2.3 Sistemas de actuación

Sistemas de actuación eléctrica

Sistemas eléctricos

Al estudiar los sistemas eléctricos que se emplean como actuadores de control deberán tenerse en cuenta los siguientes dispositivos y sistemas:

1.- Dispositivos de comunicación, como son los interruptores mecánicos (relevadores) y los interruptores de estado solido (diodos, tristores y transistores), en los que la señal de control enciende o apaga un dispositivo eléctrico.

2.- Dispositivos tipo solenoide, en los cuales una corriente que pasa por un solenoide acciona un núcleo de hierro dulce, por ejemplo una válvula hidráulica/neumática operada por solenoide.

3.- Sistemas motrices, por ejemplo, motores de cd y de ca, en los cuales la corriente que pasa por el motor produce una rotación.

Interruptores mecánicos

Los interruptores mecánicos son los elementos que con frecuencia se usan como sensores para producir  y enviar entradas a diversos sistemas, por ejemplo, un teclado. El relevador eléctrico es un ejemplo de interruptor mecánico que en los sistemas de control se usa como actuador.

Relevadores

El relevador eléctrico responde a las señales de control mediante una sencilla acción de conmutación de encendido/apagado. Al circular una corriente por un embobinado de alambre se produce un campo magnético y atrae un brazo movible, que es la armadura, la cual produce la apertura o cierre de los contactos.

Por lo general hay dos juegos de contactos, uno que se cierra y otro que se abre debido a la acción que produce el campo magnético producido por el embobinado. Esta acción se aprovecha para transmitir corriente a un motor o a un calentador eléctrico de un sistema de control de temperatura.

interruptores de estado sólido

Para realizar la conmutación electrónica de los circuitos se utilizan diversos dispositivos de estado sólido. Entre estos figuran los siguientes:

1.- Diodos

2.- Tristores y triacs

3.- Transistores bipolares

4.- MOSFETs de potencia

Diodos

El diodo permite el paso de una cantidad significativa de corriente sólo en una dirección. El diodo se considera como un elemento direccional que permite el paso de corriente sólo cuando se polarización es directa, es decir, si el ánodo es positivo respecto al cátodo.

Tristores y triacs 

El tristor o rectificador controlado por silicio es un diodo con una compuerta que controla las condiciones en los que se activa. Si la corriente en la compuerta es cero y la polarización del tristor es inversa, por éste pasa una corriente despreciable. Si el tristor tiene polarización directa, la corriente también es despreciable, hasta que se rebasa el voltaje de ruptura.

el triac (tristor bidireccional) es similar al tristor y equivale a un par de tristores conectados en forma inversa y en paralelo al mismo chip. El triac se activa tanto en sentido directo como en sentido inverso. Un ejemplo es el triac MAC212-4 de Motorola, que tiene un voltaje máximo sin riesgo de disparo de 200 V y una corriente máxima en condiciones de trabajos de 12 A.

Transistores bipolares

Existen dos tipos de transistores bipolares: el "npn" y el "pnp". En el transistor "npn" la corriente principal entra por el colector y sale por el emisor y en la base se aplica una señal de control. En el transistor "pnp" la corriente principal entra por el emisor y sale por el colector y en la base se aplica una señal de control.

MOSFETs

Hay dos tipos de MOSFETs (transistores de efecto de campo de semiconductor de óxido metálico, por sus siglas en inglés): de cal "n" y de canal "p".

La principal diferencia en el uso de un MOSFET para conmutación y un transistor bipolar para el mismo propósito es que no entra corriente a la compuerta para lograr dicho control.

Solenoides

Los solenoides se pueden usar como actuadores operados eléctricamente. Las válvulas de solenoide son un ejemplo de estos dispositivos y se utilizan para controlar el flujo de fluidos en sistemas hidráulicos y neumáticos.

Motores de CD

Los motores eléctricos con frecuencia se emplean como elemento de control final en los sistemas de control por posición o de velocidad. los motores se pueden clasificar en dos categorías principales: motores de cd y motores de ca.

