Escu el a Polit éc ni ca Supe rior de Jaén
Escuela politécnica superior
Trabajo Fin de Grado
Trabajo Fin de Grado
E MPLEO DE ARDUINO EN EL CONTROL DE MOTORES
ELÉCTRICOS
Alumno: Cristóbal Gallego Tauste
Tutores: Prof. D. Francisco José Sánchez Sutil Prof. D. Antonio Cano Ortega
Dpto: Departamento de Ingeniería Eléctrica
Universidad de Jaén
Escuela Politécnica Superior de Jaén Departamento de Ingeniería Eléctrica
Don Francisco José Sánchez Sutil y Don Antonio Cano Ortega, tutores del Proyecto Fin de Carrera titulado: Empleo de Arduino en el control de motores eléctricos, que presenta Cristóbal Gallego Tauste, autorizan su presentación para defensa y evaluación en la Escuela Politécnica Superior de Jaén.
Jaén, Septiembre de 2018
El alumno: Los tutores:
Cristóbal Gallego Tauste Francisco José Sánchez Sutil
Antonio Cano Ortega
ÍNDICE
1.- Introducción ... 7
1.1- Objetivo del proyecto ... 7
1.2- Justificación del proyecto ... 7
1.3.- Contenido del proyecto ... 8
2.- Capítulo 1. La placa Arduino UNO ... 9
2.1.- Introducción ... 9
2.2- Elementos de la placa ... 9
2.2.1- Pines de alimentación ... 10
2.2.2- Las entradas y salidas digitales ... 10
2.2.3- Las entradas analógicas ... 11
2.2.4- Las salidas PWM ... 12
2.3- Conexión y programación ... 14
2.3.1- Conexión ... 14
2.3.2- Lenguaje de programación ... 14
3.- Capítulo 2. Accionamiento de motores mediante relés y contactores con Arduino. ... 17
3.1- Introducción. Arranque de motores de inducción. ... 17
3.1.1- Importancia del arranque. ... 17
3.1.2-Arranque directo ... 18
3.1.3-Arranque estrella-triángulo. ... 18
3.1.4-Arranque por autotransformador. ... 19
3.1.5-Arranque Wauchope. ... 19
3.1.6-Arranque mediante resistencias en el estator. ... 19
3.1.7-Arranque mediante resistencias en el rotor ... 20
3.1.8-Arranque por bobina ... 21
3.1.9-Arranque de dos velocidades ... 21
3.1.10-Arranque de tres velocidades ... 21
3.2- Arranque directo del motor ... 21
3.2.1- La conexión ... 22
3.2.2- Características del arranque directo ... 24
3.2.3- Relés de accionamiento ... 26
3.2.4- Contactores ... 29
Por el tipo de corriente que alimenta a la bobina: ... 32
... 35
3.2.5- Programación ... 36
3.3- Cambio de sentido de giro ... 36
3.3.1- Programación ... 38
3.2.- El arranque estrella-triángulo ... 39
3.2.1- Programación ... 40
3.3- Arranque estrella-triángulo a través de Bluetooth ... 41
3.3.1- Introducción ... 41
3.3.2- Precio ... 42
3.3.3- Funcionamiento ... 42
3.3.4- Esquema de montaje ... 43
3.3.5- Conexión del arranque estrella-triángulo con el modulo Bluetooth ... 44
3.3.6- Programación ... 46
3.4- Mejoras del sistema ... 47
3.4.1- Sensor de temperatura ... 47
3.4.2-Sensor de falta de fase ... 49
4.- Capítulo 3. Control de velocidad de motor universal. ... 50
4.1- Introducción ... 50
4.2- El motor universal ... 51
4.2.1- Introducción ... 51
4.2.2- Construcción ... 51
4.2.3- Principio de funcionamiento ... 52
4.3- Elementos del circuito... 52
4.3.1- Triac ... 52
4.3.3- Detector Cruce por Cero ... 53
4.3.4- Etapa de Potencia ... 54
4.4- Esquema ... 54
4.5- Programación ... 55
5.- Simulación de motor asíncrono con inversor controlado por PWM ... 56
5.1- Motores de inducción trifásicos ... 56
5.1.1- Introducción ... 56
5.1.2- Construcción. ... 56
5.2- Introducción. Métodos de variación de velocidad para motores de CA trifásicos. ... 61
5.2.1- Cambio del número de polos ... 61
5.2.2- Control de la resistencia del secundario ... 64
5.2.3- Control de tensión de línea ... 65
5.2.4- Control de la frecuencia de línea ... 65
5.2.5- Control de la velocidad mediante relación tensión/frecuencia. ... 66
5.2.6-Técnicas de control para motores de inducción trifásicos ... 68
5.2.7-Control de velocidad por procedimientos mecánicos. ... 69
5.3- Variadores de velocidad VSD. ... 70
5.3.1-Velocidad como una forma de controlar un proceso ... 70
5.3.2- Fomentar el ahorro de energía mediante el uso de variadores de velocidad ... 71
5.3.3- Variadores eléctrico-electrónicos ... 71
5.3.4- Tipos de variadores AC ... 71
5.4- Inversor. ... 74
5.4.1- Introducción ... 74
5.4.2- Clasificación de los inversores ... 75
5.4.3- Conceptos básicos ... 75
5.4.4- Inversores trifásicos ... 82
5.5- Simulación del control PWM en Simulink ... 87
5.5.1-Sistemas de control ... 87
5.5.2- Uso de MOSFET ... 90
5.5.3-Construcción del Inversor en Simulink... 91
5.6-Resultados de la simulación ... 96
5.6.1- Salida inversor ... 96
5.6.2- Velocidad del rotor. ... 98
5.6.3- Par electromagnético. ... 98
5.6.4- Corriente en el estator. ... 99
5.6.5- Voltímetro entre fase A y B ... 100
5.6.6-Señal trifásica modulada ... 100
5.7- Conclusiones de las simulaciones ... 101
6.-Bibliografía ... 102
6.1- Libros: ... 102
6.2- Páginas y recursos web: ... 102
Índice de ilustraciones
Figura 1:Placa Arduino UNO ... 9
Figura 2: Elementos de la placa ... 9
Figura 3: Pulsos Ilustración 1: Placa Arduino UNO ... 9
PWM ... 13
Figura 4:Esquema de mando del arranque por autotransformador... 19
Figura 5: Esquema de fuerza del arranque por autotransformador ... 19
Figura 6:Esquema de fuerza y mando del arranque por resistencias estatóricas ... 20
Figura 7: Esquema de mando y fuerza del arranque por resistencias rotóricas ... 20
Figura 8: Tipos de conexión de motores trifásicos ... 22
Figura 9: Curva característica del arranque de un motor trifásico asíncrono ... 23
Figura 10:Esquema de mando y fuerza del arranque directo ... 25
Figura 11: Relé de conexión para Arduino ... 27
Figura 12: Partes de un relé ... 28
Figura 13: Esquema de conexiones del relé ... 29
Figura 14: Contactor trifásico de corriente alterna ... 34
Figura 15: Montaje en el laboratorio del arranque directo ... 35
Figura 16: Esquema de arranque directo con Arduino ... 35
Figura 17: Conexiones para el cambio de sentido del motor ... 36
Figura 18:Cambio de sentido de giro con Arduino... 37
Figura 19:Montaje en el laboratorio del cambio de sentido de giro con Arduino ... 37
Figura 20: Esquema de fuerza del arranque estrella triángulo ... 39
Figura 21: Esquema de mando del arranque estrella triángulo ... 39
Figura 22: Esquema conexiones con Arduino del arranque estrella triángulo ... 41
Figura 23: Módulo Bluetooth HC-05 ... 42
Figura 24: Conexiones del módulo HC-05 ... 43
Figura 25: Esquema desde Arduino de conexiones del módulo HC-05 ... 44
Figura 26: Esquema de conexiones del arranque estrella-triángulo con el módulo Bluetooth . 45 Figura 27: Montaje en el laboratorio del arranque estrella-triángulo con Bluetooth ... 45
Figura 28:Esquema del Arduino con pantalla ... 47
Figura 29:Sonda de temperatura ... 48
Figura 30:Optoacoplador HCPL-3700 ... 49
Figura 31:Conexionado interno del HCPL-3700 ... 49
Figura 32:Placa con tres detectores ... 50
Figura 33: Motor universal ... 51
Figura 34: A1: Ánodo, A2: Ánodo 2, G: Compuerta ... 52
Figura 35: Cuadrantes de funcionamiento del Triac ... 53
Figura 36: Esquema del regulador de velocidad ... 54
Figura 37: Corte transversal de un motor trifásico de inducción... 57
Figura 38: Motor básico de dos polos ... 58
Figura 39: Devanado estatórico de dos polos para cambio de polos ... 62
Figura 44: Curvas par-velocidad para velocidades por debajo de la velocidad base, suponiendo
que la tensión de línea disminuye linealmente con la frecuencia ... 67
Figura 45: Familia de curvas características par-velocidad para velocidades por encima de la velocidad base y tensión constante ... 67
