Elementos Finales de Control1

PEPP: IACP Instrumentacin Industrial

ELEMENTOS FINALES DE CONTROLINSTRUMENTACIN INDUSTRIAL

ELEMENTOS FINALES DE CONTROLINSTRUMENTACIN INDUSTRIAL


Elementos Finales de Control

Vlvulas

Rectificadores

Bombas

Variadores de frecuencia

La funcin de un elemento final de control es convertir seales de control a un cierto nivel de potencia compatible con el proceso.


Principales tipos de vlvulas industriales

SERVOVLVULAS

El trmino servocontrol est referido a todos aquellos sistemas de regulacin automtica en los que la variable controlada, o variable de proceso, es una magnitud que representa una posicin, misma que debe regularse a un punto de control determinado.

Por lo general, en los sistemas de control automtico de procesos, la variable controlada se desva del punto de control a raz de las perturbaciones y cambios de carga que actan sobre la planta fsica. Sin embargo, en el caso de los sistemas servocontrolados la perturbacin ms importante es el punto mismo de control, es decir el valor de consigna

Una vlvula servocontrolada es un elemento final de control, compuesto por una vlvula, un actuador y un dispositivo servoposicionador que gobernar la posicin del actuador, en funcin a una variable de referencia, que generalmente proviene de la salida de un controlador.


Tipos de Vlvulas

Obturador de Movimiento Lineal Obturador de Movimiento rotativo


VLVULAS DE CONTROL

Dispositivo mecnico con el cual se puede iniciar, detener o regularel paso de lquidos o gases.

Mediante una pieza movible que abre, cierrau obstruye en forma parcial uno o ms conductos.

Papel importante en ellazo de regulacin.


Partes de la vlvula

Parte motriz o actuador Parte motriz o actuador (servomotor)(servomotor)

CuerpoCuerpo

Vstago


Servomotores

Servomotores neumticos y elctricos

Los Servomotores pueden ser neumticos, elctricos, hidrulicos, digitales y manuales.

El servomotor neumtico consiste en un diafragma con resorte que trabaja (con algunas excepciones) entre 3 y 15 psi (0,2 y 1 bar).

El Servomotor puede ser de accin directa o inversa.

Accin Directa: Cuando la presin de gobierno acta en la cmara superior del servomotor, es decir , cuando la fuerza sobre el diafragma es ejercida hacia abajo.Accin Inversa: Cuando lapresin de gobierno acta en la cmara inferior del servomotor, es decir, cuando la fuerza sobre el diafragma es ejercida hacia arriba.

El 90% de las vlvulas de control utilizadas en la industria son accionadas neumticamente


Vlvulas de control neumticasLas vlvulas se componen bsicamente del cuerpo y del servomotor.

La vlvula de control neumtica consiste en un servomotor accionado por la seal neumtica de 3 15 psi (o 0,2 1 Kg/cm2).El servomotor estconectado directamente a un vstago que posiciona el obturador con relacin al siento.La posicin relativa entre el obturador y el asiento permite pasar el fluido desde un caudal nulo (o casi nulo), hasta el caudal mximo.


Dimensionamiento de la vlvula. Coeficientes Cv y Kv

Los fabricantes y los usuarios han adoptado coeficientes que reflejen y representen la capacidad de las vlvulas de control.

Cv: Caudal de agua en galones USA por minuto a la temperatura de 60F (15,5C) que pasa a travs de la vlvula en posicin completamente abierta y con una prdida de carga de un libra por pulgada cuadrada (psi).

Kv: Caudal de agua en m3/h que pasa a travs de la vlvula a una apertura dada y con una prdida de carga de 1 bar (10^5 Pa) (1,02 Kg/cm2)

El factor Kv para la vlvula totalmente abierta se denomina Kvs, mientras que el mnimo valor recibe el nombre de Kvo. La relacin se denomina Rangeabilidad.

vo

vs

KK


Diafragma

Actuador Neumtico - diafragma

- Accin Directa- Accin Inversa

Actuador neumtico de diafragma


Tipos de acciones en las vlvulas de control

Los cuerpos de las vlvulas de control pueden tener dos tipos de acciones. Se dividen en vlvulas de accin directa, cuando tienen que bajar para cerrar , e inversa cuando tienen que bajar para abrir. Esta misma divisin se aplica a los servomotores, que son de accin directa cuando aplicando aire, el vstago se mueve hacia abajo, e inversa cuando al aplicarle aire el vstago se mueve hacia arriba.


Vlvulas de control neumticas



En la figura Observamos una vlvula de vstago rotatorio cuyo elemento de cierre es un disco, misma que comnmente es conocida como vlvula de disco o vlvula de mariposa.



En la figura observamos una vlvula de vstago recproco de asiento simple, comnmente llamada vlvula de globo, nombre que recibi debido a que presenta un cuerpo globular que alberga la cmara donde estn los puertos, el asiento y el elemento de cierre.


