Electrónica, Electricidad y Sonido

Servomotores

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Introducción

El presente trabajo de investigación ejemplifica y define lo referente a los servomotores y su construcción de cd y ca.

También se dan ejemplos claros de cómo influye la potencia en la máquina y las relaciones de par-velocidad de algunas de las maquinas antes mencionadas para su mejor funcionamiento.

Se estructura por medio de diagramas la constitución de los servomotores, ya sea de ca o cd; se toma detalle de cada una de sus partes y de su comportamiento como diferentes motores.

Se analizan los diferentes tipos de servomotores de cd son excitación separada (que son 4 en total), y se analizan sus puntos principales.

Por otro lado, se encuentra un fácil entendimiento de los servomotores de ca, si se analiza primero el funcionamiento de los servomotores de cd, ya que conservan similitudes propias de los motores, y diferencias tan marcadas como lo es su curva de par-velocidad, por ejemplo.

Objetivos

Analizar a fondo los conceptos y definiciones de los servomotores en sus dos modalidades, corriente alterna (ca) y corriente directa (cd).
Explicar el funcionamiento de los tipos de servomotores mediante esquemas, ejercicios y relación con otro tipo de motores, ya sea en ca, o bien en ca, dependiendo de su utilidad.
Ejemplificar las diferencias funcionales que existen entre ambos tipo de servomotores con respecto a sus principales características.
Desarrollar los temas pertinentes a la división de los servomotores de cd y ca respectivamente.

Servomotor

Actuador mecánico en cualquier sistema de servomecanismo que tiene por objeto llevar al sistema a una lectura cero reduciendo a cero la señal de error.

Servomotores de CD

Los servomotores de cd son motores impulsados por una corriente que procede de amplificadores eléctricos 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 .05 hp hasta 1000 hp.

Las características fundamentales que se deben buscar en cualquier servomotor de cd o ca, son las siguientes:

Que el par de salida del motor sea aproximadamente proporcional a su voltaje de control aplicado (desarrollado por el amplificador).

Que la dirección del par éste determinada por la polaridad instantánea del voltaje de control.

Se usan cuatro tipos de servomotores de cd, que son los más importantes, los cuales son:

Motor de derivación de campo controlado

Motor derivación de armadura controlada

Motor serie

Motor derivación de imán permanente o de excitación de campo fijo

a) Servomotor de cd de campo controlado

El par que produce este motor es cero cuando el amplificador de error de cd no le suministra excitación de campo.

Como la corriente de armadura es constante, el par varía directamente de acuerdo con el flujo del campo y también de acuerdo con la corriente de campo hasta la saturación.

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 solo en servomotores muy pequeños, debido a que no es deseable suministrar una corriente de armadura grande y fija como la que se necesitaría para los servomotores de cd.

Otra de las razones de su uso en servomotores pequeños es el hecho de que su respuesta dinámica es más lenta que la del motor de armadura controlada, debido a la mayor constante de tiempo del circuito altamente inductivo del campo.

'Servomotores'

b) Servomotor de cd de armadura controlada

Este servomotor emplea una excitación de campo de cd fija que suministra una fuente de corriente constante.

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

Un cambio súbito en el voltaje de armadura que ocasiones una señal de error provocara 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 se trabaja en forma normal bastante más allá 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 para el mismo cambio pequeño de la corriente de armadura, representado de forma algebraica como:

Los motores de cd hasta de 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.

c) Servomotor de cd de imán permanente de armadura controlada

Este tipo de servomotor, mucho muy difundido, emplea imanes permanentes (ya sea de Alnico o de cerámica) para tener excitación constante del campo, en oposición a una fuente constante de corriente de campo.

Se fabrica en general para 6v y 28v en tamaños fraccionarios y en 150v para caballajes integrales hasta de 2 hp.

La estructura del campo para este tipo de motor consiste en general de aleación Alnico VI, vaciada o colada en forma de anillo circular que rodea completamente a la armadura y da un flujo fuerte y constante.

Los motores de imán permanente están bien compensados mediante devanados de conmutación para evitar la desmagnetización de los imanes de campo siempre que se invierte súbitamente el voltaje de corriente directa de armadura.

En estos motores, las corrientes parásitas y los efectos de la histéresis, en general son desdeñables y las zapatas polares son comúnmente laminadas para reducir el arqueo en las escobillas siempre que se tiene un cambio rápido del voltaje a la señal.