Figura 46: Formas de onda para cada tipo de conversor ... 72
Figura 47: Tipos de control de velocidad ... 73
Figura 48: Rama de un inversor ... 76
Figura 49: Algunas de las formas posibles para generar una señal PWM ... 76
Figura 50: Aspecto de una señal PWM con referencia senoidal ... 77
Figura 51: Espectro de frecuencias de la señal anterior ... 77
Figura 52: Detalle de la tensión modulada en un ciclo ... 79
Figura 53: Tabla de valores para los diferentes armónicos... 82
Figura 54: Topología más habitual de un inversor trifásico, basado en tres ramas ... 83
Figura 55: Formas de onda para obtener el control de los interruptores para el caso trifásico 83 Figura 56: Espectro de las tensiones de línea (superior) y Van y Vbn... 84
Figura 57: Valores eficaces normalizados de los distintos armónicos ... 86
Figura 58: Variación del valor normalizado del armónico fundamental con ma ... 86
Figura 59: Señal trifásica con sus desfases correspondientes ... 93
Figura 60: Subsistema de activación de MOSFET ... 93
Figura 61: Generador PWM Arduino en bloques de Simulink ... 94
Figura 62: Inversor y motor en Simulink ... 95
Figura 63: Señal senoidal modificada ... 96
Figura 64: Señal senoidal reconstruida con 0.5 s de simulación ... 97
Figura 65: Velocidad de rotor ... 98
Figura 66: Par electromagnético ... 98
Figura 67: Corriente en el estátor ... 99
Figura 68: Tensión entre fases A y B ... 100
Figura 69: Señales senoidales moduladas ... 100
Figura 70: Montaje de la simulación en Arduino con led en las salidas ... 101
1.- Introducción
1.1- Objetivo del proyecto
El presente Proyecto de final de Carrera tiene como objetivo el uso de la placa Arduino en varias tareas asociadas al control de motores eléctricos donde normalmente se utilizan otros métodos de control como autómatas, o controladores destinados a un uso específico. La idea es tener un accionamiento lo más barato posible y fiable a la vez, y que además lo puedan comprar y montar personas sin grandes conocimientos técnicos y a un precio más asequible que los sistemas estándar.
En este proyecto se analizarán varios tipos de accionamientos donde la placa Arduino juega el papel de controlador o regulador, el control se efectuará en varios tipos de motores:
Motores universales. Debido a que funcionan en corriente alterna, tienen una potencia aceptable para el uso que se le va a dar y además podemos obtenerlos del reciclaje de aparatos o electrodomésticos averiados ya que la mayoría de estos aparatos funcionan con motores universales.
Motores asíncronos trifásicos. Dado que son uno de los elementos más importantes y utilizados en la industria en su uso como bombas, tracción, etc.
1.2- Justificación del proyecto
La principal justificación del proyecto es el precio frente a los sistemas que puede instalar cualquier empresa de automatismos o accionamientos, por ejemplo, una apertura de una cochera, puertas automáticas, bombas hidráulicas y cualquier otro sistema susceptible de usar motores.
En el caso de los motores trifásicos, dado que el accionamiento más usado para ellos es el variador de frecuencia, el precio de una placa Arduino en comparación con éste es mucho menor, aunque a partir de cierta potencia es recomendable usar los variadores ya que son elementos más robustos, adecuados y que se llevan usando años en la industria.
En este proyecto se emplea el microcontrolador Arduino UNO y Arduino MEGA, que tiene más entradas y salidas, ya que tienen un gran potencial y versatilidad a bajo coste.
Uno de los puntos del proyecto es aumentar los conocimientos de programación y el uso del microcontrolador como un autómata programable en el caso de accionamientos
1.3.- Contenido del proyecto
A continuación se exponen los puntos del documento.
En el Capítulo 1 se hará una introducción a la placa Arduino, su arquitectura, características y programación.
En el Capítulo 2 se analizará tres accionamientos gestionados inalámbricamente a través de Bluetooth de un motor de corriente alterna trifásico, arranque directo, cambio de sentido de giro y arranque estrella-triángulo, dado que en muchos casos en la industria se usan éstos motores controlados por controladores normalmente más caros se busca un accionamiento bastante más asequible.
En el capítulo 3 se estudiará el control de velocidad de un motor universal. En diversas aplicaciones un motor universal puede ser una solución barata para un accionamiento donde se requiera un control de velocidad preciso además de abrirse un abanico de posibilidades pudiendo añadir sensores de temperatura o de proximidad.
En el capítulo 4 se va a simular el control de velocidad de un motor de corriente alterna trifásico mediante PWM. En éste modelado en Simulink se pretende simular el control de velocidad sustituyendo el generador PWM por una placa Arduino que genere los pulsos PWM en su lugar.
2.- Capítulo 1. La placa Arduino UNO
2.1.- Introducción
Arduino es una plataforma open-hardware basada en una sencilla placa con entradas y salidas (E/S), analógicas y digitales, Su corazón es el microcontrolador Atmega 328, un chip sencillo y de bajo coste que permite el desarrollo de múltiples diseños. Al ser open-hardware tanto su diseño como su distribución es libre, puede utilizarse libremente para desarrollar cualquier tipo de proyecto sin tener que adquirir ningún tipo de licencia.
2.2- Elementos de la placa
Tiene: - 14 pines de entrada/salida digital (de los cuales 6 pueden ser usados como salidas PWM), - 6 entradas analógicas, - una conexión USB, - un conector para alimentación, - un botón de reset
Ilustración 1: Placa Arduino UNO Figura 1:Placa Arduino UNO
2.2.1- Pines de alimentación
Vin: Proporciona una tensión igual a la que se alimenta la placa desde una fuente externa.
GND: Proporciona el nivel de tensión de referencia (0V) para la placa.
3.3V: Gracias a un regulador de tensión integrado en la placa, es capaz de
suministrar una tensión constante de 3,3 V con una corriente máxima de 150 mA.
5V: Mediante otro regulador, suministra una tensión constante de 5 V, capaz de suministrar hasta 1 A (límite máximo del regulador). No obstante, esta corriente provoca un calentamiento que supone que la corriente máxima esté también limitada térmicamente, disminuyendo ésta cuando la temperatura crece por encima de niveles peligrosos, de forma que el datasheet asigna una máxima corriente admisible de 200 mA
2.2.2- Las entradas y salidas digitales
La placa Arduino dispone de 14 pines-hembra de entradas o salidas (según lo que convenga) digitales, numeradas desde la 0 hasta la 13. Es aquí donde conectaremos nuestros sensores para que la placa pueda recibir datos del entorno, y también donde conectaremos los actuadores para que la placa pueda enviarles las órdenes pertinentes, además de poder conectar cualquier otro componente que necesite comunicarse con la placa de alguna manera.
A veces a estos pines-hembra digitales de “propósito general” se les llama pines GPIO (de
“General Purpose Input/Output”).
Pin 0 y 1: Son pines utilizados para comunicación serial, siendo el pin “0” el RX (recibe datos) y el pin “1” el TX (transmite datos). Se utilizan a la hora de conectar la placa a diferentes dispositivos de comunicación como Bluetooth, Bluetooth LE, ZigBee o Ethernet, así como para comunicarse con el ordenador a través del puerto USB.
