecánico al aparato y tiene un hueco en el centro generalmente de forma cilíndrica. En el estator además se encuentran los polos, los cuales pueden estar devanados sobre la periferia del estator, o pueden estar de forma saliente. El rotor es generalmente de forma cilíndrica, también devanado. En cualquier accionamiento con motores eléctricos, existen elementos de conexión y gobierno, mediante los cuales son operados de acuerdo a las necesidades del trabajo. Por esta razón, los dispositivos de control son tan importantes en la instalación, como las maquinas accionadas. Todo el servicio depende de su buen funcionamiento y de la seguridad de su operación. 1.1. OBJETIVO. Sabemos la importancia que tiene el regado en un invernadero, por eso la finalidad de este proyecto es facilitar el manejo del sistema de riego por medio de la automatización del mismo, esto será de gran ayuda para el usuario ya que podrá controlar todo por medio de dos botones y así el tiempo y la presión del agua también estarán regulados.


- 6 -

Originalmente el control de motores se enfocaba a las operaciones de arranque y paro, pero la evolución de las acciones en las que aumento el número y la variedad de operaciones que había que realizarse, trajo como consecuencia el desarrollo de nuevas funciones y esquemas de control. 1.2 ESTADO DEL ARTE. Isaías Velásquez Cruz y Franco G. caballero Julián en su trabajo denominado: �Inversor monofásico de frecuencia variable empleando control pwm� propone controlar el pwm (pulse Wide module/ modulación por ancho de pulso) desde ya varios años a conquistad el mercado y gracias a su versatilidad hoy en día es muy común encontrar sus aplicaciones en varios tipos de aparatos. Este tipo de control es la base fundamental para el funcionamiento de las fuentes conmutadas, inversores, sistema de almacenamiento de carga, etc. El PWM presenta ventajas de tipo prácticas como para variar sus parámetros de manejo y con solo con mover la perilla de un potenciómetro es posible variar la salida del control. La frecuencia de la onda de forma PWM influye en la operación de la carga y el largo periodo de confiabilidad de los dispositivos electrónicos, la frecuencia PWM permanece constante mientras que la durabilidad del ciclo varía de 0 a 100%. La frecuencia PWM puede ser moderadamente menor a los 100 Hz, antes que la carga se active para pulsar perceptiblemente en sincronización con la frecuencia PWM. Como las frecuencias PWM son altas, los ruidos audibles son minimizados por que el rango promedio del oído humano disminuye rápidamente por encima de los 15Hz.

Alimentador. Medio de desconexión. (Puede incluir protección contra cortocircuitos)

Control. (Puede incluir protección contra sobrecargas)

Motor

Control Secundario. Resistencia secundaria.

Para motor de rotor devando.

Elementos de un circuito de control y protección de un motor eléctrico.


- 7 -

El hecho más importante para recordar a cerca de la selección de la frecuencia de operación del PWM es que una pérdida de potencia ocurre cada vez que ocurre una transición. Una frecuencia de 10 Khz. tendrá 10 veces mas transiciones por segundo que una frecuencia PWM de 1 KHz. La forma de onda del PWM es una onda cuadrada, lo que significa que se puede generar una interferencia de radio frecuencia (RFI). La interferencia de radio frecuencia es proporcional a la velocidad transicional del borde de la forma de onda WM y la frecuencia PWM. [1] Roberto A. alcántara R., Ricardo Godínez B. , Emmanuel vega Q., Irma I. Siller A., Jorge Jaimes P., en su trabajo denominado:�Aplicación del protocolo NMRA enviado a través de un bus de alimentación común para control de motores de c.c.�, proponen que este protocolo digital reglamentado por la NMRA permite controlar de manera independiente la velocidad y el sentido de giro de varios motores de c.c. que se encuentran conectados a un bus de alimentación común; este protocolo describe como se deben generar los paquetes de información de los bits ya que esta duración es la que controla la velocidad del motor, la forma de la señal del comando de control permite controlar el cambio de giro, también controla los limites de voltaje de la misma. Para poder interpretar los comandos digitales que son los que envían la señal a los motores se utilizan decodificadores. Haciendo una modulación parecida a la PWM podemos controlar el sentido del motor dependiendo del ensanchamiento de la primera o segunda parte de un bit. [2] Siller Alcalá Irma I., Alcanza Ramírez Roberto A., Jaimes Ponce Jorge M. en su trabajo denominado: �Sistema de Variación de Velocidad, para la Implementación de la Teoría de Control� proponen que la inquietud principal que surge cuando se adquieren los conocimientos básicos de la teoría de control, es tratar de entender el comportamiento de un sistema de control real. Pueden existir varias formas de comprobarlo, sin embargo se necesita el dispositivo necesario para realizar experimentos. En este proyecto se desarrolla dicho dispositivo, el cual consta de un motor de DC, hardware analógico y digital para realizar el control de velocidad por PWM. Este sistema también cuenta con un encoder que entrega un voltaje proporcional a la velocidad, con lo cual se puede cerrar el caso de control. [3] Eusebio Guzmán Serrano, Marco A. Ortiz Mora, Jaime J. Rodríguez Nava, Neagu Bratu Serban, Benjamín Vázquez G. en su trabajo denominado.�Influencia del Ciclo de Trabajo en las señales Estatóricas de un motor de CD especial� se presentan los avances en la implementación del sistema de control de velocidad para un motor de corriente directa (CD) especial de doce fases y sin colector mecánico. Se presentan algunos detalles del algoritmo de control y se muestran resultados experimentales de las señales de voltaje y de corriente en los embobinados del estator. Se hace énfasis en la influencia del ciclo de trabajo de las señales moduladas. Finalmente se presenta un análisis de los armónicos de corriente y de voltaje y se hacen algunas observaciones. El control de velocidad se realiza siguiendo el principio de operación de los motores de CD tradicionales en una secuencia de conmutación de �ranura por ranura�; para ello se utilizan convertidores CD/CA tipo puente. En la generación de las señales moduladas (PWM) se utiliza una modulación unipolar para evitar que durante la conmutación los niveles de tensión cambien bruscamente desde el nivel +Vd hasta �Vd. [4]


- 8 -

1.3 JUSTIFICACION. Una de las principales razones por las cuales hemos elegido la realización de este proyecto, es el ahorro de tiempo, lo cual es fundamental en cualquier tipo de proceso. Con este método automatizado de riego para invernaderos, se plantea la implementación de un sistema que funciona a base de tres motores de corriente directa, los cuales se controlan mediante un microcontrolador. Otra de estas razones, es evitar el maltrato a los cultivos del invernadero por el personal que realizaría el riego de los mismos al no contar con este sistema automatizado. Finalmente la implementación de este sistema, nos traerá beneficios alargo plazo en ahorro de dinero debido a que el sistema estaría controlado por una sola persona y a su bajo costo de implementación. El sistema que proponemos, no será en realidad tan complejo una vez que el primero este en funcionamiento, ya que se parte de este para la realización de mas sistemas como este. 1.4 ALCANCES. Tomando en cuenta las condiciones existentes en los mantos acuíferos; los productores mexicanos se han visto en la necesidad de implementar sistemas precisos y controlables, con los que se logren obtener mayores producciones con la maximización de los recursos disponibles. La División de Ingeniería de Invernaderos de La Universidad Autónoma de Querétaro en su investigación �Ventajas de los Invernaderos� nos informa que actualmente tenemos una tecnología de invernaderos desde la construcción de invernaderos (estructura) adecuada al clima mexicano, que cumple las normas europeas y estadounidense, hasta el diseño de los dispositivos de automatización (sistemas de ventilación) y un sistema de control inteligente para el control climático y riego, así como sistemas de dosificación de fertilizantes; lo que permite ser competitivos en este mercado. Como se puede observar, una de las soluciones a la problemática del agua en el país es la producción bajo invernadero, de acuerdo a la Comisión Nacional del Agua 80% del consumo de agua en el país se realiza para actividades agrícolas, es por ello que un sistema que haga un uso más eficiente del mismo es de vital importancia. Como puede observarse, un sistema automatizado de producción bajo invernadero proporciona un ahorro de más de 400% de agua. En ese contexto, el uso del agua para el riego de hortalizas se refleja en costos cada vez más altos. Se estima que en el país, en las hortalizas se tiene un desperdicio por la práctica actual de riego de por lo menos 40 %. Existen casos más críticos o más conocidos, por ejemplo, en Guanajuato para regar las hortalizas salen de los acuíferos 416.25 millones de m3 de agua, en promedio llegan a los campos de cultivo 307.91 millones de m3 y se estima que para regar la superficie hortícola sólo se requieren 121.86 millones de m3. En este caso la ineficiencia a nivel parcelario es poco más de 150 % y de casi 250% en todo el proceso.


