PRINCIPIOS DE AUTOMATIZACIÓN -PRAC1-
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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
CECYT NO.9 JUAN DE DIOS BÁTIZ
PRINCIPIOS DE AUTOMATIZACIÓN
PRÁCTICA NO.1: CONTROL DE MOTORES
EQUIPO PROFESOR: JESÚS VARGAS ALBERTO OLIVARES
6IM3
INTEGRANTES:
BAYUELO GONZÁLEZ EDER
SANDOVAL ROSAS ALFONSO
TORRES ALVAREZ RAÚL RODRIGO
YLHUICATZI DURÁN JOSÉ LUIS
PRÁCTICA NO.1: CONTROL DE MOTORES
PRINCIPIOS DE AUTOMATIZACIÓN Página 2
INTRODUCCIÓN
TIPOS DE CORRIENTE: CARACTERÍSTICAS Y OPERACIÓN
Dentro de la energía eléctrica que utilizan los dispositivos eléctricos y electrónicos, se
pueden distinguir dos tipos fundamentales de corriente: la corriente alterna o de dos
polaridades, y la corriente continua o pulsante, de la cual puede derivarse la corriente
directa. Estos tipos de corrientes poseen características distintas, las cuales resultan
óptimas para energizar a ciertos dispositivos y permitirles operar, siempre y cuando se
cumplan los parámetros que cada elemento requiere.
El primer tipo de corriente a estudiar es la corriente alterna (CA). Este tipo de corriente
tiene la peculiaridad de poseer dos polaridades, por lo que su señal se visualiza como una
onda sinusoidal. La corriente alterna es utilizada en la industria para diversos propósitos,
como lo son:
Generación de iluminación
Calor eléctrico
Movimiento motriz
Alimentación de equipos de control
La señal de este tipo de corriente tiene diversas características que definen su medida, las
cuales se pueden apreciar con un sistema de ejes en un osciloscopio. Las características de
la señal de CA son:
Como se puede apreciar, la señal de
compone de los siguientes elementos:
Vp (Voltae Pico)
Vpp (Voltaje pico a pico)
T (Periodo)
Además de que posee los parámetros de
Voltaje RMS (VRMS) y Frecuencia (f), de
los cuales se hablará posteriormente.
De igual forma, un parámetro que se
toma en cuenta con las señales de este
tipo es la fase, la cual es una media de Fig. 1 Señal sinusoidal de CA
PRÁCTICA NO.1: CONTROL DE MOTORES
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tiempo entre dos ondas sinusoidales, medida no en segundos sino en términos de
ángulos, ya sea grados o radianes.
Vp (Voltaje pico): Éste es el voltaje máximo que alcanza cada uno de las crestas, u ondas
positivas/negativas de la señal en general. También se le conoce como amplitud de la
onda, y su valor será positivo si se ubica sobre el eje (t) o negativo si se ubica por debajo
de éste.
Vpp (Voltaje Pico a Pico): Es el voltaje total generado por la señal. En la gráfica, se
distingue por ser el valor de V que recorre de cresta a cresta en las secciones
positiva/negativa de la misma.
T (Periodo): El periodo es el intervalo de tiempo entre dos puntos equivalentes de la onda,
es decir, el tiempo que transcurre entre la parición de un par cresta/valle y el siguiente.
f (Frecuencia): La frecuencia es la medida de las repeticiones de la señal en una unidad de
tiempo. Para una onda sinusoidal, la frecuencia es la cantidad de repeticiones en un
segundo. Su unidad son los hercios (Hz, en
honor a Heinrich Rudolf Hertz), y se define
como el inverso de la medida del periodo de
la señal.
VRMS (Voltaje de media cuadrática): Es el
promedio total de la energía en un semi-ciclo
de onda. De manera física, ésta cantidad es el
voltaje efectivo; el que resulta utilizable para
cuando se alimenta a un dispositivo con él. Si
se mide con un voltímetro un contacto
doméstico, el voltaje que se aprecia no es el valor real, que proveen las centrales
generadores de energía, sino que el valor realmente registrado es el que se puede
aprovechar, o el VRMS.
