Quim Salvi.

1. Quim Salvi. 1 Universitat de Girona. • Tema 2. Actuadors. • Màquina Elèctrica. • Hidràulica, Pneumàtica i Elèctrica. • Actuadors Hidràulics i Pneumàtics. • Actuadors Elèctrics. • Transmissió de Moviment.

2. Quim Salvi. 2 Universitat de Girona. • Definició de Màquina Elèctrica i Actuador. • La màquina elèctrica es un dispositiu capaç de transformar l’energia. • Classificació segons la transformació energètica produida. • Transformadors: Energia Elèctrica Energia Elèctrica. • Motors: Energia Elèctrica Energia Mecànica. • Generadors: Energia Mecànica Energia Elèctrica. • Nosaltres només estudiarem els motors com a dispositius que són capaços d’actuar en un sistema mitjançant la generació d’una força. • Actuadors: Dispositius capaços de transformar la força en moviment, ex: pistons, motors. • Transmissió de la Força. • Actuadors Hidràulics: La transmissió de la força es realitza a partir de l’utilització de fluids incomprimibles, com per exemple els olis. • Actuadors Pneumàtics: La transmissió es realitza a menors pressions utilitzant fluids gasossos (comprimibles), com per exemple l’aire comprimit. • Actuadors Elèctrics: La transmissió es realitza a partir de la força generada per camps electromagnètics.

3. Quim Salvi. 3 Universitat de Girona. El Control amb Servo. Un Servo es un dispositiu que integra l’actuador, el(s) sensor(s) i l’electrònica de control, amb l’objectiu d’assolir la consigna dessitjada. Servo Planta Sistema de Control Actuador Consigna Sensor • Sistema de Control: Sistema en llaç tancat, poguent ser del tipus P, PI, PID, fuzzy, etc... • Actuador: Dispositiu Hidràulic, Pneumàtic o Elèctric que actua en la planta. • Sensor: Dispositiu format per un Transductor més una electrònica d’acondicionament del senyal. El transductor és un dispositiu capaç de transformar una mesura física en elèctrica.

4. Quim Salvi. 4 Universitat de Girona. • Actuadors Hidràulics: • Avantatges: • Elevada potència en relació al seu tamany. • Reduit Baklash: Problemes de transmissió indessitjat de moviment deguts a canvis en la carrega. • Possibilitat de generar grans forces transmitint pressions. • Utilitzable en ambients perillosos ja que necessiten de molt poca electrònica i el fluid pot ser no inflamable. • Poden manipular carregues de major pes que els sistemes pneumàtics o elèctrics. • Petit temps de resposta a sobtats canvis de potència. • Més robust a colisions que els equips elèctrics. • Més fàcils de ser controlats que els equips pneumàtics. • Desavantatges: • Perdues de fluid poden contaminar l’entorn. • Sorollós. • Canvis de temperatura en l’ambient modifiquen la viscositat del fluid de manera que a baixes temperatures la viscositat augmenta provocan moviments a batzegades. • El preu econòmic dels components no decrementen proporcionalment al seu tamany. • El control amb servo es més complexe que l’elèctric.

5. Quim Salvi. 5 Universitat de Girona. • Actuadors Pneumàtics: • Avantatges: • Són els actuadors més barats. • Disposa d’un menor número de parts en moviment, reduintse els costos i augmentant l’eficiència. • El més rapid de resposta permeten cicles de treball de periòdes molt curts de temps. • Segurs en ambients perillosos, fins i tot humits, al poguer funcionar sense electrònica de control. De fet el control sol ser de tot o res, ja que els canvis de volum son dificils de controlar. • Són sistemes molt compàctes al permetre molta conectivitat entre elements individuals. • Desavantatges: • Determinats moviments molt sofisticats i el control de velocitat esdevenen sistemes molt i molt complexes de realitzar amb pneumàtica. • No massa útils per manipular carregues pesades amb precissió degut a la compressió d’aire. • El canvis de temperatura de l’aire, al ser comprimit, pot provocar condensació i una determinada humitat dins dels conductes i actuadors. Aquesta aigua al ser més densa pot provocar problemes en la transmissió de pressions, obligant el sistema a ser drenat. El problema s’atenua ubicant apropiadament refredadors i drenadors d’aigua.