- 9 -

Así mismo, la productividad por metro cuadrado se incrementa en varias veces al usar tecnología de automatización en invernaderos. En un invernadero manual, es imposible manejar un clima adecuado para la planta dado que la apertura y cierre de ventanas se maneja en las mañanas muy temprano y en las noches, sin importar que pasa en el transcurso del día. Con un sistema automatizado se ahorra mano de obra para el riego y el control del clima y se evitan errores humanos. [Universidad Autónoma de Querétaro]


- 10 -

C A P I

T U L O

2

CONTROL DE MOTORES ELECTRICOS Y SISTEMAS DE IRRIGACION.


- 11 -

2.1. CONTROLADORES. Un controlador es un dispositivo o conjunto de ellos, que se utiliza para gobernar de una manera predeterminada la operación del motor y que también proporciona algún tipo de protección que asegure su buen funcionamiento. Para la selección e instalación de un sistema de control se tienen que considerar varios aspectos:

1) Diseño del motor. Dentro de esto intervienen diferentes parámetros como son: la potencia, la tensión, la velocidad, el factor de servicio y muy importante, la capacidad térmica en sus devanados.

2) Características de la Carga. La inercia de la maquina accionada, requerimientos del par durante la aceleración y las velocidades de operación.

3) Características de la Fuente de Alimentación. La capacidad y confiabilidad del alimentador, la regulación de tensión en la instalación y en muchas ocasiones el sistema de tierras empleado.

4) Condiciones de Servicio. Esto considera las características del lugar en donde se va a relizar la instalación: temperatura, ventilación contaminación, etc.

Los controladores pueden ser muy sencillos o extremadamente complicados, desde arrancadores manuales, hasta esquemas de control que contengan una gran cantidad de elementos. Sin embargo, independientemente de su complejidad, deben cumplir los siguientes requisitos:

1) Deben satisfacer las condiciones de control que se hayan especificado. 2) El controlador debe ser confiable, proporcionando un sistema de protección que

asegure la operación de la maquina, del mismo controlador e inclusive que proteja al operador de posibles fallas o perturbaciones.

El grado de protección depende de las condiciones de servicio y de la importancia de la aplicación y va desde el empleo de una cubierta, hasta los arreglos que interrumpen la alimentación. 3) Debe permitir la fácil y rápida vigilancia, ajuste y reposición de todos sus elementos. 4) Debe ser económico, para lo cual debe de contar con componentes de calidad y

constar del menor número posible de elementos.[Horacio B. Sánchez; Operación y protección de Motores

Eléctricos] 2.1.1 FUNCIONES DE CONTROL. Algunos de los factores a considerarse respecto al controlador, al seleccionarlo e instalarlo, pueden enumerarse como sigue: Arranque. El motor se puede arrancar conectándolo directamente a través de la línea. Sin embargo, la máquina impulsada se puede dañar si se arranca con ese esfuerzo giratorio repentino. El arranque debe hacerse lenta y gradualmente, no sólo para proteger la máquina,


- 12 -

sino porque la oleada de corriente de la línea durante el arranque puede ser demasiado grande. La frecuencia del arranque de los motores también comprende el empleo del controlador. Parada. Los controladores permiten el funcionamiento hasta la detención de los motores y también imprimen una acción de freno cuando se debe detener la máquina rápidamente. La parada rápida es una función vital del controlador para casos de emergencia. Los controladores ayudan en la acción de parada retardando el movimiento centrífugo de las máquinas y en las operaciones de las grúas para manejar cargas. Inversión de la rotación. Se necesitan controladores para cambiar automáticamente la dirección de la rotación de 1as máquinas mediante el mando de un operador en una estación de control. La acción de inversión de los controladores es un proceso continuo en muchas aplicaciones industriales. Marcha. Las velocidades y características de operación deseadas, son, función y propósito directos de los controladores. Éstos protegen a los motores, operadores, máquinas y materiales, mientras funcionan. Control de velocidad. Algunos controladores pueden mantener velocidades muy precisas para propósitos de procesos industriales, pero se necesitan de otro tipo para cambiar las velocidades de los motores por pasos o gradualmente. Seguridad del operador. Muchas salvaguardas mecánicas han dado origen a métodos eléctricos. Los dispositivos piloto de control eléctrico afectan directamente a los controladores al proteger a los operadores de la máquina contra condiciones inseguras. Protección contra daños. Una parte de la función de una máquina automática es la de protegerse a sí misma contra daños, así corno a los materiales manufacturados o elaborados. Por ejemplo, se impiden los atascamientos de los transportadores. Las máquinas se pueden hacer funcionar en reversa, detenerse, trabajar a velocidad lenta o lo que sea necesario para realizar la labor de protección. Mantenimiento de los dispositivos de arranque. Una vez instalados y ajustados adecuada mente, los arrancadores para motor mantendrán el tiempo de arranque, voltajes, corriente y troqué confiables, en beneficio de la máquina impulsada y el sistema de energía. Los fusibles, cortacircuitos e interruptores de desconexión de tamaño apropiado para el arranque, constituyen buenas prácticas de instalación que se rigen por los códigos eléctricos. 2.1.2 FUNCION DE PROTECCION. Existen diversas contingencias a las que se pueden ver sometidos los motores, respecto al motor en sí, debe decidirse si se requieren o no las siguientes características de protección, y qué tipo debe incluirse en cada instalación individual de control: Protección contra sobrecarga. La protección durante la marcha y contra sobrecarga, se refiere al mismo caso. La protección contra sobrecarga es una característica esencial de todos los controladores, que se diseña para proteger adecuadamente un motor y obtener, aun, su máxima potencia disponible bajo cierta variedad de condiciones de sobrecarga y temperatura. La sobrecarga puede originarse por un exceso de carga en la máquina impulsada, por un


- 13 -

voltaje bajo en la línea, o por una línea abierta en un sistema polifásico, lo que resulta en operación monofásica. Protección contra campo abierto. Existen relevadores de pérdida de campo para proteger los motores de c−c en derivación, o de embobinado compuesto, contra pérdidas de excitación del campo. Hay diferentes arreglos con el equipo de arranque para motores de c−c y sincrónicos de c−a. Algunos motores de c−c de ciertos tamaños pueden girar peligrosamente, con pérdida de la excitación del campo, mientras otros no pueden hacerlo debido a la fricción y al tamaño pequeño. Protección contra fase abierta. La falla de una fase en un circuito trifásico puede producirse por un fusible fundido, una conexi6n abierta o una línea rota. Si ocurre la falla de una fase cuando el motor se encuentra en reposo, se originarán corrientes en el estator y permanecerán a un valor muy alto, pero el motor continuará estacionario. Como los devanados no están debidamente ventilados mientras el motor está parado, el calentamiento producido por las corrientes altas dañará,, muy probablemente, los embobinados. También pueden existir situaciones peligrosas mientras el motor se encuentra funcionando. Protección contra inversión de fase. Si se intercambian dos fases de la línea de alimentación de un motor trifásico de inducción, éste invertirá su dirección de rotación. Esto se denomina inversión de fase. En la operación de un elevador y en aplicaciones industriales, esto resultaría un daño grave. Los relevadores de falla de fase y de inversión de fase, protegen a los motores, las máquinas y al personal contra riesgos en los casos de fase abierta o inversión de fase. Protección durante el curso. En los circuitos de control de los arrancadores magnéticos, se utilizan dispositivos piloto para gobernar el arranque, la parada o la inversión de la rotación de los motores eléctricos. Pueden usarse, indistintamente, como dispositivos de control para operación regular o como interruptores de emergencia para impedir funcionamiento incorrecto de la maquinaria. Pueden usarse en sistemas de control automático, a fin de evitar la posibilidad del error humano en la operación de una máquina. Protección contra sobre velocidad. En ciertos motores es posible que se desarrollen velocidades excesivas que pueden dañar una máquina impulsada, materiales en el proceso industrial, o el motor. La protección contra s velocidad puede comprender la selección y uso adecuado del equipo de control en aplicaciones tales como plantas de papel e impresión, fábricas de productos de acero, plantas de proceso industria textil. Protección contra inversión de corriente. La inversión accidental de la dirección de la corriente en los controladores complejos y sensibles para corriente continua, puede ser muy grave. Riesgos similares pueden ser muy. frecuentes en los controles de equipo de c−c, que existen con las fallas de fase e inversión de fase en los sistemas trifásicos de corriente alterna, pero dentro de los propios controladores. La protección contra inversión de corriente es muy importante en el equipo para cargar baterías. Protección contra corto circuito. Generalmente, la protección contra corto circuito se instala en la misma envolvente que el medio de desconexión del motor, usualmente para motores más grandes que los fraccionarlos. Los fusibles que se instalan para este propósito, y los cortacircuitos, son dispositivos de sobre corriente que tratan de proteger los conductores del circuito derivado del motor, los aparatos de control de éste, y los motores contra sobre


- 14 -

corriente sostenida debida a corto circuitos, escapes a tierra y corrientes prolongadas y excesivas de arranque. 2.2 TIPOS DE CONTROLADORES. Algunos de los factores que tenemos que tomar en cuenta para la instalación de los controladores, al seleccionarlo e instalarlo, se pueden mencionar como sigue: 2.2.1 MANUALES. En este tipo de controlador, el circuito se considera manual, debido a que una persona debe de iniciar la acción para que el circuito opere y cualquier cambio o función que se quiera llevarse a cabo deberá intervenir el elemento humano durante toda la operación.

