Bobinador por control de velocidad

Cuando el motor trabaja por control de velocidad la tensión del material debe ser controlada por un elemento externo como un freno o un dancer. La velocidad del material puede ser impuesta por el mismo bobinador (Figura 1) o depender del proceso (Figura 2). Un caso particular del primero es cuando en lugar de controlar la tensión, lo que se quiere controlar es el estiramiento del material.

En este tipo de bobinadores la velocidad del motor (ω) va a depender de la velocidad de línea (v) y del radio de la bobina (R):

 

El bobinado por control de velocidad tiene una serie de ventajas frente al control de torque:

  • No requiere obligatoriamente control vectorial a lazo cerrado por lo que puede usarse un variador más económico. De todas formas es recomendable al menos un control vectorial a lazo abierto.

  • El uso de reductores no afecta al desempeño como sí lo hace en control de torque por lo que es una buena opción para bobinadores de baja velocidad.

  • Se independiza de la inercia de la bobina por lo que puede resultar más sencillo lograr aceleraciones y desaceleraciones rápidas.

Bobinador por control de torque:

 

El control de torque permite controlar la tensión del material sin necesidad de otro elemento mecánicos como un freno o un dancer. La velocidad del material en este caso está definida por el proceso y no por el bobinador.

Si bien es posible un control de torque básico sin encoder, en general es necesario un control vectorial a lazo cerrado para poder lograr un rango amplio de velocidad y tensión. La ventaja es que al no requerir de un dancer se puede reducir las dimensiones de la máquina, o al prescindir de un freno mecánico para regular la tensión aumenta la eficiencia y se reduce el mantenimiento necesario.

Uno de los problemas del control de torque es que la tensión del material (T) no sólo depende del torque generado por el motor (τ) sino también del radio de la bobina (R), la inercia de la bobina y todos los rodillos (J), la aceleración (a) y las pérdidas mecánicas (τr).

Para obtener un buen control de tensión es necesario que:

  • el torque de rozamiento sea mucho menor al necesario para tensionar el material con el diámetro mínimo. En general esto impide el uso de reductores en la transmisión del motor por lo que puede llegar a ser necesario un sobredimensionamiento importante en los casos en donde la velocidad de rotación de la bobina sea baja.

  • el torque necesario para acelerar o desacelerar la bobina y todos los rodillos que haya en la línea también sea bajo en comparación con el necesario para tensionar el material. En general esto impide usar tiempos cortos de arranque y parada.

Bajo esas condiciones la referencia de torque del motor se calcula sólo en función de la consigna de tensión (Tref) y el radio (R):

Una forma de compensar los errores vistos es usando una celda de carga para medir la tensión del material. Esta compensación requiere un lazo de control un poco más complejo para mantener la estabilidad del sistema:

Este lazo de control básico puede incorporar algunos elementos adicionales como saturación de error de entrada, saturación de salida, saturación del integrador, reset del integrador, componente derivativa, etc., pero es fácil de implementar en un PLC o incluso dentro del A1000 o GA800 usando el DriveWorksEz (Figura 4)

Determinación del Radio

 

En el control de velocidad usando dancer es posible usar el PID del variador para controlar la altura sin necesidad de conocer el radio de la bobina. Es una solución sencilla pero no va a permitir obtener tiempos de respuesta tan rápidos como en el caso de incorporar al lazo la velocidad de línea y el radio, ya que partiendo de esos valores se puede calcular la referencia de velocidad como:

De esta forma el PID que recibe la señal de altura del dancer (H) sólo necesita hacer pequeñas correcciones para mantenerlo en posición. Una posible implementación tanto para PLC como para el DriveWorksEZ sería:

En resumen, para casi cualquier implementación de bobinador es necesario conocer el radio de la bobina en todo momento. La determinación del radio puede hacerse de varias formas:

Medición directa: sensor de distancia

 

Una forma efectiva de medir el radio de la bobina es mediante un señor de distancia ultrasónico. En general estos sensores pueden calibrarse para entregar una señal 0-10V o 4-20mA proporcional al radio por lo que no es necesario hacer ninguna conversión adicional. Si esto no fuera posible la salida del sensor deberá restarse a la salida correspondiente a un radio igual a cero.

Medición indirecta

 

Conociendo algunas variables como la velocidad de línea, la velocidad angular, la cantidad de material acumulado, el radio inicial o el espesor del material se puede hacer una estimación del radio sin necesidad de medirlo en forma directa.

La velocidad de línea (v) puede obtenerse por ejemplo de un variador de velocidad. Si este trabaja a lazo abierto puede tener algo de error pero ser útil de todas formas. Si trabaja con encoder la medición de velocidad del variador será muy precisa de igual forma que usando un encoder independiente en algún rodillo.

Los metros de material (d) pueden medirse contando los pulsos de un encoder puestos en algún rodillo.

La velocidad angular (ω) se puede obtener del variador de velocidad del bobinador. Si éste trabaja con encoder la medición será mucho más precisa.

El número de vueltas de la bobina (N) se puede contar usando un encoder o 2 sensores inductivos desfasados 90º para generar una señal en cuadratura.

Para acceder a los valores medidos por el variador siempre es conveniente hacerlo en forma digital por medio de algún protocolo de comunicación o leyendo la salida de pulsos. De esa forma se eliminan los problemas de ruido u offset que pueden aparecer en las señales analógicas.

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