Matemáticamente, el VRMS se define como: 𝑉𝑝
2 o lo que es equivalente Vp(.707), ya
que como se puede apreciar en la Fig.2, el valor aprovechable del Vp en una onda es esa
fracción RMS.
La CA doméstica de México posee 127V de voltaje efectivo a 60 Hz, lo cual equivale a un
periodo de 16.6 ms y a un Vpp de 359.21 V aproximadamente.
Fig. 2 Distinción entre el VRMS y el resto de los
voltajes
PRÁCTICA NO.1: CONTROL DE MOTORES
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La onda de una señal de CA se puede controlar, o mejor
dicho, limitar, mediante la técnica por ángulo de disparo,
conocida también como control de cruce por cero. La
intención de controlar una señal consiste en delimitar las
secciones que se quieren usar de cada onda, de manera
que se cree una señal diferente a partir de dichos límites.
Los semiciclos se delimitan por un ángulo, el cual
determina qué parte de la señal se quiere, y se genera
mediante un timer que proporciona el periodo en el cual
se desea esté la señal a partir de que cruce por el eje de
0V. Esta acción de delimitación se conoce como
rectificación, y se necesita un circuito especial que lleve
a cabo esta tarea.
De manera básica, un control de conmutación o controlador de cambio de estado es el
circuito esencial para rectificar una onda, cambiando de estado o polaridad
constantemente. Si se visualiza como un switch entre la fuente de CA y RL, o cualquier
dispositivo conectado, bastaría con presionar el switch para dejar pasar la onda, la cual
crecería exponencialmente hasta alcanzar un voltaje pico para descender. Si en ese
momento se conmuta para poder volver a dejar pasar la onda, se volvería a formar una
onda semejante, de manera que la señal resultante se vería como en la Fig. 4:
La señal resultante sólo conservó las ondas positivas. Sin embargo, para que el proceso no
sea manual (inclusive un relevador presentaría errores por sus limitaciones mecánicas en
cuanto a velocidad de respuesta), se debe recurrir a un circuito conocido como el
rectificador de onda completa. Siendo parte fundamental de cualquier fuente de voltaje,
el rectificador se compone de los siguientes elementos:
Fig. 4 Onda resultante de un control de conmutación Fig. 5 Circuito equivalente de un control de
conmutación
Fig. 3 Onda controlada por la técnica
de cruce por cero.
PRÁCTICA NO.1: CONTROL DE MOTORES
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El arreglo de 4 diodos de conoce como puente de
diodos, y es el elemento principal para realizar la
operación de rectificado de onda completa.
Durante el proceso, el puente de diodos cambia de
polaridad repetidamente, por lo que se pueden
distinguir dos estados primordiales en la
rectificación:
CASO 1: ONDA POSITIVA
Debido a la polarización de los diodos, la
onda positiva seguirá rigurosamente el
camino de D2 a RL, para después
regresar hacia tierra por medio de D4.
La onda conseguida al final del circuito
es positiva.
CASO 2: ONDA NEGATIVA
Una vez más, el camino que podrá
seguir la onda negativa estará
determinado por la polarización de los
diodos. Esta vez, D3 conduce la onda
hacia RL para poder después regresar
hacia la fuente por medio de D1. Debido
a su forma de ingresar a RL, la señal
resultante es también una onda
positiva.
La corriente que se ha generado finalmente es corriente continua (CC), la cual posee una
frecuencia que es del doble que la corriente alterna (120Hz).
Fig. 6 Circuito de rectificación de onda completa
PRÁCTICA NO.1: CONTROL DE MOTORES
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Para poder tener más control sobre la corriente se debe transformar la actual corriente
continua en corriente directa (CD). El proceso se conoce como filtrado eléctrico, y emplea
capacitores debido a las propiedades de sus dieléctricos.