Fig. [2.1]

2.2.2 SEMIAUTOMATICOS. Estos controladores son aquellos donde el elemento humano interactúa por medio de botones, que pueden activar alguna secuencia dada, es decir no todo es realizado por el operador.

Dispositivo de protección

Control manual

MOTOR DIAGRAMA A

BLOQUES. DIAGRAMA DE

CONEXIÓN.


- 15 -

Fig. [2.2]

2.2.3 AUTOMATICOS. En este caso no es necesario la intervención de un operador ya que puede ser controlado por medio de secuencias que se encuentran en el ya programadas, con especificaciones muy precisas.

Fig. [2.3] 2.3 MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA. Los motores de corriente continua se usan en una amplia variedad de aplicaciones industriales en virtud de la facilidad con la que se puede controlar la velocidad. La característica velocidad−par se puede hacer variar para casi cualquier forma útil. Se mencionan tres tipos de motores de corriente continua, ya que por lo general dentro de estos se encierran todas las características de este tipo de motores.


Control magnético

MOTOR

DIAGRAMA A BLOQUES.

DIAGRAMA DE CONEXIÓN.

Dispositivo piloto.

Selector automático

Dispositivo piloto


Control magnético

MOTOR DIAGRAMA A BLOQUES.

DIAGRAMA DE CONEXIÓN.

Botones.

Arranque

Paro


- 16 -

2.3.1 MOTORES EN DERIVACION. Estos motores llevan bobinas de campo de gran número de espiras conectadas en paralelo con la armadura la cual se une directamente a la fuente de alimentación. Es el tipo de motor de corriente continua cuya velocidad no disminuye más que ligeramente cuando el par aumenta.

Fig. [2.4]

Los motores derivados, tienen una gran facilidad para regular la velocidad, especialmente los de velocidad prácticamente constante, la variación de velocidad producida cuando funciona en carga y en vacío da una base de criterio para definir sus características de funcionamiento. Excepcionalmente, la reacción del inducido debería ser suficientemente grande para que la característica de velocidad fuera ascendente al aumentar la carga. Como la armadura de un motor gira en un campo magnético, se genera una f.e.m. en los conductores que se opone a la dirección de la corriente y se le conoce como fuerza contraelectromotriz. La f.e.m. aplicada debe ser bastante grande como para vencer la fuerza contraelectromotriz y también para enviar la corriente Ia de la armadura a través de Rm, la resistencia del devanado de la armadura y las escobillas.

Ea= Eb + IaRm Volts (2.1) La Ea = f.e.m. aplicada y Eb = fuerza contraelectromotriz. Puesto que la fuerza contraelectromotriz a la velocidad cero, es decir, en el arranque, es idénticamente cero y como por lo general la resistencia de la armadura es pequeña, es obvio, en vista de la ecuación anterior, que, a menos que se tomen medidas para reducir el voltaje aplicado, circulará una corriente excesiva en el motor durante ese arranque. Lo normal es que se usen dispositivos de arranque que consisten en resistores variables en serie, para limitar la corriente de arranque de los motores. El par de un motor es proporcional al número de conductores en la armadura, la corriente por conductor y el flujo magnético total en la máquina. La fórmula para el par es: Z = número total de conductores en la armadura _ = flujo magnético total por polo Ia = corriente de la armadura tomada de la línea. Para un motor dado, el número Z de conductores en la armadura, el número de polos y el número de trayectorias en la armadura son constantes Por lo tanto, el par se puede expresar como: Par = constante · _ · Ia

Armadura

Campo derivado

Conexión del campo y la armadura para el motor en derivación


- 17 -

La velocidad se expresa como: Velocidad = constante (Ea − Ia · Rm)/_ En el caso del motor en derivación, Ea, Rm y _ son constantes, el par efectivo es menor que el generado por el par requerido para la fricción del viento y la de los cojinetes y las escobillas. La caída en la velocidad desde la condición en vacío hasta la de plena carga rara vez sobrepasa el 5%; de hecho, como _, el flujo magnético por polo, disminuye al aumentar la carga, debido a la reacción de la armadura, es posible que la velocidad permanezca aproximadamente constante hasta la plena carga. 2.3.2 MOTORES EN SERIE. El motor serie lleva bobinas de campo por pocas espiras, conectadas en serie con la armadura; es el motor cuya velocidad disminuye sensiblemente cuando el par aumenta y cuya velocidad en vacío no tiene límite teóricamente. Los motores con excitación en serie son aquellos en los que el inductor esta conectado en serie con el inducido. El inductor tiene un número relativamente pequeño de espiras de hilo, que debe ser de sección suficiente para que se pase por él la corriente de régimen que requiere el inducido. En los motores serie, el flujo depende totalmente de la intensidad de la corriente del inducido. Si el hierro del motor se mantiene a saturación moderada, el flujo será casi directamente proporcional a dicha intensidad.

Fig. [2.5] 2.3.3 MOTORES MIXTOS. En este tipo de motores encontramos que conviven ambas conexiones, es decir en serie y paralelo, por lo que estos motores son de gran utilidad ya que realizan ambas funciones como si tuviéramos un motor en serie y uno derivado.

Armadura

Campo Serie

Conexión del campo y la armadura para el motor en serie.


- 18 -

Aunque estos sean los tipos de motores de C.C. más relevantes existen de otro tipo.

Fig. [2.6] 2.3.4 OTROS TIPOS. Motores de corriente continúa de imán permanente. Existen motores de imán permanente (PM, permanent magnet), en tamaños de fracciones de caballo y de números pequeños enteros de caballos. No se necesitan las alimentaciones de energía eléctrica para excitación ni el devanado asociado. Las desventajas son la falta de control del campo y de características especiales velocidad−par. Las sobrecargas pueden causar desmagnetización parcial que cambia las características de velocidad y de par del motor, hasta que se restablece por completo la magnetización. En general, un motor PM de número entero de caballos es un poco más grande y más caro que un motor equivalente con devanado en derivación, pero el costo total del sistema puede ser menor. Un motor PM es un término medio entre los motores de devanado compound y los devanados en serie. Tiene mejor par de arranque, pero alrededor de la mitad de la velocidad en vacío de un motor devanado en serie. Motores de corriente continúa sin escobillas. Los motores de corriente continua sin escobillas tienen una armadura estacionaria y una estructura rotatoria del campo, exactamente en forma opuesta a como están dispuestos esos elementos en los motores convencionales de corriente directa. Imanes permanentes suministran el flujo magnético para el campo. La corriente directa hacia la armadura se conmuta con transistores, en vez de las escobillas y las delgas del colector de los motores convencionales de corriente directa. Es normal que las armaduras de los motores de corriente continua sin escobillas contengan de dos a seis bobinas, en tanto que las armaduras de los motores convencionales de corriente continua contienen de 10 a 50. Los motores sin escobillas tienen menos bobinas porque se requieren dos o cuatro transistores para conmutar cada bobina del motor. Esta disposición se vuelve cada vez más costosa e ineficiente a medida que aumenta el número de devanados. Servomotores de corriente directa. Los servomotores de corriente continua son motores de alto rendimiento que por lo general se usan como motores primarios en computadoras,

Armadura

Campo Serie

Conexión del campo y la armadura para el motor mixto.

