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Servomotor

MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA

        

Introducción

 

Podríamos definir un motor como un aparato que convierte la energía eléctrica en energía mecánica de rotación.

 

El primer registro de la posibilidad de intercambio entre la energía mecánica y eléctrica se debe a Michael Faraday  en 1831. Este descubrimiento ha dado lugar al generador y al motor eléctrico y muchos otros dispositivos.

 

La conversión de energía electromagnética relaciona las fuerzas eléctricas y magnéticas del átomo con la fuerza mecánica que se aplica a la materia y al movimiento. La energía mecánica se puede convertir en energía eléctrica y viceversa mediante dínamos. Aunque esta conversión puede producir también otras formas de energía como calor y luz, para la mayor parte de los fines prácticos se mantienen al mínimo esas pérdidas de energía, y se logra una conversión relativamente directa en ambas direcciones.

 

 

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR

 

Antes del descubrimiento de Faraday, se generaba voltaje en un circuito mediante acción química, por ejemplo, en una pila seca o en un acumulador. La única contribución del descubrimiento de Faraday en 1831 fue la generación de un voltaje debido al movimiento relativo entre un campo magnético y un conductor de electricidad. A esto denomino Faraday voltaje “ Inducido” porque solo se presentaba cuando había movimiento relativo entre el conductor y un campo magnético sin contacto físico real entre ellos.

 

Por lo tanto el funcionamiento de un motor electrico esta basado en el principio de que un Conductor recorrido por una corriente en un campo magnético tiende a moverse perpendicularmente a la dirección del campo.

 

La fuerza que actúa sobre un conductor recorrido por una corriente y que se encuentra en un campo magnético, esta dada por :

 

F = Bil /10 dinas    o bien por                 F = BiL Newtons

DIAGRAMA DE UN MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA

 


 

 

 

 

SERVOMOTOR

 

                El Servomotor es un motor que suministra Potencia con el objeto de poner en movimiento un Servomecanismo, siendo el Servomecanismo un sistema de Control con realimentación, donde un movimiento mecánico es representado por una o varias de las señales del sistema.

 

         Los Servomotores de CD son motores impulsados por una corriente que procede de amplificadores electrónicos de CD. O CA: con demoduladores internos o externos, reactores saturables, tiratrones o Amplificadores rectificadores controlados de silicio. Los Servomotores de CD. Son de muchos tamaños desde 0.05 Hp hasta 100 Hp.

 

         Las características fundamentales que se deben buscar en cualquier Servomotor de CD.  O CA. son las siguientes:

        

1.- Que el par de Salida del Motor sea aproximadamente proporcional a su voltaje de control aplicado ( desarrollado por el amplificador en respuesta a una señal de error ).

 

2.- Que la dirección del par esté determinada por la polaridad instantánea del voltaje de Control.

 

 

 

 Efecto de la Carga en la dinámica de los Servomotores.

 

La característica más importante del Servomotor es la máxima aceleración que puede obtenerse. Para un par disponible determinado, el momento de inercia del rotor debe ser mínimo.

 

 Como el Servomotor funciona bajo condiciones continuamente variables, de tiempo en tiempo se produce aceleración y desaceleración del rotor. El Servomotor debe ser capaz de absorber energía mecánica así como de generarla. Debe ser satisfactorio el funcionamiento del servomotor cuando se lo utiliza como freno.

 

 

 

 

 Sean Ám y   ¦m  respectivamente, el momento de inercia y la fricción del rotor  y sean también Ál  y  ¦l ,  respectivamente, el momento de inercia y la fricción de la carga en el eje de salida. Supongamos que el momento de inercia y la fricción del tren de engranajes son o bien despreciables o están incluidos en Ál  y  ¦l  respectivamente. Entonces el momento de Inercia equivalente  Áeq referido al eje del motor y  ¦eq  referida al eje del motor, pueden ser escritas como:

 

Áeq  =  Ám  + n2 Ál     (n <  1)

  ¦eq  =   ¦m  + n2¦l       (n <  1)

 

donde  n es la relación de engranajes entre el motor y la carga. Si la relación de engranajes n es pequeña y Ám   >>  n2 Ál , el  momento de inercia de la carga, referido al eje del motor es despreciable con respecto al momento de inercia del rotor.

 

Similar razonamiento se aplica a la fricción en la carga. En general, cuando la relación d engranajes n es pequeña se puede obtener la función transferencia del servomotor eléctrico tomando en cuenta el momento de inercia y la fricción de la carga.