6. Quim Salvi. 6 Universitat de Girona. • Actuadors Elèctrics: • Avantatges: • Els elements bàsics, en aquest cas el motor elèctric, es molt mes lleuger que l’hidràulic. • La precisió i repetibilitat és més elevada que els hidràulics o pneumàtics. • Nets i poc sorollosos. • Poc manteniment i facilment reperables. • El lligam entre l’actuador i l’electrònica de control és molt simple. • En constant evolució. • Facilment controlables. • Desavantatges: • Cal adaptació de transmissions de moviment, és molt més fàcil transmetre un fluid que transmetre un moviment mecànic com pot ser una rotació o traslació. • No utilitzable en entorns perillosos. Tot i aixi el recent motor sense escombretes permet l’utilització en entorns inflamables al no produir-se guspires per fregament.

7. Quim Salvi. 7 Universitat de Girona. Actuadors Hidràulics. Funcionament bàsic. • Elements: • Tanc de fluid. • Pump. Bomba de pressió. • Cooler: Refredador. • Vàlvula d’acció sobre el pistó • Vàlvules de fuga de pressió. • .

8. Quim Salvi. 8 Universitat de Girona. Actuadors Hidràulics. Funcionament bàsic: La bomba de pressió. La bomba de pressió és el cor de tot sistema hidràulic. Normalment està accionada per un motor elèctric (en els seus inicis per una màquina de vapor). La seva rotació produeix unes diferencies de pressió que succionen el fluid produint transmissions de forces. Tipus 1. En el cas a) no hi ha variació de pressió. En el cas b) i degut a l’eccentricitat és produeix un augment de la pressió en la sortida del motor. La pressió es pot regular doncs de dues maneres: Controlant la velocitat de rotació i variant l’eccentricitat del motor.. Tipus 2. L’augment de pressió es realitza simplement fent girant un dels dos motors. Fixeu-vos que el fluid no pot tornar enrera degut a les dents dels motors. Nota: Les aspes de les bombes, tant del tipus 1 com 2, no són estanques, recordar que el volum no varia.

9. Quim Salvi. 9 Universitat de Girona. • Actuadors Hidràulics. • Desplaçaments direccionals. • El tipus pistó unidireccional: El pistó només actua en un sentit quan s’injecta pressió en la vàlvula d’entrada. El retorn a la seva posició de repós es realitza al extingir-se aquesta pressió normalment per la força d’una molla allotjada dins el cilindre.

10. Quim Salvi. 10 Universitat de Girona. • Actuadors Hidràulics. • Desplaçaments direccionals. • El tipus pistó bidireccional. Un exemple d’utitlització.

11. Quim Salvi. 11 Universitat de Girona. Actuadors Hidràulics. Moviments Rotatius: Moviments rotatius provocats pels canvis de pressió entre la vàlvula que governa el fluid d’entrada a l’actuador i la del fluid de sortida. a) Moviment rotatiu sense fi, b) moviment angular (inferior a 1 volta) i c) moviment rotatiu d’un número fixe de voltes. b) a) c)

12. Quim Salvi. 12 Universitat de Girona. • Actuadors Pneumàtics. • De característiques molt semblants als hidràulics. • Podem trobar: • Cilindres o Pistons unidireccionals i bidireccionals: De molt ràpida resposta però suporten carregues de menor pes. • Pinyons o Motors de rotació: Molt poc eficients ja que normalment el control de velocitat requereix que aquest siguin suaus de moviment i els pneumàtics resulten ser molt bruscs. • En la part de control trobem vàlvules que realitzen funcions lògiques (mes o menys complexes), biestables, ..., poguent-se construir qualsevol sistema seqüèncial.

13. Quim Salvi. ^ ^ V i I : Tensió i Intensitat de pic. d M F 13 Universitat de Girona. Actuadors Elèctrics. Mesures Físiques. Potència (Watt): En DC o Corrent Contínua. En AC o Corrent Alterna. En Corrent Trifàsica. Treball elèctric (Watts per segon o Joule): El que paguem a l’empresa productora d’energia per l’electricitat consumida. Parell o Moment (M = Newton per metre). Enomenat també treball mecànic (W): Rendiment (adimensional): V i I : Tensió i Intensitat. Vf i If; Vl i Il: Tensió i Intensitat de fase i de línea. P : Potència (Watts) t: Temps (segons) 3600000 Ws = 1000 Wh = 1kWh F : Força (Newtons) = m·a d: distància (metres). En el nostre cas F serà el pes de la carrega accionada pel motor, i d la distància del punt de suport de la carrega a l’eix del motor. Ex: Un motor consumeix 5 kW de potència elèctrica per a produir 4 kW de Potència Mecànica. Quin es el seu rendiment en %?

