Actuadores Industriales
José Luis Becerra Vargas
Universidad de Universidad d e Guanajuato División de Ingenierías Campus Irapuato-Salamanca. Control Industrial 2017
Definición
Este elemento, debe ser capaz de transformar algún tipo de energía, ya sea eléctrica, neumática o hidráulica, en energía mecánica.
Un actuador es un dispositivo inherentemente mecánico cuya función es proporcionar fuerza para mover o “actuar” otro dispositivo mecánico. La fuerza fuerza que provoca el actuador proviene de tres fuentes posibles: Presión Pres ión neumática, presión hidráulica, y fuerza motriz eléctrica (motor eléctrico o solenoide). Dependiendo de el origen de la fuerza e l actuador se denomina “neumático”, “hidráulico” o “eléctrico”. El actuador más común es el actuador actuad or manual o humano. humano. Es decir, una persona pers ona mueve o actúa un dispositivo para promover pr omover su funcionamiento.
Actualmente hay básicamente dos tipos de actuadores.
• Lineales: Los actuadores lineales generan una fuerza en línea recta, tal como haría un pistón.
• Rotatorios: Los actuadores rotatorios generan una fuerza rotatoria, como lo haría un motor eléctrico.
Funcionamiento del actuador Rotatorio
El objetivo final del actuador rotatorio es generar u n movimiento giratorio. El movimiento debe estar limitado a un ángulo máximo de rotación. Normalmente se habla de actuadores de cuarto de vuelta, o 90º; fracción de vuelta para ángulos difere ntes a 90º, por ejemplo 180º; y de actuadores multivuelta, para válvulas lineales que poseen un eje de tornillo o que requieren de múltiples vueltas para ser actuados.
La variable básica a tomar en cuenta en un actuador rotatorio es el torque o par; también llamado momento. Y es expresado en lb-in, lb-pie, N-m, etc
El actuador rotatorio dependiendo de su diseño, consta de las siguientes partes móviles básicas.
Tres tipos de actuadores:
• Neumáticos
• Eléctricos
• Hidráulicos
Tabla 1. Partes móviles de los actuadores.
Actuadores Neumáticos
Actuadores Lineales
Los cilindros neumáticos independientemente de su forma constructiva, representan los actuadores más comunes que se utilizan en los circu itos neumáticos. Existen dos tipos fundamentales de los cuales derivan construcciones especiales
•Cilindros de simple efecto, con una entrada de aire para pr oducir una carrera de trabajo en un sentido. •Cilindros de doble efecto, con dos entradas de aire para pr oducir carreras de trabajo de salida y retroceso. Más adelante se describen una gama variada de cilindros con sus correspondientes símbolos.
Actuadores de giro
Los actuadores rotativos son los encargados de transformar la e nergía neumática en energía mecánica de rotación. Dependiendo de si el móvil de giro tiene un ángulo limitado o no, se forman los dos grandes grupos a analizar:
Actuadores de giro limitado, que son aquellos que proporcionan movimiento de giro pero no llegan a producir una revolución (exceptuando alguna mecánica particular como por ejemplo piñón – cremallera). Existen disposiciones de simple y doble efecto para ángulos
de giro de 90º, 180º..., hasta un valor máximo de unos 300º (aproximadamente).
Motores neumáticos, que son aquellos que proporcionan un movimiento rotatorio constante. Se caracterizan por proporcionar un elevado número de revoluciones por minuto.
Actuadores Eléctricos
Los actuadores eléctricos son los más extendidos y los que poseen un mayor campo de aplicación dada la fácil disponibilidad de la energía eléctrica a través de las redes de distribución. Además son altamente versátiles debido a que se utilizan cables eléctricos para transmitir señales de control y la electricidad, por lo que prácticamente no hay restricciones respecto a la distancia entre la fuente de poder y el actuador.
De hecho, hay actuadores que dependen de una etapa previa realizada por un accionam iento eléctrico, como son los actuadores neumáticos o hidráulicos (un accionamiento eléctric o debe mover inicialmente un compresor o una bomba), o en los gravitatorio (donde previamente se tiene que desplazar el elemento que caerá por gravedad al sitio por el que caerá).
Tipos de actuadores eléctricos
Motores de corriente alterna. Monofásicos. Trifásicos. Motores de corriente continua. Bobinados en derivación. Bobinados en serie. Excitación independiente. Motores paso a paso.