 

 Si, sin embargo, ni Ám   ni  n2 Ál  son despreciablemente pequeñas una respecto a otra. Hay que utilizar el momento de inercia equivalente  Áeq  para evaluar la función transferencia de la combinación motor-carga.

 

Se usan cuatro tipos de servomotores de CD y  son:

 

a)     El Motor derivación de campo controlado

b)    El motor derivación de armadura controlada

c)     El motor Serie

d)    El motor derivación de imán permanente o de excitación de campo fijo

 

Describiremos el funcionamiento de dos de ellos el motor derivación de campo controlado y el motor derivación de armadura controlada.

 

 

 

 

 

 

 

 

Servomotor de CD de campo controlado

 

         Dado que la velocidad de una máquina en movimiento está determinada por el par que se desarrolla, surge entonces la pregunta: ¿ es posible aumentar el flujo del campo y a la vez, aumentar la velocidad ?. La respuesta es si es posible, pero solamente si la corriente de armadura se mantiene constante, esto se lleva a cabo en el servomotor de la figura en la cual Ia es constante  porque la armadura está conectada a una fuente de corriente constante:  un generador en serie o diferencial compuesto.

 

Sin voltaje de CD aplicado al campo de excitación separada, no hay par según la Ecuación T = KfIa  ..... (1), (donde f es el flujo de campo). Cuando se aplica un pequeño voltaje de CD al campo se desarrolla un par pequeño y la armadura gira lentamente según la Ecuación (1).

 

 Como la corriente de armadura es siempre constante, por consiguiente, el par y  la velocidad son proporcionales, solo al flujo de campo. Un flujo de campo igual a cero produce velocidad cero, y no infinita. Como la corriente de armadura siempre es constante, el par varía directamente de acuerdo con el flujo de campo y también de acuerdo con la corriente de campo hasta la saturación (T = KfIa). Si se invierte la polaridad del campo, se invierte la dirección del motor. El control de la corriente del campo mediante este método se usa sólo en servomotores muy pequeños, debido a que:

1)   

 
 

No es deseable suministrar una corriente de armadura grande y fija como la que se necesitaría para los servomotores grandes de cd., y  2) Su respuesta dinámica es más lenta que la del motor de armadura controlada, debido a la mayor constante de tiempo del circuito altamente inductivo de campo.

 Servomotor de CD de armadura controlada

 

Este servomotor emplea una excitación de campo fija que suministra una fuente  de corriente constante, como se muestra en la figura anterior (b).

 

 Este tipo de control posee determinadas ventajas dinámicas que no tiene el método de control de campo.

 

Un cambio súbito, grande o pequeño, en el voltaje de armadura ocasionado por una señal de error provocará una respuesta casi instantánea en el par debido a que el circuito de armadura es esencialmente resistivo en comparación con el circuito de campo, altamente inductivo.

 

El campo de este motor trabaja en forma normal bastante más alla del punto máximo de la curva de saturación, para mantener el par menos sensible a pequeños cambios en el voltaje de la fuente de corriente constante.

 

 Además, un alto flujo en el campo aumenta la sensibilidad del motor al par (T = KfIa) para el mismo cambio pequeño en la corriente de armadura. Los motores de Cd de hasta 1000 Hp se impulsan de este modo mediante control de voltaje de armadura.

 

Si la señal de error y la polaridad del voltaje de armadura se invierten, el motor invierte su dirección.

 

 

 

Comparación del comportamiento del motor de CC controlado por el inducido con el motor de CC controlado por campo.

 

                Una ventaja del motor de CC controlado por campo es que el amplificador necesario puede ser simplificado debido al bajo requerimiento de potencia del campo de control.

 

Sin embargo, la necesidad de una fuente de corriente constante es una importante desventaja en el funcionamiento controlado por campo.  Es mucho más dificil disponer de una fuente de corriente constante que una fuente de tensión constante.

 

         La operación controlada por campo tiene algunas desventajas más respecto a la del motor de CC controlado por inducido. En el motor de CC controlado por inducido, la fuerza contraelectromotriz actúa como una amortiguación.

 

En el motor de CC controlado por campo en cambio no es ese el caso y hay que proveer la necesaria amortiguación para el motor y la carga. Debido al bajo rendimiento del funcionamiento controlado por campo, puede constituir un problema el calor generado en el inducido.

 

         Las constantes de tiempo del motor de CC controlado por campo generalmente son grandes en comparación con las constantes de tiempo de un motor equivalente controlado por inducido. Al efectuar una comparación de constantes de tiempo entre funcionamiento con control de campo y con control por inducido hay que tomar en consideración la constante de tiempo del amplificador de potencia en el estudio del funcionamiento controlado por inducido.



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