Capitulo1- Electroneumática.pdf

8/11/2019 Capitulo1- Electroneumtica.pdf

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FESTO DIDACTIC Conceptos bsicos de los mandos elctricos

Seminario: Mandos Elctricos Industriales E-211 1

1. CONCEPTOS BSICOS DE LOS MANDOS ELCTRICOS.

Cadena de mando.

Una aproximacin al desarrollo de un sistema de control es la de ver el sistemacomo si tuviera tres secciones definidas. Estas comprenden los dispositivos desalida, los componentes que controlan las salidas y los elementos queproporcionan las entradas y la informacin realimentada. Estas divisionesrepresentan una cadena de mando en donde las seales y la energa fluyen en unsentido identificable hacia el circuito.

ENTRADA DE SEALES

PROCESAMIENTO DE SEALES

SALIDA DE SEALES

Figura 1 Cadena de mando.

El flujo de seales.

El controlador puede ser representado con un bloque que puede descomponerseposteriormente. Un mando tambin puede descomponerse en bloques paramostrar la disposicin de los componentes individuales. Al mismo tiempo, estomuestra el flujo de seales.

La cadena de mando se caracteriza por un flujo que va desde la entrada de

seales, a travs del procesamiento de estas, hacia la salida de seales y laejecucin de las instrucciones.

En trminos de hardware, esto significa que para estas seales deben existir losdispositivos de entrada, dispositivos de procesamiento y dispositivos de salida.Los dispositivos fsicos pueden ser interruptores reed, sensores electrnicos,rels, convertidores PE y actuadores neumticos.


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Dispositivos

actuadores

Cilindros

Motores

Indicadores

Vlvulas de mando y

distribuidoras

Elementos finales de

mando

Vlvulas de vas

Vlvulas de caudal

Vlvulas de presin

Vlvulas de bloqueo

Elementos

procesadores

Interruptores

Pulsadores

Finales de carrera

Programadores

Sensores de proximidad

Elementos de

entrada

Figura 2 Flujo de seales.

Para el diseador y el responsable de mantenimiento de sistemas con mandoselctricos es importante identificar los niveles dentro de un circuito. Cada niveltiene una determinada tarea relacionada al paso o procesamiento de las seales.

Los niveles pueden utilizarse para ayudar en los siguientes procesos:

Situacin de los componentes en el esquema. Identificacin del tamao fsico, tensin e intensidad nominal de componentes

que indica si una seccin debe utilizar un rel o un contactor.

Para determinar disposiciones de consola.

Para que el personal de mantenimiento pueda identificar y localizar claramentelos componentes.

Utilizando la cadena de mando como gua, los dibujos pueden desarrollarse deuna manera uniforme y estructurada. La cadena de mando tambin proporcionauna base a partir de la cual los circuitos pueden desarrollarse metdicamente.


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Por ejemplo, la estructura de la cadena de control puede utilizarse como guapara:

Agrupar componentes con funciones similares, por ejemplo en la etapa deentrada de seales, siempre que sea posible, todos los pulsadores y finales decarrera deberan agruparse.

Minimizar el nmero de lneas que se cruzan en las secciones potencia yelctrica del esquema.

Producir dibujos con una metodologa uniforme, simplificando as la lectura delesquema.

Figura 3 Diagrama de mando.

La parte neumtica o hidrulica del dibujo se representa el flujo de seales deabajo hacia arriba. En el esquema elctrico se representa de arriba hacia abajo,implicando que la corriente fluye desde el comn positivo (+) hacia el comn

negativo (). El concepto de cadena de mando en el desarrollo de circuitos, debeser tratado como una gua, ms que como una regla rgida.

Tipos de seal.

Los sistemas de mando utilizan una gran variedad de seales para controlar elflujo de energa a travs de la cadena de mando. Las tres formas de seales seutilizan en varias tecnologas incluyendo neumtica, electricidad, hidrulica yelectrnica. En electroneumtica y electrohidrulica, generalmente se utilizanseales binarias.


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Sistema de mando analgico:

Es aquel sistema de control que funciona predominantemente con sealesanalgicas, en la seccin de procesamiento de seales (DIN 19237)

Sistema de mando digital:

Es aquel sistema de control que funciona principalmente con seales digitales enla seccin de procesamiento de seales (DIN 19237).

Sistema de mando binario:

Es aquel sistema de control que funciona principalmente con seales binarias en

la seccin de procesamiento de seales y en donde las seales binarias no sonparte de una representacin de datos (DIN 19237).

