Universidad de Oriente

Núcleo de Monagas

Ingeniería de Sistemas

Cursos Especiales de Grado

Área: Automatización y Control de Procesos Industriales

Instrumentación de Control Industrial

Maturín/Monagas/Venezuela

Unidad IV

ACTUADORES ELECTRICOS

Seminario: Instrumentación de Control Industrial

Equipo: ERP

Augusta J. López R. C.I.:19.853.249

Nicolás H. Mekari L. C.I.:20.915.259

Tutor: Ing. Edgar Goncalves

Maturín, Octubre 2014

CONTENIDOINTRODUCCIÓN.....................................................................................................1

MARCO TEORICO...................................................................................................2

Actuadores Eléctricos. Según Rafael Sánchez.....................................................2

1. Motores de corriente alterna.......................................................................2

2. Motores de Corriente Continua...................................................................3

3. Motores Paso a Paso..................................................................................4

4. Servomotores..............................................................................................4

5. Motor Universal...........................................................................................4

Partes más comunes en un actuador...................................................................4

Sistema de "llave de seguridad":.......................................................................4

Piñón con ranura...............................................................................................5

Cojinetes de empalme:......................................................................................5

Muñoneras:........................................................................................................5

Construcción:.....................................................................................................5

Revestimiento:...................................................................................................5

Muñoneras radiales y de carga del piñón..........................................................5

Sellos del piñón - superior e inferior:.................................................................5

Resortes indestructibles de seguridad en caso de falla:....................................5

DISCUSIÓN.............................................................................................................6

CONCLUSIÓN.........................................................................................................8

REFERENCIAS BIBLIOGAFICAS............................................................................9

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INTRODUCCIÓNPara que un sistema electrónico de control pueda controlar un proceso o producto es necesario que pueda actuar sobre el mismo. Los dispositivos que realizan esta función reciben diversos nombres, entre ellos: accionamientos y actuadores. Los actuadores son elementos importantes en la industria ya que debido a ellos es posible que los robots puedan realizar diversas tareas ya que su misión es generar el movimiento de los elementos de estos según las órdenes dadas por una unidad de control, cada uno de los sistemas presentan características, aplicaciones ventajas y desventajas las cuales deben ser tomadas en cuenta para un determinado fin. El actuador eléctrico presenta gran control, sencillez y precisión, por tanto son los más utilizados en los robots industriales actuales. Es por ello que a continuación se analizaran los conceptos y características relacionadas a los actuadores eléctricos.

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MARCO TEORICO

Actuadores Eléctricos. Según Rafael SánchezLas características de control, sencillez y precisión de los accionamientos eléctricos han hecho que sean los más usados en los robots industriales actuales. Estos transforman la energía eléctrica en energía mecánica. Además son los más extendidos y los que poseen un mayor campo de aplicación dada la fácil disponibilidad de la energía eléctrica a través de las redes de distribución.

Cabe destacar que son altamente versátiles debido a que se utilizan cabes eléctricos para transmitir señales de control y electricidad. Por lo que no hay prácticamente restricciones respecto a la distancia entre la fuente de poder y el actuador.

Existe una gran cantidad de modelos y es fácil utilizarlos con motores eléctricos estandarizados según la aplicación. En muchos casos es necesario utilizar reductores, debido que los motores son de operación continua.

Dentro de los actuadores eléctricos pueden distinguirse 5 tipos diferentes:

1. Motores de corriente alterna.Son en general motores robustos sencillos, compactos y que necesitan poco mantenimiento. Además suelen ser más baratos que los motores de corriente continua para potencias equivalentes, se consideran los motores industriales por excelencia.

1.1.Monofásicos.Este tipo de motores posee una fase y un neutro. Sirven únicamente para potencias pequeñas o medias. Poseen inconveniente de necesitar un arrancador. Pueden ser de dos tipos Síncronos y Asíncronos.

