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Accionamientos eléctricos

1. Definiciones

2. Tipos de accionamientos

3. Accionamientos eléctricos

4. Criterios de selección

5. Accionamientos continuos

6. Accionamientos para movimientos rápidos

7. Enlaces

1. Definiciones

Accionamiento: Se denomina accionamiento al elemento o elementos de la máquina encargado de suministrar la energía mecánicanecesaria para que la máquina funcione.

Conversor mecánico: Elemento encargado de transformar cualquier tipo de energía en energía mecánica y ponerla a la disposición delaccionamiento con el fin de que éste último lo suministre a la máquina.

Par de polos: Cada una de las veces que las bobinas de los motores de alterna que hacen un imán, esto es, generan un polo positivo yotro negativo.

2. Tipos de accionamientos

Los tipos de accionamientos más empleados en el diseño de máquinas son:

- Accionamientos eléctricos: motor de continua, síncrono, asíncrono, brushless.

- Accionamientos hidráulicos: cilindro de simple y doble efecto, cilindro giratorio.

- Accionamientos neumáticos: cilindro de simple y doble efecto, cilindro giratorio.

- Accionamientos por motor térmico: máquina de vapor, motor de gasolina u Otto de dos y cuatro tiempos, motor diésel, turbinas de gas.

- Accionamientos explosivos: pólvora.

- Accionamientos elésticos: muelles, gomas.

- Accionamientos gravitatorios: suministro de elementos mediante gravedad.

- Accionamiento humano: persona.

3. Accionamientos eléctricos

Los accionamientos eléctricos son los más extendidos y los que poseen un mayor campo de aplicación dada la fácil disponibilidad de laenergía eléctrica a través de las redes de distribución. De hecho, hay accionamientos que dependen de una etapa previa realizada porun accionamiento eléctrico, como en los accionamientos neumáticos o hidráulicos (un accionamiento eléctrico debe mover inicialmenteun compresor o una bomba), gravitatorio (previamente se tiene que desplazar el elemento que caerá por gravedad al sitio por el quecaerá), etc.

Los accionamientos eléctricos pueden ser:

- Motores de corriente alterna: Son, en general, motores robustos, compactos y que necesitan poco mantenimiento. Además, suelen sermás baratos que los motores de corriente continua para potencias equivalentes.



·Monofásicos: Este tipo de motores poseen una única fase y un neutro. Sirven únicamente para potencias pequeñas o medias (<3kw). Poseen el inconveniente de necesitar de un arrancador. Pueden ser de dos tipos: i. Síncronos: Este tipo de motores funcionan siempre a una velocidad fija, siendo su curva de par-velocidad de la siguienteforma:

Este tipo de motores trabajan a velocidad fija aun cuando varíe la carga, tal como se puede apreciar en la gráfica par-velocidad. Los motores síncronos se utilizan en aplicaciones donde se necesita mantener una velocidad exacta (por ejemplo, en temporizadores). Presentan el problema de que necesitan un arrancador.

ii. Asícronos: Este tipo de motores funcionan con una curva par-velocidad de la siguiente forma:

Son motores que funcionan a una velocidad aproximadamente fija aunque varíe la carga, ya que se puede observar en la gráfica par-velocidad que el punto de funcionamiento del motor se encuentra en una zona en la que la curva es muy vertical. Son los motores más apliamente utilizados. Los motores trifásicos permiten potencias mayores y, además, no necesitan arrancador.

· Trifásicos: Presentan las mismas características que los monofásicos, con la diferencia de que se pueden poner en marcha sinnecesidad de arrancador. Se construyen para potencias mayores

- Motores de corriente continua: Este tipo de motores son pesados, caros y necesitan bastante mantenimiento debido al chisporroteocontinuo de las escobillas. No obstante, eran la mejor opción para las aplicaciones en las que se necesitaba controlar la velocidad y/o elpar hasta que se desarrolló el variador de frecuencia, aparato que subsana esta carencia de los motores asíncronos. También se utilizan en aquellos sitios donde la alimentación proviene de una batería. La velocidad es fácilmente ajustable poniendoúnicamente un reostato (resistencia variable) en el inductor. El sentido de rotación se invierte cambiando la polaridad del motor. ·Bobinados en derivación: Este tipo de motores presentan la excitación bobinada en paralelo, por lo que la caída de tensión de laexcitación es la misma que la del motor. Pueden ser de dos tipos: i. Con escobillas: Presentan inconvenientes en cuanto al mantenimiento, ya que las bobinas chisporrotean continuamente y sedesgastan. ii. Brushless (sin escobillas): Presentan un menor coste de mantenimiento al funcionar sin escobillas.

La gráfica par-velocidad de estos motores es la siguiente:



Como se puede apreciar, la gráfica es similar a la del motor asíncrono. Se utilizan para aparatos tales como ventiladores decontinua.

·Bobinados en serie: Este tipo de motores presentan la excitación bobinada en serie, por lo que la caída de tensión de laexcitación no es fija. Al igual que los motores con excitación en paralelo, pueden ser con escobillas o brushless. Su gráfica par-velocidades la siguiente:

Su velocidad varía con la carga, ya que posee la excitación en serie.