Estos dispositivos también se controlan mediante la regulación del voltaje de armadura de igual manera que el motor derivación de armadura controlada mencionado anteriormente.

En este motor se usan dos modos de funcionamiento: de control de posición y de control de velocidad. Los que se usan para control de posición a veces se llaman “motores de par” debido a que se desarrollan para extremadamente altos en reposo o a bajas velocidades.

A la inversa, a altas velocidades, ya que el par varia inversamente con la velocidad, dada en el sistema SI por:

El par desarrollado es extremadamente pequeño. El par se desarrolla también en función del voltaje aplicado a la armadura.

La siguiente figura muestra las curvas características de par (inverso)-velocidad para tres voltajes, bajo, medio y alto.

Las curvas son muy lineales y el par varía en forma inversa con la velocidad. También se muestra la familia de corrientes que se toma del suministro de cd a voltajes aplicados bajos, medios y altos.

La línea de carga que se produce en las intersecciones de las curvas par-velocidad con las curvas corriente-par es una indicación de la velocidad del par y la corriente que se produce a voltajes bajos (l), medianos (m) y altos (h).

+Curvas características de un servomotor de cd

Cuando los servomotores de cd de imán permanente se usan en control de velocidad, trabajan en forma continua para mantener determinada velocidad predeterminada o deseada.

Puesto que P = kTS, siempre que sean relativamente pequeños las velocidades y los pares, la potencia que se desarrolla y la que se disipa son pequeñas.

La figura anterior muestra las curvas par-velocidad para tres voltajes (bajo, medio y alto), así como las zonas de funcionamiento seguro del motor.

Estos servomotores son, por lo general, totalmente cerrados y tienen grandes tamaños de armazón para permitir una disipación adecuada de calor.

Dependiendo de la velocidad por controlar y de las necesidades de par de la carga que se impulsa, un motor también puede necesitar de un ventilador interconstruido para mejorar la disipación del calor y enfriar la armadura.

Las graficas anteriores muestran también los limites de potencia para el funcionamiento seguro en trabajo continuo son enfriamiento de aire, cuando las necesidades de par son bastante bajas y la velocidad puede ser bastante alta.

Se usan también para mostrar la zona de trabajo intermitente, para la cual las necesidades de par son de moderadas a altas y el funcionamiento seguro con trabajo continuo con ventilador de aire de enfriamiento.

Se muestran dos líneas de límites de potencia (A y B) y representan al producto par-velocidad basado en la potencia nominal del motor, sin y con las ventajas de enfriamiento por aire. La línea de la carga representa la carga fija que debe acelerar el motor.

Como se demostró en las graficas anteriores, el punto o representa la velocidad y el par máximo que pueda desarrollar el motor sin enfriamiento por aire para funcionamiento continuo sin sobrecalentarse.

El punto w representa la velocidad y el par máximo que puede desarrollar con ventilador de enfriamiento y en trabajo continuo.

Ejemplo 11-1

Dadas las relaciones par-velocidad de la grafica anterior, para un servomotor de cd, calcular:

La velocidad del motor y el voltaje de armadura a los cuales el par de carga es 2.1 lb pie en el punto x.

El par de arranque del motor, empleando el voltaje que se calculo en la parte (a)

La potencia entregada a la carga bajo las condiciones de la parte (a), en hp y en watts.

La velocidad y par máximo de la carga para servicio continuo sin ventilador de enfriamiento.

La velocidad y par máximo de carga para servicio continuo con ventilador de enfriamiento

La potencia que se entrega en la carga en la parte (d).

La potencia que se entrega en la carga en la parte (e).

El limite superior de rangos de potencia A y B respectivamente, como valores aproximados.

Solución:

Extrapolando el punto x de la línea de carga

S = 800 rpm

El voltaje de la línea de la carga es 60v. En reposo, 60v dan 4.5 lb pie de par de arranque.

0.685 hp = 511 kw

En el punto o: 1.1 lb pie y 410 rpm

En el punto w: T = 2.4 lb pie y S = 900 rpm

f. 0.0859 hp

= 64.1 W

0.411 hp = 307 W

65 W y 305 W

d) Servomotores serie de cd de campo dividido

Los motores pequeños de potencia fraccionaria, de cd y campo dividido, se pueden hacer trabajar como motores con excitación separada y de campo controlado, como se muestra en la figura siguiente.

