Técnicas de diseño para una transmisión de potencia eficiente

La transmisión de potencia se refiere a la transferencia de potencia mecánica de un componente o máquina a otro. Es esencial en entornos de fabricación y producción, donde diferentes máquinas y equipos deben trabajar juntos para producir bienes de manera eficiente. La transmisión de potencia en la automatización industrial moderna se logra cuando los motores eléctricos transmiten potencia a través de varios sistemas mecánicos, incluidos engranajes, correas, cadenas y acoplamientos.

En una planta de fabricación, un motor puede impulsar una cinta transportadora que transporta materiales de una máquina a otra. La potencia transmitida a través del motor se transfiere a la cinta transportadora a través de un sistema de engranajes, lo que permite una transmisión de potencia suave y eficiente. Este artículo destaca las aplicaciones típicas de la transmisión de potencia junto con los tipos de motores y variadores que se utilizan comúnmente.

Las aplicaciones típicas de transmisión de energía incluyen las siguientes:

Sistemas transportadores: ampliamente utilizados en aplicaciones de fabricación y manipulación de materiales para mover productos o materiales de un lugar a otro. La transmisión de potencia impulsa las cintas transportadoras, los rodillos y otros componentes del sistema transportador.

Robots industriales: se utilizan en una variedad de aplicaciones de automatización, incluido el manejo de materiales, el ensamblaje y la soldadura. La transmisión de potencia transfiere potencia mecánica desde los motores del robot a las articulaciones y efectores finales.

Máquinas herramienta: la transmisión de potencia impulsa los husillos de tornos, fresadoras y rectificadoras que dan forma y acaban piezas metálicas.

Maquinaria de envasado: Envasa productos para su distribución y venta. La transmisión de energía hace funcionar los transportadores, llenadoras, taponadoras y otros componentes de la maquinaria de envasado.

Maquinaria de impresión: La transmisión de energía impulsa los rodillos y otros componentes de la maquinaria que imprimen etiquetas, embalajes, publicaciones y otros materiales.

Equipos de manipulación de materiales: grúas, polipastos y elevadores mueven materiales o productos pesados.

Existen varios tipos comunes de motores y sistemas de accionamiento utilizados en la transmisión de potencia, según la aplicación y los requisitos específicos.

Los motores de inducción de CA son el tipo de motor más común en aplicaciones de transmisión de energía. Son simples, confiables y eficientes, lo que los hace adecuados para una amplia gama de aplicaciones. El rango de velocidad típico de un motor de inducción de CA varía según el diseño y la aplicación del motor. Sin embargo, la mayoría de los motores de inducción de CA tienen un rango de velocidad de 900 a 3600 revoluciones por minuto (RPM) a plena carga.

En general, los motores de inducción de CA funcionan a una velocidad constante que está determinada por la frecuencia de la fuente de alimentación y el número de polos del motor. Por ejemplo, una fuente de alimentación de 60 Hz y un motor de cuatro polos darían como resultado una velocidad síncrona de 1800 RPM. Sin embargo, la velocidad de funcionamiento real del motor puede ser ligeramente inferior a la velocidad sincrónica debido al deslizamiento, que es la diferencia entre la velocidad sincrónica y la velocidad real del rotor.

La velocidad de un motor de inducción de CA se puede controlar variando la frecuencia de la fuente de alimentación, generalmente utilizando un variador de frecuencia (VFD). Esto permite que el motor funcione a velocidades por debajo y por encima de su velocidad síncrona, proporcionando una mayor flexibilidad en el control de la velocidad y el par del motor.

La regulación de velocidad típica de un motor de inducción de CA depende de varios factores, incluido el diseño del motor, las características de carga y el método de control utilizado. Generalmente, los motores de inducción de CA pueden mantener la velocidad dentro de un cierto porcentaje de su velocidad nominal, que generalmente oscila entre ±0,1 por ciento y ±10 por ciento de la velocidad nominal, según el sistema de control utilizado. Algunos motores de inducción de CA especializados, como los motores de alta velocidad utilizados en ventiladores o compresores centrífugos, pueden tener un rango de velocidad diferente. Estos motores pueden funcionar a velocidades de hasta 15.000 RPM o más.

Los motores de CC se utilizan a menudo en aplicaciones que requieren un control de velocidad preciso o cuando se requiere un par elevado a bajas velocidades. Se accionan mediante una fuente de alimentación de corriente continua (CC), que proporciona un voltaje constante a los terminales del motor. El voltaje hace que la corriente fluya a través de los devanados del motor, creando un campo magnético que interactúa con los imanes permanentes dentro del motor. La interacción entre los campos magnéticos hace que la armadura del motor (rotor) gire.

La dirección de rotación está determinada por la dirección de la corriente que fluye a través de los devanados, que se puede controlar mediante un controlador de motor de CC. El controlador del motor de CC puede variar el voltaje suministrado al motor, lo que afecta la velocidad y el par del motor. Al ajustar el voltaje, el controlador también puede manipular la dirección de rotación del motor. En general, los motores de CC pueden funcionar a velocidades que van desde casi cero hasta decenas de miles de RPM.

