Aplicación de un sistema de control de velocidad en un motor

Sistemas de Control Automático. Guía 8
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Facultad: Ingeniería.
Escuela: Electrónica.
Asignatura: Sistemas de Control Automático.
Lugar de ejecución: Hidráulica y Neumática (Edificio
6, 2da planta).
Aplicación de un sistema de control de velocidad en un
motor hidráulico.
Objetivos específicos
•
Demostrar la operación de un control de velocidad de lazo abierto y lazo cerrado en un sistema
hidráulico (Control proporcional).
•
Utilizar un actuador y adecuador de señal en el sistema de control.
Materiales y equipo
•
•
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•
•
•
•
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•
•
•
•
1 FUENTE DE VOLTAJE [LAB-VOLT EMS 8846].
1 MÓDULO DE POTENCIÓMETRO [LAB-VOLT EMS 9036].
1 MÓDULO MANEJADOR DE SERVOVÁLVULA [LAB-VOLT EMS 9042].
1 MÓDULO DE CONTROL DE SERVOVÁLVULA [LAB-VOLT EMS 9043].
1 MODULO TACÓMETRO/GENERADOR [LAB-VOLT EMS 9044].
1 MÓDULO MEDIDOR [LAB-VOLT EMS 9321].
1 MÓDULO SERVOVÁLVULA [LAB-VOLT AS-14086].
1 AMPLIFICADOR DE SEÑAL [LAB - VOLT EMS 9041].
1 DETECTOR DE ERROR [LAB - VOLT EMS 9037].
1 MÓDULO ACTUADOR HIDRÁULICO (MOTOR) [LAB-VOLT AS-14088].
1 GABACHA (El estudiante debe traerla).
9 MANGUERAS DE ACOPLE RÁPIDO.
1 NODO.
Introducción teórica
En un sistema de control donde la velocidad de rotación es la variable controlada, puede utilizarse un
control de lazo abierto o de lazo cerrado para realizar la regulación. Cuando los requerimientos del
sistema no son críticos, puede utilizarse un sistema de control de lazo abierto.
En un sistema de control de lazo abierto, el control de la velocidad se logra por una válvula de control
que cambia la cantidad de flujo que viene de la bomba al motor hidráulico. Este tipo de controlador
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trabaja bien bajo condiciones en las cuales es constante la carga del motor, la alimentación de flujo de
la bomba, así como las variables de presión y temperatura del sistema. Cuando uno de estos cuatro
parámetros del sistema varía, la velocidad de salida del sistema cambia.
Si los requerimientos de funcionamiento son críticos, se debe usar un sistema de lazo cerrado.
Un sistema de control de lazo cerrado controla la velocidad del motor hidráulico al sensar la velocidad
actual del motor y comparar la diferencia entre la velocidad actual y la velocidad de referencia, y
corregir esta diferencia. En un sistema de control de lazo cerrado cuando cualquiera de los cuatro
parámetros cambia, el lazo de retroalimentación sensa este cambio en la velocidad y automáticamente
cambia la válvula de control para corregir el error en la velocidad de salida.
Control de velocidad de lazo abierto.
La velocidad de un motor hidráulico puede controlarse por una válvula de control de flujo. La válvula
necesaria es un único componente para controlar la velocidad pero solo cuando permanece constante el
flujo, la presión, y las condiciones de temperatura. Un control de flujo compensado por presión trabaja
mucho mejor que una válvula, pero no compensa las fugas internas del motor ni de los cambios en la
carga y la temperatura.
Un sistema de control automático de lazo abierto opera con una válvula proporcional
electrohidráulica. Esta válvula controla el flujo en proporción a la señal eléctrica de entrada. El
sistema de control de lazo abierto proporciona un control de velocidad proporcional bajo condiciones
de carga, presión y temperatura constantes.
Control de velocidad de lazo cerrado.
Cuando el sistema de velocidad opera en condiciones de lazo cerrado, la velocidad del motor está
directamente relacionada con el voltaje de entrada o voltaje de control por medio del Detector de Error.
El Detector de Error compara el voltaje de retroalimentación con el voltaje de control y envía la
diferencia al Manejador de la Servoválvula Vc − Vf = Vsal . El voltaje de retroalimentación es una
indicación de la velocidad actual del motor hidráulico.
Cuando el sistema de control arranca, un voltaje de control se aplica al Detector de Error. El Detector de
Error compara el voltaje de retroalimentación con el voltaje de control y produce un voltaje de error.
Este voltaje de error opera al Manejador de la Servoválvula, alimentándola con una corriente de
operación proporcional al error. La Servoválvula provee el flujo para hacer girar el motor. El tacómetro
sensa la velocidad de giro del eje del motor y envía la información en la forma de un voltaje eléctrico al
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detector de error. Cuando la diferencia entre el voltaje de retroalimentación y el voltaje de control iguala
al voltaje requerido para mantener constante la velocidad del motor, el motor ha alcanzado la condición
de velocidad controlada, bajo estas condiciones el sistema está en equilibrio. Si la velocidad del control
cae, se produce un error entre el voltaje de control y el voltaje de retroalimentación, el control de
velocidad por lazo cerrado corregirá este error para regresar al estado de equilibrio.