Un devanado se llama devanado principal y al otro devanado auxiliar, aunque ambos generan fuerza magnetomotriz y están devanados alrededor de los polos del campo en tal dirección que producen inversión de rotación entre si.

Como se muestra en la figura anterior, los motores se pueden excitar por separado y se puede abastecer a la armadura con una fuente de corriente constante.

Las ventajas del campo dividido para controlar el campo radican en que la respuesta dinámica de la armadura se mejora, porque los campos siempre están excitados, y en que se obtiene un grado mas exacto de control debido a que la dirección de rotación responde mas a diferencia extremadamente pequeñas de corriente entre los devanados principal y auxiliar.

Los motores serie mayores se hacen funcionar empleando la configuración de la figura mostrada a continuación, porque es difícil obtener una excitación separada de armadura empleando grandes corrientes constantes.

En esta configuración, la corriente de armadura del motor serie de campo dividido es la suma de las corrientes por los devanados auxiliar y principal. Pero cuando estas corrientes del campo en serie son iguales y opuestas no se produce par.

Un pequeño aumento o disminución de la corriente en el devanado auxiliar producirá un par instantáneo en la dirección que le corresponda.

El servomotor serie produce un alto par de arranque y una rápida respuesta a pequeñas señales de error. La regulación de velocidad es mala en el caso de este motor, pero esta desventaja, en general, no es importante en un servosistema, porque la carga es usualmente fija.

El empleo de dos devanados en oposición reduce algo la eficiencia del motor, aunque con los motores pequeños lo anterior no es gran problema.

En general, los motores de cd “derivación” o “shut” y los de serie tienen mayor inercia en su rotor que los motores de ca, para determinada potencia en hp, debido a los devanados más toscos de sus armaduras.

La resistencia adicional que resulta por la fricción de las escobillas hace que disminuya el empleo de motores de cd en servosistemas extremadamente pequeños y de instrumentos sensibles.

Las armaduras pequeñas también están en diagonal para reducir el fenómeno llamado “amarre de ranuras” a bajas velocidades. También la conmutación es problema con los servomotores de cd, aunque ayudan mucho los interpolos y devanados de compensación.

Sin embargo, a grandes altitudes, debido a la falta de oxigeno, la capa de oxido se puede raspar de las delgas, ocasionando fallas de conmutación. Se han desarrollado servomotores pequeños herméticamente sellados para superar este problema en particular.

Se presentan peores problemas de conmutación debido al hecho de que los motores trabajan la mayor parte del tiempo desde posiciones de reposo o casi de reposo (nulas) y pasan altas corrientes a las delgas o segmentos del conmutador.

Además, el arqueo en cualquier motor de conmutador produce radiación y radiointerferencia. Finalmente, las escobillas necesitan mantenimiento periódico.

Por todas las razones que se han descrito con anterioridad, la mayor parte de los motores más pequeños que se usan en los servomecanismos son del tipo de motor de inducción de ca bifásico o de polo sombreado, del tipo de cd sin escobillas, o bien del tipo de motor de pasos.

Servomotores de CA

Junto con los motores de paso pequeños de cd, la mayor parte de los servomotores mas pequeños de ca son del tipo de motor bifásico de inducción de polo sombreado.

La siguiente figura muestra el diagrama esquemático del servomotor bifásico. Este motor es un motor bifásico verdadero, con dos devanados de estator desplazados a 90° en el espacio.

El devanado de referencia es constante y por lo general se excita mediante un capacitor por el suministro fijo de ca. Una pequeña señal de error de determinada polaridad instantánea con respecto al devanado de referencia se amplifica y se envía o alimenta al devanado de control.

Se produce la rotación del motor en una dirección tal que reduce la señal de error y el motor cesa de girar cuando se produce una señal nula en el devanado de control.

El servomotor de polos sombreados, mostrado a continuación, emplea un relevador sensible a la fase, para accionar aquellos contactos que producen un corto circuito del devanado del polo sombreado, para desarrollar rotación en la dirección deseada.

Como con todos los devanados de polos sombreados, se conecta un devanado monofásico de campo de ca con el suministro de ca. En presencia de una señal de error suficiente para accionar el relevador, se pone en corto circuito un par de devanados de polo sombreado; gracias a ello el servomotor gira hasta que se produce el cero, en el cual se sale el relevador, y se detiene el motor.

Una señal de error de polaridad opuesta accionara el relevador sensible a la fase poniendo en cortocircuito otro par de devanados, originando la rotación del servomotor en dirección inversa.