14. Quim Salvi. S N S N S N S N S N S N 14 Universitat de Girona. • Actuadors Elèctrics. Camp Magnètic. • Materials ferromagnètics: Ferro, Níquel i Cobalt. • L’iman és un material que genera un camp magnètic que atrau els materials ferromagnètics. • Els punts on l’atracció és major s’enomenen pols. L’atracció disminueix al llarg de l’iman i és cero en el centre. • Pols iguals es repelen. Pols diferents s’atrauen. Generant-se unes linees de força o camp magnètic. • En la part exterior de l’iman les línees de força van del pol nort al pol sud; en l’interior, del pol sud al pol nort. • Els imans tendeixen a orientar-se de manera que els camps magnètics tinguin la mateixa orientació.

15. Quim Salvi. 15 Universitat de Girona. • Actuadors Elèctrics. Camp Magnètic. • Camp Magnètic creat per la circulació d’intensitat per un conductor. • Camp Magnètic creat per la circulació d’intensitat per una espira o bobina. Regla ma dreta Dues possibilitats. 1. Si els dits de la mà estan en el sentit de circulació del corrent per una espira o bobina, aleshores el dit gros indica el sentit del pol nort 2. Si el dit gros indica el sentit de circulació de l’intensitat per un conductor, els altres dits indiquen el sentit de les linees de força del camp magnètic que produeix. Camp magnètic entre conductors paral·les en els que circula intensitat en sentit diferent. Produeix dos camps magnètics que es comporten com un iman. Camp magnètic entre conductors paral·les en els que circula intensitat en el mateix sentit. Produeix dos camps magnètics que es comporten com un únic camp magnètic de major intensistat.

16. Quim Salvi. Força Electromotriu o Fluxe Magnètic. (Ampers) I Intensitat (Ampers) N Número d’espires de la bobina. (adimensional) 16 Universitat de Girona. • Actuadors Elèctrics. Camp Magnètic. • El fluxe magnètic d’una bobina. • El ferro reforça el fluxe magnètic d’una bobina: Si introduim un material ferromagnètic en l’interior d’una bobina, aquesta veu augmentat el seu fluxe magnètic sense necessitat d’incrementar el numero d’espires ni l’intensitat. Aquest és el motiu pel qual totes les bobines s’enrotllen al voltant d’una peça de ferro. • Una bobina llarga te un camp magnètic més dèbil que una de la mateixa forca electromotriu però més curta. Aleshores l’intensitat de camp magnètic H (Oersted o A/m) el definirem com el qüocient entre la força electromotriu FMM i la longitud mitja de les linees de camp l.

17. Quim Salvi. 17 Universitat de Girona. • Actuadors Elèctrics. Exemples d’utilització de camp magnètic. • Contactors. • Iman de càrrega i iman d’embregatge.

18. Quim Salvi. U U X 90 180 270 360 Z Y W V R U R Z U X Mp W X Z Y S S W V Y V T T 18 Universitat de Girona. • Actuadors Elèctrics. Fonaments de Corrent Trifàsica. • S’enomena corrent alterna trifàsica a tres tensions alternas acoplades i desfasades entre si 120º. Aquesta corrent trifàsica es pot obtenir per inducció al fer girar una roda polar. • Dos possibles acoplaments.

19. Quim Salvi. 19 Universitat de Girona. • Actuadors Elèctrics. Fonaments de Corrent Trifàsica. • Tensió de linea i de fase en estrella. En triangle són equivalents. • Tensió de línia: Tensió entre dos elements terminals de fase (R,S,T). • Tensió de fase: Tensió entre un element terminal de fase (R,S, T) i el neutre (Mp). • Conexió en estrella Conexió en triangle. • Ex: Tres resistencies de calefacció de 40 W estan conectades a una xarxa trifàsica de 380 V/ 220 V. Calcular la potència consumida si està acoplada en estrella o be en triangle. • en estrella • en triangle • La potencia consumida per una conexió per un sistema en triangle es 3 vegades major que si es conecta el mateix sistema en estrella. R U R Z U Il If2 Uf Il=If If Ul=Uf Ul X If3 W X Mp Z Y S Y V W S V T T

20. Quim Salvi. 20 Universitat de Girona. • Actuadors Elèctrics. Fonaments de Corrent Trifàsica. • La corrent trifàsica aplicada a tres bobines desfasades entre si 120º genera un camp magnètic giratori. • Intercanviant entre si dos conductors de linea, s’inverteix el sentit de gir del camp giratori.