·Con excitación independiente: Este tipo de motores presentan la alimentación del devanado inductor mediante una fuente dealimentación externa a la máquina. 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. Su gráfica par-velocidad es la siguiente:

- Motores paso a paso: Este tipo de motores avanzan a impulsos un ángulo prefijado. Generalmente se utilizan alimentados mediante undispositivo programable que es el que le suministra los impulsos. Mediante este tipo de motores se consigue un motor de posiciónaceptable a bajo coste, siempre y cuando la inercia del sistema sea baja (el sistema tarde poco en acelerarse y frenarse). Su uso máshabitual es en aparatos de pequeña potencia, tales como impresoras, escáner, etc.

- Servomotores : Se tratan de motores con un control de posición en lazo cerrado, con lo que se consigue un contros de la posición muypreciso. Se utiliza en máquinas de precisión, tales como máquinas-herramienta, robots, impresoras, plotters, actuadores de control desuperficie de aeronaves, etc.

- Motor universal: Sirven para pequeños electrodomésticos (pequeñas potencias), como taladradoras, batidoras, etc. Se puedenconectar tanto a corriente continua como a corriente alterna. Presenta una gráfica par-velocidad de la siguiente forma:



4.Criterios de selección

Los factores que debemos tener en cuenta para elegir un tipo de motor u otro son los siguientes:

- Par resistente de la carga - Velocidad de funcionamiento - Potencia (hay que tener en cuenta que la potencia será igual al par nominal de la aplicación por la velocidad nominal de laaplicación) - Variaciones en la carga y en la velocidad (hay que tener en cuenta que hay motores que pueden llegar a pararse si la variación dela carga es excesiva) - Par de arranque (en ocasiones hará falta el uso de un arrancador para poner en marcha un motor) - Ciclo de trabajo (arraque, funcionamiento, parada) - Voltaje de operación - Factores ambientales - Tipo de energía disponible

5. Accionamientos continuos

En el diseño de cualquier accionamiento intervienen dos elementos: el motor o accionamiento y el elemento receptor. Éste últimoincluye la transmisión que transforma la energía suministrada por el motor para hacerla más adecuada a las necesidades del receptor.

Entre ambos elementos se puede dar cualquiera de estas tres fases: arranque, funcionamiento en régimen y parada. Elfuncionamiento del accionamiento durante estas tres fases se podrá determinar a partir de las características mecánicas del motor y delreceptor, siendo éstas sus curvas de par-velocidad anteriormente mostradas.

Respecto al motor, las curvas par-velocidad suelen ser conocidas al ser suministradas por el fabricante. A estas curvas se las sueledenominar curvas de par motor.

Podemos tener dos tipos de curvas mecánicas características: rígidas y elásticas.

Motor de característica mecánica rígida: Aquel en el que la velocidad disminuye muy poco al aumentar el par (Ej. motor de corrientecontinua en derivación, motor asíncrono cerca de su punto nominal, motor síncrono)

Motor de característica mecánica elástica: Aquel en el que se da una variación importante de la velocidad al variar el par (Ej. motorde corriente continua en serie, motor de gasolina)

Respecto a la máquina receptora, su curva par-velocidad (generalmente llamada curva de par resistente) es más variada, pudiendoser de cualquiera de estos tipos:

- Independiente de la velocidad (constante): Se da en aquellas cuyo resistencia se debe a una fuerza constante, como la gravedad(ascensores, grúas, escaleras mecánicas, elevadores de cangilones) o a una fuerza de rozamiento (cintas transportadoras). Enocasiones el par de arranque es un poco mayor que el nominal.

- Linealmente creciente: Esta curva de par resistente se da en generadores de corriente continua y en máquinas con resistenciasviscosas (mezcladoras)

- Parabólicamente creciente: Esta curva de par resistente se da en ventiladores, bombas centrífugas, hélices, etc.



- Decreciente: Esta curva de par resistente se da en aquellas máquinas que absorben una potencia constante (accionamientos demáquinas-herramienta, máquinas encarretadoras, máquinas enrolladoras)

El punto más importante de estas curvas es el par de arranque. Cabe decir que generalmente en el arranque circula por los motoresuna intensidad superior a la nominal, con lo que los devanados del motor se calientan. La fase de arranque, por tanto, es bastantecrítica, ya que es la fase donde el motor más se estropea. La energía disipada es directamente proporcional con el cuadrado de laintensidad y con el tiempo. Es por este motivo por lo que los arrancadores disminuyen el par de arranque, ya que de esta forma seconsigue que circulen intensidades menores y el motor sufre menos aunque tarde más tiempo en arrancar. Debido a este incremento detiempo en el arranque, ésta medida no será apropiada siempre, ya que habrá casos en los que nos interesará un arranque rápido.