En esta práctica se hará uso de un circuito hidráulico el cual posee la simbología presentada en la Tabla
8.1 en cada una de sus partes:
Válvula de alivio:
Su función es ajustar la presión de trabajo del sistema, si hay variaciones
en la entrada del flujo, esta válvula mantendrá la presión de salida al valor
ajustado.
Unidad Generadora de flujo:
Este símbolo representa a un motor eléctrico que activa una bomba que
da salida al fluido encontrado en el tanque, es análogo a tener el borne
positivo de un generador eléctrico.
Retorno de tanque:
Este símbolo indica hacia adónde llega el flujo después de haber recorrido
el circuito, es análogo al borne negativo de un generador eléctrico.
Válvula Check:
Este elemento permite el flujo en un sentido y lo bloquea en el otro.
Servoválvula:
Esta válvula permite tanto la regulación del flujo que pasa por ella como
el sentido del mismo, de manera proporcional a una entrada de corriente.
Manómetro:
Instrumento utilizado para medir presión.
Tabla 8.1 Simbología utilizada en el esquema hidráulico.
Para efectuar las conexiones del circuito se hará uso de mangueras de acople rápido.
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Procedimiento
Nota:
Lea la guía de laboratorio antes de realizar los procedimientos. Esto le ayudará a clarificar el
objetivo perseguido, así como le ahorrará tiempo al ejecutar la práctica.
PARTE I. CONTROL DE VELOCIDAD DE LAZO ABIERTO
1. Conecte el circuito hidráulico como lo muestra la Figura 8.1, las mangueras tienen un collarín
que se hala para conectarlo y luego se suelta, el retorno del tanque es el conector azul del banco
de trabajo y la unidad generadora de flujo es el conector rojo.
Figura 8.1 Esquema hidráulico del control de velocidad de lazo abierto.
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2. Conecte el circuito eléctrico como lo muestra la Figura 8.2.
Figura 8.2 Esquema eléctrico del control de velocidad de lazo abierto.
3. Pida al docente de laboratorio una revisión de las conexiones realizadas antes de continuar.
4. Fije el potenciómetro de entrada a la posición intermedia, para anular la servoválvula y que no
pase flujo.
5. Fije la ganancia del manejador de la electroválvula a aproximadamente 4.0 en su escala interna.
6. Verifique que la válvula de alivio este totalmente liberada (Sigue regla de la mano derecha).
7. Verifique que el motor no este frenado.
8. Encienda la unidad de potencia hidráulica halando el botón del banco de trabajo y fije la presión
de la válvula de relajamiento a 300 PSI (2068kPa).
9. Encienda la fuente de potencia electrónica.
10. Fije la velocidad del motor a 300 R.P.M. (3V en el medidor) utilizando el potenciómetro como
control. Anote la corriente en la Tabla 8.2.
11. Utilizando el freno de disco, cargue el motor hasta que ocurra una caída de velocidad de 20
RPM. Anote la corriente en la Tabla 8.2.
12. Con la misma carga de freno en el motor hidráulico, incremente la corriente de la electroválvula
hasta obtener 300RPM. Anote la corriente en la Tabla 8.2.
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Presión
Caída de RPM
Corriente
RPM
300 PSI (2068Kpa)
0
300
300 PSI (2068Kpa)
-20
280
300 PSI (2068Kpa)
-20
300
300 PSI (2068Kpa)
0
300 PSI (2068Kpa)
0
420 PSI (2895Kpa)
0
420 PSI (2895Kpa)
0
300
300
Tabla 8.2
13. Retire la carga del freno del disco. Anote la corriente y las R.P.M. en la Tabla 8.2.
14. Disminuya la corriente de la servoválvula hasta obtener 300 RPM en el motor. Anote la corriente
en la Tabla 8.2.
15. Incremente la presión a 420 PSI (2895 KPa) utilizando la válvula de relajamiento.
16. Anote la corriente y la RPM en la Tabla 8.2.
17. Disminuya la corriente en la servoválvula hasta obtener 300 RPM. Anote la corriente en la Tabla
8.2.
18. Regrese el potenciómetro a la posición intermedia.
19. Apague la fuente de potencia electrónica.
20. Reduzca el valor de la válvula de relajamiento al mínimo y apague la fuente de potencia
hidráulica
PARTE II. CONTROL DE VELOCIDAD DE LAZO CERRADO
21. Conecte el circuito eléctrico como se muestra en la Figura 8.3.
22. Pida al docente de laboratorio una revisión de las conexiones realizadas antes de continuar.
23. Coloque el amplificador A1 con una ganancia de 2.
24. Repita los pasos del 4 al 9
25. Fije la velocidad del motor a 300 R.P.M. (3V en el medidor) utilizando el potenciómetro como
control, si el sistema se satura (Led rojo del driver de la servoválvula encendido) disminuya la
ganancia del driver. Anote la corriente en la Tabla 8.3.