Campo Derivado


- 19 -

maquinaria controlada numéricamente u otras aplicaciones en donde el arranque y la detención se deben hacer con rapidez y exactitud. Los servomotores son de peso ligero, y tienen armaduras de baja inercia que responden con rapidez a los cambios en el voltaje de excitación. Los servomotores incluyen motores de imán permanente, circuito impreso y bobina (o coraza) móvil. El rotor de un motor acorazado consta de una coraza cilíndrica de bobinas de alambre de cobre o de aluminio. El alambre gira en un campo magnético en el espacio anular entre las piezas polares magnéticas y un núcleo estacionario de hierro. El campo es producido por imanes de fundición de Álnico cuyo eje magnético es radial. El motor puede tener dos, cuatro o seis polos. 2.4. MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA. Se denomina motor de corriente alterna a aquellos motores eléctricos que funcionan con corriente alterna. Un motor eléctrico convierte la electricidad en fuerzas de giro por medio de la acción mutua de los campos magnéticos. Un generador eléctrico, por otra parte, transforma energía mecánica de rotación en energía eléctrica y se le puede llamar una máquina generatriz de Fuerza Electro-Motriz (fem). Las dos formas básicas son el generador de corriente continua y el generador de corriente alterna, este último más correctamente llamado alternador. Todos los generadores necesitan una máquina motriz (motor) de algún tipo para producir la fuerza de rotación, por medio de la cual un conductor puede cortar las líneas de fuerza magnéticas y producir una fem. La máquina más simple de los motores y generadores es el alternador. La mayoría de los motores modernos trabajan con fuentes de corriente alterna. A pesar de que hay una gran variedad de motores de C.A., entre ellos podemos mencionar los siguientes tipos básicos: el universal, el síncrono y el de jaula de ardilla.

Fig. [2.7] Componentes eléctricos básicos de un motor de CA. 2.4.1 MOTORES UNIVERSALES.


- 20 -

El motor de C.C. serie, gira cuando se aplica C.C. o C.A. de baja frecuencia. Tal motor, llamado universal, se utiliza en ventiladores, sopladores, batidoras, taladradoras eléctricas transportables y otras aplicaciones donde se requiere gran velocidad con cargas débiles o pequeña velocidad con un par muy potente. Una dificultad de los motores universales, en lo que a radio se refiere, son las chispas del colector y las interferencias de radio que trae consigo ruido. Esto se puede reducir por medio de los condensadores de paso, de 0,001 µF a 0,01 µF, conectados de las escobillas a la carcasa del motor y conectando ésta a masa. 2.4.2 MOTORES SINCRONOS. Se puede utilizar un alternador como motor en determinadas circunstancias. Si se excita el campo con C.C. y se alimenta por los anillos colectores a la bobina del rotor con C.A., la máquina no arrancará. El campo alrededor de la bobina del rotor es alterno en polaridad magnética pero durante un semiperiodo del ciclo completo, intentará moverse en una dirección y durante el siguiente semiperiodo en la dirección opuesta. El resultado es que la máquina permanece parada. La máquina solamente se calentará y posiblemente se quemará. El rotor de un alternador de dos polos debe hacer una vuelta completa para producir un ciclo de C.A.. Debe girar 60 veces por segundo, o 3.600 revoluciones por minuto (rpm), para producir una C.A. de 60 Hz. Si se puede girar a 3.600 rpm tal alternador por medio de algún aparato mecánico, como por ejemplo, un motor de C.C., y luego se excita el inducido con una C.A. de 60 Hz, continuará girando como un motor síncrono.

Fig. [2.8]

Construcción de un rotor del motor de inducción de la CA.

Su velocidad de sincronismo es 3.600 rpm. Si funciona con una C.A. de 50 Hz, su velocidad de sincronismo será de 3.000 rpm. Mientras la carga no sea demasiado pesada, un motor síncrono gira a su velocidad de sincronismo y solo a esta velocidad. Si la carga llega a ser demasiado grande, el motor va disminuyendo velocidad, pierde su sincronismo y se para. Los motores síncronos de este tipo requieren una excitación de C.C. para el campo (o rotor), así como una excitación de C.A. para el rotor (o campo). Se puede fabricar un motor síncrono construyendo el rotor cilíndrico normal de un motor tor tipo jaula de ardilla con dos lados planos. Un ejemplo de motor síncrono es el reloj eléctrico, que debe arrancarse a mano cuando se para. En cuanto se mantiene la C.A. en su frecuencia


- 21 -

correcta, el reloj marca el tiempo exacto. No es importante la precisión en la amplitud de la tensión. 2.4.3 MOTORES JAULA DE ARDILLA. La mayor parte de los motores que funcionan con C.A. de una sola fase tienen el rotor de tipo jaula de ardilla. Los rotores de jaula de ardilla reales son mucho más compactos y tienen un núcleo de hierro laminado. Los conductores longitudinales de la jaula de ardilla son de cobre y van soldados a las piezas terminales de metal. Cada conductor forma una espira con el conductor opuesto conectado por las dos piezas circulares de los extremos. Cuando este rotor está entre dos polos de campos electromagnéticos que han sido magnetizados por una corriente alterna, se induce una fem en las espiras de la jaula de ardilla, una corriente muy grande las recorre y se produce un fuerte campo que contrarresta al que ha producido la corriente [ley de Lenz]. Aunque el rotor pueda contrarrestar el campo de los polos estacionarios, no hay razón para que se mueva en una dirección u otra y así permanece parado. Es similar al motor síncrono el cual tampoco se arranca solo. Lo que se necesita es un campo rotatorio en lugar de un campo alterno. Cuando el campo se produce para que tenga un efecto rotatorio, el motor se llama de tipo de jaula de ardilla. Un motor de fase partida utiliza polos de campo adicionales que están alimentados por corrientes en distinta fase, lo que permite a los dos juegos de polos tener máximos de corriente y de campos magnéticos con muy poca diferencia de tiempo. Los arrollamientos de los polos de campo de fases distintas, se deberían alimentar por C.A. bifásicas y producir un campo magnético rotatorio, pero cuando se trabaja con una sola fase, la segunda se consigue normalmente conectando un condensador (o resistencia) en serie con los arrollamientos de fases distintas. Con ello se puede desplazar la fase en más de 20° y producir un campo magnético máximo en el devanado desfasado que se adelanta sobre el campo magnético del devanado principal.

Fig. [2.9] Desplazamiento real del máximo de intensidad del campo magnético desde un polo al siguiente, atrae al rotor de jaula de ardilla con sus corrientes y campos inducidos, haciéndole girar. Esto hace que el motor se arranque por sí mismo. El devanado de fase partida puede quedar en el circuito o puede ser desconectado por medio de un conmutador centrífugo que le desconecta cuando el motor alcanza una velocidad predeterminada. Una vez que el motor arranca, funciona mejor sin el devanado de fase partida. De hecho, el rotor de un motor de inducción de fase partida siempre se desliza produciendo un pequeño porcentaje de reducción de la que sería la velocidad de sincronismo.


- 22 -

Si la velocidad de sincronismo fuera 1.800 rpm, el rotor de jaula de ardilla, con una cierta carga, podría girar a 1.750 rpm. Cuanto más grande sea la carga en el motor, más se desliza el rotor. En condiciones óptimas de funcionamiento un motor de fase partida con los polos en fase desconectados, puede funcionar con un rendimiento aproximado del 75 %. Otro modo de producir un campo rotatorio en un motor, consiste en sombrear el campo magnético de los polos de campo. Esto se consigue haciendo una ranura en los polos de campo y colocando un anillo de cobre alrededor de una de las partes del polo. Mientras la corriente en la bobina de campo está en la parte creciente de la alternancia, el campo magnético aumenta e induce una fem y una corriente en el anillo de cobre. Esto produce un campo magnético alrededor del anillo que contrarresta el magnetismo en la parte del polo donde se halla él. En este momento se tiene un campo magnético máximo en la parte de polo no sombreada y un mínimo en la parte sombreada. En cuanto la corriente de campo alcanza un máximo, el campo magnético ya no varía y no se induce corriente en el anillo de cobre. Entonces se desarrolla un campo magnético máximo en todo el polo. Mientras la corriente está decreciendo en amplitud el campo disminuye y produce un campo máximo en la parte sombreada del polo. De esta forma el campo magnético máximo se desplaza de la parte no sombreada a la sombreada de los polos de campo mientras avanza el ciclo de corriente. Este movimiento del máximo de campo produce en el motor el campo rotatorio necesario para que el rotor de jaula de ardilla se arranque solo. El rendimiento de los motores de polos de inducción sombreados no es alto, varía del 30 al 50 por 100. Una de las principales ventajas de todos los motores de jaula de ardilla, particularmente en aplicaciones de radio, es la falta de colector o de anillos colectores y escobillas. Esto asegura el funcionamiento libre de interferencias cuando se utilizan tales motores. 2.5. SISTEMAS DE RIEGO. Los sistemas de riego siempre han sido importantes para el hombre desde que comenzó a cultivar todo tipo de semillas, ya que desde antiguas civilizaciones se han utilizado. Por ejemplo en México, los canales de Xochimilco se usaban como un mecanismo de abasto y despacho de agua con fines primordialmente agrícolas; esto les permitía un amplio almacenamiento y acceso inmediato al vital líquido manteniendo la tierra con la humedad ideal para obtener excelentes cosechas.

