PRINCIPIOS DE AUTOMATIZACIÓN -PRAC1-

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

CECYT NO.9 JUAN DE DIOS BÁTIZ

PRINCIPIOS DE AUTOMATIZACIÓN

PRÁCTICA NO.1: CONTROL DE MOTORES

EQUIPO PROFESOR: JESÚS VARGAS ALBERTO OLIVARES

6IM3

INTEGRANTES:

BAYUELO GONZÁLEZ EDER

SANDOVAL ROSAS ALFONSO

TORRES ALVAREZ RAÚL RODRIGO

YLHUICATZI DURÁN JOSÉ LUIS

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PRINCIPIOS DE AUTOMATIZACIÓN Página 2

INTRODUCCIÓN

TIPOS DE CORRIENTE: CARACTERÍSTICAS Y OPERACIÓN

Dentro de la energía eléctrica que utilizan los dispositivos eléctricos y electrónicos, se

pueden distinguir dos tipos fundamentales de corriente: la corriente alterna o de dos

polaridades, y la corriente continua o pulsante, de la cual puede derivarse la corriente

directa. Estos tipos de corrientes poseen características distintas, las cuales resultan

óptimas para energizar a ciertos dispositivos y permitirles operar, siempre y cuando se

cumplan los parámetros que cada elemento requiere.

El primer tipo de corriente a estudiar es la corriente alterna (CA). Este tipo de corriente

tiene la peculiaridad de poseer dos polaridades, por lo que su señal se visualiza como una

onda sinusoidal. La corriente alterna es utilizada en la industria para diversos propósitos,

como lo son:

Generación de iluminación

Calor eléctrico

Movimiento motriz

Alimentación de equipos de control

La señal de este tipo de corriente tiene diversas características que definen su medida, las

cuales se pueden apreciar con un sistema de ejes en un osciloscopio. Las características de

la señal de CA son:

Como se puede apreciar, la señal de

compone de los siguientes elementos:

Vp (Voltae Pico)

Vpp (Voltaje pico a pico)

T (Periodo)

Además de que posee los parámetros de

Voltaje RMS (VRMS) y Frecuencia (f), de

los cuales se hablará posteriormente.

De igual forma, un parámetro que se

toma en cuenta con las señales de este

tipo es la fase, la cual es una media de Fig. 1 Señal sinusoidal de CA



tiempo entre dos ondas sinusoidales, medida no en segundos sino en términos de

ángulos, ya sea grados o radianes.

Vp (Voltaje pico): Éste es el voltaje máximo que alcanza cada uno de las crestas, u ondas

positivas/negativas de la señal en general. También se le conoce como amplitud de la

onda, y su valor será positivo si se ubica sobre el eje (t) o negativo si se ubica por debajo

de éste.

Vpp (Voltaje Pico a Pico): Es el voltaje total generado por la señal. En la gráfica, se

distingue por ser el valor de V que recorre de cresta a cresta en las secciones

positiva/negativa de la misma.

T (Periodo): El periodo es el intervalo de tiempo entre dos puntos equivalentes de la onda,

es decir, el tiempo que transcurre entre la parición de un par cresta/valle y el siguiente.

f (Frecuencia): La frecuencia es la medida de las repeticiones de la señal en una unidad de

tiempo. Para una onda sinusoidal, la frecuencia es la cantidad de repeticiones en un

segundo. Su unidad son los hercios (Hz, en

honor a Heinrich Rudolf Hertz), y se define

como el inverso de la medida del periodo de

la señal.

VRMS (Voltaje de media cuadrática): Es el

promedio total de la energía en un semi-ciclo

de onda. De manera física, ésta cantidad es el

voltaje efectivo; el que resulta utilizable para

cuando se alimenta a un dispositivo con él. Si

se mide con un voltímetro un contacto

doméstico, el voltaje que se aprecia no es el valor real, que proveen las centrales

generadores de energía, sino que el valor realmente registrado es el que se puede

aprovechar, o el VRMS.

Matemáticamente, el VRMS se define como: 𝑉𝑝

2 o lo que es equivalente Vp(.707), ya

que como se puede apreciar en la Fig.2, el valor aprovechable del Vp en una onda es esa

fracción RMS.

La CA doméstica de México posee 127V de voltaje efectivo a 60 Hz, lo cual equivale a un

periodo de 16.6 ms y a un Vpp de 359.21 V aproximadamente.