Servomotores. Motor universal.
Este tipo de motores trabajan a velocidad fija au n cuando varíe la carga, tal como se puede apreciar en la anterior gráfica par-velocidad. Su velocidad de giro es constante y viene determinada por la frecuencia de la tensión de la red eléctrica a la que esté conectado y por el número de pares de polos del motor, siendo conocida esa velocidad como "velocidad de sincronismo".
Los motores síncronos se utilizan en aquellas aplicac iones donde se necesita mantener una velocidad exacta (por ejemplo, en temporizadores). Presenta n el problema de que necesitan un arrancador.
Monofásicos asíncronos
Este tipo de motores funcionan con una curva par-velocidad de la s iguiente forma: Son motores que funcionan a una velocidad aproximadamente fija aunque varíe la carga, ya que se puede observar en la gráfica par-velocidad que el punto de funcionamiento del motor se encuentra en una zona en la que la curva es muy vertical. Son los motores más ampliamente utilizados. Los motores trifásicos permite n potencias mayores y, además, no necesitan arrancador.
Trifásicos
Presentan las mismas características que los monofásicos, con la diferencia de que s e pueden poner en marcha sin necesidad de arrancador. Se construyen para potencias mayores.
Motores de corriente continua.
Este tipo de motores son pesados, caros y necesitan basta nte mantenimiento, debido al chisporroteo continuo de las escobillas. No obstante, eran la mejor opciónpara las aplicaciones en las que se necesitaba controlar la velocidad y/o el par hasta que se desarrolló el variador de frecuencia, aparato que subsana esta c arencia de los motores asíncronos.
También se utilizan en aquellos sitios donde la alime ntación proviene de una batería. La velocidad es fácilmente ajustable poniendo únicamente un reostato (resistencia variable) en el inductor. El sentido de rotación se invierte cambiando la polaridad del motor.
Bobinados en derivación: Este tipo de motores presentan la excitación bobinada en paralelo, por lo que la caída detensión de la excitación es la misma que la del motor. Pueden ser de dos tipos: con escobillas, y sin escobillas o brushless (en inglés).
Con escobillas Presentan inconvenientes en cuanto al mantenimiento, ya que las bobinas c hisporrotean continuamente y se desgastan. Sin escobillas o brushless Presentan un menor coste de mantenimiento al funcionar sin escobillas.
Bobinados en serie: Este tipo de motores presentan la excitac ión bobinada en serie,por lo que la caída de tensión de la excitación no es fija. Al igual que los motores con excitación en paralelo, pueden ser con escobillas o brushless.
Con excitación independiente: Este tipo de motores presentan la alimentación del devanado inductor mediante una fuente de alimentación externa a la máquina. Por este motivo, es muy fácil controlar su velocidad variando únicamente la corriente de excitación. Con este tipo de motores s e puede controlar la velocidad del mismo incluso en lazo abierto.
Motores paso a paso
Son dispositivos electromagnéticos, rotativos, incrementales que convierten pulsos digitales en rotación mecánica. La cantidad de rotación es d irectamente proporcional al número de pulsos y la velocidad de rotación es relativa a la frecuencia de dichos pulsos .Este tipo de motores avanzan a impulsos un ángulo prefijado. Generalmente se utilizan alimentados mediante un dispositivo programable que es el que le suministra los impulsos. Med iante este tipo de motores se consigue un motor de posición aceptable a bajo costo, siempre y cuando la inercia del sistema sea baja (el sistema tarde poco en acelerarse y frenarse). Su uso más habitual es en aparatos de pequeña potencia, tales como impresoras, escáner, etc.
Servomotores
Es un motor de corriente continua, que tiene la capacidad de ubicarse e n cualquier posición dentro de su rango de operación y mantenerse estable en dicha posición. Está conformado por un motor, una caja reductora y un circuito de control. Los servos se uti lizan frecuentemente en sistemas de radiocontrol y en robótica, pero su uso no está limitado a estos. El control de posición del motor se realiza en lazo cerrado, con lo que se consigue un control de la posición muy preciso, con requisitos de mantenimiento mínimos. Se utiliza en máquinas de prec isión, tales como máquinas-herramienta, robots, impresoras, plotters, ac tuadores de control de superficie de aeronaves, etc. Las ventajas que tales motores ofrecen incluyen un momento de torsión elevado, un tamaño pequeño de estructura y una carga ligera, así como una curva de velocidad lineal, lo cual reduce el esfuerzo computacional.