Sistemas de mando

Sistemas de mando

analgicos

Sistemas de mando

digitales

Sistemas de mando

binarios

Figura 4 Seales de un sistema de mando.

Alimentacin elctrica y sus caractersticas.

Un alternador simple consiste en un estator con imanes de polaridad opuesta yun rotor o inducido bobinado con muchas vueltas de conductor de cobre. Cuandoel inducido gira cortando los campos magnticos se induce una tensin. A medidaque aumenta la velocidad de rotacin, aumenta la tensin inducida.

Otro mtodo de generar corriente es por electrlisis. Si dos placas (electrodos) dediferentes materiales tales como zinc y cobre se sumergen en una solucin salina(p. ej. agua salada) se produce una accin galvnica, las placas se cargan y seproduce una tensin.

En mandos elctricos, las bateras, si se utilizan, son generalmente para fines desalvaguarda. Esto es, en caso de fallo de la tensin principal de alimentacin, se


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mantiene una reserva de energa elctrica para las funciones de emergencia,alarmas, pilotos, etc.

Un sistema que utilice CA, puede requerir la utilizacin de una fuente de ali-mentacin consistente solo en un transformador. Donde se necesite DC, la CAdebe rectificarse, filtrarse y regularse para proporcionar una salida de DC con unacomponente muy baja o nula de CA remanente (rizado).

La fuente de alimentacin debe poder alimentar desahogadamente la corrientetotal del sistema sin sobrecargarse. Debe tenerse en cuenta tambin la posibilidadde que posteriormente se efecten ampliaciones y que las necesidades dealimentacin aumenten.

All donde la fuente de alimentacin se monte en un espacio cerrado, es primordialuna ventilacin adecuada. La fuente de alimentacin debe estar situada de talforma que no pueda transferirse calor a otros elementos sensibles circundantes,tales como circuitos impresos y elementos de control. En algunas instalacionessuelen emplearse ventiladores para la refrigeracin de la fuente de alimentacin.

Figura 5 Fuente de alimentacin DC.

Circuito elctrico.

Abajo se muestra un circuito completo formado por una batera, un elemento de

consumo (lmpara), un interruptor e hilos de conexin. Cuando se cierra elinterruptor, la corriente fluye por la lmpara y luce.


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Batera

Lmpara

Interruptor

Figura 6 Circuito elctrico.

No todos los materiales pueden utilizarse como portadores de energa elctrica.Hay materiales que conducen la electricidad (denominados conductores) ymateriales que no conducen la electricidad (no conductores o aislantes). Losmetales son buenos conductores. Los plsticos, vidrio y porcelana son aislantes.

La resistencia al paso de una corriente en un conductor depende del tipo dematerial, su seccin y su longitud. En el circuito que hemos puesto como ejemplo,la lmpara es la resistencia.

En los circuitos elctricos la resistencia puede ser la bobina de un solenoide, unmotor elctrico o un dispositivo de seal acstica; a ellos nos podemos referircomo "resistencia de carga" o simplemente L.

La ley de Ohm.

Ya que es la tensin lo que hace subir la intensidad, un incremento de tensin,provocar un incremento de intensidad en un circuito.

Observar en el circuito superior que un descenso en la resistencia provoca un

incremento en la intensidad, pero la tensin permanece inalterable. Utilizando lafrmula:

IV

R=

Donde con:

V=10 V y R=5(Ohm), provoca el paso de una corriente de 2 Amperios.


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Extremando la situacin, si R se reduce a 0 Ohm, se produce un cortocircuito. Lasfuentes de alimentacin disponibles comercialmente tienen una intensidad

nominal. La fuente de alimentacin debe tener capacidad para alimentar todas lasnecesidades del circuito, incluyendo los elementos de conmutacin.

La intensidad es directamente proporcional a la tensin e inversamente propor-cional a la resistencia. La ley de Ohm es la base para muchos de los clculosrelacionados con la corriente elctrica.

Principio de funcionamiento de un solenoide.

Si a un conductor se le da la forma de una circunferencia y se hacer circular por luna corriente, se forma una fuerza electromotriz (FEM).

Las lneas de fuerza alrededor del conductor se concentran por la forma circular.Esta forma circular concentra la FEM en un sentido, mientras que en un conductorrecto, se extiende en su longitud. Aadiendo vueltas al conductor, el campomagntico se fortalece y se incrementa la FEM.

Para aplicaciones en solenoides, un electroimn consistente en simples bobinasde hilo no generan suficiente FEM para mover las levas de la mayora de lasvlvulas.

La FEM se incrementa mucho con el mismo consumo de corriente, si la bobina se

forma alrededor de un ncleo de hierro dulce, en lugar de hacerlo al aire.