Fig. 2 Distinción entre el VRMS y el resto de los

voltajes



La onda de una señal de CA se puede controlar, o mejor

dicho, limitar, mediante la técnica por ángulo de disparo,

conocida también como control de cruce por cero. La

intención de controlar una señal consiste en delimitar las

secciones que se quieren usar de cada onda, de manera

que se cree una señal diferente a partir de dichos límites.

Los semiciclos se delimitan por un ángulo, el cual

determina qué parte de la señal se quiere, y se genera

mediante un timer que proporciona el periodo en el cual

se desea esté la señal a partir de que cruce por el eje de

0V. Esta acción de delimitación se conoce como

rectificación, y se necesita un circuito especial que lleve

a cabo esta tarea.

De manera básica, un control de conmutación o controlador de cambio de estado es el

circuito esencial para rectificar una onda, cambiando de estado o polaridad

constantemente. Si se visualiza como un switch entre la fuente de CA y RL, o cualquier

dispositivo conectado, bastaría con presionar el switch para dejar pasar la onda, la cual

crecería exponencialmente hasta alcanzar un voltaje pico para descender. Si en ese

momento se conmuta para poder volver a dejar pasar la onda, se volvería a formar una

onda semejante, de manera que la señal resultante se vería como en la Fig. 4:

La señal resultante sólo conservó las ondas positivas. Sin embargo, para que el proceso no

sea manual (inclusive un relevador presentaría errores por sus limitaciones mecánicas en

cuanto a velocidad de respuesta), se debe recurrir a un circuito conocido como el

rectificador de onda completa. Siendo parte fundamental de cualquier fuente de voltaje,

el rectificador se compone de los siguientes elementos:

Fig. 4 Onda resultante de un control de conmutación Fig. 5 Circuito equivalente de un control de

conmutación

Fig. 3 Onda controlada por la técnica

de cruce por cero.



El arreglo de 4 diodos de conoce como puente de

diodos, y es el elemento principal para realizar la

operación de rectificado de onda completa.

Durante el proceso, el puente de diodos cambia de

polaridad repetidamente, por lo que se pueden

distinguir dos estados primordiales en la

rectificación:

CASO 1: ONDA POSITIVA

Debido a la polarización de los diodos, la

onda positiva seguirá rigurosamente el

camino de D2 a RL, para después

regresar hacia tierra por medio de D4.

La onda conseguida al final del circuito

es positiva.

CASO 2: ONDA NEGATIVA

Una vez más, el camino que podrá

seguir la onda negativa estará

determinado por la polarización de los

diodos. Esta vez, D3 conduce la onda

hacia RL para poder después regresar

hacia la fuente por medio de D1. Debido

a su forma de ingresar a RL, la señal

resultante es también una onda

positiva.

La corriente que se ha generado finalmente es corriente continua (CC), la cual posee una

frecuencia que es del doble que la corriente alterna (120Hz).

Fig. 6 Circuito de rectificación de onda completa



Para poder tener más control sobre la corriente se debe transformar la actual corriente

continua en corriente directa (CD). El proceso se conoce como filtrado eléctrico, y emplea

capacitores debido a las propiedades de sus dieléctricos.

El capacitor al cual ingresa la señal de CC se carga y descarga al haber alcanzado un voltaje

máximo. Sin embargo, antes de terminar de descargar, el dieléctrico ya está recibiendo la

siguiente onda de CC. Este efecto recorta la forma de la señal, dándole la apariencia de

una línea continua, de un mismo valor de voltaje y con una misma polaridad, sin

variaciones. Esta señal es lo que precisamente se conoce como CD.

El voltaje excedente o ruido que en ocasiones se distingue en estas señales se llama rizo, y

es causado por las cargas/descargas de los capacitores.

C.D. ideal

Rizo

Corriente Continua

PRINCIPIO DE OPERACIÓN DE LOS MOTORES ELÉCTRICOS

La energía que se usa en cualquier lugar para cualquier dispositivo, ya sea de manera

doméstica o industrial, surge originalmente de plantas generadoras de energía, las cuales

pueden ser de diversos tipos empleando energías naturales para generar energía

eléctrica. Las plantas eólicas, hidráulicas y de hidrocarburos utilizan la fuerza del viento,

las corrientes de agua y combustibles fósiles, respectivamente, para generar electricidad

que se transmite hacia otras regiones, mediante postes de luz. Un ejemplo de dispositivos

generadores de energía eléctrica es el DINAMO, el cual transforma energía mecánica en

eléctrica, como corriente continua. Éste generador crea corriente a partir de inducción

magnética, o FEM, ya que se transmiten líneas de campo eléctrico de un polo a otro en un

sistema de dos polos separadas por cierta distancia. Entre ellos se ubica un conmutador

Fig. 7 Filtro eléctrico



giratorio cuya parte plana corta las

líneas de fuerza conforme rota. Si ésta

se halla paralela a las líneas, no se

produce energía, mientras que, a

medida que va aumentando el

ángulo, se van cortando más líneas,

generando voltaje de manera

exponencial hasta alcanzar un FEM

máximo, a los 90°. El ángulo

disminuirá hasta completar una

revolución, y mientras más revoluciones se den, más energía producirá el Dinamo.