26. Repita los pasos 11 al 19 de la Parte I para el circuito a lazo cerrado y anote los resultados en la
Tabla 8.3.
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Presión
Caída de RPM
Corriente
RPM
300 PSI (2068Kpa)
0
300
300 PSI (2068Kpa)
-20
280
300 PSI (2068Kpa)
-20
300
300 PSI (2068Kpa)
0
300 PSI (2068Kpa)
0
420 PSI (2895Kpa)
0
420 PSI (2895Kpa)
0
300
300
Tabla 8.3
Figura 8.3 Esquema eléctrico del control de velocidad de lazo cerrado.
27. Apague la fuente electrónica.
28. Fije la válvula de relajamiento al mínimo y a pague la fuente de alimentación hidráulica.
29. Desconecte y deje ordenado todo el equipo.
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Análisis de Resultados
1. ¿Cuánto varía la corriente de la servoválvula para mantener la misma velocidad cuando se le
aplica la carga al motor? Hágalo tanto para el sistema a lazo abierto como para el de lazo
cerrado.
Lazo abierto: Variación de corriente = ______________.
Lazo cerrado: Variación de corriente = ______________.
2. ¿Cuánto varía la velocidad del motor hidráulico cuando la presión aumenta de 300 psi
(2068KPa) a 420 psi (2895 KPa)? Hágalo tanto para el sistema a lazo abierto como para el de
lazo cerrado.
Lazo abierto: Variación de velocidad = ______________.
Lazo cerrado: Variación de velocidad = ______________.
3. Con la velocidad del motor a 300 RPM, ¿cuánto varía la corriente en la servoválvula cuando
la presión aumenta de 300 (2068KPa) a 420 psi (2895 KPa)? Hágalo tanto para el sistema a
lazo abierto corno para el de lazo cerrado.
Lazo abierto: Variación de corriente = ______________.
Lazo cerrado: Variación de corriente = ______________.
4. Sí la corriente en la línea 1 de la Tabla 8.2 permanece constante para todas las condiciones
¿cómo podría variar la velocidad?
5. ¿Cómo se comparan la caída y la sobrevelocidad del sistema de control de velocidad de lazo
abierto y lazo cerrado?
Lazo abierto: Caída de velocidad = ______________.
Sobrevelocidad = _________________.
Lazo cerrado: Caída de velocidad = ______________.
Sobrevelocidad = _________________.
6. De acuerdo al tipo de controlador utilizado en el sistema, debe tener o no un error de cero
en estado estacionario.
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Investigación Complementaria
1. ¿Cuál es la función de cada válvula en el sistema de control de velocidad del motor en lazo
abierto?
Bibliografía
•
MANUAL DEL ENTRENADOR SERVO ELECTROHIDRÁULICO MODELO 6054. Lab Volt
•
MANUAL DE HIDRAULICA. Primera Edición. Harla.
De Acevedo Nieto, J.M. Biblioteca UDB, Clasificación: Libro 627 D278 1975
•
HIDRÁULICA BÁSICA. Primera Edición. Limusa
Simon, Andrew, Biblioteca UDB, Clasificación: Libro 627 S594 1983
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Sistemas de Control Automático. Guía 8
Hoja de cotejo: 8
Guía 8: Aplicación de un sistema de control de velocidad en un motor
hidráulico.
Alumno:
Puesto No:
GL:
Docente:
Fecha:
EVALUACION
%
1-4
CONOCIMIENTO
25
APLICACIÓN DEL
CONOCIMIENTO
70
ACTITUD
2.5
Conocimiento
deficiente de los
siguientes fundamentos
teóricos:
-Características de los
sistemas a lazo abierto.
-Características de los
sistemas a lazo cerrado.
Cumple solo con uno
de los siguientes
criterios:
-Puede concluir cuanto
varía la velocidad del
motor al aumentar la
presión cuando el
sistema esta a lazo
abierto.
-Puede concluir cuanto
varía la velocidad del
motor al aumentar la
presión cuando el
sistema esta a lazo
cerrado.
-Compara
correctamente la caída
y sobrevelocidad del
sistema de control de
lazo abierto y lazo
cerrado.
Es un observador
pasivo.
2.5
TOTAL
Es ordenado pero no
hace un uso adecuado
de los recursos.
5-7
8-10
Conocimiento y
explicación incompleta
de los fundamentos
teóricos.
Conocimiento completo
y explicación clara de
los fundamentos
teóricos.
Cumple con dos de los
criterios.
Cumple con los tres
criterios.
Participa ocasionalmente
o lo hace
constantemente pero sin
coordinarse con su
compañero.
Hace un uso adecuado
de lo recursos, respeta
las pautas de seguridad,
pero es desordenado.
Participa propositiva e
integralmente en toda la
práctica.
Hace un manejo
responsable y adecuado
de los recursos
conforme a pautas de
seguridad e higiene.
Nota