Motor universal
Sirven para pequeños electrodomésticos (pequeñas potencias), como taladradoras, batidoras, etc. donde se requiere gran velocidad con cargas débiles .Se pueden conectar tanto a corriente continua como a corriente alterna.
Actuadores Hidráulicos
Los actuadores hidráulicos requieren demasiado equipo para suministro de energía, así como de mantenimiento periódico. Las ventajas que presentan los actuadores de esta naturaleza son: - Altos índices entre potencia y carga. - Mayor exactitud. - Respuesta de mayor frecuencia. - Desempeño suave a bajas velocidades. - Amplio rango de velocidad. - Produce más fuerza que un sistema neumático de mismo tamaño. Desventajas de los actuadores hidráulicos Las desventajas de este sistema son que debido a las elevadas presiones a las que se trabajan propician la existencia de fugas de aceite a lo largo de la instalación.Además, estas
instalaciones suelen ser más complicadas que las necesarias para actuadores neumáticos y mucho más que para los eléctricos, necesitando de equipos de: - Filtrado de partículas. - Eliminación de aire. - Sistemas de refrigeración. - Unidades de control de distribución. Aplicaciones de los actuadores hidráulicos Las principales aplicaciones se encuentran en máquinas troqueladoras, en cargadores y en maquinarias pesada para obras civiles. Este sistema de actuadores se divide en tres grandes grupos: - Cilindro hidráulico.
- Motor hidráulico. - Motor hidráulico de oscilación.
Cilindro hidráulico De acuerdo con su función podemos clasificar a los cilindros hidráulicos en 2 tipos: - De efecto simple: se utiliza fuerza hidráulica para empujar y una fuerza externa, diferente, para contraer. -De acción doble: se emplea la fuerza hidráulica para efectuar ambas acciones.
Cilindro de efecto simple Una barra es colocada en un extremo del pistón, cuando la presión es ejercida en la parte contraria al extremo del pistón donde está la barra, esta sube hasta donde la presión lo empuje, ejerciendo una fuerza sobre la barra de contracción, después la barra es regresada a la posición inicial por la simple acción de resortes o de la gravedad. La carga solo puede colocarse 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 cuando el líquido entra en este. Motor hidráulico En los motores hidráulicos el movimiento rotatorio es generado por la presión. Estos motores los podemos clasificar en dos gra ndes grupos:
- El de tipo rotatorio: en el que los engranes son accionados directamente por aceite a presión. - El de tipo oscilante: el movimiento rotatorio es generado por la acción oscilat oria de un pistón o percutor; este tipo tiene mayor demanda debido a su ma yor eficiencia. Motor hidráulico A continuación se muestra la clasificación de este tipo de motores: Motor de engranaje El aceite a presión fluye desde la entrada que actúa sobre la cara dentada de cada engranaje generando torque en una dirección. La estructura del motor es simple, por lo que es muy recomendable su uso en operaciones a alta velocidad. 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.
Bibliografía
Bibliografía https://books.google.com.mx/books?hl=es&lr=lang_es&id=iVpN Z9H0tUC&oi=fnd&pg=PT17&dq=actuadores+industriales&ots=NwNhXkZuXu&sig=Ak6O8f1b6tYmdo1 XVOy062diPP0#v=onepage&q=actuadores%20industriales&f=false. (s.f.). Obtenido de https://books.google.com.mx/books?hl=es&lr=lang_es&id=iVpNZ9H0tUC&oi=fnd&pg=PT17&dq=actuadores+industriales&ots=NwNhXkZuXu&sig=Ak6O8f1b6tYmdo 1XVOy062diPP0#v=onepage&q=actuadores%20industriales&f=false https://tv.uvigo.es/uploads/material/Video/1709/ISAD_Tema7_2.pdf . (s.f.). Obtenido de https://tv.uvigo.es/ https://www.researchgate.net/profile/Francisco_Blanes/publication/267217844_Redes_de_Sensore s_y_Actuadores_Inalambricas_Una_Caracterizacion_y_Caso_de_Estudio_para_Aplicaciones_Medica s_en_Espacios_Cerrados/links/556d5ca408aeccd7773bf24c.pdf . (s.f.). Jairo Alberto Mendoza Vargas, J. A. (2003). Aplicación del método paso a paso en la solución de problemas de electroneumática. Scientia et Technica , 313-317.