El inventor de este dispositivo fue Michael Faraday (1791-1867). Padre de las primeras

teorías y aplicaciones del principio de inducción, él diseñó uno de los elementos

electromecánicos más utilizados por la industria y el

mundo: el motor eléctrico.

Éste dispositivo es esencialmente una máquina que

convierte energía eléctrica en energía mecánica. Su

funcionamiento se apoya básicamente en el flujo de

campos magnéticos, pues la electricidad que entra a

él por medio de sus polos es transmitida mediante

unas escobillas a un cable de cobre. Éste genera un

campo eléctrico que provoca la atracción de un lado

de un imán hacia una espira, y al mismo tiempo, el

otro lado del imán la repele. Cuando la bobina debe

quedarse quieta, un conmutador invierte el sentido

del campo eléctrico y ahora la bobina es atraída y repelida en sentido opuesto, causando

el giro característico de los motores.

La dirección y sentido de la fuerza magnética son posibles de calcular mediante la regla

vectorial de la mano derecha: Considerando a los dedos pulgar, índice y medio como un

triedro, cuando el dedo índice y medio apuntan en las direcciones de la intensidad y el

campo magnético, el pulgar señalará la dirección y sentido de la fuerza.

Existen diversos tipos de motores que funcionan con CA o CD. El uso de estos tipos de

corriente define en gran parte las propiedades que posean, como lo son la fuerza de giro

(torque), la velocidad, entre otros. En este caso, los motores de CA serán los estudiados.

De este tipo de motores, hay tres clasificaciones: motores de inducción, motores

síncronos y motores de colector.

Fig. 8 Esquema de un generador DINAMO

Fig. 9 Ejemplo de un motor de CD



Fig. 11 Arquitectura interna de un motor de CA

Motores de inducción: Este tipo de motores de CA

poseen un devanado secundario dentro de su

arquitectura

Motores de inducción polifásicos: Estos motores, de

aplicación primordialmente industrial, requieren

grandes cantidades de corriente para operar.

Normalmente se auxilian de circuitos integrados para

mantener esa corriente constante y no dañar la

instalación eléctrica. La corriente trifásica entrante es

conectada a un devanado primario para alimentar al

rotor.

Motores de inducción monofásicos: Requieren de otro motor para ponerse en marcha,

puesto que sólo generan un campo alternativo fijo, no giratorio. Se conectan a una red

monofásica común.

Motores síncronos: La velocidad de estos motores depende de la frecuencia de la onda de

CA entrante, además de los pares de polos que posea dentro de su arquitectura.

Los motores de CA incluyen dentro de

sus arquitecturas imanes, escobillas

colocadas sobre su elemento

conmutador, hilo de cobre enrollado

en láminas superpuestas, una bobina

de hilo de cobre colocada en un eje de

metal, y una carcasa donde se colocan

todos los componentes.

Fig. 10 Ejemplo de un motor de CA de

inducción.

1.- Rotor de Aluminio

2.- Estator



CIRCUITOS DE CONTROL DE MOTORES: TODO O NADA

Los motores pueden auxiliarse de muchos circuitos de control, ya sea para CA o CD. Los

dos circuitos aplicados de la práctica 1 manejan un sistema conocido como “todo o nada”,

el cual considera únicamente dos estados para el motor, encendido y funcionando, o

apagado y no funcionando, sin dominio de los diferentes parámetros que componen la

actividad de un motor o las acciones que sucedan entre estos dos estados de

conmutación.