El manejo de canales y redes especiales de aguas potables o grises para riego han proliferado los elementos de distribución hacia las áreas verdes han ido mejorando con el desarrollo de las nuevas tecnologías en dinámica de fluidos. Más aún, el ingreso de las tecnologías digitales a las necesidades de riego, han hecho cada vez más popular la adopción de sistemas automatizados en áreas verdes residenciales, comerciales e industriales.

Un sistema de riego, esta compuesto básicamente por cinco partes:

La Fuente Hidráulica. Se refiere básicamente al tanque de almacenamiento ya sea elevado o sumergido el cual cuenta normalmente con una alimentación permanentemente proporcionada por la entidad gubernamental responsable de la distribución de agua potable. Incluso puede tratarse de un tanque de recuperación de aguas pluviales, aguas grises o aguas tratadas.


- 23 -

La Sección de poder. Puede ser desde un pozo elevado hasta los sistemas más sofisticados de hidroneumático, bombas presurizadoras, bombeo de pozo profundo o cisternas. Esta fuente permite al sistema contar con la presión necesaria para que la aspersión hidráulica sea óptima. En muy pocas zonas de México, la sección de poder es substituida por una buena presión y caudal en el subministro del Municipio o Estado.

Los Ramales de Conducción. Son las líneas de tubería que llevan el agua a cada una de las áreas que será irrigada en el jardín; usualmente se trata de tuberías instaladas en el subsuelo a profundidades que van de los 10 a los 30 cm. De profundidad. En el pasado, estas tuberías eran de fierro o cobre y en la actualidad son de materiales plásticos como el PVC o el polietileno. Las Cabezas de Despacho. Son los elementos que tienen el último contacto con el agua antes de que esta sea aplicada a las áreas verdes. Estas cabezas de despacho usualmente se disponen en posiciones, patrones y alcances diversos con la finalidad de que la aplicación del agua sea uniforme y completa a lo largo y ancho de las áreas verdes. Existen diversas tecnologías como el goteo, nebulización, spray, rotores etc. que son aplicadas de acuerdo a las necesidades de riego de cada tipo de jardinería.

La Red de Control. Permite el procesamiento y la conducción de señales eléctricas de bajo voltaje para la activación de secciones de riego en momentos específicos y con duraciones preestablecidas, así como la obtención de lecturas de los diferentes sensores para la ejecución o suspensión del riego.

2.5.1 EL FLUIDO EN TUBERIAS. La situación ideal del flujo en una tubería se establece cuando las capas de fluido se mueven en forma paralela una a la otra. Esto se denomina "flujo laminar", las capas de fluido próximas a las paredes internas de la tubería se mueven lentamente, mientras que las cercanas al centro lo hacen rápidamente. Es necesario dimensionar las tuberías de acuerdo al caudal que circulará por ellas, una tubería de diámetro reducido provocará elevadas velocidades de circulación y como consecuencia perdidas elevadas por fricción; una tubería de gran diámetro resultará costosa y difícil de instalar.

Fig. [2.10] Se recomienda el uso del gráfico anterior para la elección de los diámetros adecuados en instalaciones hidráulicas.

Fig. [2.11]


- 24 -

En la figura anterior vemos una situación de flujo turbulento donde las partículas de fluido se mueven en forma desordenada con respecto a la dirección del flujo. La turbulencia es causada por el exceso de velocidad de circulación, por cambios bruscos del diámetro de la tubería, y por la rugosidad interna de la misma; la turbulencia produce excesiva pérdida de presión en los sistemas y sobrecalentamiento del aceite. A menudo puede ser detectada por el ruido que produce la circulación por las tuberías. Para prevenir la turbulencia, las tuberías deben ser de diámetro adecuado, no tener cambios bruscos de diámetro u orificios restrictotes de bordes filosos que produzcan cambios de velocidad.

Fig. [2.12] En la figura anterior vemos una sección de tubería con flujo laminar, las partículas se mueven a alta velocidad en el centro pero paralelas una a la otra. La restricción se ha realizado de manera tal que presenta una transición lenta de velocidades, de esta forma se evita la turbulencia. Las dos figuras muestran qué sucede con la corriente fluida cuando toma una curva de radio amplio se mantienen las condiciones de flujo laminar, a la derecha el cambio de dirección es abrupto induciendo un flujo turbulento.

Fig. [2.13]

2.5.2 RIEGO LOCALIZADO.

Con este sistema de riego sólo se humedece una parte del suelo, de donde la planta podrá obtener el agua y los nutrientes que necesita e implica una alta frecuencia de aplicación. Estas características de localización y alta frecuencia suponen una serie de ventajas tanto agronómicas como económicas, así como algunos inconvenientes. Entre las ventajas de tipo agronómico cabe destacar las siguientes:

• Supone un ahorro de agua, debido a la reducción de la evado-transpiración y, de las pérdidas de agua en las conducciones y durante la aplicación, a la alta uniformidad de riego, siempre que el sistema esté bien diseñado y mantenido, y a la posibilidad de medir y controlar la cantidad de agua aportada.

• Es posible mantener el nivel de humedad en el suelo más o menos constante y elevado, sin que lleguen a producirse encharcamientos que provoquen la asfixia radicular o faciliten el desarrollo de enfermedades.


- 25 -

• Posibilita la utilización de aguas de menor calidad, debido a la alta frecuencia de riego, que hace que las sales estén más diluidas, disminuyendo su efecto osmótico y lavando de forma continua el bulbo húmedo que se forma alrededor del gotero.

• Hace posible la ferti-Irrigación, lo que conlleva un ahorro de fertilizantes y de mano de obra, una mejor distribución de estos en el tiempo y en el espacio y una mejora en la asimilación de fertilizantes y permite actuar rápidamente ante deficiencias.

• Permite la aplicación de otros productos, a parte de los fertilizantes, a través del agua de riego.

• Facilita el control de malas hierbas, ya que éstas se localizan tan sólo en el área húmeda.

En cuanto a las ventajas de tipo económico y de manejo, las principales son las siguientes:

• El gasto energético es menor, debido a la reducción de los consumos de agua y a las menores necesidades de presión.

• Se reduce la mano de obra necesaria para el manejo del riego. • Se presta a una fácil automatización.

Los principales inconvenientes se refieren a:

• Facilidad de obturación de los emisores. • Aumento del coste de las instalaciones respecto a otros sistemas de riego. • Necesidad de presión para su funcionamiento. • Creación de zonas de acumulación salina, debido al lavado localizado de sales, de

forma que son necesarios riegos por inundación u otro sistema para el lavado de sales.

2.5.3 RIEGO POR ASPERSION.

Es un sistema de riego mediante el cual el agua se aplica a los cultivos en forma de lluvia, mojando la totalidad de la superficie cultivada. Se adapta muy bien a los cultivos extensivos, en los que los sistemas de riego localizado frecuentemente resultan inviables por razones técnicas o económicas. Tanto los caudales como las presiones de funcionamiento, así como los alcances de los aspersores, son mucho mayores que en micro aspersión, lo que permite una mayor separación entre dichos aspersores y, por tanto, el abaratamiento de las instalaciones. Otro factor de abaratamiento lo constituyen los elementos móviles y semimóviles (tuberías y aspersores), que pueden ser utilizados para el riego de varias parcelas. Sin embargo, esto último supone un encarecimiento en cuanto a manejo.

2.5.4 RIEGO POR GOTEO.

Consiste en aportar el agua de manera localiza justo al pie de cada planta. Se encargan de ello los goteros o emisores. Estos pueden ser:

Integrados en la propia tubería.

De botón, que se pinchan en la tubería.

Los más baratos son los integrados no autocompensantes.


- 26 -

Lo goteros que se pinchan resulta más prácticos para jardineras o zonas donde las plantas estén más desperdigadas y se pincha ahí donde se necesiten. El riego por goteo tiene las siguientes ventajas:

• Ahorra agua. • Se mantienen un nivel de humedad en el suelo constante, sin encharcamiento. • Se pueden usar aguas ligeramente salinas, ya que la alta humedad mantiene las sales

más diluidas. Si usas agua salina, aporta una cantidad extra de agua para lavar las sales a zonas más profundas por debajo de las raíces.

• Con el riego por goteo se puede aplicar fertilizantes disueltos y productos fitosanitarios directamente a la zona radicular de las plantas.

El inconveniente más típico es que los emisores se atascan fácilmente, especialmente por la cal del agua. Precisa un buen filtrado si el agua es de pozo y agua cuando menos caliza, mejor.

2.5.5 RIEGO SUBTERRANEO.

Es uno de los métodos más modernos. Se está usando incluso para césped en lugar de aspersores y difusores en pequeñas superficies enterrando un entramado de tuberías. Se trata de tuberías perforadas que se entierran en el suelo a una determinada profundidad, entre 5 y 50 cm. Según sea la planta a regar (hortalizas menos enterradas que árboles) y si el suelo es más arenoso o arcilloso.

