controles eléctricos y automatización

5/24/2018 Controles Elctricos y Automatizacin

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Controles Elctricos y

Automatizacin

M. SC., Ing. Ral Benites Saravia 1

Introduccin al Control Elctrico,

Electrnico y AutomatizacinNeumticaElectroneumticaIntroduccin a los Controladores Lgicos

Programables (PLC)


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Control y Automatizacin de Procesos

Industriales


Tecnologa que trata de la aplicacin de sistemasmecnicos, electrnicos y basados en computadorpara operar y controlar un determinado proceso de

produccin DE FORMA AUTNOMA (sinintervencin del operador)

Objetivos de la Automatizacin:

ALTA PRODUCTIVIDADALTA CALIDAD PRODUCTOALTOS NIVELES DE ESTANDARIZACINMENOR TIEMPO DE FABRICACINALTA FLEXIBILIDAD


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Estructura de un Sistema de

Produccin



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Tipos de Procesos Industriales


PROCESOS CONTINUOSIndustrias de procesos (produccin de energa, qumicas,

refineras, jabones, acero, etc.)

Central Nuclear Central Trmica Refinera de Petrleo


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PROCESOS DE EVENTOS DISCRETOSIndustrias de manufactura (fabricacin de piezas,

componentes, electrnica, estampacin, etc.)

Fabricacin de tarjetaselectrnicas

Fabricacin de piezas



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Tipos de Industrias


Industria de Procesos Industria de Manufactura

Procesos continuos

Procesos de eventosdiscretos

Procesos continuos

Procesos de eventosdiscretos

Objetivos del control son diferentes en cada casoDiferentes tcnicas de Control y Automatizacin


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Proceso o Planta a Controlar

Proceso o Planta(Sistema Dinmico)

Entrada(variableindependiente)

Salida(variabledependiente)

Objetivo del Control?Hacer que la salida del proceso sea igual a una referencia oconsigna preseleccionada. Para ello se usa un Controlador



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Tipos de Control para Procesos

Continuos de acuerdo a su estructura


Lazo Cerrado

Lazo Abierto

El controlador recibe informacin delcomportamiento del proceso

El controlador no recibe informacindel comportamiento del proceso


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Control Manual : Utilizado por el operador ybasado ms o menos en respuestas en bucleabiertoControl On-Off : Ej. Termostato de la habitacin

Control PID : El ms habitual en la industria de procesosPID Mejorados : ratio, cascada, feedforwardControl basado en modelo : Usa un modelo delproceso paradeterminar la accin de control (Control de Matriz Dinmica, Control

ptimo, Control Adaptivo)Control Inteligente:No necesita el modelo del proceso (ControlFuzzy, Control Neuronal)

Tipos de Control

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Tipos de Sistemas de Control de acuerdo a laTecnologa

Lgica cableada Lgica programada

Neumtica Elctrica

Hidrulica Electrnica

PLCs Procesadores

Computadora



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Controladores de Lgicacableada

Cuando no existan medios programables para el desarrollo deautomatismos, los controles se desarrollaban a medida por medio delo que se denomin WLC ( Wired Logic Controller), haciendo usode un lenguaje sumamente simple e inmediato denominado lgicade contactos.

Por lo general todos los dispositivos que conforman lasposibilidades de control son variaciones derivadas de los contactoresde diferentes envergaduras.El control consiste de dos partes bien diferenciadas, una referente al

control propiamente dicho o mando, y la otra referida al control dela potencia .Todo el esquema de mando est dibujado en una hoja que ademscontiene las catenarias de referencia, encargadas de vincular lneasde control entre s.



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Lgica cableada

Ventajas:Independencia tcnica.Barato?.

Desventajas:

Modificaciones oampliaciones muy complicadas.Dificultad para realizardiagnsticos.Obsoleto.

Dispositivos elctricos delgica cableada:

RelActa como intermediario paraalimentar un determinadocircuito en funcin de unaseal externa. se compone de

bobina, conjunto magntico ycontactos.

Contactor

Funcionalmente equivalente aun rel, pero mas robusto parasoportar mayores tensiones ycorrientes de cara a suaplicacin industrial.

http://e/Ra%C3%BAl%20Benites/UNMASM/Controles_Elect_Neumat/Semana%201_5/Notas%20de%20clases/8502CT0402.pdf


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Dispositivos mecnicos :

La automatizacin

mecnica se caracterizapor sistemas complejoscon abundancia decomponentes y escasaflexibilidad:

Ruedas dentadasPoleasPiones cremallera

Palancas, etc.