Los principios básicos del funcionamiento de motor son los siguientes:

1.- Cuando en un campo magnético, una corriente pasa por un conductor se ejerce una fuerza sobre el conductor. Para un conductor de longitud (L) que lleva una corriente (I) en un campo magnético que tiene la densidad de flujo (B) y es perpendicular, la fuerza ejercida (F) es igual a BIL.

2.- Cuando un conductor se desplaza dentro de una campo magnético sobre el se induce una f.e.m. La f.e.m. inducida (e) es igual a la velocidad con la que cambia el flujo magnético que cubre al conductor (Ley de Faraday).

Motores de CA

Los motores de corriente alterna se pueden clasificar en dos grupos: monofásicos y polifásicos, cada uno de los cuales se subdivide en motores de inducción y motores sincronos. Existe la tendencia a usar motores monofásicos si la potencia requerida es baja, en tanto los polifásicos se emplean cuando se requiere mucha potencia. Los motores de inducción en general son mas baratos que los sincronos.

El motor de inducción de una fase y jaula de ardilla consta de un tipo de jaula de ardilla, es decir, barras de cobre o aluminio insertadas en las ranuras de los aros de las extremidades para formar circuitos eléctricoscompletos.

El motor de inducción trifásico es similar al motor de inducción de una fase, sólo que tiene un estator con tres devanados separados 120º cada uno conectado a una de las tres líneas de alimentación eléctrica.

Sistemas de actuación mecánica

Sistemas mecánicos

Este capítulo habla sobre los mecanismos, es decir, dispositivos que se pueden considerar convertidores de movimiento, en tanto transforman el movimiento de una forma a otra.

Por ejemplo, con un mecanismo, un movimiento lineal se puede puede convertir en un movimiento rotacional.

Entre los elementos mecánicos están los mecanismos de barras articuladas, levas, engranes, cremalleras, cadenas, correas de transmisión, etc.

Tipos de movimiento

El movimiento de un cuerpo rígido puede ser muy complejo y su descripción resulta difícil. Sin embargo, el movimiento de un cuerpo rígido se puede considerar como la combinación de movimientos de traslación y rotación. Considerando tres dimensiones espaciales, el movimiento de traslación sería un movimiento que se divide en componentes que coinciden con uno o mas de los tres ejes. Una rotación puede ser una rotación con componentes que giran alrededor de uno o mas ejes. Los movimientos complejos pueden ser una combinación de movimientos de traslación y rotación.

Cadenas cinemáticas

Cada una de las partes del mecanismo que se mueve en relación con otras se denomina articulación. Esto no tiene por fuerza que ser un cuerpo rígido, basta que sea un cuerpo resistente capaz de transmitir la fuerza requerida sufriendo una deformación despreciable. Por este motivo, en general se le representa como un cuerpo rígido con dos o mas puntos de unión con otras articulaciones y a las cuales se denomina nodos. Una pieza de enlace es una conexión de dos o más articulaciones en sus nodos, la cual permite que haya cierto movimiento entre las articulaciones conectadas.

Al conjunto de piezas de eslabonamiento y de articulaciones se conoce como cadena cinemática. Para que una cadena cinemática transmita movimiento una articulación debe de estar fija.

Un ejemplo de cadena cinemática es el motor de un automóvil en el cual el movimiento alterno de un pistón se transforma en el movimiento rotacional de un eje montado en un sistema articulado fijo.

Levas

Una leva es un cuerpo que gira y oscila y, al hacerlo, transmite un movimiento alterno u oscilatorio a un segundo cuerpo conocido como seguidor, con el cual esta en contacto. Al girar la leva el seguidor sube, se detiene y desciende; los lapsos correspondientes a estos pasos dependerán de la forma de la leva.

La sección de elevación de la leva provoca el ascendo del seguidor y de su perfil. La sección de descenso de la leva, el descenso del seguidor y de su perfil dependerá de que tan rápido desciende el seguidor de la leva. La sección de detención de la leva provoca que el seguidor permanezca en un mismo nivel durante un tiempo considerable.

Trenes de engranes

Los trenes de engranes son mecanismos muy utilizados para transferir y transformar el movimiento rotacional. Se emplean cuando es necesario obtener un cambio en la velocidad, o el par de rotación de un dispositivo que está girando. Por ejemplo, la caja de velocidades de un auto permite al conductor igualar la velocidad y par de rotación necesarios para determinada superficie con la potencia del motor posible.

