Trabajo Obligatorio Ingeniería de las Industrias Agrarias y Alimentarias Electrotecnia y electrificación Lucía Achiaga Bello Trabajo Obligatorio de Electrotecnia y Electrificación Resumen tema 3 Definición. Las máquinas eléctricas aparatos capaces de transformar la energía eléctrica en otro tipo de energía o viceversa. Las podemos clasificar en: Generadores Transformadores Receptores Principios de funcionamiento. Las máquinas eléctricas cumplen en su funcionamiento con los principios de inducción electromagnética y la fuerza de Lorenz. Y para analizar de forma práctica su comportamiento podemos usar tanto la regla de la mano derecha, como la de la mano izquierda. Aspectos constructivos. Como elementos constituyentes de las máquinas eléctricas rotativas podemos encontrar al estator, al rotor y al entrehierro. Y si las analizáramos desde el punto de vista electromagnético, veríamos que están compuestas por dos circuitos eléctricos (estator y rotor) acoplados por un circuito magnético. Clasificación. Si clasificamos a las maquinas eléctricas dependiendo de la forma de corriente que consumen o generan, podemos encontrar dos grupos. Las maquinas de corriente continua y las máquinas de corriente alterna. Dentro de las máquinas de corriente alterna encontramos dos tipos, las síncronas y las asíncronas. Las máquinas síncronas giran a la misma velocidad que el campo magnético giratorio producido en ellas. En cambio, las máquinas asíncronas giran a una velocidad menor a la del sincronismo debido a la presencia de resbalamiento. Características mecánicas de un motor. Analizando las curvas Par-Velocidad de un motor logramos diferenciar 3 fases de funcionamiento, las cuales son: Arranque: En esta fase debe cumplirse que el par motor sea mayor al par resistente. Aceleración: Aquí es donde mas se exige al motor, porque debe vencer al par resistente y al par de inercia para lograr acelerarse. Marcha de régimen: En esta instancia el par motor y el par resistente pasan a ser iguales Trabajo Obligatorio de Electrotecnia y Electrificación Pérdidas en los motores. Las pérdidas pueden darse en el hierro, ya sean por histéresis o por corrientes de Foucault, pueden darse en los conductores por efecto Joule, y también pueden darse en forma mecánica, el aspecto mecánico contempla rozamiento de cojinetes y escobillas, así como también la resistencia del aire en el circuito de refrigeración. Motores de corriente continua. Estas máquinas son reversibles, es decir que pueden usarse tanto como motores o generadores. En su construcción encontramos un devanado estatórico o inductor, y un devanado rotórico o inducido, el cual se conecta al exterior a través de un colector con delgas y escobillas rozantes. Hay varias formas de clasificar este tipo de motores, una de ellas es a través de los tipos de excitación utilizados para hacerlos funcionar, a saber: De excitación independiente, excitación serie, excitación en paralelo o excitación compuesta. En cuanto a lo que respecta al arranque de estos motores se puede decir que la corriente consumida por los mismos es muy alta en esa instancia de funcionamiento, por lo que podemos limitarla reduciendo la tensión que llega a los bornes del motor o aumentando la resistencia del inducido. La regulación de velocidad del motor podemos lograrla regulando la tensión de alimentación, regulando la tensión que cae en el inducido o actuando sobre el flujo magnético. Y la inversión del sentido de giro la logramos o bien invirtiendo la polaridad del estator, como también la logramos invirtiendo la polaridad del rotor. En cuanto a las formas de frenar un motor de continua, podemos optar por un frenado reostático o regenerativo. Un último aspecto de estos motores es la reacción de inducido que se presenta cuando el motor esta cargado, para reducir este efecto perjudicial podemos acudir a los polos auxiliares de conmutación o a la desviación de la línea de las escobillas con respecto a la línea neutra teórica del motor. Motores de corriente alterna trifásica. Si analizamos estos motores nos encontramos que su constitución es muy similar a las maquinas de continua, pero no idéntica. Tienen estator, rotor y entrehierro pero hay diferencias. El estator está conformado por 3 bobinas desfasadas 120° entre sí, una para cada fase de la alimentación que se conectan a través de borneras. Y el rotor puede, o bien ser bobinado para formar un “imán permanente” que interactúe con los campos rotativos y sea alimentado a través de 3 anillos rozantes solidarios al eje, o también puede ser tratarse de un rotor en cortocircuito o “jaula de ardilla”. En caso de ser motores asíncronos, la velocidad de sincronismo es la velocidad 3 Trabajo Obligatorio de Electrotecnia y Electrificación a la que