La automatizacin electrnica

se caracteriza por el empleo decomponentes electrnicos talescomo:Puertas lgicasRegistros de desplazamiento

TemporizadoresContadoresBiestablesMultiplexores

Demultiplexores, etc.

Dispositivos electrnicos :

Dispositivos electroneumticos y electrohidrulicos :

Dispositivos que permiten la conversin de una seal elctrica enseal neumtica o hidrulica, para la activacin de los actuadores

correspondientes. M. SC., Ing. Ral Benites Saravia 13


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EL RELPrincipio de funcionamiento

Un rel es un sistema electromecnico que permite abrir o

cerrar un interruptor con la activacin de un electroimn.

M. SC., Ing. Ral Benites Saravia


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Desactivado Activado

Simbologa

Aspecto fsico



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PARAMETROS Y CARACTERISTICAS

Resistencia interna. Corriente de activacin Tensin de activacin (margen de activacin)

Parmetros:



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Mxima tensin Mxima corriente Nmero mximo de conexiones Mxima velocidad de conmutacin

Caractersticas Elctricas:



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TIPOS DE RELES

Rels electromecnicos.

Estn formados por una bobina y unos contactos los cuales puedenconmutar corriente continua o bien corriente alterna. Vamos a ver losdiferentes tipos de rels electromecnicos.

Rels de tipoarmadura

Rels deNcleo Mvil

Rel tipo Reedo de Lengeta



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Rels de NcleoMvil

Rels de tipoarmadura

Altas corrientes



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Rel tipo Reed o de Lengeta



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Rels de estado slido

Son rels construidos a partir de semiconductores con funcionesparecidas a los de rels mecnicos

Circuito deentrada(control)

Circuito de salida(conmutacion)RELE

Tiristores

Triacs

Optotriacs, etc.



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Ventajas del uso de rels

La gran ventaja de los rels es la completa separacin elctrica entre lacorrientede accionamiento, la que circula por la bobina del electroimn, ylos circuitos controlados por los contactos, lo que hace que se puedanmanejar altos voltajeso elevadas potenciascon pequeas tensiones decontrol.

Corriente deaccionamiento

(bobina

electroimn)

Circuitoscontrolados por los

contactosRELE

Manejar altos voltajes o elevadas potencias conpequeas tensiones de control.

Separacin elctrica entre:

http://es.wikipedia.org/wiki/Intensidad_de_corriente_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Intensidad_de_corriente_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Voltajehttp://es.wikipedia.org/wiki/Potencia_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Voltajehttp://es.wikipedia.org/wiki/Potencia_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Potencia_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Voltajehttp://es.wikipedia.org/wiki/Intensidad_de_corriente_el%C3%A9ctrica


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Manejar altos voltajes o elevadas potencias conpequeas tensiones de control.



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EL CONTACTOR

Podemos definir un contactor como un aparato mecnico deconexin y desconexin elctrica, accionado por cualquier formade energa, menos manual, capaz de establecer, soportar einterrumpir corrientes en condiciones normales del circuito,incluso las de sobrecarga.El contactor al igual que el interruptor manual, dispone de doselementos bsicos:Un juego de contactos elctricosUn mecanismo para abrir y cerrar dichos contactos.

En un interruptor manual, la mano del operador accionadirectamente el mecanismo de cierre y apertura , en cambio en uncontactor esta accin es efectuada por un electroimn.



25/76Jos Antonio Poma Navarro

El contactor presenta pues la ventaja de ser gobernado a distancia,ya que elementalmente basta con tener dos hilos desde los bornesde alimentacin de la bobina hasta el lugar en que se hallaemplazado el punto de mando.

El contactor puede ser accionado, no solo por la accin directa deuna persona, sino por cualquier elemento que sea capaz de cerrar

un contacto.

http://3.bp.blogspot.com/_vNFu_XRRH84/SZ7ukPEmzNI/AAAAAAAAFC8/71YaTWwYqN4/s1600-h/contactores+para+diversas+potencias+ABB+de+baja+tensi%C3%B3m.jpg


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Jos Antonio Poma Navarro

Para permitir o interrumpir automticamente el flujo de corriente a

travs de motores y otros tipos de cargas de potencias.

Utilidad

Partes

CarcasaCircuito ElectromagnticoContactos



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CARCASA

Es el soporte fabricado enmaterial no conductor que

posee rigidez y soporta el

calor no extremo, sobre elcual se fijan todos loscomponentes conductoresal contactor.