El movimiento rotacional se transfiere de un eje a otro mediante u par de cilindros giratorios; sin embargo, existe las posibilidad de que haya desplazamiento o derrape. La transferencia de movimiento entre dos cilindros depende de la fuerza de fricción entre las dos superficies en contacto. Para evitar el deslizamiento de los cilindros se añaden dientes de engranaje, con lo que se obtiene un par de engranes endentados.

Sistemas de actuación neumática e hidráulica

Sistemas de actuadores

Los sistemas de actuadores son los elementos de los sistemas de control que transforman la salida de un microprocesador o un sistema de control en una acción de control para una máquina o dispositivo. Por ejemplo, si es necesario transformar una salida eléctrica del controlador en un movimiento lineal que realiza el desplazamiento de una carga.

Sistemas neumáticos e hidráulicos

Con frecuencia las señales neumáticas son utilizadas para controlar elementos de actuación final, incluso cuando el sistema de control es eléctrico. Esto se debe a que con dichas señales es posible accionar válvulas de grandes dimensiones y otros dispositivos de control que requieren mucha potencia para mover grandes cargas.

Las señales hidráulicas se usan en dispositivos de control de mucha mayor potencia; sin embargo son mas costosos y conllevan mucho riesgo.

Fuentes de energía

En un sistema hidráulico la presurización del aceite se logra mediante una bomba accionada por un motor eléctrico. La bomba envía aceite al sistema desde un pozo colector a través de una válvula de retención y un acumulador. La válvula de alivio libera presión cuando ésta rebasa determinado nivel de seguridad; la válvula de retención evita que el aceite regrese a la bomba y el acumulador equilibra las fluctuaciones de corta duración e la presión de salida del aceite. En esencia el acumulador es un recipiente que mantiene el aceite bajo presión, soportando una fuerza externa.

Válvulas para control de dirección

En los sistemas neumáticos e hidráulicos se utilizan válvulas de control de dirección para controlar el sentido de flujo de un fluido que pasa por un sistema. Su función no es modificar el gasto de un fluido, pero son dispositivos abiertos o cerrados por completo. Estas válvulas se utilizan con frecuencia en el diseño de sistemas de control de secuencia y se activan para cambiar la dirección de flujo en un fluido.

Un tipo muy común de válvula de control de dirección es la válvula de carrete. Dentro del cuerpo de la válvula se desplaza un carrete en forma horizontal para controlar el flujo. Las válvulas giratorias de carrete tienen un carrete giratorio que al girar abre y cierra los puertos. Otra modalidad muy común de válvula de control direccional es la válvula de vástago.

Símbolos de válvula

Las diferentes posiciones de conexión de las válvulas de control se representan mediante un cuadrado. Las flechas indican la dirección de flujo en cada una de las posiciones, las líneas co tope corresponden a líneas de flujo cerrado.

Válvulas operadas con pilotaje

La fuerza necesaria para desplazar la válvula en ocasiones es demasiado grande para hacerlo de manera manual. Para solucionar ese problema se utiliza un sistema accionado con pilotaje, el cual usa una válvula para controlar una segunda válvula. La capacidad de la válvula piloto es pequeña y se acciona en forma manual o mediante solenoide.

Válvulas direccionales

Las válvulas direccionales se usan para regular el flujo de lubricante; por ejemplo, para dividir un sistema de lubricación centralizada en dos o más circuitos de lubricación (control de canal) y para alternar entre zonas de lubricación por circulación e intermitente.

Válvulas de control de presión

Existen varios tipos de válvulas de control de presión:

• Válvulas para regulación de presión: sirven para controlar la presión de operación en un circuito y mantenerla en un valor constante.
• Válvulas limitadoras de presión: se usan para dispositivos de seguridad para limitar la presión en un circuito y mantenerlo en un valor inferior al de seguridad.
• válvulas de secuencia de presión: estas válvulas se usan para detectar la presión de una línea externa y producir una señal cuando se alcanza un valor determinado.