1.1.1. Monofásicos Síncronos.Este tipo de motor trabaja siempre a velocidad fija aun cuando varíe la carga.

Su velocidad de giro es constante, y viene determinada por la frecuencia de la tensión de la red eléctrica a la que esté conectado y por el número de pares de polos del motor, siendo conocida esa velocidad como “velocidad de sincronismo”.

Los motores síncronos se utilizan en aquellas aplicaciones donde se necesita mantener velocidad exacta (por ejemplos en temporizadores)Presenta el problema de que necesitan un arrancador.

1.1.2. Monofásicos Asíncronos.Son motores que trabajan bajo una velocidad aproximadamente fija, aunque varíe la carga, ya que el punto de funcionamiento del motor se

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encuentra en una zona en donde la curva es vertical. Son los motores más ampliamente utilizados. Son similares a los motores trifásicos.

1.2.Trifásicos.Estos motores presentan las mismas características que los monofásicos, con la única diferencia que se pueden poner en marcha sin necesidad de un arrancador. Cabe destacar que estos se construyen para potencias mayores.

2. Motores de Corriente Continua.Estos motores son pesados, caros, y necesitan bastante mantenimiento, debido al chisporroteo continuo de las escobillas, No obstante eran la mejor opción para las aplicaciones que necesitaban controlar la velocidad y/o el para hasta que se desarrolló el variador de frecuencias, aparato que subsana estas carencias de los motores asíncronos.

También se utilizan en esos sitios en donde la alimentación proviene de una batería. La velocidad es fácilmente ajustable poniendo únicamente un reóstato (resistencia variable) en el inductor. El sentido de inducción se invierte cambiando la polaridad del motor.

2.1.Bobinados en Derivación.Este tipo de motores presentan la excitación bobinada en paralelo, por lo que la caída de la tensión es la misma que la del motor. Pueden ser de dos tipos: con escobillas o sin escobillas o brushless (en inglés).

2.1.1. Con escobillas.Estos, presentan inconvenientes en cuanto al mantenimiento, ya que las bobinas chisporrotean constantemente y se desgastan.

2.1.2. Sin escobillas.Presentan un menor costo de mantenimiento al funcionar sin escobillas. Se utilizan para aparatos tales como ventiladores.

2.2.Bobinados en Serie.Este tipo de motores presenta la excitación bobinada en serie, por o que la caída de la excitación no es fija. Al igual que los motores con excitación en paralelo pueden ser con escobillas o sin escobillas. Su velocidad varia con la carga ya que, su excitación se encuentra en serie.

2.3.Excitación independiente.Este tipo de motores presenta la alimentación del devanado inductor mediante una fuente de alimentación externa a la maquina. Por este motivo, es muy fácil controlar su velocidad variando únicamente la corriente de excitación. Con este tipo de motores se puede controlar la velocidad del mismo incluso en lazo abierto.

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3. Motores Paso a Paso.Son dispositivos electromagnéticos, rotativos, incrementales que convierten pulsos digitales en rotación mecánica.La cantidad de rotación es directamente proporcional a la cantidad de pulsos y la velocidad de rotación es relativa a la frecuencia de dichos pulsos. Este tipo de motores avanzan a impulsos un ángulo prefijado. Generalmente se utilizan alimentados mediante un dispositivo programable que es el que le suministra los impulsos. Mediante este tipo de motores se consigue un motor de posición aceptable a bajo costo, siempre y cuando la inercia del sistema sea baja (el sistema tarde poco en acelerar y frenarse).Su uso más habitual es en aparatos de pequeña potencia, tales como impresoras, escáneres, entre otros.

4. Servomotores.Es un motor de corriente continua, que tiene la capacidad de ubicarse en cualquier posición, dentro de su rango de operación y mantenerse estable en dicha posición. Está conformado por un motor, una caja reductora y un circuito de control. Los servos se utilizan constantemente en sistema de radiocontrol y en robótica, pero sus usos no están limitados a estos.El control de posición del motor se realiza en lazo cerrado, con lo que se consigue un control de la posición muy preciso, con requisitos de mantenimiento mínimos. Se utilizan en máquinas de precisión , tales como, maquinas-herramientas, robots, impresoras, actuadores de control de superficie de aeronaves, entre otros.