El capacitor al cual ingresa la señal de CC se carga y descarga al haber alcanzado un voltaje
máximo. Sin embargo, antes de terminar de descargar, el dieléctrico ya está recibiendo la
siguiente onda de CC. Este efecto recorta la forma de la señal, dándole la apariencia de
una línea continua, de un mismo valor de voltaje y con una misma polaridad, sin
variaciones. Esta señal es lo que precisamente se conoce como CD.
El voltaje excedente o ruido que en ocasiones se distingue en estas señales se llama rizo, y
es causado por las cargas/descargas de los capacitores.
C.D. ideal
Rizo
Corriente Continua
PRINCIPIO DE OPERACIÓN DE LOS MOTORES ELÉCTRICOS
La energía que se usa en cualquier lugar para cualquier dispositivo, ya sea de manera
doméstica o industrial, surge originalmente de plantas generadoras de energía, las cuales
pueden ser de diversos tipos empleando energías naturales para generar energía
eléctrica. Las plantas eólicas, hidráulicas y de hidrocarburos utilizan la fuerza del viento,
las corrientes de agua y combustibles fósiles, respectivamente, para generar electricidad
que se transmite hacia otras regiones, mediante postes de luz. Un ejemplo de dispositivos
generadores de energía eléctrica es el DINAMO, el cual transforma energía mecánica en
eléctrica, como corriente continua. Éste generador crea corriente a partir de inducción
magnética, o FEM, ya que se transmiten líneas de campo eléctrico de un polo a otro en un
sistema de dos polos separadas por cierta distancia. Entre ellos se ubica un conmutador
Fig. 7 Filtro eléctrico
PRÁCTICA NO.1: CONTROL DE MOTORES
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giratorio cuya parte plana corta las
líneas de fuerza conforme rota. Si ésta
se halla paralela a las líneas, no se
produce energía, mientras que, a
medida que va aumentando el
ángulo, se van cortando más líneas,
generando voltaje de manera
exponencial hasta alcanzar un FEM
máximo, a los 90°. El ángulo
disminuirá hasta completar una
revolución, y mientras más revoluciones se den, más energía producirá el Dinamo.
El inventor de este dispositivo fue Michael Faraday (1791-1867). Padre de las primeras
teorías y aplicaciones del principio de inducción, él diseñó uno de los elementos
electromecánicos más utilizados por la industria y el
mundo: el motor eléctrico.
Éste dispositivo es esencialmente una máquina que
convierte energía eléctrica en energía mecánica. Su
funcionamiento se apoya básicamente en el flujo de
campos magnéticos, pues la electricidad que entra a
él por medio de sus polos es transmitida mediante
unas escobillas a un cable de cobre. Éste genera un
campo eléctrico que provoca la atracción de un lado
de un imán hacia una espira, y al mismo tiempo, el
otro lado del imán la repele. Cuando la bobina debe
quedarse quieta, un conmutador invierte el sentido
del campo eléctrico y ahora la bobina es atraída y repelida en sentido opuesto, causando
el giro característico de los motores.
La dirección y sentido de la fuerza magnética son posibles de calcular mediante la regla
vectorial de la mano derecha: Considerando a los dedos pulgar, índice y medio como un
triedro, cuando el dedo índice y medio apuntan en las direcciones de la intensidad y el
campo magnético, el pulgar señalará la dirección y sentido de la fuerza.
Existen diversos tipos de motores que funcionan con CA o CD. El uso de estos tipos de
corriente define en gran parte las propiedades que posean, como lo son la fuerza de giro
(torque), la velocidad, entre otros. En este caso, los motores de CA serán los estudiados.
De este tipo de motores, hay tres clasificaciones: motores de inducción, motores
síncronos y motores de colector.
