5 ELEMENTOS FINALES DE CONTROL.

5.2.1 VALVULAS DE CONTROL.

En el control automático de los procesos industriales la válvula de control juega un papel muy importante en el bucle de la regulación. Realiza la función de variar el caudal del fluido de control que modifica a su vez el caudal de la variable medida comportándose como un orificio de área continuamente variable. Dentro del bucle de control tiene tanta importancia como el elemento primario, el transmisor y el controlador.

El cuerpo de la válvula contiene en su interior el obturador y los asientos y esta provisto de de rosca o de bridas para conectar la válvula a la tubería. El obturador es quien realiza la función de paso del fluido y puede actuar en la dirección de su propio eje o bien tener un movimiento rotativo. Esta unido a un vástago que pasa a través de la tapa del cuerpo y que es accionado por el servomotor.

TIPOS DE VALVULAS.

Las válvulas pueden ser de varios tipos según sea el diseño del cuerpo y el movimiento del obturador.

Las válvulas de movimiento lineal en las que el obturador se mueve en la dirección de su propio eje.

Acción de las válvulas:

Las válvulas permiten modular el flujo en un ducto a presión, mediante un mecanismo que obstruye mecánicamente, en mayor o menor grado, el flujo a través suyo. Suelen tener un vástago, cuya posición se relaciona con el flujo; porque el vástago está conectado al elemento que obstruye el paso del fluido.

Las válvulas son el elemento final de control mas común en sistemas en flujo, en el sentido que son las válvulas (habitualmente) los elementos físicos sobre los que actúa el operador o un controlador automático. Las bombas hidráulicas son el otro tipo de actuador final mas típico; su utilidad es elevar la presión; es decir, ambos actuadores (válvulas y bombas) modifican la presión en una línea de flujo. Naturalmente, hay muchos otros actuadores (calefactores; serpentines; motores de todo tipo; etc.) pero son menos comunes que las válvulas.

Tipos de válvulas:

Las válvulas se pueden dividir en dos grandes grupos, de propósitos claramente distinguibles y de obvia utilidad:

● Válvulas de corte: se utilizan para cortar o abrir (totalmente) un caudal y

● Válvulas de regulación: se usan para modular (regular, ajustar) un flujo.

5.2.4VÁLVULAS SOLENOIDE

En la mayoría de las aplicaciones de refrigeración es necesario abrir o detener el flujo en un circuito de refrigerante, para poder controlar automáticamente el flujo de fluidos en el sistema. Para este propósito, se utiliza una válvula solenoide operada eléctricamente. Su función básica es la misma que una válvula de paso operada manualmente pero, siendo accionada eléctricamente, se puede instalar en lugares remotos y puede ser controlada convenientemente por interruptores eléctricos simples. Las válvulas solenoide pueden ser operadas por interruptores termostáticos, de flotador, de baja presión, de alta presión, por reloj o cualquier otro dispositivo que abra o cierre un circuito eléctrico, siendo el interruptor termostático el dispositivo más comúnmente utilizado en sistemas de refrigeración.

OPERACIÓN

Una válvula solenoide se compone de dos partes interdependientes: la válvula y la bobina solenoide.

Cuando se hace pasar corriente eléctrica a través de la bobina esta actúa como un electroimán poderoso, formando un campo magnético capaz de atraer hacia sí un émbolo móvil de hierro, que es el vástago de la válvula, para que pueda abrir o cerrar.

Una bobina solenoide tiene muy variados usos, como: descargadores de capacidad en las cabezas de compresores, contactores magnéticos, relays, transportadores por electroimán, etcétera.

Tipos de válvulas solenoideExiste una amplia variedad de válvulas solenoide para refrigeración.Aunque no hay un consenso estricto de clasificación, para fines prácticos se pueden diferenciar: por su operación o aplicación, por su construcción, y por su forma.

Por su aplicación:J De acción directa.J Operadas por piloto.Por su construcción:J Normalmente cerradas.J Normalmente abiertas.J De acción múltiple.Por su forma:J 2 vías.J 3 vías.J 4 vías o reversibles.

5.3ACTUADORES SERVOMOTORES

El servomotor es un actuador mecánico en cualquier sistema de servomecanismo que tiene por objeto llevar al sistema a una lectura cero reduciendo a cero la señal de error, y existen dos tipos de servomotores, de corriente directa y de corriente alterna.

Sus características fundamentales para cd y ca son dos, la primera radica en que el par de salida del motor sea aproximadamente proporcional a su voltaje de control aplicado.