Todos estos pines-hembra digitales funcionan a 5V, pueden proveer o recibir un máximo de 40 mA y disponen de una resistencia “pull-up” interna de entre 20 KΩ y 50 KΩ que inicialmente está desconectada (salvo que nosotros indiquemos lo contrario mediante programación).
Hay que tener en cuenta, no obstante, que aunque cada pin individual pueda proporcionar hasta 40 mA como máximo, en realidad, internamente la placa agrupa los pines digitales de tal forma que tan solo pueden aportar 100 mA a la vez el conjunto de los pines nº 0,1,2,3 y 4, y 100 mA más el resto de pines (del 5 al 13). Esto quiere decir que como mucho podríamos tener 10 pines ofreciendo 20 mA a la vez.
2.2.3- Las entradas analógicas
La placa Arduino dispone de 6 entradas analógicas (en forma de pines hembra etiquetados como “A0”, “A1” ... hasta “A5”) que pueden recibir voltajes dentro de un rango de valores continuos de entre 0 y 5 V. No obstante, la electrónica de la placa tan solo puede trabajar con valores digitales, por lo que es necesaria una conversión previa del valor analógico recibido a un valor digital lo más aproximado posible. Ésta se realiza mediante un circuito conversor analógico/digital incorporado en la propia placa.
El circuito conversor es de 6 canales (uno por cada entrada) y cada canal dispone de 10 bits (los llamados “bits de resolución”) para guardar el valor del voltaje convertido digitalmente.
En general, la cantidad de bits de resolución que tiene un determinado conversor analógico/digital es lo que marca en gran medida el grado de precisión conseguida en la conversión de señal analógica a digital, ya que cuantos más bits de resolución tenga, más fiel será la transformación. Por ejemplo, en el caso concreto del conversor incorporado en la placa Arduino, si contamos el número de combinaciones de 0s y 1s que se pueden obtener con 10 posiciones, vemos que hay un máximo de 210 (1024) valores diferentes posibles. Por tanto, la placa Arduino puede distinguir para el voltaje digital desde el valor 0 hasta el valor 1023. Si el conversor tuviera por ejemplo 20 bits de resolución, la variedad de valores digitales que podría distinguir sería muchísimo más grande (220 = 1048576) y podría afinar la precisión mucho más.
Esto es fácil verlo si dividimos el rango analógico de entrada (5 V - 0V = 5 V) entre el número máximo posible de valores digitales (1024). Obtendremos que cada valor digital corresponde a una “ventana” analógica de aproximadamente 5
V/1024≈5 mV. En otras palabras: todos los valores analógicos dentro de cada rango de 5 mV (desde 0 a 5 V) se “colapsan” sin distinción en un único valor digital (desde 0 a 1023). Así pues, no podremos distinguir valores analógicos distanciados por menos de 5 mV.
En muchos de nuestros proyectos ya nos es suficiente este grado de precisión, pero en otros puede que no. Si el conversor analógico/digital tuviera más bits de resolución, el resultado de la división rango_analógico_entrada/número_ valores_digitales sería menor, y por tanto la conversión sería más rigurosa. Pero como no se pueden aumentar los bits de resolución del conversor de la placa, si queremos más exactitud se ha de optar por otra solución: en vez de aumentar el denominador de la división anterior, se puede reducir su numerador (es decir, el rango analógico de entrada, o más específicamente, su límite superior –por defecto igual a 5 V–
, ya que el inferior es 0).
2.2.4- Las salidas PWM
En nuestros proyectos a menudo necesitaremos enviar al entorno señales analógicas, por ejemplo, para variar progresivamente la velocidad de un motor, la frecuencia de un sonido emitido por un zumbador o la intensidad con la que luce un LED. No basta con simples señales digitales: tenemos que generar señales que varíen continuamente. La placa Arduino no dispone de pines-hembra de salida analógica propiamente dichos (porque su sistema electrónico interno no es capaz de manejar este tipo de señales), sino que utiliza algunos pines-hembra de salida digitales concretos para “simular” un comportamiento analógico. Los pines-hembra digitales que son capaces trabajar en este modo no son todos: solo son los marcados con la etiqueta
“PWM”. En concreto para el modelo Arduino UNO son los pines número: 3, 5, 6, 9, 10 y 11.
Las siglas PWM vienen de “Pulse Width Modulation” (Modulación de Ancho de Pulso).
Lo que hace este tipo de señal es emitir, en lugar de una señal continua, una señal cuadrada formada por pulsos de frecuencia constante (aproximadamente de 490 Hz). La gracia está en que, al variar la duración de estos pulsos, estaremos variando proporcionalmente la tensión promedio resultante. Es decir: cuanto más cortos sean los pulsos (y por tanto, más distantes entre sí en el tiempo, ya que su frecuencia es constante), menor será la tensión promedio de salida, y cuanto más largos sean los pulsos (y por tantos, más juntos en el tiempo estén), mayor será dicha tensión. El caso extremo lo tendríamos cuando la duración del pulso coincidiera con el período de la señal, momento en el cual de hecho no habría distancia entre pulso y pulso (sería una señal de un valor constante) y la tensión promedio de salida sería la máxima posible, que son 5 V. La duración del pulso la podemos cambiar en cualquier momento mientras la señal se está emitiendo, por lo que como consecuencia la tensión promedio puede ir variando a lo largo del tiempo de forma continua. Las siguientes figuran ilustran lo acabado de explicar:
Cada pin-hembra PWM tiene una resolución de 8 bits. Esto quiere decir que, si contamos el número de combinaciones de 0s y 1s que se pueden obtener con 8 posiciones, obtendremos un máximo de 28 (256) valores diferentes posibles. Por tanto, podemos tener 256 valores diferentes para indicar la duración deseada de los pulsos de la señal cuadrada (o dicho de otra forma: 256 valores promedio diferentes). Si establecemos (mediante programación software) el valor mínimo (0), estaremos emitiendo unos pulsos extremadamente estrechos y generaremos una señal analógica equivalente a 0 V; si establecemos el valor máximo (255), estaremos emitiendo pulsos de máxima duración y generaremos una señal analógica equivalente a 5 V.
Cualquier valor entremedio emitirá pulsos de duración intermedia y por tanto, generará una señal analógica de un valor entre 0 V y 5 V.
La diferencia de voltaje analógico existente entre dos valores promedio contiguos (es decir, entre por ejemplo el valor número 123 y el número 124) se puede calcular mediante la división: rango_voltaje_salida/número_valores_promedio. En nuestro caso, sería (5 V – 0 V)/256
≈19,5 mV. Es decir, cada valor promedio está distanciado del anterior y del siguiente por un
“saltito” de 19,5 mV.
Es posible cambiar la frecuencia por defecto de la señal cuadrada utilizada en la generación de la señal “analógica”, pero no es un procedimiento trivial, y en la mayoría de
Figura 3: Pulsos PWM
2.3- Conexión y programación 2.3.1- Conexión
En lo que se refiere a la interfaz con el PC, la conexión se realiza mediante un cable USB, a través del cual se realiza la comunicación serial para cargar el programa en el Arduino, que posteriormente se ejecutará de forma autónoma. A través de este cable, es posible alimentar también el Arduino, ya que el USB actúa como una fuente de alimentación de 5V limitada a 500 mA. Otra posibilidad es utilizar una fuente de alimentación externa, cuya tensión puede tener un valor entre 7 V y 12 V, ya que la placa de Arduino cuenta con un regulador de tensión de alimentación que genera unos niveles de tensión internos adecuados.
En lo que al software respecta, Arduino tiene su propio IDE (Entorno de Desarrollo Integrado), llamado Arduino Development Environment, de código abierto y de funcionamiento sencillo.
No obstante, Arduino permite sustituir este IDE, en el que la programación se realiza mediante código, por MATLAB/Simulink, un entorno de desarrollo gráfico en el que la programación del Arduino se realice por bloques funcionales.
2.3.2- Lenguaje de programación
El lenguaje de programación que implementan todas las versiones de Arduino se denomina Arduino Programming Language, está basado en Wiring, y tiene una sintaxis muy similar a C.