Fig. 8 Esquema de un generador DINAMO
Fig. 9 Ejemplo de un motor de CD
PRÁCTICA NO.1: CONTROL DE MOTORES
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Fig. 11 Arquitectura interna de un motor de CA
Motores de inducción: Este tipo de motores de CA
poseen un devanado secundario dentro de su
arquitectura
Motores de inducción polifásicos: Estos motores, de
aplicación primordialmente industrial, requieren
grandes cantidades de corriente para operar.
Normalmente se auxilian de circuitos integrados para
mantener esa corriente constante y no dañar la
instalación eléctrica. La corriente trifásica entrante es
conectada a un devanado primario para alimentar al
rotor.
Motores de inducción monofásicos: Requieren de otro motor para ponerse en marcha,
puesto que sólo generan un campo alternativo fijo, no giratorio. Se conectan a una red
monofásica común.
Motores síncronos: La velocidad de estos motores depende de la frecuencia de la onda de
CA entrante, además de los pares de polos que posea dentro de su arquitectura.
Los motores de CA incluyen dentro de
sus arquitecturas imanes, escobillas
colocadas sobre su elemento
conmutador, hilo de cobre enrollado
en láminas superpuestas, una bobina
de hilo de cobre colocada en un eje de
metal, y una carcasa donde se colocan
todos los componentes.
Fig. 10 Ejemplo de un motor de CA de
inducción.
1.- Rotor de Aluminio
2.- Estator
PRÁCTICA NO.1: CONTROL DE MOTORES
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CIRCUITOS DE CONTROL DE MOTORES: TODO O NADA
Los motores pueden auxiliarse de muchos circuitos de control, ya sea para CA o CD. Los
dos circuitos aplicados de la práctica 1 manejan un sistema conocido como “todo o nada”,
el cual considera únicamente dos estados para el motor, encendido y funcionando, o
apagado y no funcionando, sin dominio de los diferentes parámetros que componen la
actividad de un motor o las acciones que sucedan entre estos dos estados de
conmutación.
El circuito ideal que ejemplifica este modo de control consiste sencillamente en un switch
entre una fuente de CA y un motor:
SW1 MOTOR
ON ARRANCA
OFF PARA
Sin embargo, la conmutación de manera manual resulta muy ineficaz puesto que ciertas
operaciones requerirían de una mayor velocidad de conmutación, además de que el
movimiento mecánico genera mucho ruido por el desbordamiento de corriente al
conmutar. Existen diversos dispositivos electromecánicos que facilitan dicha conmutación,
respondiendo a velocidades relativamente veloces. Tal es el caso del relevador o relay. El
inconveniente que posee es que su velocidad podría no ser suficiente para responder ante
los pulsos de un microcontrolador, por ejemplo, ya que presenta la gran desventaja de ser
un elemento mecánico, con características físicas de movimiento. Por otra parte, existen
dispositivos estáticos cuyas velocidades son más eficaces para trabajar de manera
conjunta con microcontroladores. Un ejemplo es el Optoacoplador o relevador de estado
estático, el cual emplea un fototransistor o un fototriac, dependiendo del caso, para
permitir el paso de energía, basándose en la luminiscencia presente en la base de dicho
elemento.
PRÁCTICA NO.1: CONTROL DE MOTORES
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DESARROLLO DE LA PRÁCTICA
Objetivos
Material
Relevador bobina 12V DC a 2A
-Los relevadores son conmutadores magnéticos cuyo switch
cambia de un estado a otro (NC a NA) cuando se inserta
cierto voltaje en su bobina, induciendo un campo magnético
que atrae a la pastilla, guiando la electricidad hacia otro
camino. Existen de diversos tipos en cuanto a conexión,
como son los de dos polos un tiro (SPDT), o los de dos polos
dos tiros (DPDT). Debido a que la conmutación es mecánica,
suele tener problemas trabajando con altas velocidades,
además de que produce un desbordamiento de corriente que
puede llegar a dañar otros elementos conectados.