el flujo magnético máximo se desplaza de bobina a bobina del estator, pero el rotor del motor se mueve a una velocidad siempre menor al sincronismo debido al deslizamiento o resbalamiento. Si hablamos del balance de potencias de este tipo de motores, absorben de la red tanto potencia activa como reactiva, pero solo la activa se puede invertir para transformarse en mecánica, restándole las perdidas en los conductores del estator por efecto Joule, las perdidas por histéresis, las pérdidas en el entrehierro, y las pérdidas por rozamiento mecánico. Cuando analizamos las curvas par-velocidad encontramos tres zonas bien diferenciadas, las cuáles son: cuando la velocidad del eje es menor a la de sincronismo (funciona como motor), cuando la velocidad del eje es mayor a la de sincronismo (funciona como generador), y cuando la velocidad es negativa (motor que se está frenando). Los motores pueden tener borneras de 3 y 6 contactos, siendo las de 3 contactos para motores chicos, y las de 6 contactos las más utilizadas para motores grandes, porque permiten el cambio de conexión estrella-triangulo de las bobinas del estator. Los motores también poseen una placa de características que nos permiten visualizar datos como si el motor es mono o trifásico, la tensión nominal, potencia nominal, velocidad nominal, intensidad nominal, frecuencia nominal y el factor de potencia. Para el arranque apropiado de los motores asíncronos podemos optar por diferentes métodos para evitar corrientes y esfuerzos excesivos. Se puede utilizar: arranque con autotransformador, estrella-triangulo, arranque progresivo, arranque con resistencias estatóricas o arranque con resistencias rotóricas. Motores monofásicos. Para el funcionamiento de estos motores (al no tener campos giratorios trifásicos) pueden usarse asistencias como la espira en cortocircuito (espira de sombra), polos auxiliares o capacitores de arranque. Son muy utilizados en diferentes aplicaciones como por ejemplo: maquinas herramienta para el hogar, bombas de agua de pequeña potencia, compresores para neveras, bombas de vaciado de lavarropas automáticos, ventiladores de pie y de techo, etc. Trabajo Obligatorio de Electrotecnia y Electrificación Resumen tema 4 Definimos sistema como un conjunto de componentes (piezas o subsistemas) que interaccionan para cumplir con una tarea u objetivo. Siendo un sistema de control aquel en el cual una variable de salida es ajustada a un valor determinado mediante una acción de control. Los sistemas de control pueden ser realizados por el hombre, pueden ser naturales o también pueden ser mixtos. Si consideramos la forma en que se produce la acción de control, pueden ser: de anillo abierto, anillo cerrado, con modelo de referencia, de control adaptativo o control con aprendizaje. Ahora si hablamos sobre señales que se manejan, los sistemas de control pueden ser de continua, de alterna o híbridos. Mientras que, si nos referimos a la forma de procesar las señales, también podemos hablar de sistemas de control analógicos o digitales. Entre los componentes de un sistema de control encontramos: el generador de valor de referencia que es el que impone el valor deseado a la salida; el transductor que mide la salida en cada instante y provee una señal proporcional a la misma; el comparador que otorga la desviación de la salida respecto a la entrada; el corrector de error (todo-nada, PD, PI, PID) que amplifica y modifica la señal de error; el amplificador de control que provee señal al elemento final de control; y la planta que es donde se realiza la acción de control. Transductores: Hablando puntualmente de los transductores, dentro de ellos tenemos siempre un sensor que toma la medida, el transductor en sí que es el que transduce la señal del sensor a una señal eléctrica, y el circuito de acondicionamiento y procesamiento de la señal, este circuito puede estar incluido en el paquete del transductor o puede estar construido en forma separada. Las funciones del circuito de acondicionamiento y procesamiento son varias, entre ellas podemos mencionar la generación de la señal de referencia y de salida, acondicionar la señal, suprimir ruidos y perturbaciones, conversión de señales y su posterior procesamiento. Las señales eléctricas de salida de los transductores pueden ser tensiones o corrientes de diferentes valores estandarizados, y para la detección de variaciones podemos utilizar circuitos como potenciómetros o puentes de Wheatstone, que pueden ser de deflexión o nulos. Una vez que detectamos esas variaciones, las mismas pueden ser lineales o no, en el segundo caso podemos utilizar una linealización por hardware o por software. Para seleccionar adecuadamente los transductores a utilizar debemos considerar características como: rango, sensibilidad, efectos de carga, respuesta a la frecuencia, formato de salida, impedancia de salida, requerimiento de potencia, ambiente de trabajo (medio físico) y los errores del dispositivo. Cuando ya lo tenemos instalado debemos calibrarlo, monitorear en forma continua como se comporta el entorno de trabajo y, si es necesario, controlar dicho entorno en forma artificial para reducir los posibles errores que pueda cometer el dispositivo. 