Un programa de Arduino, que dentro del IDE se denomina también sketch, consta de tres secciones separadas:
Cabecera: Al inicio del sketch, se declaran las variables globales y se incluyen las bibliotecas de instrucciones que vayan a ser necesarias para el desarrollo del programa.
void setup(): Son instrucciones que se ejecutan una única vez al cargar el programa en la placa, o bien cuando se conecta a una fuente de alimentación. Es una sección en la que se suele inicializar algunas variables, establecer modos de funcionamiento de algunos pines, crear interrupciones, iniciar el uso de bibliotecas, etc.
void loop(): Las instrucciones dentro de esta sección se ejecutan en un bucle infinito hasta que se apaga o resetea la placa de Arduino. Contiene el conjunto de
instrucciones principales para que el sistema electrónico interactúe con el mundo físico.
Conviene comentar algunas de las características comunes que tiene el lenguaje de Arduino y
La sintaxis distingue entre mayúsculas y minúsculas.
Las tabulaciones sirven para aclarar y ordenar el código visualmente, pero a efectos de compilación no tienen ningún resultado.
Todas las instrucciones terminan con un punto y coma, para declarar el fin de dicha instrucción.
Se puede utilizar la misma sintaxis que en C para colocar comentarios clarificadores en el código; /*comentario*/, o bien //comentario.
Una de las partes fundamentales que tiene un programa de Arduino, y todo programa en casi cualquier lenguaje de programación, son las variables. Podemos distinguir entre variables globales, declaradas en la cabecera y que pueden ser utilizadas en cualquier sección del código, y variables locales, que se encuentran en una determinada sección y solo pueden ser empleadas en ella.
La sintaxis para declarar una variable es análoga a la de C, utilizando la sintaxis tipoVariable nombreVariable;.
Podemos darle cualquier nombre a la variable siempre que no contenga espacios o caracteres especiales, siendo recomendable siempre utilizar nombres representativos de la función que la variable desempeña en el programa.
En cuanto a los tipos de variables disponibles en Arduino, son bastante similares a los disponibles en C. Para el caso del presente proyecto, los tipos más importantes son boolean, que almacena un valor cierto o falso, e int, que almacena un número entero.
Además de estos tipos, Arduino también ofrece otros tipos como char, byte, short, float, double, array, long, unsigned long, etc. que pueden ser consultados en la bibliografía.
Las principales instrucciones que se van a utilizar en el presente proyecto se detallan a continuación, acompañadas de una pequeña descripción.
pinMode(pin,mode): Se utiliza habitualmente en la sección void setup() para definir pines digitales como entradas o salidas. El primero de los parámetros es el número del pin que queremos modificar, mientras que el segundo parámetro se utiliza para definir si va a ser entrada (INPUT) o salida (OUTPUT).
digitalWrite(pin,value): Se emplea para cambiar el estado de un pin digital que ha sido inicializado como salida. El primer parámetro es el número del pin a modificar, mientras que el segundo parámetro puede tomar los valores de HIGH (‘1’) o LOW (‘0’).
analogWrite(pin,value): Se emplea para generar una simulación de una salida analógica utilizando uno de los pines con posibilidad de PWM, que previamente debe haber sido definido como salida. El primer parámetro es el pin a utilizar, que debe ser el 3, 5, 6 , 9, 10 u 11, mientras que el segundo parámetro es un valor numérico entero que oscila entre 0 y 255, y que determina el ancho del pulso obtenido. Así, un valor de 255 dará como resultado un pulso del 100%, equivalente a una tensión de 5 V, un valor de 0 dará como resultado un pulso del 0%, equivalente a una tensión de 0 V, mientras que un valor de 127 dará lugar a un pulso de aproximadamente el 50%, lo que
Arduino, es el máximo número de lecturas por segundo. El proceso de conversión analógico/digital dura unos 100 microsegundos, lo que significa que, en el mejor de los casos, la máxima frecuencia de lectura analógica que podemos utilizar es de 10.000 lecturas por segundo.
delay(ms): Pausa la ejecución del programa durante ms milisegundos. Existe también la función delayMicroseconds(us), para indicar el tiempo que debe detenerse el programa en microsegundos.
map(value, fromLow, fromHigh, toLow, toHigh): Esta instrucción transforma un cierto valor de una escala a otra. Se suele utilizar, por ejemplo, con una lectura analógica, que tiene 10 bits de resolución (toma valores entre 0 y 1023) que queremos pasar a una señal de salida PWM, que tiene únicamente 8 bits de resolución (toma valores de 0 a 255). Los límites entre los que se encuentra acotado inicialmente el valor se colocarán en los parámetros fromLow y fromHigh, mientras que los nuevos límites se colocarán en los parámetros toLow y toHigh.
if(condicion){}/else{}: De sintaxis similar a C, sirve para condicionar la ejecución de una serie de instrucciones al cumplimiento o no de una serie de premisas.
switch(var)/case: Al igual que para la instrucción anterior, condiciona la ejecución de una determinada instrucción al cumplimiento de una premisa, siendo ésta el valor que toma la variable var. Cada uno de los valores se coloca como un case, y tiene unas instrucciones independientes. Además, la opción default indica las instrucciones que ejecutar en caso de que el valor no coincida con ninguno de los previstos. Para acabar el set de instrucciones de cada case, es necesario colocar la instrucción break;.
Por último, es necesario tener también algunos conocimientos complementarios acerca de los operadores que el lenguaje de Arduino permite, que se pueden dividir en operadores
aritméticos, lógicos y de comparación:
1. Operadores aritméticos:
o Operador suma (+) o Operador resta(-)
o Operador multiplicación (*) o Operador división (/) o Operador módulo (%) 2. Operadores lógicos:
o Operador AND (&&) o Operador OR (||) o Operador NOT (!)
o Operador AND bit a bit (&) o Operador OR bit a bit (|) o Operador NOT bit a bit (~) 3. Operadores de comparación:
o Operador de igualdad (==) o Operador de no igualdad (¡=) o Operador menor que (<)
o Operador menor o igual que (<=) o Operador mayor que (>)
Finalmente, es necesario hacer mención a los timers, o interrupciones programadas. La razón de ser de los timers es que, cuando ejecutamos un delay para temporizar, detenemos por completo la ejecución del programa de Arduino, no pudiendo ejecutar ninguna otra
instrucción durante el tiempo que dura la interrupción. Esto es admisible en programas muy simples, o bien cuando los periodos a temporizar son muy pequeños. Sin embargo, cuando deseamos ejecutar en Arduino varias tareas con distinta periodicidad, o bien poder seguir ejecutando instrucciones mientras se lleva a cabo un proceso de temporización largo, la opción más adecuada es la utilización de un timer, que permite llevar a cabo una temporización en segundo plano, mientras seguimos ejecutando otras instrucciones, de forma que cuando se cumpla el tiempo de la temporización se active una interrupción que despierta la ejecución de las instrucciones temporizadas.
3.- Capítulo 2. Accionamiento de motores mediante relés y contactores con Arduino.
3.1- Introducción. Arranque de motores de inducción.
3.1.1- Importancia del arranque.
La elección correcta de las características de los motores eléctricos y arrancadores a instalar están basados en el conocimiento de las particularidades de éste régimen transitorio. El comportamiento dinámico del conjunto motor-maquina accionada está regido por la siguiente ecuación diferencial:
𝑇𝑚− 𝑇𝑟 = 𝐽 ·𝑑𝜔 𝑑𝑡 Donde:
Tm es el par motor, Tr el par resistente,
J es el momento de inercia del conjunto motor–maquina accionada 𝜔 es la velocidad angular de dicho conjunto.
Para que el conjunto comience a girar se necesita que el par motor supere al par resistente, de manera de generar una aceleración angular de arranque. El proceso de arranque finaliza cuando se equilibra el par motor con el par resistente, estabilizándose la velocidad de
3.1.2-Arranque directo
La manera más sencilla de arrancar un motor de jaula es conectar el estator directamente a la línea, en cuyo caso el motor desarrolla durante el arranque el par que señala su característica par–velocidad.