Switch a 600V 2A
-Los switches para CA contienen un diseño robusto que les permite
conmutar mecánicamente sin producir grandes chispas y sin fundirse por la
gran cantidad de corriente que corre a través de ellos. Son utilizados
frecuentemente a nivel de las fuentes.
Diodo IN4001
-Los diodos son conductores de germanio o silicio cuya cualidad reside en
que sólo dejan pasar a la corriente en un solo sentido, de ánodo a cátodo.
En la práctica, el diodo protege al transistor de la descarga mecánica que
crea el relevador al conmutar. Dependiendo del material con el que hayan
sido fabricados, éstos presentan un consumo de voltaje reflejado en su
señal saliente. Si el diodo es de Germanio, éste consumirá 0.3V, mientras
que los de silicio consumen 0.7V.
PRÁCTICA NO.1: CONTROL DE MOTORES
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Transistor BC547
-Transistor de tipo NPN que opera bajo condiciones normales de corriente y
voltaje. En la práctica, se emplea como elemento de control para
activar/desactivar el relevador, permitiendo el paso de la corriente de su
bobina hacia tierra con un simple pulso en la base. Las terminales de los
transistores son base, Colector y Emisor. Al haber diferencia de potencial en
la base, el transistor entra en estado de saturación, lo cual significa que
habrá un voltaje colector-emisor equivalente al voltaje en el colector más
una ganancia en cuanto a corriente, la cual es dada por modelos
matemáticos.
TRIAC BTA16
-El TRIAC es un dispositivo pasivo cuya cualidad es la de permitir el
paso de corriente bidireccional (ondas positivas/negativas), es decir,
permite el paso de corriente alterna conservando sus características
originales. Sin embargo, este dispositivo es empleado como
elemento de control, ya que requiere un pulso en su entrada gate
para permitir el paso de dicha señal, convirtiéndose en un
conmutador de CA muy versátil. Su arquitectura se compone de dos
SCR colocados en paralelo, en sentidos opuestos.
OPTO-TRIAC MOC3011
- Este dispositivo aprovecha las características de los
dispositivos opto electrónicos para funcionar como un
conmutador de estado sólido, sin las consecuencias que trae el
movimiento mecánico de los dispositivos previamente
anunciados. El dispositivo se compone de un par de elementos en un mismo
encapsulado tipo DIP. Un led satura un componente opto electrónico, en este caso
un TRIAC, para que sólo bajo esa emisión de fotones pueda conmutar y dejar pasar
la corriente. La gran ventaja de estos dispositivos, además de su estado sólido, es
que funcionan como aislantes eléctricos entre la entrada/salida del circuito. Se les
conoce también como acopladores, pues conectan las señales de dos circuitos
distintos sin tener que establecer una conexión de interacción física que implique
riesgos o ruido.
PRÁCTICA NO.1: CONTROL DE MOTORES
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Mediciones de la práctica
A partir de mediciones con voltímetro y amperímetro, se consiguieron los siguientes
resultados:
CIRCUITO NO.1
SW1 VOLTAJE CORRIENTE
ON 123.1 V 2.1 A 1.3 A
OFF 124.4V 0A
-El par de arranque es el valor de corriente que el motor consume cuando la energía llega
a sus terminales, de manera que ese exceso lo use para arrancar. Una vez estabilizado, el
valor de consumo disminuye al promedio requerido para mantener constante su
operación.
Para el circuito no.1, el motor comenzó a funcionar de manera correcta cuando consumió
la corriente y voltajes necesarios para hacer constante su operación. El voltaje sólo fluye
hacia él cuando el switch está cerrado. Cuando el switch está apagado, la corriente que
está en el circuito es más o menos la que se provee desde la toma de corriente. Sin
embargo, al encender el switch, el motor hace un consumo de voltaje que reduce su valor
total en el circuito entero.