5. Motor Universal.Sirven para pequeños electrodomésticos (pequeñas potencias), como batidoras, entre otros. Donde se requiere gran velocidad con cargas débiles. Se puede conectar tanto a corriente continua como a corriente alterna.Estos motores tienen una ventaja, es que alcanza grandes velocidades con poca fuerza. Además no están construidos para uso continuo o permanente. Otra dificultad de motores universales en lo que en radio se refiere son a las chispas del colector y las interferencias de radio que ellas llevan consigo o ruido.

Partes más comunes en un actuadorSistema de "llave de seguridad": Este método de llave de seguridad para la retención de las tapas del actuador, usa una cinta cilíndrica flexible de acero inoxidable en una ranura de deslizamiento labrada a máquina. Esto elimina la concentración de esfuerzos causados por cargas centradas en los tornillos de las tapas y helicoils. Las llaves de seguridad incrementan de gran forma la fuerza del ensamblado del actuador y proveen un cierre de seguridad contra desacoplamientos peligrosos.

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Piñón con ranura: Esta ranura en la parte superior del piñón provee una transmisión autocentrante, directa para indicadores de posición e interruptores de posición, eliminando el uso de bridas de acoplamiento. (Bajo la norma Namur).

Cojinetes de empalme: Estos cojinetes de empalme barrenados y enroscados sirven para simplificar el acoplamiento de accesorios a montar en la parte superior. Pase de aire grande: Los conductos internos para el pasaje de aire extra grandes permiten una operación rápida y evita el bloqueo de los mismos.

Muñoneras: Una muñonera de nuevo diseño y de máxima duración, permanentemente lubricada, resistente a la corrosión y de fácil reemplazo, extiende la vida del actuador en las aplicaciones más severas.

Construcción: Se debe proveer fuerza máxima contra abolladuras, choques y fatiga. Su piñón y cremallera debe ser de gran calibre, debe ser labrado con maquinaria de alta precisión, y elimina el juego para poder obtener posiciones precisas. Ceramigard: Superficie fuerte, resistente a la corrosión, parecida a cerámica. Protege todas las partes del actuador contra desgaste y corrosión.

Revestimiento: Un revestimiento doble, para proveer extra protección contra ambientes agresivos. Acople: Acople o desacople de módulos de reposición por resorte, o de seguridad en caso de falla de presión de aire. Tornillos de ajuste de carrera: Provee ajustes para la rotación del piñón en ambas direcciones de viaje; lo que es esencial para toda válvula de cuarto de vuelta.

Muñoneras radiales y de carga del piñón: Muñoneras reemplazables que protegen contra cargas verticales. Muñoneras radiales soportan toda carga radial.

Sellos del piñón - superior e inferior: Los sellos del piñón están posicionados para minimizar todo hueco posible, para proteger contra la corrosión.

Resortes indestructibles de seguridad en caso de falla: Estos resortes son diseñados y fabricados para nunca fallar y posteriormente son protegidos contra la corrosión. Los resortes son clasificados y asignados de forma particular para compensar la pérdida de memoria a la cual está sujeta todo resorte; para una verdadera confianza en caso de falla en el suministro de aire.

Ventajas y desventajas

Ventajas: Estos actuadores son: Precisos, Fiables, Fácil control, Sencilla instalación, y Silenciosos

Desventajas: Estos actuadores suelen tener Potencia limitada.

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DISCUSIÓNEs de saber que los actuadores eléctricos son dispositivos capaces de transformar energía eléctrica en la activación de un proceso con la finalidad de generar un efecto sobre un proceso automatizado. Este recibe la orden de un regulador o controlador y en función a ella genera la orden para activar un elemento final de control como, por ejemplo, una válvula.

Sin embargo, los actuadores eléctricos son usados para manejar aparatos mecatrónicos, como por ejemplo, en los robots. Los servomotores CA sin escobillas se utilizaran en el futuro como actuadores de posicionamiento preciso debido a la demanda de funcionamiento sin tantas horas de mantenimiento. Es de acotar que los servomotores no son los únicos actuadores eléctricos.