En el instante de cerrar el contactor del estator, el motor desarrolla el máximo par de arranque y la corriente queda limitada solamente por la impedancia del motor. A medida que el motor acelera, el deslizamiento y la corriente disminuye hasta que se alcanza la velocidad nominal.
El tiempo que se necesita para ello depende de la carga impuesta a la máquina, de su inercia y de su fricción. La carga de arranque no afecta al valor de la corriente de arranque sino simplemente a su duración. En cualquier motor de jaula, la corriente y el par dependen solo del deslizamiento.
Cuando un motor de jaula se conecta directamente a la línea en vacío, según su potencia, puede adquirir la velocidad nominal en un segundo. Cuando la maquina arranca con carga de poca inercia, el tiempo de arranque del mismo motor podría aumentar a 5 ó 10 segundos.
La sencillez del arranque directo hace posible el arranque con un simple contactor, por lo que suele efectuar rara vez mediante arrancador manual. Los arrancadores automáticos comprenden el contactor trifásico con protección de sobrecarga y un dispositivo de protección de sobrecarga de tiempo inverso. El arranque y la parada se efectúan mediante pulsadores montados sobre la caja, pudiéndose también disponer de control remoto si fuera necesario.
3.1.3-Arranque estrella-triángulo.
Se trata de un método de arranque basado en las distintas relaciones de la tensión de línea y la compuesta, a la tensión de fase que representan los acoplamientos trifásicos estrella–
triángulo. En consecuencia, el método solo será aplicado a motores trifásicos alimentados por una red trifásica cuyo devanado estatórico presente sus seis bornes accesibles.
Esta solución no solo permite la utilización del motor con dos tensiones distintas, que estén en la relación, sino, también, el arranque del motor, normalmente previsto para trabajar con la conexión triángulo a la tensión nominal, con una tensión reducida.
A base, pues, de un simple cambio de conexión de las fases del devanado estatórico, se tiene la posibilidad de reducir la tensión aplicada al motor en la puesta en marcha, limitando consecuentemente el golpe de corriente de arranque, en este simple principio está basado el método de arranque estrella–triángulo.
Normalmente, la puesta en servicio y el cambio de conexión se realiza mediante un conmutador manual rotativo de tres posiciones: paro–estrella–triángulo, si bien se refiere hoy en día confiar esta maniobra a dispositivos automáticos a base de tres contactores y un temporizador que fija el tiempo del cambio de la conexión estrella a la conexión triángulo a partir del instante de iniciarse el ciclo de arranque.
Se obtienen así las mejores características posibles del ciclo de arranque, a tenor del momento de inercia y del par resistente de la máquina, con valores de la corriente transitoria en la conexión triángulo más limitados.
En motores trabajando gran parte de su tiempo de servicio con un par reducido por bajo de un tercio de su par nominal, puede ser interesante el utilizar en estos periodos la conexión estrella, mejorándose con ello el rendimiento y, sobre todo, el factor de potencia.
3.1.4-Arranque por autotransformador.
Este método utiliza un autotransformador para reducir la tensión en el momento del arranque, intercalado entre la red y el motor. En este caso se le aplica al motor la tensión reducida del autotransformador y una vez el motor en las proximidades de su velocidad de régimen se le conecta a la plena tensión de la red quedando el autotransformador fuera de servicio.
3.1.5-Arranque Wauchope.
El arranque Wauchope es una modificación del arranque estrella–triángulo. Introduce una resistencia al cambiar de la posición estrella a la de triángulo, evitando los picos de corriente.
Además de no desconectar el motor de la línea durante la conmutación, proporciona un impulso adicional de aceleración.
Este método de arranque no solamente evita los transitorios de corriente, sino que logra un par continuo durante el periodo de arranque sin disminución de la velocidad durante la conmutación.
3.1.6-Arranque mediante resistencias en el estator.
Figura 5: Esquema de fuerza del arranque por autotransformador Figura 4:Esquema de mando del arranque por autotransformador
Los arrancadores de resistencias manuales de diferentes posiciones son normalmente del tipo de disco. En los arrancadores de contactor se puede disponer uno de estos para obtener una aceleración adicional cortocircuitando la resistencia de arranque.
Cuando se necesita un arranque suave y gran par de arranque se puede conseguir esto mediante una resistencia única en cada una de las fases del estator. Cuando la resistencia tiene varios terminales se puede elegir el par de arranque mediante la posición del selector de las resistencias. Este método se emplea con motores de jaula de ascensores pequeños, donde, debido a la corta duración del periodo de carga, la resistencia se deja a menudo permanentemente al circuito.
3.1.7-Arranque mediante resistencias en el rotor
Para este tipo de arranque se ha de utilizar un motor con el rotor bobinado. Se trata de conectar a las bobinas del rotor unas resistencias en serie y cortocircuitadas a su salida.
En el primer tiempo se conectan todas las resistencias, en el segundo se elimina la mitad de las resistencias y en el tercero se cortocircuitan las bobinas del rotor funcionando el motor a su plena tensión como si fuera una jaula de ardilla.
Figura 6:Esquema de fuerza y mando del arranque por resistencias estatóricas
3.1.8-Arranque por bobina
A veces se emplea también el arranque por bobina, aunque ésta no se pueda dividir fácilmente en secciones. Las características de arranque son muy parecidas a las del arranque por resistencias estatóricas, pero el aumento de tensión en bornes a medida que el motor va adquiriendo la velocidad de sincronismo, lo que produce un mayor par máximo.
Un bajo factor de potencia del motor en el arranque da lugar a una resistencia más pequeña de la bobina para una reducción dada de la tensión con rotor parado, que la que se obtiene con resistencia estatórica. A medida que la velocidad del motor aumenta no solamente disminuye la corriente, sino que el factor de potencia aumenta y la tensión que cae de la bobina se desfasa con respecto a la caída de tensión en el motor, a medida que el motor va adquiriendo la velocidad nominal, mientras que la tensión en bornes y el par aumenta por encima del valor que se obtiene con arranque o resistencia para las mismas condiciones iniciales.
3.1.9-Arranque de dos velocidades
Son motores trifásicos con dos devanados separados normalmente conectados cada uno en estrella y teniendo también cada uno de ellos distinto número de polos para obtener una velocidad por cada bobinado. Estos tipos de motores solo se pueden conectar a una tensión y solamente se puede realizar el tipo de arranque directo.
También se pueden utilizar motores en conexión Dahlander que consiste en un bobinado en triángulo con seis salidas: las tres de la conexión triángulo y una más por cada bobina que parte del centro de la misma.
La primera velocidad se conecta el motor en estrella y las otras salidas se dejan libres, y la velocidad rápida consiste en conectar la tensión a través de las conexiones nuevas y conectando en estrella las conexiones del triángulo. La velocidad rápida es el doble que la velocidad lenta.
3.1.10-Arranque de tres velocidades
Éstos motores tienen dos devanados que son. Uno independiente y otro en conexión Dahlander. La primera velocidad es la primera de la conexión Dahlander, la segunda es la del devanado independiente y la velocidad rápida es la segunda de la conexión Dahlander.
3.2- Arranque directo del motor
Usaremos el sistema de arranque directo ya que es un sistema sencillo y que no requiere equipamiento o accesorios adicionales para la potencia de las máquinas con las que vamos a
éste caso el encargado de accionar nuestros contactores es la placa Arduino y unos relés accionados por ésta.
3.2.1- La conexión
Cuando se alimenta un motor trifásico, los datos de la placa del motor deben corresponderse con la tensión y la frecuencia de alimentación. La conexión está implementada a través de los tornillos en el cajetín de conexiones del motor y debemos hacer una distinción entre dos tipos de conexión, la conexión en estrella y la conexión en triángulo. Ejemplo con una alimentación de 3 AC 400 V, 50 Hz.