Y la segunda se basa en el hecho de que la dirección del par éste determinada por la polaridad instantánea del voltaje de control.

El servomotor de cd campo controlado es aquel donde el par que produce este motor es cero cuando el amplificador de error de cd no le suministra excitación de campo, y si se invierte la polaridad del campo, se invierte la dirección del motor.

Otro tipo de servomotor de cd es el de armadura controlable, que emplea una excitación de campo de cd fija que suministra una fuente de corriente constante. Este tipo de control, posee determinadas ventajas dinámicas que no tienen el método de control de campo.

El servomotor de cd de imán permanente de armadura controlada emplea imanes permanentes para tener excitación constante del campo, en oposición a una fuente constante de corrientes de campo.

Los servomotores serie de cd de campo dividido se pueden hacer trabajar como motores con excitación separada y de campo controlado; un devanado se llama devanado principal y al otro devanado auxiliar, aunque ambos generan fuerza magnetomotriz y están devanados alrededor de los polos del campo en tal dirección que producen inversión de rotación entre si.

Por otro lado, la mayor parte de los servomotores mas pequeños de ca son del tipo de motor bifásico de inducción de polo sombreado, junto con los motores de paso pequeños de cd

Servomotor de cd de campo controlado

El par que produce este motor es cero cuando el amplificador de error de cd no le suministra excitación de campo.

Como la corriente de armadura es constante, el par varía directamente de acuerdo con el flujo del campo y también de acuerdo con la corriente de campo hasta la saturación.

Si se invierte la polaridad del campo, se invierte la dirección del motor. El control de la corriente del campo mediante este método se usa solo en servomotores muy pequeños,

debido a que no es deseable suministrar una corriente de armadura grande y fija como la que se necesitaría para los servomotores de cd.

Otra de las razones de su uso en servomotores pequeños es el hecho de que su respuesta dinámica es más lenta que la del motor de armadura controlada, debido a la mayor constante de tiempo del circuito altamente inductivo del campo.

b) Servomotor de cd de armadura controlada

Este servomotor emplea una excitación de campo de cd fija que suministra una fuente de corriente constante.

Este tipo de control, posee determinadas ventajas dinámicas que no tienen el método de control de campo.

Un cambio súbito en el voltaje de armadura que ocasiones una señal de error provocara una respuesta casi instantánea en el par debido a que el circuito de armadura es esencialmente resistivo en comparación con el circuito de campo altamente inductivo.

El campo de este motor se trabaja en forma normal bastante más allá del punto máximo de la curva de saturación, para mantener el par menos sensible a pequeños cambios en el voltaje de la fuente de corriente constante.

Además, un alto flujo en el campo aumenta la sensibilidad del motor al par para el mismo cambio pequeño de la corriente de armadura, representado de forma algebraica como:

Los motores de cd hasta de 1000 hp se impulsan de este modo mediante control de voltaje de armadura. Si la señal de error y la polaridad del voltaje de armadura se invierten, el motor invierte su dirección.

c) Servomotor de cd de imán permanente de armadura controlada

Este tipo de servomotor, mucho muy difundido, emplea imanes permanentes (ya sea de Alnico o de cerámica) para tener excitación constante del campo, en oposición a una fuente constante de corriente de campo.

Se fabrica en general para 6v y 28v en tamaños fraccionarios y en 150v para caballajes integrales hasta de 2 hp.

La estructura del campo para este tipo de motor consiste en general de aleación Alnico VI, vaciada o colada en forma de anillo circular que rodea completamente a la armadura y da un flujo fuerte y constante.

Los motores de imán permanente están bien compensados mediante devanados de conmutación para evitar la desmagnetización de los imanes de campo siempre que se invierte súbitamente el voltaje de corriente directa de armadura.

En estos motores, las corrientes parásitas y los efectos de la histéresis, en general son desdeñables y las zapatas polares son comúnmente laminadas para reducir el arqueo en las escobillas siempre que se tiene un cambio rápido del voltaje a la señal.

Estos dispositivos también se controlan mediante la regulación del voltaje de armadura de igual manera que el motor derivación de armadura controlada mencionado anteriormente.

En este motor se usan dos modos de funcionamiento: de control de posición y de control de velocidad. Los que se usan para control de posición a veces se llaman “motores de par” debido a que se desarrollan para extremadamente altos en reposo o a bajas velocidades.