Hay dos tipos básicos de motores de CC: con escobillas y sin escobillas. Los motores de CC con escobillas tienen un conmutador y escobillas que transfieren energía eléctrica a los devanados del motor, mientras que los motores de CC sin escobillas utilizan un sistema de conmutación electrónico que conmuta la corriente a los devanados del motor en una secuencia precisa. Los motores de CC sin escobillas se están volviendo cada vez más populares en aplicaciones de automatización industrial debido a su alta eficiencia, bajos requisitos de mantenimiento y capacidades de control precisas.

Los servomotores y los motores paso a paso son dos ejemplos de motores de CC sin escobillas. A menudo se utilizan en aplicaciones que requieren un control de movimiento preciso además de una transmisión de potencia eficiente. El término transmisión de potencia generalmente se refiere a la transferencia de potencia mecánica de un componente o máquina a otro, en lugar del control preciso de la posición. El control de movimiento, por otro lado, implica el uso de componentes y sistemas especializados para controlar con precisión la posición, velocidad y aceleración de la máquina o sistema.

Los sistemas de control de movimiento generalmente incluyen motores de CC sin escobillas, codificadores y controladores especializados, que trabajan juntos para lograr un posicionamiento altamente preciso y exacto. El control de movimiento se utiliza a menudo en aplicaciones que requieren un posicionamiento de alta precisión, como robótica, máquinas CNC y otros equipos de fabricación de precisión. Por el contrario, la transmisión de potencia se utiliza a menudo en aplicaciones donde el posicionamiento preciso es menos crítico, como en los sistemas de transporte y manipulación de materiales.

Los servomotores proporcionan mayor precisión y exactitud que los motores paso a paso, debido a los sistemas de retroalimentación de circuito cerrado que monitorean y ajustan continuamente la posición, la velocidad y el torque del servomotor para mantener el rendimiento deseado. Los motores paso a paso, por otro lado, a menudo funcionan en un sistema de circuito abierto que puede experimentar errores de posicionamiento debido a pasos omitidos u otros factores. Los servomotores son capaces de alcanzar velocidades y tasas de aceleración más altas que los motores paso a paso debido a la capacidad del servomotor para operar a frecuencias más altas.

Los servomotores proporcionan un mejor control con cargas elevadas que los motores paso a paso. Esto se debe a que los servomotores tienen capacidades de par más altas, lo que les permite mantener su posición y velocidad incluso bajo cargas pesadas. Por otro lado, los sistemas de servomotor generalmente cuestan más que los sistemas de motor paso a paso. Por esta razón, es común ver motores paso a paso utilizados en aplicaciones de menor velocidad y menor rendimiento, por ejemplo, al reemplazar actuadores neumáticos.

Un ejemplo de una aplicación que exhibe una transmisión de potencia eficiente y un control de movimiento preciso es una servoprensa. Una servoprensa es un tipo de máquina industrial que utiliza un servomotor para controlar la posición y la velocidad de una varilla de acero mientras aplica una gran fuerza a un material o pieza en la que se está trabajando. La varilla de la servoprensa está acoplada mecánicamente al servomotor a través de un conjunto de tuerca y husillo de bolas de precisión.

Cuando el servomotor hace girar el husillo de bolas, la tuerca y la varilla se extienden (o retraen) con gran precisión posicional y gran fuerza. La fuerza generada por la servoprensa puede variar desde unos pocos cientos de Newtons en servoprensas más pequeñas hasta cien mil o más Newtons en servoprensas más grandes. Cada servoprensa viene con un transductor de fuerza fijado al extremo de la varilla. El transductor de fuerza mide con precisión la fuerza generada por la servoprensa y proporciona retroalimentación al controlador de la prensa. El controlador de la prensa utiliza la retroalimentación de fuerza para generar la fuerza requerida de forma repetida y precisa. De esta manera, la servoprensa también realiza una función de control de calidad.

Las prensas servo, como el kit de prensa servo YJKP de Festo, se utilizan en una amplia gama de procesos de ensamblaje y fabricación, como sujetar piezas, insertar una pieza en otra, perforar un agujero en una pieza, remachar, doblar o estampar piezas, y mucho más. En el corazón del kit de servoprensa hay un actuador lineal de husillo de bolas que transfiere energía de manera eficiente desde el servomotor a la pieza de trabajo, mientras que el controlador de la prensa y el servomotor controlan con precisión la posición y la velocidad del extremo de la varilla.

La transmisión de potencia es fundamental en la automatización industrial, ya que permite que las máquinas trabajen juntas sin problemas, reduciendo el tiempo de inactividad y maximizando la productividad. Sin una transmisión de potencia adecuada, es posible que las máquinas no funcionen correctamente, lo que provoca retrasos en la producción y otras ineficiencias operativas. Permite la transferencia eficiente de energía mecánica de una máquina o componente a otro y desempeña un papel vital para garantizar el buen funcionamiento de los procesos de fabricación y producción.

El control de movimiento es una forma de transmisión de potencia que proporciona un posicionamiento preciso del sistema además de la transmisión eficiente de potencia desde el motor al sistema mecánico.

Este artículo fue escrito por Eric Rice, gerente de mercado de productos - Automatización eléctrica, Festo (Islandia, Nueva York). Para mas informacion, visite aqui .

Este artículo apareció por primera vez en la edición de junio de 2023 de la revista Motion Design.

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