SW1 MOTOR
ON ARRANCA
OFF PARA
PRÁCTICA NO.1: CONTROL DE MOTORES
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CIRCUITO NO.2
ESTADO VCC VOLTAJE CORRIENTE
ON 124.6 V 2.8 A 1.3 A
OFF 126.3V 0A
-En el caso del circuito no.2, el elemento conmutador fue el relevador, y su conmutación
mecánica fue controlada insertando vcc en la base del transistor. Ya que éste está
conectado a tierra mediante su terminal de colector, sólo llevándolo a saturación
permitiría el paso de la corriente proveniente de los 12V a tierra (VCE), creando así una
diferencia de potencial en la boina para atraer a la pasilla mecánica por inductancia y así
conmutar y alimentar al motor. El diodo funciona para retroalimentar la corriente en
exceso de regreso a la bobina, pues ésta puede dañar al resto del circuito.
ESTADO VCC MOTOR
ON ARRANCA
OFF PARA
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CIRCUITO NO.3
ESTADO VCC VOLTAJE CORRIENTE
ON 117 V 2.09 A 1.14 A
OFF 120 V 0A
-El circuito no.3 maneja un control de conmutación más complejo. Cuando el transistor
está en saturación, el led permitirá la operación del triac integrado en el opto acoplador,
el cual permitirá el paso de la corriente hacia el gate del mismo, permitiendo que la señal
de CA llegue hasta el motor, iniciando su arranque. Si se desactiva vcc, el led deja de
emitir fotones y el triac suspende sus actividades, conmutando inmediatamente a
apagado.
ESTADO VCC MOTOR
ON ARRANCA
OFF PARA
PRÁCTICA NO.1: CONTROL DE MOTORES
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CONCLUSIONES
BAYUELO GONZÁLEZ EDER
Manejar el encendido y apagado del motor de corriente alterna mediante un
switch, es el principio básico para aprender a utilizar los mismos con
arquitecturas mucho más complicadas, como es el caso de los
microcontroladores.
El uso y control de los motores de corriente alterna, puede facilitarse
manejando relevadores, así como los transistores y corriente continua.
PRÁCTICA NO.1: CONTROL DE MOTORES
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SANDOVAL ROSAS ALFONSO
Esta práctica nos ayudó a comprender los fundamentos de los circuitos de control de
motores de CA. Para aplicaciones específicas de la industria en proyectos automatizados,
es muy conveniente poseer control total sobre todos los parámetros de operación de los
motores, como lo son la velocidad, el arranque, el tiempo de operación, la potencia, etc. A
través de diversos circuitos, es posible controlarlos, de manera que los procesos resulten
más efectivos al poder manipular su desarrollo. Los circuitos de esta práctica siguen la
filosofía de “todo o nada”, la cual consiste en que el arranque del motor es absoluto o
nulo, sin estados intermedios o control sobre algún otro parámetro.
El primer circuito maneja únicamente un switch para conmutar entre dos estados del
motor. Ya que es el circuito más básico que existe para controlar un motor, su aplicación
resulta muy poco práctica para cualquier proceso. Por otra parte, el segundo circuito
maneja un relevador y un transistor BC547. Al saturar el transistor y aplicar 12V en la
bobina del relevador, éste se activa conmutando su pastilla mecánica hacia el encendido
del motor. El usar un dispositivo mecánico como éste implica la consideración de muchos
riesgos, como lo son las fallas físicas o la velocidad ineficaz de conmutación, ambas
causadas por las limitaciones del movimiento mecánico. Esto se soluciona en el tercer
circuito, al utilizar un relevador de estado sólido. El circuito es en esencia el mismo, sólo
que la integración de un opto triac elimina la posibilidad de fallas mecánicas e incrementa
la velocidad de respuesta. El triac integrado en este dispositivo actúa como un
conmutador de CA muy versátil para éste tipo de aplicaciones, pues sólo necesita
corriente en su entrada de gatillo y una emisión de fotones por parte del led.
Finalmente, en esta práctica entendimos los principios básicos de control de motores que
nos pueden auxiliar en la comprensión de otros circuitos más complejos que controlen
más parámetros del motor.