Jos Antonio Poma NavarroM. SC., Ing. Ral Benites Saravia


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CIRCUITO ELECTROMAGNETICO

Este circuito consta de:

Bobina

Ncleo fijo Ncleo mvil o armadura

http://3.bp.blogspot.com/_vNFu_XRRH84/SZ7v7B3WltI/AAAAAAAAFDs/OcrVmd6ZnFs/s1600-h/espira+sombra+1.jpg


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CIRCUITO ELECTROMAGNETICO

BOBINAConsiste en una arrollamiento dealambre de cobre con unascaractersticas muy especialescon un gran nmero de espiras y deseccin muy delgada para producirun campo magntico. El f lujomagntico produce un par magntico

que vence los pares resistentes de los

muelles de manera que la armadura sepuede juntar con el ncleo

estrechamente.



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NUCLEO FIJOEs una parte metlica, de materialferromagntico, generalmente en forma

de E, que va fijo en la carcasa. Su funcines concentrar y aumentar el flujomagntico que genera la bobina (colocadaen la columna central del ncleo), paraatraer con mayor eficiencia la armadura.


CIRCUITO ELECTROM GNETICO



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ARMADURA

Elemento mvil, cuya construccin es

similar a la del ncleo, pero sin espiras desombra. Su funcin es cerrar el circuitomagntico una vez energizada la bobina,ya que debe estar separado del ncleo, poraccin de un muelle. Este espacio de

separacin se denomina cota de llamada.

CIRCUITO ELECTROM GNETICO



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CONTACTOS

Son elementos conductores que tienen por objeto

establecer o interrumpir el paso de corriente en

cuanto la bobina se energice. Se dividen en:

Contactos principales

Contactos auxiliares



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Contactos principalesSe utilizan para conectar o desconectar la carga dela lnea de poder (ejm. un motor de 25HP de una red

trifsica de 440V).

Generalmente son de tipo NO.


CONT CTOS

Contactos auxiliares

Se utilizan para permitir o interrumpir el paso de

la corriente a las bobinas de los contactoresprincipales o a los elementos de sealizacin.

Pueden ser NO o NC.

http://4.bp.blogspot.com/_vNFu_XRRH84/SZ7winHJlnI/AAAAAAAAFEM/sZ_x_Bx28_g/s1600-h/detalle+contactor+NC+y+NA.jpg


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CRITERIOS PARA LA ELECCIN DE UN CONTACTOR

Tipo de corriente, tensin de alimentacin de

la bobina y la frecuencia.

Potencia nominal de la carga.

Condiciones de servicio: ligera, normal, dura,

extrema. Existen maniobras que modifican la

corriente de arranque y de corte.



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Si es para el circuito de potencia o de mando yel nmero de contactos auxiliares quenecesita.

Para trabajos silenciosos o con frecuencias demaniobra muy altas es recomendable el usode contactores estticos o de estado slido.

Por la categora de empleo.


CRITERIOS P R L ELECCIN DE UNCONT CTOR



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EJEMPLOS DE APLICACION

Contactor electrnicodiseado para el

control de varias cargas

industriales, por

ejemplo Elementos calefactores.

Motores monofsicos y

trifsicos.

Lmparas, etc.



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Diagramas de Procesos e InstrumentosInstrumentos:

IndicadoresTransmisoresRegistradoresConvertidores

ControladoresActuadoresTransductores



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Los sistemas de control de procesos se representan en losdiagramas de proceso e instrumentos utilizando smbolos e iconossimples

Estos diagramas permiten entender el funcionamiento integradodel proceso y del sistema de controlEn la norma ISA se emplean lneas slidas para representar lasconexiones del proceso y lneas a trazo discontinuo o lneas detrazo continuo con marcas para las comunicaciones entreinstrumentos



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Los instrumentos de los lazos de control se representan por uncrculo en cuyo interior se colocan las letras que designan alinstrumento.

El bucle al que pertenece se identifica por un nmero y elsmbolo indica la localizacin fsica del instrumentoLa identificacin del tipo de instrumento se realiza con dos o msletras:

La primera indica el tipo de variable que se mide, se indica, setransmite o se controla. p.e. T indica temperatura. La segunda letra indica la funcin que realiza el instrumento en el

bucle (control (C), indicacin (I), registro (R), etc. Ejemplos:TC controlador de temperaturaFT transmisor de caudal (Flow transmitter)PC controlador de Presin. (Pressure controller)LR registrador de nivel (Level register)TI indicador de temperatura (Temperature indicator)



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Control de un intercambiador de calor