Ventajas:

• Menos pérdida de agua por no estar expuesto al aire. • Menos malas hierbas porque la superficie se mantiene seca. • Más estética. • Permite el empleo de aguas residuales depuradas sin la molestia de malos olores. • Duran más las tuberías por no darles el sol. • Se evitan problemas de vandalismo

Inconvenientes:

El principal inconveniente y que hace que haya que estudiar bien antes si ponerlas o no, es que se atascan los puntos de salida del agua. En particular, por la cal. Si tu agua es caliza, no se recomienda el uso de riego subterráneo.

2.5.6 SISTEMA DE FILTRADO.

El equipo de filtrado es fundamental para evitar posibles obturaciones en el pequeño diámetro del conducto del gotero. Suelen utilizarse filtros de arena, filtros de malla o filtros de anillas y es común que aparezcan a la vez filtros de malla y de anillas en el cabezal de riego y filtros de malla en la red de distribución.

Todos los elementos de este sistema requieren de un mantenimiento periódico, para lo cual es útil colocar manómetros antes y después de éstos, procediendo a la limpieza cuando se rebase una �diferencia de presión máxima aceptable� que normalmente se establece en 5 m.c.a. (metros de columna de agua)


- 27 -

2.5.7 RED DE DISTRIBUCION.

Está constituida por una red de tuberías que distribuyen el agua de riego desde la entrada en el cabezal, donde suele colocarse una llave de paso para regular la presión y a veces un manómetro, a las tuberías portagoteros. Generalmente son tuberías de polietileno, frecuentemente con diámetros de 32, 40 50 ó 63 mm, o de PVC (policloruro de vinilo) y diámetros de 75 ó 90 mm. Las tuberías o ramales portagoteros están fabricados a base de polietileno y suelen presentar diámetros de 12 ó 16 mm y una separación entre goteros de 50 cm. en los cultivos de hortícolas en invernadero.

2.5.8 EMISORES.

Los emisores o goteros deben dar un caudal bajo, por lo que conviene que los diámetros sean pequeños, pero esto puede provocar que se produzcan obturaciones, de forma que existen diversos diseños de goteros en el mercado que intentan resolver este problema. Las principales características que definen un emisor son:

• Caudal nominal, que es el que suministra el gotero a la presión nominal. Suele estar comprendido entre 2 y 4 litros por hora (l/h) en hortalizas, aunque puede llegar hasta valores de 16 l/h en otros cultivos.

• Presión nominal (Pn), que es la presión para la que se ha diseñado el emisor y que suele ser de 10 m.c.a. (metros de columna de agua). En goteros autocompensantes la Pn se sustituye por el rango de presiones de funcionamiento.

• Régimen hidráulico, siendo el más conveniente el turbulento, ya que el laminar hace a los emisores más sensibles a las variaciones de presión y de viscosidad y temperatura del agua.

• Ecuación característica del emisor, que se obtiene en el banco de prueba y es imprescindible para el diseño de la instalación. Viene dada por la siguiente expresión:

q = K h x (2.2)

Donde:

q = caudal del emisor (l/h).

K = coeficiente de descarga, que es adimensional.

h = presión a la entrada del emisor (m.c.a.).

x = exponente de descarga (adimensional), que indica la sensibilidad de los emisores a la variación de presión, de forma que cuanto más se aproxime a la unidad, el régimen hidráulico más se acerca al laminar y para x 0 0,5, el régimen es turbulento. En teoría, un emisor autocompensante perfecto tendría un x = 0, aunque en la práctica se considera autocompensante el emisor de x < 0,2.

• Coeficiente de variación de fabricación (CV), que es una medida de la dispersión de caudales respecto de la media, ya que, por razones constructivas, e


- 28 -

difícil conseguir que todos los goteros de un mismo modelo den el mismo caudal a la misma presión. Se define mediante la siguiente expresión:

CV =s/q m (2.3)

Donde:

s = desviación típica respecto a la media de los caudales ensayados.

q m = caudal medio.

Cuanto más alto es el CV, menos uniformes son los emisores, de modo que según éste pueden dividirse en tres categorías:

Categoría A: CV < 0,05

Categoría B: 0,05 < CV < 0,10

Sin categoría: CV > 0,10.

Diámetro mínimo, que es la dimensión del paso más estrecho que se encuentra el agua e su recorrido dentro del emisor. - Características constructivas, dentro de las cuales destacan:

• Puntos de emisión, que generalmente es sólo 1, pero que en algunos modelos pueden ser 2,4 ó más.

• Sistema de limpieza, encontrando emisores �autolimpiantes�, desmontables, con piezas móviles, etc.

• Sistema de conexión, de forma que encontramos goteros interlínea, pinchados o integrados. Los primeros son los más frecuentes en los invernaderos de Almería y se instalan cortando la tubería e insertando el gotero. Los goteros pinchados se instalan en la tubería en un orificio practicado con un sacabocados. Los goteros integrados se implantan en una tubería de polietileno durante el proceso de fabricación.

Por otro lado, los emisores también pueden clasificarse según en la forma en que disipan la presión distinguiéndose lo que son goteros propiamente dichos de las mangueras y las cintas de exudación. Dentro de los primeros destacan los de largo conducto (microtubo, helicoidales y de laberinto), los goteros vórtex y los autocompensantes. Estos últimos incorporan un elemento flexible que se deforma bajo la acción de la diferencia de presión del agua antes y después del elemento, manteniendo el caudal aproximadamente constante, aunque varíe la presión de entrada, dentro de un rango determinado de presiones (intervalos de compensación). Por tanto, están indicados para lugares donde existen grandes diferencias de presión debidas a desniveles o a grandes pérdidas de carga. En los invernaderos de la provincia de Almería suelen emplearse goteros interlíneas de laberinto y en cultivos sin suelo goteros autocompensantes de membrana, todos ellos con un caudal de 2 a 4 litros por hora.

2.5.9 CINTAS DE EXUDACION.


- 29 -

Las cintas de exudación son tuberías de material poroso que distribuyen el agua de forma continua a través de los poros, lo que da lugar a la formación de una franja continua de humedad, que las hace muy indicadas para el riego de cultivos en línea.

Las presiones de trabajo son menores que las de los goteros: 2-3 m.c.a., e incluso escasos decímetros de presión. Esto hace necesario el empleo de reguladores de presión especiales o microlimitadores de caudal. El régimen de trabajo suele ser laminar.

2.6 IMPLEMENTACION DE UN INVERNADERO.

Un invernadero es toda aquella estructura cerrada cubierta por materiales transparentes, dentro de la cual es posible obtener condiciones artificiales de microclima, y con ello cultivar plantas fuera de estación en condiciones óptimas. Posee una estructura de madera, hierro u otros materiales de suficiente altura para que se puedan realizar en su interior las labores que cada cultivo necesita. Es el sistema más simple y económico, para captar energía solar a favor de los cultivos.

El cultivo en invernadero comenzó debido a las limitaciones que el medio ambiente impone. Estas condiciones llevaron a crear nuevas formas de cultivos, con parte o todo el ciclo bajo protección, utilizando para ello materiales y formas diversas.

De esta manera se logró producir en épocas en las cuales antes no era posible, incrementar la producción, mejorar la calidad, así como también disminuir los riesgos frente a fenómenos climáticos como lluvias intensas, granizos, vientos y heladas.

Al cultivar bajo invernadero ciertas especies, como es en nuestro caso el tomate, se busca principalmente, obtener la producción con anterioridad o posterioridad a la época normal de cosecha de campo. De esta manera se puede obtener un mejor precio y un abastecimiento más prolongado.

Todas las plantas tienen para su desarrollo vegetativo, exigencias muy concretas en cuanto a temperatura, por ello su cultivo debe hacerse en aquellas épocas del año en que se dan esas condiciones.

Si instalamos los cultivos en un medio en que la temperatura ambiente es controlada en un rango adecuado, estos crecerán con toda normalidad. Los invernaderos crean un clima artificial elevando las temperaturas del interior con respecto al exterior, defendiendo a las plantas de los efectos de las bajas temperaturas y anticipando el momento de la cosecha. Como consecuencia del control del medio ambiente, se logra aumentar los rendimientos porque las plantas pueden expresar en mayor medida su potencial de producción. El uso de cultivos adecuados, de buena aptitud para cultivar en invernadero, complementados con las prácticas precisas (riego, fertilización, control de plagas, etc.) permiten alcanzar producciones que superan cualitativamente y cuantitativamente a la de los mismos cultivos realizados a campo.