· Fase de arranque: Durante esta fase el motor arrastra a la cargay la va acelerando hasta llevarla al punto de régimen, punto que seencuentra en la intersdección de la curva de par motor con la curva de par resistente (Intersección de las dos caracteristicas mecánicasanteriormente citadas). Para que se inicie el arraque el par motor debe ser superior al par resistente, siendo la diferencia de ambas el par acelerador. A mayorpar acelerador, más rápidamente se llega al punto de funcionamiento. Es por este motivo por el que, al disminuir el par mediante unarrancador para que el motor no sufra en exceso, el motor tarda más en llegar a su punto de funcionamiento (tarda más en "arrancar") La forma de reducir esta sobreintensidad en el arranque en los motores trifásicos es emplear un arrancador estrella-triángulo, ya quereduce la intensidad en raíz de tres veces, por lo que se permiten tiempos de arranque hasta tres veces superiores para obtener elmismo calentamiento. No obstante, al reducirse también el par de arranquem se debe comprobar que éste sigue siendo superior al parresistente, ya que si no la máquina no arrancaría. En caso de no poder utilizar un arrancador estrella-triángulo se puede utilizar un acoplamiento de arranque, los cuales cumplentambién la función de elementos de seguridad. Existen dos tipos:

i. Acoplamiento de arranque mecánico: constan de un rodete y una carcasa, de forma que el rodete va unido al motor y la carcasaa la carga. Entre ambos hay bolas o rodillos de forma que al principio se produce rodadura entre los elementos rodantes, con lo queúnicamente se transmite una parte del par a la carga (pero, como contrapartida, el par resistente que verá el motor será también menor).De esta forma el motor se va acelerando independientemente de la carga. A medida que la carga se acelera aumenta la fuerza centrífuga, con lo que se reduce la rodadura entre los elementos y el par motor ypar transmitido pasan a ser el mismo. Mediante este mecanismo el tiempo de arranque es considerablemente mayor, pero el calentamiento en los devanados del motor seha reducido de manera notable, ya que el paso por las velocidades bajas del motor (en las que suministra corriente elevada) se harealizado en menor tiempo. Además, este elemento actua también como elemento de protección, ya que en caso de que aumente de forma brusca la cargadurante el funcionamiento normal los elementos rodantes vuelven a rodar, no sobrecargándose el motor.

ii. Acoplamiento de arranque hidraúlico: funcionan de forma similar, aunque en este caso la función de rodete es ejercida por unabomba y la de carcasa por una turbina, siendo el fluido intermedio el que ejecuta las funciones de elemento rodante. En caso desobrecarga también ofrece la función de actuar como elemento de seguridad.

· Fase de régimen: Durante esta fase toda la energía suministrada por el motor es consumida por la carga. Para que la máquinafuncione de manera estable se debe cumplir que la derivada del par motor respecto de la velocidad sea menor que la derivada del parresistente respecto a la velocidad, ya que de esta forma si se incrementa un poco la velocidad el motor tiende a frenarse, volviendo alpunto nominal, mientras que si disminuye el motor se acelera, retornando a su valor de régimen. En caso de que el par resistente variara mucho durante el funcionamiento en régimen nominal, se prodrían poner volantes de inerciacon el fin de reducir estas oscilaciones.

· Fase de parada: La parada del accionamiento se puede producir simplemente por inercia (se deja de suministrar el par motor y elmecanismo se para por rozamiento) o bien mediante frenos, con lo cuales podemos controlar el tiempo de parada. Los frenos eléctricos no se basan en fricción, con lo que tienen menor mantenimiento que los mecánicos. Además, la energía defrenado puede disiparse en una resistencia (en forma de calor) o bien reutilizarse (cargando una batería, por ejemplo). Esta capacidadde reutilización no es posible en los frenos mecánicos, ya qu éstos sólo permiten disipar la energía en forma de calor. No obstante,mediante los frenos eléctricos no se puede utilizar el frenado estático.

El frenado eléctrico del motor se puede llevar a cabo mediante las siguientes estratégias: - Frenado por contracorriente: consiste en cambiar el sentido de giro del motor, bien cambiando la polaridad (motor de continua), bien cambiando dos fases (motor de alterna trifásico). - Frenado generatórico: sólo se puede utilizar para frenar hasta llegar a la velocidad de sincronismo o bien una velocidad menormediante el uso de baterías de condensadores. - Frenado por cortocircuito: Este frenado se realiza cortocircuitando el estátor. Esta técnica posee dos inconvenientes: por unlado, la duración del frenado es bastante impredecible; por el otro, al cortocircuitar el estátor se producen corrientes muy elevadas quecalientan el motor, reduciendo su vida útil si el cortocircuito es prolongado. - Frenado por corriente continua: consiste en desconectar el estátor y excitarlo con corriente continua.



6. Accionamientos para movimientos rápidos:

En determinadas aplicaciones (robótica, automatización) es interesante que los accionamientos efectuen movimientos rápidos yprecisos, por lo que usualmente se utilizan servomotores, cuya característica mecánica (par motor) es aproximadamente constante conla velocidad y regulable con la señal de mando.

7. Enlaces

Maquina rotativa elemental

Motores paso a paso

Catálogo de motores trifásicos de baja tensión de Siemens

Catálogo general de Siemens de accionamientos eléctricos

Catálogo de Koford

Catálogo de Parvex

Documents

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