21. Quim Salvi. 21 Universitat de Girona. • Actuadors Elèctrics. Components d’un Motor. • Un motor consta funamentalment de dues parts. Una fixa enomenada estator i una de giratoria enomenada rotor. L’estator engloba el rotor i aquest està solidari al primer a través de coixinets. Tant l’estator com el rotor poden estar formats per imans permanents o bobines. • El rotor: • Escombretes o brushes: Quan el rotor esta format per electroimans (bobines) s’ens presenta el problema de transmetra-li la corrent quan aquest està girant. Solen ser d’un material conductiu com grafític o carbó. • Components: Eix (shaft). Armadura (core). Conmutador. Escombreta (brush). Suport Escombreta (brush holder). Slots. Bobinats (coils).

22. Quim Salvi. 22 Universitat de Girona. • Actuadors Elèctrics. El Motor AC Trifàsic Síncron. • La corrent trifàsica suministrada per la xarxa origina un camp magnètic en l’estator. • Els pols del camp de l’estator actuen sobre els pols de l’iman del rotor. • Si el rotor està format per electroimans aquest estan alimentats en continua i reben la tensió a través de dos anells i dues escombretes que formen el conmutador. • Camp magnètic produit en l’estator. • Sentit de gir del rotor i angle de càrrega. El motor síncron conectat a una xarxa estable, de freqüència fixa, a l’augmentar la càrrega augmenta l’angle de càrrega però manté la seva velocitat constant.

23. Quim Salvi. 23 Universitat de Girona. Actuadors Elèctrics. El Motor AC Trifàsic Síncron. Número de Pols (p) = 2 * Número de bobines / 3. Velocitat de gir del rotor (velocitat síncrona de la màquina). Ex: Tenim 6 bobines alimentades en trifàsica, aleshores, tal i com es veu en el dibuix es generen 4 pols en l’estator. f : Freqüència de la xarxa. p : Número de pols.

24. Tecnologies Avançades de Producció. Quim Salvi. Quim Salvi. 24 24 Universitat de Girona. Universitat de Girona. • Actuadors Elèctrics. El Motor AC Trifàsic Asíncron. • Son els més utilitzats. • L’estator es equivalent al del motor síncron, els diferents motors asíncrons es caracteritzen pels diferents tipus de rotor. • El Motor asíncron d’inducció. • El rotor està format per 3 bobines desfasades 120º (trifàsic), i invertides respecte les de l’estator. • La tensió induida per part de l’estator en el rotor fa que aquest generi un camp magnètic que obliga al rotor a girar. • Necesita d’una elevada corrent d’arrencada convinat amb un elevat parell. • Un augment de la càrrega implica una disminució de la velocitat de gir. • Disposa de 3 escombretes que només s’utilitzen en arrencar, un cop el rotor gira es poden desconectar del conmutador. • Utilització en màquines grans com bombes d’aigua i grans màquines eines, i molt especialment en màquines que necessitin molt parell d’arrencada com elevadors de càrregues pesades.

25. Quim Salvi. 25 Universitat de Girona. • Actuadors Elèctrics. El Motor AC Trifàsic Asíncron. • El Motor asíncron de rotor cortocircuitat. • També enomenats de gàbia d’esquirol. • El rotor està format per un conjunt de varilles conductores, les quals estan cortocircuitades per dos anells en els extrems formant el que es coneix com a gàbia d’esquirol. • Les corrents induides per l’estator en les varilles de la gàbia del rotor fan que aquest generi un camp magnètic que obliga al rotor a girar. • No necessita d’escombretes. • Necessita d’elevades corrents per arrencar el motor i generalment d’un parell motor molt baix (depen del rotor utilitzat, el rotor en V disposa d’un elevat parell d’arrencada). • Mes lleugers, barats, de fàcil manteniment i no produeixen guspires. • Utilitzats en màquines eina i aparells d’elevació.

26. Quim Salvi. 26 Universitat de Girona. • Actuadors Elèctrics. El Motor Lineal. • Motors amb força impulsora lineal i no circular. • La part corresponent a l’estator s’enomena inductor i es on van allotjades les bobines que produiran el camp magnètic. La part corresponent al rotor s’enomena induit i està format per un simple material conductor. • Podem trobar-nos motors lineals d’un únic inductor o be de dos inductors. • La corrent trifàsica que circula pel devanat de l’inductor produeix un camp magnètic que es mou en línea recta. • Si el inductor esta fixe aleshores l’induit es mou en el sentit del camp magnètic produit per l’inductor, ara be, si l’induit esta fixe aleshores l’inductor es pot moure en el sentit contrari al camp magnètic que produeix. • Utilitzat en obertura de portes i majoritàriament en transport de material.