Es bastante evidente que el diseño del motor bifásico de la figura anterior es el mejor de los dos tipos, porque es capaz de responder a señales pequeñas de error.

Un servomotor de polos sombreados solo responderá cuando la señal amplificada de error sea de la magnitud suficiente para hacer que trabaje el relevador.

La respuesta del servomotor bifásico a señales de control muy pequeñas se mejora todavía más si se reduce el peso y la inercia del motor, en un diseño que se conoce como “servomotor de taza de freno” o “copa de freno”.

En la siguiente figura se muestran estos servomotores de ca de bajo par, que se prestan muy bien para los servosistemas de instrumentación de ca.

Como todo el hierro del circuito magnético es estacionario, el rotor consiste solo de una caja cilíndrica delgada de cobre o latón, y su eje se sujeta con un rodamiento único. Debido a su baja inercia, el motor de taza de freno es capaz, por lo tanto, de ponerse en marcha hasta cuando se apliquen señales extremadamente pequeñas a su devanado de control.

El principio de la taza de freno se usa también para amortiguar o desacelerar los servomotores de cd y ca para que puedan detenerse en forma instantánea cuando la señal de error es nula; de este modo reduce el penduleo o el sobretiro exagerado siempre que se tenga una señal de error.

Como se observa en la siguiente figura, se acopla al motor una taza de freno de bajo peso y baja inercia.

Esta taza rodea a un imán permanente, y a su vez, esta rodeada por sujetadores de hierro suave para preservar la retentividad del imán permanente. Cualquier cambio en la velocidad, es decir, arranque, paro o reversa, produce una acción de amortiguación. Las ventajas de este método de amortiguamiento son su larga vida y resistencia al desgaste.

Las características par-velocidad del servomotor bifásico se muestran en la siguiente figura; tanto el par como la velocidad son funciones de la magnitud de la señal amplificada del voltaje de error que se aplica al devanado de control.

Los voltajes mayores de señal de error producen pares correspondientemente mayores. Cuando se reduce en forma gradual el error, se reduce en forma correspondiente el voltaje de error para determinada carga, produciéndose una reducción tanto en velocidad como en par a medida que el motor se acerca a su posición nula.

Puesto que el devanado de referencia del servomotor bifásico se energiza en forma continua, los voltajes mayores de señal de error pueden abrir la posibilidad de hacer que el motor pase a monofásico, aun cuando el voltaje de la señal de error tienda a reducirse a lo largo de la línea de carga que aparece en la figura anterior.

La fase de las señales de error que se aplican al devanado de referencia en el servomotor bifásico determina la dirección de rotación, para que se produzca un nulo, o cero, y se reduzca a cero la señal de error. En consecuencia, el servomotor bifásico es sensible tanto a la fase como al voltaje.

Colusiones

El servomotor es un actuador mecánico en cualquier sistema de servomecanismo que tiene por objeto llevar al sistema a una lectura cero reduciendo a cero la señal de error, y existen dos tipos de servomotores, de corriente directa y de corriente alterna.

Sus características fundamentales para cd y ca son dos, la primera radica en que el par de salida del motor sea aproximadamente proporcional a su voltaje de control aplicado.

Y la segunda se basa en el hecho de que la dirección del par éste determinada por la polaridad instantánea del voltaje de control.

El servomotor de cd campo controlado es aquel donde el par que produce este motor es cero cuando el amplificador de error de cd no le suministra excitación de campo, y si se invierte la polaridad del campo, se invierte la dirección del motor.

Otro tipo de servomotor de cd es el de armadura controlable, que emplea una excitación de campo de cd fija que suministra una fuente de corriente constante. Este tipo de control, posee determinadas ventajas dinámicas que no tienen el método de control de campo.

El servomotor de cd de imán permanente de armadura controlada emplea imanes permanentes para tener excitación constante del campo, en oposición a una fuente constante de corrientes de campo.

Los servomotores serie de cd de campo dividido se pueden hacer trabajar como motores con excitación separada y de campo controlado; un devanado se llama devanado principal y al otro devanado auxiliar, aunque ambos generan fuerza magnetomotriz y están devanados alrededor de los polos del campo en tal dirección que producen inversión de rotación entre si.

Por otro lado, la mayor parte de los servomotores mas pequeños de ca son del tipo de motor bifásico de inducción de polo sombreado, junto con los motores de paso pequeños de cd.

Bibliografía