En general, las propiedades de un motor trifásico se definen en las normas (DIN / VDE 0530, IEC / EN 60034). Sin embargo, el diseño constructivo es dominio de los fabricantes. Por ejemplo, en un mercado sensible a los precios, los motores de pequeñas potencias (<4kW), que suelen usarse para bombas y ventiladores frecuentemente los podemos encontrar sin cajetín de conexiones. Aquí los devanados están conectados internamente en configuración
Figura 8: Tipos de conexión de motores trifásicos
El punto de operación (MM) del motor trifásico asíncrono está descrito por el rango de tensión nominal y la frecuencia correspondiente (ej. 400 V / 50 Hz). La velocidad (de rotación) se determina por la frecuencia de la red eléctrica (n ~ f). Esto depende de la carga y sólo se mantiene siempre y cuando el par del motor (MM) y par de carga (ML) tengan la misma magnitud.
Los datos nominales de potencia eléctrica y mecánica del punto óptimo de trabajo deben estar especificados en la placa de características del motor. Los datos de la operación son inestables durante el proceso de arranque (proceso de aceleración). La unidad solo será estable en el punto óptimo de trabajo (MM).
IA = Intensidad de arranque.
IN = Intensidad nominal en el punto de trabajo MA = Par de arranque
MB = Par de aceleración (MM > ML) MK = Máximo valor del par
ML = Par de la carga
MM = Par del motor (punto de trabajo) MN = Par nominal de la carga
n = Velocidad (valor actual)
nN = Velocidad nominal en el punto de trabajo
Figura 9: Curva característica del arranque de un motor trifásico asíncrono
3.2.2- Características del arranque directo
El arranque de motor directo es el método más sencillo para arrancar un motor trifásico asíncrono. Los devanados del estator están conectados directamente a la red eléctrica por un proceso de conmutación simple. Como resultado de esta aplicación obtendremos altas corrientes de arranque (corriente de sobrecarga) que a su vez causan molestas caídas en la tensión de red. Por este motivo, las compañías eléctricas suelen limitar la potencia nominal de los motores conectados a la red. Este valor límite puede variar de una red a otra. En redes eléctricas públicas, estas limitaciones por lo general se cumplen cuando en el arranque la potencia aparente del motor trifásico no excede de 5.2kVA o cuando es de mayor potencia aparente pero la corriente de arranque no excede de 60 A. Con una tensión de red de 400 V y un arranque 8 veces la intensidad nominal, esto corresponde a un motor con una intensidad nominal de 7.5 A o un motor de 4 kW.
En motores que ocasionalmente sobrepasan los 60 A de corriente de arranque y motores con una intensidad de arranque de más de 30 A que causan alteraciones en la red pública, ej. Por arranques pesados, alta frecuencia de conmutación o variación en el consumo (ascensores, sierras de corte), se deben tomar medidas alternativas para las variaciones disruptivas de tensión. Los motores con potencias de más de 4 kW y tensiones nominales de 400/690 V pueden arrancarse usando una configuración estrella-triangulo.
El arranque directo crea un estrés térmico en los devanados del motor y, solo brevemente, fuerzas electrodinámicas momentáneas. Con frecuencia, el arranque directo reduce la vida de los devanados de un motor estándar (p.ej. Operaciones periódicas intermitentes).
El bloqueo del rotor (rotor bloqueado) es un fallo grave que puede llevar a la destrucción térmica del motor trifásico asíncrono. Cada devanado del motor debe estar protegido por un dispositivo de protección para evitar que ocurran este tipo de sobrecargas térmicas. Una solución económica es el uso de relés de sobrecarga, más conocidos como relés térmicos.
Estos relés de sobrecarga se conocen como interruptores protectores de motor en combinación con un módulo de conexión. El sinónimo de esto es el PKZM. En la alimentación del motor, este protege la conmutación (contactor DILM), la acometida y los devanados del motor contra su destrucción debido a una sobrecarga térmica (rotor bloqueado) y cortocircuito, aun cuando tengamos una pérdida de fase (L1, L2, L3). Para este propósito, debemos establecer en el interruptor protector de motor la corriente nominal del motor y los cables de conexión deben de estar calculados para este valor.
El diseño de los componentes en el circuito principal del motor se lleva a cabo de acuerdo con la intensidad nominal (Ie) del motor y la categoría de empleo AC-3 (Norma IEC/EN60947-4-1), AC-3 = motores de jaula de ardilla: arranque, paro durante la operación.
Corriente de arranque directo:
𝐼𝑎≈ 𝐼′2𝑎 = 𝑉1𝑁
√(𝑅1+𝑅′2 1 )
2
+ 𝑋𝑐𝑐2
⟹ 𝐼𝑎= 𝑉1𝑁
√𝑅𝑐𝑐2 + 𝑋𝑐𝑐2
Estrella: 𝐼𝑎𝐿= 𝐼𝑎 Triángulo: 𝐼𝑎𝐿 = √3 · 𝐼𝑎
Par de arranque directo: (par con s=1 y V1=V1N) 𝑀𝑎=𝑚1· 𝑅′2
2𝜋 60 𝑛1
· 𝑉1𝑁2
𝑅𝑐𝑐2 + 𝑋𝑐𝑐2 =𝑚1· 𝑅′2 Ω1 · 𝐼′2𝑎2
Figura 10:Esquema de mando y fuerza del arranque directo
3.2.3- Relés de accionamiento
Un relé es un dispositivo electromecánico que permite a un procesador como Arduino controlar cargas a un nivel tensión o intensidad muy superior a las que su electrónica puede soportar.
Por ejemplo, con una salida por relé podemos encender o apagar cargas de corriente alterna a 220V e intensidades de 10A, lo cual cubre la mayoría de dispositivos domésticos que conectamos en casa a la red eléctrica.
Las salidas por relé son muy frecuentes en el campo de la automatización de procesos, y casi todos los autómatas incluyen salidas por relé para accionar cargas como motores, bombas, climatizadores, iluminación, o cualquier otro tipo de instalación o maquinaria.
Físicamente un relé se comporta como un interruptor “convencional” pero que, en lugar de accionarse manualmente, es activado de forma electrónica. Los relés son aptos para accionar cargas tanto de corriente alterna como continua
Un relé dispone de dos circuitos:
El circuito primario se conecta con la electrónica de baja tensión, en nuestro caso Arduino, y recibe la señal de encendido y apagado.
El circuito secundario es el interruptor encargado de encender o apagar la carga.
Al ser dispositivos electromecánicos que requieren el movimiento de componentes interno para su funcionamiento el tiempo de conmutación de un relé es elevado, del orden de 10ms.
Como consecuencia los relés no pueden usarse con una señal PWM, ni otro tipo de señales de frecuencia media-alta. En caso de tener está necesidad deberéis usar otro dispositivo, como un transistor BJT, un MOSFET o relés de estado sólido, en función de las características de vuestro proyecto.
La vida útil del dispositivo está determinada por el número de conmutaciones. Sin embargo, típicamente es del orden de 100.000 a 1.000.000 de conmutaciones por lo que en un uso normal son componentes duraderos y fiables.
Existen gran multitud modelos de relés, con diferentes características eléctricas tanto para el circuito primario y secundario. Debemos elegir un relé que se adecue a las necesidades de nuestro diseño, es decir, que el primario tenga un rango de tensión compatible con nuestra electrónica y el secundario pueda soportar la tensión y corriente requerida por la carga.
Los relés son componentes fundamentales en nuestros proyectos de electrónica, domótica, e Internet de las cosas. Podemos usar salidas por relé para interactuar y controlar casi cualquier dispositivo que tengamos por casa.
Por ejemplo, podemos encender un tubo fluorescente desde el móvil, encender o apagar la caldera actuando sobre el termostato, desplegar un toldo o bajar una persiana, encender un sistema de riego, activar o apagar discos duros externos, entre un sinfín de aplicaciones.
Los relés son dispositivos baratos. Existen placas integradas listas para conectar a Arduino, con distintos tamaños y número de canales. Cada canal es un interruptor totalmente independiente de los demás, lo que permite controlar múltiples cargas con un mismo procesador.
Podemos encontrar un relé de un canal por 0,55€, de dos canales por 1,10€, cuatro canales por 2,20€ y ocho canales por 4,10€, en vendedores internacionales de eBay y AliExpress. Estas placas comerciales montan relés con una limitación de 250V en corriente alterna (AC) o 30V en corriente continua (DC). La intensidad máxima que pueden soportar es de 10A. Esto es equivalente a una carga de 2.300W a 230V AC, y 300W en 30V DC.