Se puede decir que algunos autores solo prefieren clasificarlos en tres tipos, pero según el profesor Rafael Sánchez en su guía de Ingeniería de máquinas los clasifica en cinco tipos, que serían: los motores de corriente alterna que son motores sencillos y de fácil uso, estos a su vez se dividen en, monofásicos y trifásicos.

Otro actuador eléctrico seria Motores de Corriente Continua los cuales son mucho más costosos y más complicado a la hora de hacer algún tipo de mantenimiento, estos a su vez se clasifican en tres tipos que seria los bobinados en derivación y bobinados en serie además de los de excitación independiente.

Seguidamente podemos mencionar a los otros tipos de actuadores eléctricos, en este caso podemos mencionar los motores paso a paso pero es importante mencionar que estos generalmente no han sido considerados dentro de los accionamientos industriales, debido principalmente a que los pares para los que estaban disponibles eran muy pequeños y los pasos entre posiciones consecutivas eran grandes. En los últimos años se han mejorado notablemente sus características técnicas, especialmente en lo relativo a su control, lo que ha permitido fabricar motores paso a paso capaces de desarrollar pares suficientes en pequeños pasos para su uso como accionamientos industriales.

Es importante mencionar que este tipo de motores no ha tenido aplicación en robótica hasta hace unos años, debido fundamentalmente a la dificultad de su control. Sin embargo, las mejoras que se han introducido en las maquinas síncronas hacen que se presenten como un claro competidor de los motores de corriente continua. Esto se debe principalmente a tres factores: la construcción de los motores síncronos sin escobillas, el uso de convertidores estáticos que permiten variar la frecuencia (y así la velocidad de giro) con facilidad y precisión y el empleo de la microelectrónica, que permite una gran capacidad de control.

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Ahora bien los servomotores y a los motores universales son otros tipos de actuadores eléctricos. Cabe destacar que cada uno de estos tienen características pequeñas que los diferencian entre sí pero en general o de manera total cumplen con las mismas funciones, y es el hecho de convertir o transformar energía eléctrica en procesos mecánicos.

Gracias a esta característica importante son de mucha utilidad en el mundo industrial ya que no se requiere o no existen ningún tipo de restricciones en cuanto el actuador respecto a la fuente de poder.

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CONCLUSIÓN La estructura de un actuador eléctrico es simple en comparación con la de los actuadores hidráulicos y neumáticos, ya que sólo se requieren de energía eléctrica como fuente de poder. Como se utilizan cables eléctricos para transmitir electricidad y las señales, es altamente versátil y prácticamente no hay restricciones respecto a la distancia entra la fuente de poder y el actuador. Existe una gran cantidad de modelos y es fácil utilizarlos con motores eléctricos estandarizados según la aplicación. En la mayoría de los casos es necesario utilizar reductores, debido a que los motores son de operación continua. La forma más sencilla para el accionamiento con un pistón, sería la instalación de una palanca solidaria a una bisagra adherida a una superficie paralela al eje del pistón de accionamiento y a las entradas roscadas

Aunque los actuadores eléctricos pueden usarse como fuente de energía (electricidad) están disponibles, hay muchas aplicaciones para las que es particularmente conveniente. Por ejemplo, en muchas instalaciones remotas puede ser impracticable hace funcionar la instalación con aire comprimido y mantenerlo. Las conducciones pueden congelarse y hacer que el equipo se obstruya y quede inoperativo o dañe instrumentos delicados. Si solo unos pocos actuadores se instalan en un área, los actuadores eléctricos ofrecen un medio simple de automatización de estos sistemas más pequeños.

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REFERENCIAS BIBLIOGAFICASSanchez, R. Accionamientos y actuadores Eléctricos. [Documento en Línea] (Consultado el 30 de octubre de 2014) Disponible en: http://www.uhu.es/rafael.sanchez/ingenieriamaquinas/carpetaapuntes.htm/Apuntes%20Tema%206%20nuevo%20formato.pdf

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