El circuito ideal que ejemplifica este modo de control consiste sencillamente en un switch

entre una fuente de CA y un motor:

SW1 MOTOR

ON ARRANCA

OFF PARA

Sin embargo, la conmutación de manera manual resulta muy ineficaz puesto que ciertas

operaciones requerirían de una mayor velocidad de conmutación, además de que el

movimiento mecánico genera mucho ruido por el desbordamiento de corriente al

conmutar. Existen diversos dispositivos electromecánicos que facilitan dicha conmutación,

respondiendo a velocidades relativamente veloces. Tal es el caso del relevador o relay. El

inconveniente que posee es que su velocidad podría no ser suficiente para responder ante

los pulsos de un microcontrolador, por ejemplo, ya que presenta la gran desventaja de ser

un elemento mecánico, con características físicas de movimiento. Por otra parte, existen

dispositivos estáticos cuyas velocidades son más eficaces para trabajar de manera

conjunta con microcontroladores. Un ejemplo es el Optoacoplador o relevador de estado

estático, el cual emplea un fototransistor o un fototriac, dependiendo del caso, para

permitir el paso de energía, basándose en la luminiscencia presente en la base de dicho

elemento.



DESARROLLO DE LA PRÁCTICA

Objetivos

Material

Relevador bobina 12V DC a 2A

-Los relevadores son conmutadores magnéticos cuyo switch

cambia de un estado a otro (NC a NA) cuando se inserta

cierto voltaje en su bobina, induciendo un campo magnético

que atrae a la pastilla, guiando la electricidad hacia otro

camino. Existen de diversos tipos en cuanto a conexión,

como son los de dos polos un tiro (SPDT), o los de dos polos

dos tiros (DPDT). Debido a que la conmutación es mecánica,

suele tener problemas trabajando con altas velocidades,

además de que produce un desbordamiento de corriente que

puede llegar a dañar otros elementos conectados.

Switch a 600V 2A

-Los switches para CA contienen un diseño robusto que les permite

conmutar mecánicamente sin producir grandes chispas y sin fundirse por la

gran cantidad de corriente que corre a través de ellos. Son utilizados

frecuentemente a nivel de las fuentes.

Diodo IN4001

-Los diodos son conductores de germanio o silicio cuya cualidad reside en

que sólo dejan pasar a la corriente en un solo sentido, de ánodo a cátodo.

En la práctica, el diodo protege al transistor de la descarga mecánica que

crea el relevador al conmutar. Dependiendo del material con el que hayan

sido fabricados, éstos presentan un consumo de voltaje reflejado en su

señal saliente. Si el diodo es de Germanio, éste consumirá 0.3V, mientras

que los de silicio consumen 0.7V.



Transistor BC547

-Transistor de tipo NPN que opera bajo condiciones normales de corriente y

voltaje. En la práctica, se emplea como elemento de control para

activar/desactivar el relevador, permitiendo el paso de la corriente de su

bobina hacia tierra con un simple pulso en la base. Las terminales de los

transistores son base, Colector y Emisor. Al haber diferencia de potencial en

la base, el transistor entra en estado de saturación, lo cual significa que

habrá un voltaje colector-emisor equivalente al voltaje en el colector más

una ganancia en cuanto a corriente, la cual es dada por modelos

matemáticos.

TRIAC BTA16

-El TRIAC es un dispositivo pasivo cuya cualidad es la de permitir el

paso de corriente bidireccional (ondas positivas/negativas), es decir,

permite el paso de corriente alterna conservando sus características

originales. Sin embargo, este dispositivo es empleado como

elemento de control, ya que requiere un pulso en su entrada gate

para permitir el paso de dicha señal, convirtiéndose en un

conmutador de CA muy versátil. Su arquitectura se compone de dos

SCR colocados en paralelo, en sentidos opuestos.

OPTO-TRIAC MOC3011

- Este dispositivo aprovecha las características de los

dispositivos opto electrónicos para funcionar como un

conmutador de estado sólido, sin las consecuencias que trae el

movimiento mecánico de los dispositivos previamente

anunciados. El dispositivo se compone de un par de elementos en un mismo

encapsulado tipo DIP. Un led satura un componente opto electrónico, en este caso

un TRIAC, para que sólo bajo esa emisión de fotones pueda conmutar y dejar pasar

la corriente. La gran ventaja de estos dispositivos, además de su estado sólido, es

que funcionan como aislantes eléctricos entre la entrada/salida del circuito. Se les

conoce también como acopladores, pues conectan las señales de dos circuitos

distintos sin tener que establecer una conexión de interacción física que implique

riesgos o ruido.



Mediciones de la práctica

A partir de mediciones con voltímetro y amperímetro, se consiguieron los siguientes

resultados:

CIRCUITO NO.1

SW1 VOLTAJE CORRIENTE

ON 123.1 V 2.1 A 1.3 A

OFF 124.4V 0A

-El par de arranque es el valor de corriente que el motor consume cuando la energía llega

a sus terminales, de manera que ese exceso lo use para arrancar. Una vez estabilizado, el

valor de consumo disminuye al promedio requerido para mantener constante su

operación.