A la inversa, a altas velocidades, ya que el par varia inversamente con la velocidad, dada en el sistema SI por:

El par desarrollado es extremadamente pequeño. El par se desarrolla también en función del voltaje aplicado a la armadura.

La siguiente figura muestra las curvas características de par (inverso)-velocidad para tres voltajes, bajo, medio y alto.

Las curvas son muy lineales y el par varía en forma inversa con la velocidad. También se muestra la familia de corrientes que se toma del suministro de cd a voltajes aplicados bajos, medios y altos.

La línea de carga que se produce en las intersecciones de las curvas par-velocidad con las curvas corriente-par es una indicación de la velocidad del par y la corriente que se produce a voltajes bajos (l), medianos (m) y altos (h).

+Curvas características de un servomotor de cd

Cuando los servomotores de cd de imán permanente se usan en control de velocidad, trabajan en forma continua para mantener determinada velocidad predeterminada o deseada.

Puesto que P = kTS, siempre que sean relativamente pequeños las velocidades y los pares, la potencia que se desarrolla y la que se disipa son pequeñas.

La figura anterior muestra las curvas par-velocidad para tres voltajes (bajo, medio y alto), así como las zonas de funcionamiento seguro del motor.

Estos servomotores son, por lo general, totalmente cerrados y tienen grandes tamaños de armazón para permitir una disipación adecuada de calor.

Dependiendo de la velocidad por controlar y de las necesidades de par de la carga que se impulsa, un motor también puede necesitar de un ventilador interconstruido para mejorar la disipación del calor y enfriar la armadura.

Las graficas anteriores muestran también los limites de potencia para el funcionamiento seguro en trabajo continuo son enfriamiento de aire, cuando las necesidades de par son bastante bajas y la velocidad puede ser bastante alta.

Se usan también para mostrar la zona de trabajo intermitente, para la cual las necesidades de par son de moderadas a altas y el funcionamiento seguro con trabajo continuo con ventilador de aire de enfriamiento.

Se muestran dos líneas de límites de potencia (A y B) y representan al producto par-velocidad basado en la potencia nominal del motor, sin y con las ventajas de enfriamiento por aire. La línea de la carga representa la carga fija que debe acelerar el motor.

Como se demostró en las graficas anteriores, el punto o representa la velocidad y el par máximo que pueda desarrollar el motor sin enfriamiento por aire para funcionamiento continuo sin sobrecalentarse.

El punto w representa la velocidad y el par máximo que puede desarrollar con ventilador de enfriamiento y en trabajo continuo.

5.3 ACTUADORES

Los actuadores son dispositivos capaces de generar una fuerza a partir de líquidos, de energía eléctrica y gaseosa. El actuador recibe la orden de un regulador o controlador y da una salida necesaria para activar a un elemento final de control como lo son las válvulas.

Existen tres tipos de actuadores:

Hidráulicos

Neumáticos

Eléctricos

Los actuadores hidráulicos, neumáticos eléctricos son usados pera manejar aparatos mecatronicos. Por lo general, los actuadores hidráulicos se emplean cuando lo que se necesita es potencia, y los neumáticos son simples posicionamientos. Sin embargo, los hidráulicos requieren demasiado equipo para suministro de energía, así como de mantenimiento periódico. Por otro lado, las aplicaciones de los modelos neumáticos también son limitadas desde el punto de vista de precisión y mantenimiento.

Los actuadores eléctricos también son muy utilizados en los aparatos mecatronicos, como por ejemplo, en los robots. Los servomotores CA sin escobillas se utilizaran en el futuro como actuadores de posicionamiento preciso debido a la demanda de funcionamiento sin tantas horas de mantenimiento

Por todo esto es necesario conocer muy bien las características de cada actuador para utilizarlos correctamente de acuerdo a su aplicación especifica

5.3.1Actuadores hidráulicos

Los actuadores hidráulicos, que son los de mayor antigüedad, pueden ser clasificados de acuerdo con la forma de operación, funcionan en base a fluidos a presión. Existen tres grandes grupos:

cilindro hidráulico

motor hidráulico

motor hidráulico de oscilación

5.3.2 Cilindro hidráulico

De acuerdo con su función podemos clasificar a los cilindros hidráulicos en 2 tipos: de Efecto simple y de acción doble. En el primer tipo se utiliza fuerza hidráulica para empujar y una fuerza externa, diferente, para contraer. El segundo tipo se emplea la fuerza hidráulica para efectuar ambas acciones. El control de dirección se lleva a cabo mediante un solenoide que se muestra a continuación

En el interior poseen un resorte que cambia su constante elástica con el paso de la corriente. Es decir, si circula corriente por el pistón eléctrico este puede ser extendido fácilmente.