5 Trabajo Obligatorio de Electrotecnia y Electrificación Clasificación de los transductores: A los transductores podemos clasificarlos de diferentes formas, una de ellas es separar a los que necesitan excitación externa de los que no la necesitan (activos y pasivos). También podemos clasificarlos por el tipo de salida (analógica o digital). Otra forma es a través del principio eléctrico que utilizan para la conversión de la magnitud medida, allí podemos agruparlos en cuatro grandes grupos: 1) Resistivos (varía su resistencia): extensómetros, termoconductores, fotoconductores y medidores de conductividad química. 2) Inductivos (varía su inductancia): LVDT, pickups de reluctancia variable, generadores y receptores Selsyn. 3) Capacitivos (varía su capacidad): Sensores LC y RC de alta frecuencia, válvulas reactancia. 4) Divisores de voltaje (varía la tensión en un circuito divisor): Sensor por posición de potenciómetro, divisor de tensión accionado por presión, transductores generadores de voltaje, piezoeléctricos, tacómetros, sensores de termocupla, celdas fotovoltaicas. Habiendo dicho lo anterior, queda otra forma de clasificar transductores, y es según sus aplicaciones, lo cual nos deja dividida la gama en muchos subgrupos, a saber: Posición: En esta categoría tenemos los finales de carrera, muy utilizados en la industria por su sencillez, bajo precio y robustez; y los microrruptores que se usan en circuitos de menor tamaño. Estos dispositivos son detectores del tipo todo-nada De proximidad: Cumplen funciones parecidas a los de posición, es decir que también son detectores del tipo todo-nada, pero sin la necesidad de que haya un contacto mecánico. También pueden operar a mayores frecuencias y sufren menor desgaste. Ejemplos de estos transductores son: el detector magnético con contacto Reed, detectores inductivos (para cc y ca a 2 y 3 hilos), detectores capacitivos y los detectores ópticos. Transductores de desplazamiento lineal: A diferencia de las dos categorías anteriores, el comportamiento de estos transductores es continuo, su salida puede adoptar cualquier valor dentro de un intervalo. Para mencionar ejemplos tenemos potenciómetros lineales y detectores por ultrasonido. Transductores de desplazamiento angular: Trabajo Obligatorio de Electrotecnia y Electrificación Parecidos a los transductores anteriores pero en vez de medir en línea recta lo hacen en forma circular. Aquí tenemos: potenciómetros circulares, dispositivos ópticos, codificadores de posición o encoders y resolvers. Transductores de velocidad: Estos dispositivos generan señales eléctricas proporcionales a una velocidad o movimiento angular, en esta categoría se encuentran los tacogeneradores o tacómetros de corriente alterna, tacómetros de corriente continua o dinamos tacométricas, encoders, resolver y sincrodesfasadores. Transductores de presión: El principio de funcionamiento para medir de estos transductores es tan variado como sus rangos y sensibilidades. En esta categoría están el tubo Bourdon, el diafragma, los presostatos, las galgas extensiometricas, las capsulas y fuelles, los piezoeléctricos, los inductivos y los capacitivos. Pueden ser todo-nada o continuos Transductores de temperatura: Al igual que los de presión, pueden ser todo-nada o continuos, y sus principios de funcionamiento también son variados. Para medir temperatura tenemos: termostatos, presostatos, termómetro de resistencia, termopar, termistor, piroeléctricos y termómetro de cristal de cuarzo. Transductores de caudal: Varían dependiendo de si vamos a medir fluidos compresibles o incompresibles. Aquí tenemos los tipos: efecto Venturi, presión dinámica, por velocidad y por inducción, volumétricos, medidores ópticos, ultrasonidos. Transductores de nivel: Pueden ser continuos o discretos y los hay de tres tipos: de boya, por presión y capacitivos. Transductores acústicos: Muy usados en comunicación, tenemos micrófonos y transductores para magnitudes acústicas. Transductores para campos magnéticos: Muy usados en el área eléctrica y automotriz. Los hay de efecto hall, magnetoresistivos y en forma de transistor sensible al campo magnético. 7 Trabajo Obligatorio de Electrotecnia y Electrificación Transductores químicos: Miden propiedades de sustancias. Los hay electroquímicos y de pH.