3.2.3.1- Funcionamiento
El circuito primario de un relé, que recibe la señal de la electrónica de baja tensión, está formado por una bobina arrollada a un núcleo metálico, formando un electroiman. El circuito secundario, encargado de alimentar la carga, está formado por unos contactos eléctricos instalados en láminas de metal flexible.
Todos los elementos están fijados a una base aislante y rodeados de una envolvente, que impiden que exista el contacto eléctrico entre los distintos terminales o con el exterior. De estos contactos uno o dos son contactos fijos, mientras que el restante es un contacto móvil encargado de cerrar el circuito con uno de los contactos fijos.
Figura 11: Relé de conexión para Arduino
Los relés normalmente disponen de tres contactos en el secundario C (común), NO (normalmente abierto) y NC (normalmente cerrado). Pero también encontramos modelos que prescinden del terminal NC.
Cuando se activa el relé, la corriente circula por la bobina del circuito primario generando un campo magnético que hace pivotar una armadura, que a su vez empuja al contacto móvil, cerrando el circuito con el contacto fijo NO. Mientras, se separa y abre el circuito con el terminal NC.
Cuando la corriente del circuito primario cesa el contacto móvil vuelve a su posición original, abriendo el circuito con el terminal NO, y cerrándolo con el terminal NC.
Por tanto, para controlar la carga con un relé como si fuera un interruptor siempre conectaremos uno de los polos al terminal C (común), que está unido al contacto móvil del secundario. El otro polo de la carga deberemos conectarlo a uno de los terminales NO o NC, en función de si queremos que al entrar en funcionamiento el relé el circuito se cierre (carga encendida) o se abra (carga apagada).
El terminal NO (normalmente abierto) está aislado de C cuando el relé está apagado y conectado cuando el relé está encendido.
El terminal NC (normalmente cerrado) está conectado con C cuando el relé está apagado, y aislado cuando el relé está encendido.
3.2.3.2- Esquema de montaje del relé
En caso de usar una placa comercial el montaje es realmente sencillo. En primer lugar alimentamos la electrónica del módulo Vcc y GND a Vcc y GND de Arduino mediante los terminales existentes. Por otro lado, conectamos la carga a la clema de tres conexiones. Siempre debemos conectar uno de los polos de la carga al terminal C, que habitualmente es el terminal del medio. El otro polo de la carga lo conectaremos al terminal NO o NC, dependiendo de si cuando el relé este desactivado queremos que el secundario este abierto (NO), o cerrado (NC).
Figura 12: Partes de un relé
Finalmente conectamos el pin de señal a una salida digital de Arduino. Si empleamos una placa con varios canales, conectaríamos cada uno de los canales directamente a una salida digital.
3.2.4- Contactores
Un contactor es un componente electromecánico que tiene por objetivo establecer o interrumpir el circuito de potencia o en el circuito de mando, tan pronto se dé tensión a la bobina (en el caso de contactores instantáneos). Un contactor es un dispositivo con capacidad de cortar la corriente eléctrica de un receptor o instalación, con la posibilidad de ser accionado a distancia, que tiene dos posiciones de funcionamiento: una encendido y otra apagado, cuando no recibe acción alguna por parte del circuito de mando, y otra inestable, cuando actúa dicha acción. Este tipo de funcionamiento se llama de "todo o nada". En los esquemas eléctricos, su simbología se establece con las letras KM seguidas de un número de orden.
Constructivamente son similares a los relés, y ambos permiten controlar en forma manual o automática, ya sea localmente o a distancia toda clase de circuitos. Pero se diferencian por la misión que cumple cada uno: los relés controlan corrientes de bajo valor como las de circuitos de alarmas visuales o sonoras, alimentación de contactores, etc; los contactores se utilizan como interruptores electromagnéticos en la conexión y desconexión de circuitos de iluminación y fuerza motriz de elevada tensión y potencia.
3.2.4.1-Elementos de un contactor
Carcasa: Es el soporte sobre el cual se fijan todos los componentes conductores al contactor. Es de un material no conductor, posee rigidez y soporta el calor no extremo. Además, es la presentación visual del contactor.
Electroimán: Es el elemento motor del contactor. Está compuesto por una serie de dispositivos. Los más importantes son el circuito magnético y la bobina. Su finalidad es transformar la energía eléctrica en magnetismo, generando así un campo magnético muy intenso, que provocará un movimiento mecánico.
Bobina: Es un arrollamiento de alambre de cobre muy delgado con un gran número de espiras, que al aplicársele tensión genera un campo magnético. Éste a su vez produce un campo electromagnético, superior al par resistente de los muelles, que a modo de resortes separan la armadura del núcleo, de manera que estas dos partes
Figura 13: Esquema de conexiones del relé
Esta corriente elevada genera un campo magnético intenso, de manera que el núcleo puede atraer a la armadura y vencer la resistencia mecánica del resorte o muelle que los mantiene separados en estado de reposo. Una vez que el circuito magnético se cierra, al juntarse el núcleo con la armadura, aumenta la impedancia de la bobina, de tal manera que la corriente de llamada se reduce, obteniendo así una corriente de mantenimiento o de trabajo más baja.
Se hace referencia a las bobinas de la siguiente forma: A1 y A2.
o Núcleo: Es una parte metálica, de material ferromagnético, generalmente en forma de E, que va fijo en la carcasa. Su función es concentrar y aumentar el flujo magnético que genera la bobina (colocada en la columna central del núcleo), para atraer con mayor eficiencia la armadura.
o Espira de sombra: Se utiliza para evitar las vibraciones en un contactor. Se la coloca de tal manera que abrace parte del campo magnético lo fijo generando vibraciones.
Para evitarlo, la espira de sombra desfasa en el tiempo parte del flujo magnético, lo que a su vez desfasa en el tiempo la fuerza de atracción obteniéndose 2 fuerzas que trabajan en conjunto para evitar las vibraciones. En caso de operar con corriente continua no es necesario utilizar espira de sombra debido a que el flujo magnético es constante y no genera vibraciones.
o Armadura: Elemento móvil, cuya construcción es similar a la del núcleo, pero sin espiras de sombra. Su función es cerrar el circuito magnético una vez energizada la bobina, ya que debe estar separado del núcleo, por acción de un muelle. Este espacio de separación se denomina cota de llamada.
Las características del muelle permiten que tanto el cierre como la apertura del circuito magnético se realicen muy rápido, alrededor de unos 10 milisegundos.
Cuando el par resistente del muelle es mayor que el par electromagnético, el núcleo no logrará atraer a la armadura o lo hará con mucha dificultad. Por el contrario, si el par resistente del muelle es demasiado débil, la separación de la armadura no se producirá con la rapidez necesaria.
o Contactos: Son elementos conductores que tienen por objeto establecer o interrumpir el paso de corriente en cuanto la bobina se energice. Todo contacto está compuesto por tres conjuntos de elementos: Dos partes fijas ubicadas en la coraza y una parte móvil colocada en la armadura para establecer o interrumpir el paso de la corriente entre las partes fijas. El contacto móvil lleva el mencionado resorte que garantiza la presión y por consiguiente la unión de las tres partes.
Tipos de contactos:
o Contactos principales: Su función es establecer o interrumpir el circuito principal, consiguiendo así que la corriente se transporte desde la red a la carga. Simbología:
se referencian con una sola cifra del 1 al 6.
o Contactos auxiliares. Su función específica es permitir o interrumpir el paso de la corriente a las bobinas de los contactores o los elementos de señalización, por lo cual están dimensionados únicamente para intensidades muy pequeñas. Los tipos más comunes son:
o Instantáneos. Actúan tan pronto se energiza la bobina del contactor. Se encargan de abrir y cerrar el circuito.
o Temporizados. Actúan transcurrido un tiempo determinado desde que se energiza la bobina (temporizados a la conexión) o desde que se desenergiza la bobina (temporizados a la desconexión).
o De apertura lenta. El desplazamiento y la velocidad del contacto móvil es igual al de la armadura.
o De apertura positiva. Los contactos cerrados y abiertos no pueden coincidir cerrados en ningún momento.