Cilindro de presión dinámica

Lleva la carga en la base del cilindro. Los costos de fabricación por lo general son bajos ya que no hay partes que resbalen dentro del cilindro.

Cilindro de Efecto simple.

La barra esta solo en uno de los extremos del pistón, el cual se contrae mediante resortes o por la misma gravedad. La carga puede colocarse solo en un extremo del cilindro.

Cilindro de Efecto doble.

La carga puede colocarse en cualquiera de los lados del cilindro. Se genera un impulso horizontal debido a la diferencia de presión entre los extremos del pistón

Cilindro telescópico.

La barra de tipo tubo multietápico es empujada sucesivamente conforme se va aplicando al cilindro aceite a presión. Se puede lograr una carrera relativamente en comparación con la longitud del cilindro

Motor hidráulico

En los motores hidráulicos el movimiento rotatorio es generado por la presión. Estos motores los podemos clasificar en dos grandes grupo: El primero es uno de tipo rotatorio en el que los engranes son accionados directamente por aceite a presión, y el segundo, de tipo oscilante, el movimiento rotatorio es generado por la acción oscilatoria de un pistón o percutor; este tipo tiene mayor demanda debido a su mayor eficiencia. A continuación se muestra la clasificación de este tipo de motores

Motor de Hélice

Motor Hidráulico Motor de Leva excéntrica

Pistón Axial

Tipo Oscilante Motor con eje inclinado

Motor de Engranaje.

El aceite a presión fluye desde la entrada que actúa sobre la cara dentada de cada engranaje generando torque en la dirección de la flecha. La estructura del motor es simple, por lo que es muy recomendable su uso en operaciones a alta velocidad.

Motor con pistón eje inclinado

EL aceite a presión que fluye desde la entrada empuja el pistón contra la brida y la fuerza resultante en la dirección radial hace que el eje y el bloque del cilindro giren en la dirección de la flecha. Este tipo de motor es muy conveniente para usos a alta presión y a alta velocidad. Es posible modificar su capacidad al cambiar el ángulo de inclinación del eje.

Motor oscilante con pistón axial

Tiene como función, el absorber un determinado volumen de fluido a presión y devolverlo al circuito en el momento que éste lo precise.

5.3.3Actuadores Neumáticos

A los mecanismos que convierten la energía del aire comprimido en trabajo mecánico se les denomina actuadores neumáticos. Aunque en esencia son idénticos a los actuadores hidráulicos, el rango de compresión es mayor en este caso, además de que hay una pequeña diferencia en cuanto al uso y en lo que se refiere a la estructura, debido a que estos tienen poca viscosidad.

En esta clasificación aparecen los fuelles y diafragmas, que utilizan aire comprimido y también los músculos artificiales de hule, que últimamente han recibido mucha atención.

De Efecto simple

Cilindro Neumático

Actuador Neumático De efecto Doble

Con engranaje

Motor Neumático Con Veleta

Con pistón

Con una veleta a la vez

Multiveleta

Motor Rotatorio Con pistón

De ranura Vertical

De émbolo

Fuelles, Diafragma y músculo artificial

Cilindro de Simple Efecto

Transforman un movimiento lineal en un movimiento rotacional y no superan los 360°

Rotativos de Paletas

Son elemento motrices destinados a proporcionar un giro limitado en un eje de salida. La presión del aire actúa directamente sobre una o dos palas imprimiendo un movimiento de giro. Estos no superan los 270° y los de paleta doble no superan los 90°.

Partes de un Actuador

1 SISTEMA DE "LLAVE DE SEGURIDAD" : Este método de llave de seguridad para la retención de las tapas del actuador, usa una cinta cilíndrica flexible de acero inoxidable en una ranura de deslizamiento labrada a máquina. Esto elimina la concentración de esfuerzos causados por cargas centradas en los tornillos de las tapas y helicoils. Las Llaves de Seguridad incrementan de gran forma la fuerza del ensamblado del actuador y proveen un cierre de seguridad contra desacoplamientos peligrosos.

2 PIÑÓN CON RANURA: Esta ranura en la parte superior del piñón provee una transmisión autocentrante, directa para indicadores de posición e interruptores de posición, eliminando el uso de bridas de acoplamiento. (Bajo la norma Namur).