- 30 -

Otro aspecto positivo es el aumento significativo de la seguridad de cosecha, limitando la posibilidad de pérdidas por adversidades climáticas como sequías, heladas, vientos, lluvias intensas, granizos... permitiendo así, obtener mayor proporción de productos de alta calidad. En definitiva, la construcción y utilización de un invernadero para cultivos conlleva unas ciertas ventajas y limitaciones que a continuación observamos:

• VENTAJAS: 1. Es posible adelantar o atrasar u obtener cosechas fuera de temporada. 2. Mayores rendimientos (3-5 veces mayor que los obtenidos en el campo). Posibilidad de obtener más de un ciclo de cultivo al año. 3. Mayor calidad en la producción (limpieza, sanidad, uniformidad). 4. Ahorro de agua y fertilizantes. 5. Facilita la organización de las actividades del establecimiento. 6. Mejores condiciones para emplear criterios de control integrado de plagas. 7. Posibilidad de realizar más de un cultivo al año.

2.6.1 INVERNADERO DE CAPILLA:

Los invernaderos de capilla simple tienen la el techo formando uno o dos planos inclinados, según sea a una agua o a dos aguas.

• CARACTERÍSTICAS: 1. La anchura que suelen tener estos invernaderos es de 12 a 16 m. La altura en cumbrera oscila entre 3,25 y 4 m. 2. No ofrecen inconvenientes en la evacuación del agua de lluvia si la inclinación de los planos de la techumbre es mayor a 25º. 3. La ventilación es por ventanas frontales y laterales. Cuando se trata de estructuras formadas por varias naves unidas la ausencia de ventanas cenitales dificulta la ventilación. 4. Este invernadero se utiliza bastante, debido a sus múltiples ventajas.

• VENTAJAS: 1. Fácil construcción y fácil conservación. 2. Muy aceptable para la colocación de todo tipo de plástico en la cubierta. 3. La ventilación vertical en paredes es muy fácil y se puede hacer de grandes superficies, con mecanización sencilla. También resulta fácil la colocación de ventanas cenitales. 4. Grandes facilidades para evacuar el agua de lluvia. 5. Permite la unión de varias naves en batería.


- 31 -

C A P I

T U L O

3

PLANTEAMIENTO Y RESOLUCION DEL PROBLEMA.

Planteamiento y Resolución del Problema

- 33 -

PLANTEAMIENTO Y RESOLUCION DEL PROBLEMA

Uno de nuestros objetivos, como ya hemos mencionado anteriormente, es conseguir automatizar el invernadero para conseguir el máximo rendimiento en las cosechas. Para ello es necesario crear el clima idóneo y específico de cada tipo de cultivos.

Para controlar el clima hemos de utilizar una serie de elementos básicos en un sistema de control, que son: sensores, transmisores, comparadores, reguladores, actuadores y visualizadores.

Los sensores son los elementos encargados de medir las diferentes variables que intervienen en el control. Dependiendo de la magnitud de la variable necesitaremos utilizar diferentes sensores.

Los transmisores son los elementos encargados de transformar la señal que dan los sensores en otra más fácil de manejar. La señal más común es la eléctrica.

Los comparadores son los elementos encargados de procesar la señal recibida desde los transmisores. La magnitud de esta señal se compara con la que se esperaba recibir. Si la señal recibida es diferente a la que se esperaba se emite una señal con la diferencia entre las dos magnitudes.

Los reguladores son los elementos encargados de mejorar las respuestas del sistema. Después de que los comparadores emiten la señal el sistema realiza una respuesta, pero esta no es inmediata, los reguladores son los encargados de intentar restaurar la estabilidad.

Los actuadores son los elementos encargados de transformar la señal emitida por los comparadores en otra nueva. La antigua señal debe ser transformada tanto por su naturaleza como por su magnitud de manera que sus efectos modifiquen el proceso.

Los visualizadores son los elementos capaces de recibir, medir y registrar las señales emitidas por los transmisores. Los visualizadores pueden ser tanto analógicos como digitales, siendo estos últimos los que más nos facilitan la lectura.

3.1 DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA El propósito principal de este proceso es la automatización de un sistema de riego para un invernadero, lo cual se realiza por medio de la implementación de motores de corriente continua y mediante la utilización de un PLC; este será el cerebro del sistema el cual llevará a cabo el control de todas las acciones necesarias para lograr el correcto funcionamiento del mismo.


- 34 -

PLC

POSICIONAMIENTODE MOTOR

TIEMPO DEACTIVACION

DESPLAZAMIENTO DE

MANGUERA

REESTABLECIMIENTOPROCESO DEIRRIGACIONAGUA

Fig. 3.1: Diagrama a bloques del proceso.

PLC. Esta es la parte central del sistema, ya que en el se encuentran almacenado el programa que controla todos los movimientos o acciones que intervienen en el proceso de irrigación. TIEMPO DE ACTIVACIÓN: Es el tiempo que permanecerá en funcionamiento el sistema, que dependerá tanto del área de riego así como de la humedad deseada para el tipo de cultivo. DESPLAZAMIENTO DE MANGUERA: Esta etapa se encuentra sincronizada con la etapa de posicionamiento de motor, ya que de acuerdo a la distancia recorrida y a la velocidad de este motor, el PLC dará instrucciones al motor que controla el enrollado y desenrollado de la manguera. POSICIONAMIENTO DE MOTOR: Como se mencionó en la etapa anterior, los movimientos de este motor están relacionados con los del motor de desplazamiento de manguera; el motor de posicionamiento es el que hará que se recorra completamente toda el área de plantación para su riego. PROCESO DE IRRIGACIÓN: En esta etapa se concentran todas las funciones antes descritas que actúan conjuntamente proporcionan el óptimo funcionamiento del sistema en su totalidad. REESTABLECIMIENTO: Una vez terminado el tiempo de activación requerido para el riego de nuestro cultivo, el PLC tomara una decisión dependiendo del programa de parar o repetir el proceso.


- 35 -

3.2 SELECCIÓN DEL PLC. En este proyecto decimos utilizar el PLC LOGO! De la marca SIEMENS debido a que este cumple con los requerimientos necesarios para lograr la automatización del sistema de riego. El PLC cuenta con ocho salidas tipo relevador y doce entradas digitales las cuales son necesarias para implementar nuestro proyecto el cual no es de gran envergadura; otro punto que se tomo en consideración para la elección de este PLC fue el hecho de que la programación en el es más común en comparación con PLC�s de mayor capacidad de procesamiento. Siguiendo con la programación del PLC se utilizo el tipo escalera (KOP en LOGO!); este tipo de programación es relativamente sencilla por la facilidad en que se estructura el programa en si y de la ventaja que se puede simular el programa antes de la implementación física; previendo errores que puedan suscitarse en cualquier dispositivo de nuestro sistema. En el �Apéndice 1� se proporcionan datos técnicos del PLC seleccionado

Fig. 3.2 Software de LOGO!


- 36 -

3.2.1 SECUENCIA DE ARRANQUE.

Fig. [3.3]

En esta etapa del sistema de control utilizado para el invernadero, se desarrolla la secuencia de arranque del mismo; para esto dicho sistema cuenta con un interruptor de arranque, que al ser presionado inicia con el proceso. El accionado de este interruptor nos lleva tanto a la inyección de agua realizada por un motor de corriente alterna como se muestra en el diagrama eléctrico del sistema, como al encendido de los dos motores a pasos que se encargan tanto del enrollado de la manguera como del desplazamiento de ida y regreso del aspersor que es el que finalmente realizará el riego del cultivo. Todas estas funciones que se mencionan, estarán controladas por el PLC así como también la duración del proceso, la cual dependerá de las necesidades del cultivo.


- 37 -

3.2.2 SECUENCIA DE RETORNO

Fig. [3.4]

En esta segunda etapa, se encuentran inmersas las instrucciones necesarias para que ambos motores a pasos que se utilizan en el proceso (uno para el enrollado y desenrollado de la manguera que proveerá de agua al aspersor y el otro para el desplazamiento de ida y vuelta de dicho aspersor) realicen sus movimientos para que el riego del cultivo se lleve a cabo correctamente. Estas instrucciones son la que se insertaron en el programa que se grabó previamente en el PLC. Ambos motores cuyas funciones ya han sido descritas con anterioridad, deben estar perfectamente sincronizados, ya que el buen funcionamiento de uno depende del otro y viceversa; es por eso que en esta secuencia del sistema se realizan los cambios de giro que deberán hacer los motores una vez que el PLC reciba la señal de los sensores que se utilizan para señalar el inicio y el fin del ciclo. Estos sensores serán colocados al inicio y al final del área de cultivo para que el riego de la misma se realice adecuadamente. NOTA: ambos motores deben realizar de manera sincronizada los cambios de giro, ya que uno es el que desplazará la manguera que provee el agua y el otro el que desplazará al aspersor que tendrá colocada dicha manguera.