Figura 7 Principio de funcionamiento de un solenoide.


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Solenoides de corriente continua.

Los solenoides de DC tienen un ncleo de hierro dulce, esto asegura un diseosencillo y robusto. El calentamiento que se produce durante el funcionamientodepende de la resistencia (R) de la bobina del solenoide y por lo tanto de laintensidad (I). El ncleo slido de hierro tambin proporciona un medio ptimo deconduccin del campo magntico.

Figura 8 Bobina DC, conector y led.

Cuando se excita un solenoide de DC, la intensidad (I) crece lentamente. Durantela creacin del campo magntico la inductancia de la bobina produce una fuerzacontra-electromotriz que se opone a la tensin aplicada. Esto explica la accin

ligeramente amortiguadora de los solenoides en DC.

Los solenoides en DC ofrecen ventajas y desventajas:

Funcionamiento suave

Fcilmente conectables

Baja potencia de excitacin

Baja potencia de mantenimiento

Larga duracin, del orden de 100 x 106maniobras

Silenciosos

Se producen sobretensiones al desconectar

Se requiere una supresin del arco

Desgaste de los contactos por las altas tensiones inducidas

Se requiere un rectificador si solo se dispone de CA

Largo tiempo de respuesta

Cuando se desconectan cargas inductivas tales como bobinas, el campo mag-ntico se colapsa; esto puede provocar una tensin inducida de muchas veces latensin aplicada.


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Esta alta tensin inducida puede daar el aislamiento del devanado de la bobina.Esto provoca arcos entre los contactos de los interruptores y rels provocando un

rpido desgaste e incluso en casos extremos la soldadura de los contactos. Unasolucin es montar un supresor de arco. Por ejemplo, un condensador en paralelocon el interruptor (S). El condensador absorbe la sobrecorriente durante ladesconexin. Para evitar la descarga brusca del condensador al cerrar elinterruptor, se requiere una resistencia (R) que mantenga la descarga de corrientea un valor bajo.

L

S C

R

Figura 9 Supresin de arco con una combinacin RC.

Se conecta una resistencia en serie con el condensador (C). El circuito estprotegido siempre que la resistencia (R) no sea excesivamente pequea. Un valordemasiado pequeo anulara el interruptor (S) y excitara permanentemente labobina (L) del solenoide.

L D

S

Figura 10 Supresin de arco con un diodo.


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Un mtodo muy comn de absorber el arco es la utilizacin de un diodo conectadoen paralelo con la bobina (L). Cuando se conecta un diodo con su nodo orientado

hacia el positivo (+), conduce la corriente y se dice que est directamentepolarizado. Por lo tanto, en un circuito de supresin, el diodo debe estar polarizadoinversamente de forma que cuando se acciona el interruptor no se produzca uncortocircuito.

La corriente que fluye en los solenoides con ncleo de hierro, causa unascorrientes parsitas que generan calor. Una solucin a esta prdida de energa, esla de utilizar finas hojas laminadas montadas en capas y aisladas entre s conbarniz o poliuretano.

Solenoides de corriente alterna.

Otro tipo de prdida de energa sucede con los solenoides de CA, denominadaprdida por histresis, causada por la CA que tiene que compensarconstantemente la tendencia del ncleo a mantener su estado magntico.

El ncleo laminado minimiza estas prdidas. Sin embargo, an se genera unaelevada temperatura en un solenoide funcionando con CA.

Cuando se excita una bobina con CA, se solicita una elevada intensidad. Laintensidad de llamada, depende de la impedancia (Z), de la resistencia (R) delbobinado y de la inductancia (L). En proporcin con esta elevada corriente (I), la

fuerza de traccin es correspondientemente grande. Esto produce tiempos deconmutacin relativamente cortos. El espacio de aire entre la armadura y el ncleoafecta al nivel de la corriente de mantenimiento (I). El espacio de aire debera sermnimo en funcionamiento.

Durante la conexin de un solenoide de CA, la inductancia de la bobina induceinicialmente elevados picos de tensin, que eventualmente afectan durante unospocos milisegundos a una corriente alterna estable.

Ventajas y desventajas de los solenoides en CA:

Breves tiempos de conmutacin Grandes fuerzas de traccin

Generalmente no se requiere supresin de arcos

Elevada fatiga mecnica

Se alcanzan elevadas temperaturas si queda espacio de aire

Elevado consumo

Nmero de ciclos de conmutacin limitado; dependiente de la carrera

Sensible a sobrecargas, bajo voltaje y restricciones mecnicas

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