3 COJINETES DE EMPALME: Estos cojinetes de empalme barrenados y enroscados sirven para simplificar el acoplamiento de accesorios a montar en la parte superior. (Bajo normas ISO 5211 Y VDI).

5 PASE DE AIRE GRANDE: Los conductos internos para el pasaje de aire extra grandes permiten una operación rápida y evita el bloqueo de los mismos.

6 MUÑONERAS: Una muñonera de nuevo diseño y de máxima duración, permanentemente lubricada, resistente a la corrosión y de fácil reemplazo, extiende la vida del actuador en las aplicaciones más severas.

7 CONSTRUCCIÓN: Se debe proveer fuerza máxima contra abolladuras, choques y fatiga. Su piñón y cremallera debe ser de gran calibre, debe ser labrado con maquinaria de alta precisión, y elimina el juego para poder obtener posiciones precisas.

8 CERAMIGARD: Superficie fuerte, resistente a la corrosión, parecida a cerámica. Protege todas las partes del actuador contra desgaste y corrosión.

9 REVESTIMENTO: Un revestimiento doble, para proveer extra protección contra ambientes agresivos.

11 ACOPLE: Acople o desacople de módulos de reposición por resorte, o de seguridad en caso de falla de presión de aire.

12 TORNILLOS DE AJUSTE DE CARRERA: Provee ajustes para la rotación del piñón en ambas direcciones de viaje; lo que es esencial para toda válvula de cuarto de vuelta.

16 MUÑONERAS RADIALES Y DE CARGA DEL PIÑÓN: Muñoneras reemplazables que protegen contra cargas verticales. Muñoneras radiales soportan toda carga radial.

17 SELLOS DEL PIÑÓN - SUPERIOR E INFERIOR: Los sellos del piñón están posicionados para minimizar todo hueco posible, para proteger contra la corrosión.

19 RESORTES INDESTRUCTIBLES DE SEGURIDAD EN CASO DE FALLA: Estos resortes son diseñados y fabricados para nunca fallar y posteriormente son protegidos contra la corrosión. Los resortes son clasificados y asignados de forma particular para compensar la pérdida de memoria a la cual esta sujeta todo resorte; para una verdadera confianza en caso de falla en el suministro de aire.

5.3.4Actuadores Eléctricos

La estructura de un actuador eléctrico es simple en comparación con la de los actuadores hidráulicos y neumáticos, ya que sólo se requieren de energía eléctrica como fuente de poder. Como se utilizan cables eléctricos para transmitir electricidad y las señales, es altamente versátil y prácticamente no hay restricciones respecto a la distancia entra la fuente de poder y el actuador.

Existe una gran cantidad de modelos y es fácil utilizarlos con motores eléctricos estandarizados según la aplicación. En la mayoría de los casos es necesario utilizar reductores, debido a que los motores son de operación continua.

Utilización de un pistón eléctrico para el accionamiento de una válvula pequeña.

La forma mas sencilla para el accionamiento con un pistón, seria la instalación de una palanca solidaria a una bisagra adherida a una superficie paralela al eje del pistón de accionamiento y a las entradas roscadas, tal y como se observa en el siguiente diagrama:

El pistón eléctrico puede ser accionado por una corriente, con lo cual para su accionamiento, solo hará falta utilizar un simple relé. En caso que se decidiera alimentarlo con cc, la corriente deberá ser del mismo valor pudiendo ser activado por una salida a transistor de un PLC.

Accionamiento con Alambres Musculares

Los Alambres Musculares , también son actuadores. Tienen una apariencia semejante a la de un pelo, con la gran diferencia que al activarlos con corriente eléctrica estos se contraen generando fuerzas desde los 20 a los 2000 gramos, dependiendo de su diámetro.

Podría construirse un sistema semejante al utilizado con el pistón, lográndose aun una mayor rapidez para el accionamiento del mecanismo.

También podrían implementase montajes mas sencillos, como el de una alambre en V invertida que posea los dos terminales del alambre solidarios a un chasis montado por debajo de la base de la válvula, de tal manera que el vértice de la V invertida este sobre el mecanismo de cierre de la válvula. Como se observa en el siguiente esquema:

Motores a paso

Es un dispositivo electromecánico que convierte pulsos eléctricos en movimientos mecánicos distintos. El eje de un motor a pasos gira con incrementos discretos a paso del paso cuando pulsos eléctricos son aplicados en la secuencia apropiada.

Existen tres tipos básicos de motores a Pasos. Ellos son:

Reductancia variable

Imán permanente

Híbrido