Para el circuito no.1, el motor comenzó a funcionar de manera correcta cuando consumió

la corriente y voltajes necesarios para hacer constante su operación. El voltaje sólo fluye

hacia él cuando el switch está cerrado. Cuando el switch está apagado, la corriente que

está en el circuito es más o menos la que se provee desde la toma de corriente. Sin

embargo, al encender el switch, el motor hace un consumo de voltaje que reduce su valor

total en el circuito entero.

SW1 MOTOR

ON ARRANCA

OFF PARA



CIRCUITO NO.2

ESTADO VCC VOLTAJE CORRIENTE

ON 124.6 V 2.8 A 1.3 A

OFF 126.3V 0A

-En el caso del circuito no.2, el elemento conmutador fue el relevador, y su conmutación

mecánica fue controlada insertando vcc en la base del transistor. Ya que éste está

conectado a tierra mediante su terminal de colector, sólo llevándolo a saturación

permitiría el paso de la corriente proveniente de los 12V a tierra (VCE), creando así una

diferencia de potencial en la boina para atraer a la pasilla mecánica por inductancia y así

conmutar y alimentar al motor. El diodo funciona para retroalimentar la corriente en

exceso de regreso a la bobina, pues ésta puede dañar al resto del circuito.

ESTADO VCC MOTOR

ON ARRANCA

OFF PARA



CIRCUITO NO.3

ESTADO VCC VOLTAJE CORRIENTE

ON 117 V 2.09 A 1.14 A

OFF 120 V 0A

-El circuito no.3 maneja un control de conmutación más complejo. Cuando el transistor

está en saturación, el led permitirá la operación del triac integrado en el opto acoplador,

el cual permitirá el paso de la corriente hacia el gate del mismo, permitiendo que la señal

de CA llegue hasta el motor, iniciando su arranque. Si se desactiva vcc, el led deja de

emitir fotones y el triac suspende sus actividades, conmutando inmediatamente a

apagado.

ESTADO VCC MOTOR

ON ARRANCA

OFF PARA



CONCLUSIONES

BAYUELO GONZÁLEZ EDER

Manejar el encendido y apagado del motor de corriente alterna mediante un

switch, es el principio básico para aprender a utilizar los mismos con

arquitecturas mucho más complicadas, como es el caso de los

microcontroladores.

El uso y control de los motores de corriente alterna, puede facilitarse

manejando relevadores, así como los transistores y corriente continua.



SANDOVAL ROSAS ALFONSO

Esta práctica nos ayudó a comprender los fundamentos de los circuitos de control de

motores de CA. Para aplicaciones específicas de la industria en proyectos automatizados,

es muy conveniente poseer control total sobre todos los parámetros de operación de los

motores, como lo son la velocidad, el arranque, el tiempo de operación, la potencia, etc. A

través de diversos circuitos, es posible controlarlos, de manera que los procesos resulten

más efectivos al poder manipular su desarrollo. Los circuitos de esta práctica siguen la

filosofía de “todo o nada”, la cual consiste en que el arranque del motor es absoluto o

nulo, sin estados intermedios o control sobre algún otro parámetro.

El primer circuito maneja únicamente un switch para conmutar entre dos estados del

motor. Ya que es el circuito más básico que existe para controlar un motor, su aplicación

resulta muy poco práctica para cualquier proceso. Por otra parte, el segundo circuito

maneja un relevador y un transistor BC547. Al saturar el transistor y aplicar 12V en la

bobina del relevador, éste se activa conmutando su pastilla mecánica hacia el encendido

del motor. El usar un dispositivo mecánico como éste implica la consideración de muchos

riesgos, como lo son las fallas físicas o la velocidad ineficaz de conmutación, ambas

causadas por las limitaciones del movimiento mecánico. Esto se soluciona en el tercer

circuito, al utilizar un relevador de estado sólido. El circuito es en esencia el mismo, sólo

que la integración de un opto triac elimina la posibilidad de fallas mecánicas e incrementa

la velocidad de respuesta. El triac integrado en este dispositivo actúa como un

conmutador de CA muy versátil para éste tipo de aplicaciones, pues sólo necesita

corriente en su entrada de gatillo y una emisión de fotones por parte del led.

Finalmente, en esta práctica entendimos los principios básicos de control de motores que

nos pueden auxiliar en la comprensión de otros circuitos más complejos que controlen

más parámetros del motor.

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