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Variable controlada: Temperatura de salida del producto Variable manipulada: Flujo de vapor Actuador: Vlvula del flujo de vapor

Sensor: Termopar en el flujo del producto Perturbacin: Cambios en la temperatura del flujo de entrada delproducto (alimentacin)



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Normalmente los sensores y los actuadores se encuentranprximos al proceso

Los controladores pueden estar:en un armario de control (a varios metros del equipo demedida)en la sala de control (a decenas de metros)

en otro edificio (a centenares de metros)Es necesario transmitir la medida hasta los controladores ydesde stos al actuador. Para ello se requiere:

medio de transmisincdigo de interpretacin de la informacin

Transmisin de las medidas o seales

Medios deTransmisin

Tuberas: Lnea de transmisin neumticaCables elctricos: Lnea de transmisin elctricaEl espacio: Transmisin inalmbricaFibras pticas: Lnea de transmisin lumnica



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Comando y Proteccin de Motores

1. Esquema de Mando Simple con Retencin (memoria)


ifil ( i i d i )


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2. Esquema Unifilar (Circuito de Potencia)

3. Esquema Multifilar (Circuito de Potencia)

4. Esquema Funcional (Circuito de Mando)

http://localhost/var/www/apps/conversion/tmp/scratch_7/Comando_protec_motores.pdf


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Sensores y Actuadores Industriales

Tipos de Sensores

ACTIVOSFenmenofsico

Sealelctrica

PASIVOSFenmenofsico

Variacionesde R, C y L



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SENSORES ACTIVOS

Electromagnticos yElectrodinmicos Termoelementos

Capacitivos activos Fotoelementos y Celdas

Solares



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Piezoelctricos Sondas PH



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Resistencia Ohmica Resistencia Variablecon la Temperatura

Potencimetro MecnicosGalgas

Extensiomtricas

Sensores

NTC

Sensor de Platino Pt100

Sensores Pasivos



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Opticos De TemperaturaInductivos De Fuerza, Presin y

Aceleracin

Capacitivos De Posicin (Lineal yAngular)

Ultrasonicos De NivelInfrarrojos Pasivos

(PIR)Inteligentes

Sensores mas usados



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Tabla de sensores de acuerdo a la magnituddetectada



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Listado de fabricantes y variedad de transductores y sensores en:http://www.unizar.es/euitiz/areas/aretecel/links/links_instrum.htm

Actuadores Industriales


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Para que un sistema electrnico de control pueda controlar un

proceso o producto es necesario que pueda actuar sobre el mismo.Los dispositivos que realizan esta funcin reciben diversosnombres, entre ellos: accionamientos y actuadores.

No existe una nica definicin de actuador aceptada de manerauniversal. Se considera, en general, que es todo dispositivo queconvierte una magnitud elctrica en una salida, generalmentemecnica, que puede provocar un efecto sobre el procesoautomatizado.

Tipos de accionamientos ms comunes en la industria:Elctricos

NeumticosHidrulicos

Actuadores Industriales


Tipos de accionamientos elctricos:


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Tipos de accionamientos elctricos:Motor de corriente continuaMotor de corriente alterna (asncrono, jaula de ardilla)

Motor de corriente alterna (rotor bobinado)Motor paso a pasoServomotoresServomotor brushless DCServomotor brushless AC


Caractersticas del motor de corriente continua:


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Caractersticas del motor de corriente continua:

Desde potencias fraccionarias hasta el millar de KWEn tareas de regulacin de velocidad o par

Regula desde cero rpm a velocidad nominal con muy buenaprecisinRegulacin de parCon par a cero rpm

Aplicaciones:

Regulacin de velocidad engeneral:

Mquinas de envase yembalaje

Cintas transportadorasVentilacin

Aplicaciones que requierenprecisin:

Posicionamiento

Regulacin de par y par a cerorpm:

EnrolladorasElevacin

Regulacin de motores depotencias grandes:

LaminadorasExtrusoras


Motor de corriente alterna (asncrono, jaula de ardilla)


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Motor de corriente alterna (asncrono, jaula de ardilla)

Caractersticas:De potencias fraccionarias hasta centenas de KWCoste motor bajoArranque por contactores, arrancadores con contactoresCoste de arranque con contactores bajo

Regulacin de velocidad hasta la decena de KWBuena precisin entre 10 y 100% de la velocidad nominalPar nominal en ese tramoCoste variador altoCoste variador + motor mas caro que otras alternativas


Aplicaciones:


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Aplicaciones:

Accionamientos directos con contactoresAccionamientos con arrancadores electrnicosVariadores de velocidad de poca potencia y precisinAplicaciones sin regulacin


Motor de corriente alterna (rotor bobinado)


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Motor de corriente alterna (rotor bobinado)


Caractersticas:


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Caractersticas:

Desde decenas a centenas de KWComo arrancador progresivoRegulador de velocidad por deslizamientoPrestaciones de regulacin mediasManiobras de elevacin


Aplicaciones:


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Aplicaciones:

Arranque de motores de decenas y centenas de KWPor medio del sistema de resistencias rotricas permiten el

arranque con puntos de corriente reducidas.La corriente es inferior a la necesaria para un motor con rotor de

jaula con arrancador estrellatringulo.

Regulacin de maniobras de elevacin con motores de decenas ycentenas de KWPermite sustituir sistemas de corriente continua.


Motor Paso a Paso


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o o so so


Caractersticas:


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Potencias pequeasVelocidades bajas

Posicionamientos con precisin

Nmero de pasos fsicos: 200/ 400/ 500/ 1000Nmero de pasos: 2000/ 4000/ 5000/ 10000Angulo por paso segn tipo de paso: 1.8/ 0.9/ 0.72/ 0.36

Angulo en micropaso: 0.18/ 0.09/ 0.072/ 0.036



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Funcionamiento:

Tres formas de trabajo bsicas:Paso completo: 2 fases conectadas a la vezMedio paso: Secuencias de una fase y dos fasesMicropaso: Conmutacin continua

El rotor con polarizacin magntica constante, gira para orientar sus polos conel estatorLa polaridad del estator es variable, controlada por trenes de pulsosPor cada pulso, el rotor gira un nmero discreto de grados


Aplicaciones:


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Aplicaciones:

Posicionamientos precisos en:La industria textil

Mquinas de envaseembalajeEquipos mdicos


Servomotor


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Caractersticas:
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Motor sncrono con rotor de imanes permanentesPotencias pequeas con pares de hasta 70 Nm

Velocidades de hasta 6000 rpmLas ordenes de posicionamiento se generan en:

Control numricoEquipo dedicadoAutmata con tarjeta de control de ejes

Gran precisin de posicionamientoEstabilidad de velocidadAlta estabilidad de parRepetitividad del movimiento

Elevada respuesta dinmicaNota: Los primeros servos utilizaban motores de corriente continuade baja inercia; pero el uso de escobillas reduca su fiabilidad, porlo que se paso a los motores sncronos de imanes permanentes.


Aplicaciones:


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Aplicaciones:

Servomotor BrushlessLa tecnologa Brushless DC fue la primera que se aplic para el control demotores Brushless sncronos. El desarrollo de la tecnologa del tratamientodigital de la seal ha permitido el desarrollo de la tecnologa Brushless AC.Los drivers Brushless DC requieren de un encoder de baja resolucin para

realizar la conmutacin, por razones de costo se opta por sensores de efectoHall. Normalmente hay seis puntos de conmutacin por rev. elctrica. LosBrushless AC necesitan un encoder absoluto de alta resolucin


Los Brushless DC producen un
http://localhost/var/www/apps/conversion/tmp/scratch_7/PE_BULLE.PDF


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prizado de par mayor que losBrushless AC; pero la electrnicade control es ms sencilla y son por

ello mas baratos.


Caractersticas:
http://localhost/var/www/apps/conversion/tmp/scratch_7/PE_BULLE.PDF


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El mximo par y la mxima eficacia se da cuando el ngulo es de 90 acorriente constanteComo los drivers Brushless DC solo tiene 6 posibles posiciones deconmutacin por una revolucin, no es posibleque el ngulo sea de 90 en todomomento.En cambio, los Brushless AC al tener ms posiciones de conmutacin puedecontrolar la conmutacin siempre alrededor de 90.Consecuencia: El rizado de paren los motores Brushless DC es crtico a bajas

revoluciones.


Tendencias:


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1. El nmero de aplicaciones de servomotores crecer en el futuroinmediato, en nuevas aplicaciones.

2. El variador de velocidad ha alcanzado: el rango de potencia,capacidad de generar par, y la precisin, para asumir laregulacin de motores AC de la casi totalidad de aplicaciones.En las aplicaciones ms sencillas sustituir a los servos.

3. El motor paso a paso mantendr su campo de aplicacin.4. El motor de CC y el de rotor bobinado tendern a desaparecer.5. Los motores Brushless reemplazarn (y ya estn reemplazando)

a las tareas que realizan los servomotores, especialmente enRobtica.

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