- 38 -

3.2.3 SECUENCIA COMPLETA


- 39 -

Fig. [3.5] Esta etapa incluye a las dos anteriores y completa el proceso en su totalidad. Aquí se reúnen todas las instrucciones que intervienen en el proceso de riego del cultivo, el cual se realiza con un sistema de control basado en el PLC. En cuanto es presionado el botón de arranque, el proceso inicia con la puesta en marcha del motor de corriente alterna que provee al sistema de agua, así como el encendido de ambos motores a pasos para que de esta forma se inicie el riego del área de cultivo. El aspersor viaja a lo largo del área de cultivo rociando el agua necesaria y al llegar al final, donde se encuentra un sensor óptico, el cual mandará una señal al PLC, ambos motores hacen su cambio de giro para que se riegue nuevamente la zona. Al inicio del área de cultivo se encuentra otro sensor idéntico al del final, el cual mandará una señal al PLC para que realice el cambio de giro en ambos motores y se repita el proceso. La duración del proceso de riego estará determinada por el encargado del cultivo, ya que existe un botón de paro que suspende el proceso en cualquier momento o en su caso pueden incluirse en el programa las instrucciones necesarias para que el proceso dure determinado tiempo funcionando y una vez transcurrido el mismo este se detenga automáticamente y no inicie nuevamente sino hasta que el botón de arranque vuelva a ser presionado por el operador. Aun con estas instrucciones el proceso podrá ser suspendido en el momento que el operador del mismo por alguna razón lo desee presionando en ese momento el botón de paro.

C A P I

T U L O

4

CONCLUSIONES.

Conclusiones.

- 41 -

4.1. CONCLUSIONES. En este capitulo se darán las conclusiones finales de acuerdo a lo que fuimos realizando y a los resultados obtenidos en las pruebas echas a través de el tiempo ocupado; así como también una pequeña explicación de los componentes que usamos para hacer el diagrama y cual es la función de cada uno de ellos.

Fig. [4.1]

En la figura vemos que:

• I1 es el botón de Paro general, es decir este cumple con la función de detener cualquier acción que se encuentre activa, en todo el circuito.

• I2 este es el botón de Arranque que como su nombre indica es el accionado de todo el sistema.

• M1 es la marca que indica el estado del sistema.

Conclusiones.

- 42 -

Fig. [4.2]

• Todas las M son marcas. • Las T con un tren de pulsos son generadores. • Y las T con dos trenes de pulsos son temporizadores.

Bueno a grandes rasgos esos son los componentes que forman el circuito Obtuvimos los resultados deseados, ya que con la ayuda del software de LOGO y al hardware que fue el PLC, fue realmente sencillo. Tratamos de que este proyecto saliera lo mejor posible y al parecer lo conseguimos.

Conclusiones.

- 43 -

Fig. [4.3]

Fig. [4.4]

Esperamos que este trabajo sirva como referencia a muchos otros proyectos.

Conclusiones.

- 44 -

Bibliografía

B R I E B F L E I R O E G N R C A I F A I S A Y

Bibliografía.

- 46 -

BIBLIOGRAFIA.

• Operación Control y Protección de Motores Eléctricos. Horacio Buitron Sánchez. ED. HP

• Transformadores y Motores Trifásicos de Inducción. Gilberto Enríquez Harper. ED. Limusa.

• Conexiones y Cambios de los Motores Eléctricos. Pedro Camarena M. ED. CECSA

REFERENCIAS.

• Isaías Velásquez Cruz y Franco G. Caballero Julián trabajo:�Inversor monofásico de frecuencia variable empleando control pwm�

• Roberto A. alcántara R., Ricardo Godínez B., Emmanuel vega Q., Irma I. Siller

A., Jorge Jaimes P., trabajo:�Aplicación del protocolo NMRA enviado a través de un bus de alimentación común para control de motores de c.c.�

• Siller Alcalá Irma I., Alcanza Ramírez Roberto A., Jaimes Ponce Jorge M.

trabajo:�Sistema de Variación de Velocidad, para la Implementación de la Teoría de Control�

• Eusebio Guzmán Serrano, Marco A. Ortiz Mora, Jaime J. Rodríguez Nava,

Neagu Bratu Serban, Benjamín Vázquez G. trabajo:�Influencia del Ciclo de Trabajo en las señales Estatóricas de un motor de CD especial

A P E N D I

C E

A

LOGO!

Apéndice A

LOGO! Manual A5E00380835-02

- 48 -

Los datos en este apéndice fueron tomados del manual de LOGO! , proporcionado por el fabricante del mismo (SIEMENS LOGO! Manual A5E00380835-02) En su página de Internet www.siemens.com/logo A.1 The LOGO! structure

Apéndice A


- 49 -

Apéndice A


- 50 -

Apéndice A


- 51 -

A.2 Versions The following LOGO! versions are available:

(1): Of those can be used alternatively: 2 analog inputs (0 ... 10V) and 2 fast inputs. (2): 230 V AC versions: Two groups consisting of 4 inputs each. Each input within a group must be connected to the same phase. It is possible to interconnect groups with a different phase. (3): The digital inputs can be operated with P or N action.

Apéndice A


- 52 -

A.3 LOGO! installation and wiring General guidelines Please note the following guidelines for installing and wiring your LOGO!: Always ensure that the wiring of your LOGO! is compliant with current rules and standards. Also, conform with all national and regional regulations when you install and operate the devices. For information on standards and regulations that apply to your specific case, contact your local authorities. Always switch off power before you wire or install/remove a module. Always use cables with appropriate conductor cross sections for the relevant current. You can wire LOGO! with cable conductor cross-sections from 1.5 mm2 to 2.5 mm2; see Chapter 2.3. Do not exceed the screw torque of the terminals. The maximum torque is: 0.5 N/m, see Chapter 2.3. Keep the cabling as short as possible. If longer cables are necessary, you should use shielded versions. You should always route your cables in pairs: i.e. one neutral conductor plus one phase conductor or signal line. Always keep separate:

-- The AC wiring -- High-voltage DC circuits with high-frequency switching cycles -- Low-voltage signal wiring. -- The EIB bus cable may also be laid in parallel to other signal lines.

Ensure that the wires are installed with appropriate strain relief. Provide a suitable lightning surge arrester for cables installed in hazardous areas. Do not connect an external power supply in parallel to the output load of a DC output. This could develop a reverse current at the output if you have not installed a diode or similar barrier device. Reliable functioning of the equipment is only ensured with certified components!

Apéndice A


- 53 -

A.4 Logic Assignments

�n� depends on the plug-in position of the expansion module relative to the LOGO! Basic. It indicates the number of the input or output in LOGO! program code. Note Ensure that there is enough space for the inputs/outputs of the AS interfaces in the LOGO!�s address space. If you are already using more than 12 physical outputs or more than 20 physical inputs, it is no longer possible to operate the CM AS interface! For detailed information about the networking of LOGO! on the AS interface bus please refer to the LOGO! CM AS Interface documentation, in particular the Micro Automation Sets 7 and 16.

Apéndice A


- 54 -

A.5 Operating states LOGO! Basic operating states LOGO! Basic/Pure knows two operating states: STOP and RUN.

Note After switching the mains on, the system briefly switches through the outputs on the LOGO 24/24o. With an open circuit, a voltage of > 8 V can occur for up to approximately 100 ms; when loaded, this time reduces to a matter of microseconds.

Apéndice A


- 55 -

A.6 Technical data: LOGO! 12/24... and LOGO! DM8 12/24R

Apéndice A


- 56 -

Apéndice A


- 57 -

Notice: For fluorescent lamps with capacitors, the technical data of fluorescent lamp ballasts must also be considered. If the maximum allowed surge current is exceeded, fluorescent lamps must be switched with appropriate contactor relays. The data was determined with the following devices: Siemens fluorescent tubes 58W VVG 5LZ 583 3--1 uncompensated. Siemens fluorescent tubes 58W VVG 5LZ 583 3--1 parallel compensated with 7µF. Siemens fluorescent tubes 58W VVG 5LZ 501 1--1N with ballast.

Apéndice A


- 58 -

Capacidad de conmutación y vida útil de las salidas de relé.

Capacidad de conmutación y vida útil de los contactos con carga óhmica (calentamiento)

A P E N D I

C E

B

DIAGRAMA COMPLETO DEL CIRCUITO.

Apéndice B.


- 60 -

IPN ESCUELA SUPERIOR DE INGENIER˝A MEC`NICA Y ELÉCTRICA ... · Control de Motores ElØctricos y...

Documents

Transcript of IPN ESCUELA SUPERIOR DE INGENIER˝A MEC`NICA Y ELÉCTRICA ... · Control de Motores ElØctricos y...