En su simbología aparecen con dos cifras donde la unidad indica:
o 1 y 2, contactos normalmente cerrados, NC.
o 3 y 4, contactos normalmente abiertos, NA.
o 5 y 6, contacto NC de apertura temporizada o de protección.
o 7 y 8, contacto NA de cierre temporizado o de protección.
por su parte, la cifra de las decenas indica el número de orden de cada contacto en el contactor. En un lado se indica a qué contactor pertenece.
3.2.4.2-Funcionamiento
Los contactos principales se conectan al circuito que se quiere gobernar. Asegurando el establecimiento y cortes de las corrientes principales y según el número de vías de paso de corriente podrá ser bipolar, tripolar, tetra polar, etc. Realizándose las maniobras simultáneamente en todas las vías.
Los contactos auxiliares son de dos clases: abiertos, NA, y cerrados, NC. Estos forman parte del circuito auxiliar del contactor y aseguran las auto alimentaciones, los mandos, enclavamientos de contactos y señalizaciones en los equipos de automatismo.
Cuando la bobina del contactor queda excitada por la circulación de la corriente, esta mueve el núcleo en su interior y arrastra los contactos principales y auxiliares, estableciendo a través de los polos, el circuito entre la red y el receptor. Este arrastre o desplazamiento puede ser:
Por rotación, pivote sobre su eje.
Por traslación, deslizándose paralelamente a las partes fijas.
Combinación de movimientos, rotación y traslación.
3.2.4.3-Clasificación
3.2.4.3.1-Por su construcción:
Contactores electromagnéticos. Se accionan a través de un electroimán.
Contactores electromecánicos. Se accionan por un servomotor que carga un alambre espiral de cobre enrollado sobre un núcleo metálico, en general cuadrado con un dispositivo que actúa como interruptor alojado en el centro de éste.
Contactores neumáticos. Se accionan por la presión de aire.
Contactores hidráulicos. Se accionan por la presión de aceite.
Contactores estáticos. Se construyen a base de tiristores. Presentan algunos inconvenientes: su dimensionamiento debe ser muy superior a lo necesario, la potencia disipada es muy grande, son muy sensibles a los parásitos internos y tiene una corriente de fuga importante. Además, su costo es muy superior al de un contactor electromecánico equivalente.
Por el tipo de corriente que alimenta a la bobina:
Contactores para corriente alterna (C.A.)
Son los más utilizados en la actualidad. El mercado ofrece una amplia gama de tamaños, según la potencia que deban controlar. Los contactores de C.A. requieren una espira de cobre en cortocircuito sobre la cara polar principal que, junto con un correcto rectificado de las caras polares en contacto, contribuye a eliminar la tendencia a vibrar del contactor. Debido a la considerable variación de la impedancia en las bobinas de contactores según su circuito magnético se encuentre abierto o cerrado, la corriente inicial de tracción resulta considerablemente mayor que la de mantenimiento que se establece con posterioridad al cierre.
De esa manera, y en forma automática, se dispone de una corriente inicial lo suficientemente grande como para producir el cierre neto y rápido del contactor, y una corriente posterior de mantenimiento de valor reducido pero suficiente para mantenerlo firmemente cerrado.
Los tiempos requeridos para el cierre de contactores oscilan entre 150 y 300 milisegundos, de acuerdo al tamaño de cada uno relacionado con la potencia a controlar.
Contactores para corriente continua (C.C.)
Son obligatoriamente más voluminosos y pesados (y más costosos) que sus similares de C.A., Adoptan una disposición más abierta. Dicha disposición y su mayor tamaño resultan de requerir un especial diseño de sus contactos y cámaras de extinción, para que sean capaces de soportar y controlar los intensos arcos producidos en la interrupción de circuitos de C.C. y también de la necesidad de disponer de un mejor acceso a los contactos para tareas de inspección o mantenimiento.
Con igual finalidad, estos contactores disponen de las llamadas bobinas "sopladoras" de arcos que, ubicadas inmediatamente debajo del sitio donde se producen los arcos, expanden a éstos hacia el interior de las cámaras apaga chispas para favorecer su rápida extinción.
Dado que la resistencia de la bobina en estos contactores es de valor constante, para disponer
circuito se controla por un contacto auxiliar del propio contactor (o bien por contactos auxiliares de otro relé o contactor).
3.2.4.3.2- Por la categoría de servicio
En función de la categoría de servicio, las aplicaciones de los contactores son:
AC1 (cos φ>=0,9). Cargas puramente resistivas para calefacción eléctrica. Son para condiciones de servicio ligeras de cargas no inductivas o débilmente inductivas, hornos de resistencia, lámparas de incandescencia, calefacciones eléctricas. No para motores.
AC2 (cos φ=0,6). Motores síncronos (de anillos rozantes) para mezcladoras centrífugas.
AC3 (cos φ=0,3). Motores asíncronos (rotor jaula de ardilla) en servicio continuo para aparatos de aire acondicionado, compresores, ventiladores.
AC4 (cos φ=0,3). Motores asíncronos (rotor jaula de ardilla) en servicio intermitente para grúas, ascensores.
AC-6a Conmutación de transformadores. Publicación IEC 60947-4-1.
AC-6b Conmutación de baterías de condensadores. Publicación IEC 60947-4-1.
Criterios para la elección de contactores:
Debemos tener en cuenta algunas cosas, como las siguientes:
1. El tipo de corriente, la tensión de alimentación de la bobina y la frecuencia.
2. La potencia nominal de la carga.
3. Si es para el circuito de potencia o de mando y el número de contactos auxiliares que necesita.
4. Para trabajos silenciosos o con frecuencias de maniobra muy altas es recomendable el uso de contactores estáticos o de estado sólido.
Ventajas de los contactores:
o Los contactores presentan ventajas en cuanto a los siguientes aspectos, por los que se recomienda su utilización:
o Automatización en el arranque y paro de motores
o Posibilidad de controlar completamente una máquina desde varios puntos de maniobra o estaciones.
o Se pueden maniobrar circuitos sometidos a corrientes muy altas, mediante corrientes muy pequeñas.
o Seguridad para personal técnico, dado que las maniobras se realizan desde lugares alejados del motor u otro tipo de carga, y las corrientes y tensiones que se manipulan con los aparatos de mando son o pueden ser pequeños.
o Control y automatización de equipos y máquinas con procesos complejos, con la ayuda de aparatos auxiliares (como interruptores de posición, detectores inductivos, presostatos, temporizadores, etc.)
o Ahorro de tiempo a la hora de realizar algunas maniobras.
o Facilita la distribución de los puestos de paro de emergencia y de los puestos esclavos, impidiendo que la máquina se ponga en marcha sin haber tomado todas las precauciones necesarias.
o Protege el receptor contra las caídas de tensión importantes (apertura instantánea por debajo de una tensión mínima).
o Funciona tanto en servicio intermitente como en continuo.
Los contactores correctos para usarlos en nuestro motor son equivalentes al de la figura, contactores de corriente alterna, de tres fases y con las bobinas a 230V.
Figura 14: Contactor trifásico de corriente alterna
Figura 15: Montaje en el laboratorio del arranque directo
3.2.5- Programación
3.3- Cambio de sentido de giro
Independientemente del diseño (con / sin cajetín de terminales), las conexiones del motor trifásico se denotan por su orden alfabético (por ejemplo, U1, V1, W1) se corresponde con la secuencia de tensión de red (L1, L2, L3) y hace que el motor gire en sentido horario.
El sentido de giro se especifica mirando directamente al eje del motor. En motores con dos ejes, el extremo de accionamiento se denomina ”D”, y el extremo de no accionamiento
“N” (D = drive, N = no drive). La rotación antihoraria del motor se consigue intercambiando dos fases de la tensión de entrada.
Para el cambio de sentido de giro del motor usaremos dos relés y dos contactores, uno para cada sentido, cambiando en uno de ellos la posición de una fase por otra cualquiera, así de invertirá el campo magnético del estator y girará en el otro sentido. Y aplicando un re
Figura 18:Cambio de sentido de giro con Arduino