Vlvula de Globo


Vlvulas de control neumticas con actuador tipo pistn

La figura muestra una vlvula iso proporcional, cuyo elemento de cierre ha sido diseado de manera tal que obstruye el paso del fluido de manera proporcional al ngulo de giro del eje. Debe notarse que en este caso solo el elemento de cierre se opone al fluido circulante, ms no el eje ni ninguna otra parte.



Las vlvulas de control neumticas son unidades servocontroladas que emplean la presin del aire comprimido como fuente de energa y comando. Como fuente de energa la presin del aire genera el movimiento de un pistn de doble accin al ser sometido a presiones diferenciales o el de un diafragma accionado por resortes.Como fuente de comando un valor de presin de aire que vara entre 3 y 15 psi genera la referencia para que el posicionador regule correspondientemente el eje de la vlvula entre 0 y 90.

En la figura observamos las principales partes de una vlvula neumtica de disco. El actuador comprende el pistn de doble accin, mecanismo y los manmetros de presin superior y de presin inferior, el servo-posicionador y el eje que transmite el giro desde el actuador hasta el disco de la vlvula. Se observa tambin la vlvula en si comprende el cuerpo, el disco y el asiento.



En la figura observamos el cilindro neumtico y el mecanismo de conversin del movimiento lineal en movimiento angular (giro). Estas son dos partes del actuador neumtico empleando en los actuadores neumticos de tipo pistn.

Al alimentar aire presurizado por la entrada/salida de aire inferior (4) siempre que la presin en el lado superior del pistn (2) sea menor, ste se desplazarhacia arriba dentro del cilindro (1). De igual manera si alimentamos aire presurizado por la entrada/salida superior (3) de tal manera que la presin en el lado inferior del pistn es menor, ste se desplazarhacia abajo dentro del cilindro. Este movimiento lineal se transmite a travs de la biela (6) hasta el balancn (7), el mismo que transforma el movimiento lineal en movimiento angular. Toda la carrera del pistn es convertida en un movimiento angular que va desde 0hasta 90, equivalente a una apertura de la vlvula desde 0% hasta 100%.


Servo - posicionador

En la figura podemos observar en detalle el mecanismo del servo posicionador. La leva (1) se mueve de acuerdo a la posicin al brazo del rango (2), este a su vez y de acuerdo a la graduacin realizada con el perno de regulacin del rango (3) mueve el brazo del cero (4). La posicin adoptada por el brazo del cero cambia la tensin del resorte (8) , generando un desplazamiento hacia arriba o hacia abajo del diafragma (7) y accionando la vlvula (9).



En la figura observamos la vlvula de cinco vas en la posicin cero.Si el vstago es accionado hacia abajo, la va de abastecimiento inferior (4) permite el flujo de aire presurizadodesde la va de suministro (1), en tanto que la va de abastecimiento superior (2) libera aire a travs de la va de purga superior (3), esto implica que a aumentado la presin en el lado superior, por lo tanto el pistn se mover hacia arriba (apertura de la vlvula).

Si el vstago es accionado hacia arriba, fluye aire presurizado desde(1) hasta (2) y se libera aires desde (4) va (5), generndose una mayor presin en el lado superior del cilindro, por lo tanto el pistn se mover hacia abajo (cierre de la vlvula).


Posicionador electroneumtico y digitoneumtico

Cuando la seal del controlador es electrnica o digital, el propio posicionador puede contener un convertidor para pasar a seal neumtica. El posicionador electroneumtico es del tipo de equilibrio de fuerzas y vara su presin de salida hasta que la fuerza producida por el sistema de realimentacin equilibra la fuerza generada por la bobina electromagntica.


Vlvulas de control neumticas con actuador de diafragma

En este tipo de vlvulas, la nica y mayor diferencia que encontramos respecto a las vlvulas de tipo pistn radica en que el vstago se encuentra unido a un diafragma, el mismo que se acciona por medio de la presin de aire suministrada a un solo lado del mismo, en tanto que uno o varios resortes lo accionan en sentido contrario.

Convertidor IP

De todo lo anterior deducimos que para comandar una servovlvula neumtica, es necesario suministrarle una presin de referencia entre 3 y 15 psi. Obviamente esto no es prctico, puesto que si por ejemplo deseamos comandar automticamente la vlvula a cierta distancia, sernecesario llevar tuberas de aire con la seal de referencia desde un punto hasta otro.


A fin de simplificar y resolver el problema anterior los fabricantes de vlvulas neumticas servo controladas proveen de una unidad conocida como convertidor IP. Si bien su estructura interna y la electrnica empleada es sumamente compleja, su funcin es simple, y es convertir una seal de corriente 4 -20 mA a una presin de referencia proporcional de 3 a 15 psi.En conclusin, los convertidores IP estn dotados de un sistema electrnico que convierte la corriente entre 4 y 20 mA a una presin de aire entre 3 y 15 psi de manera proporcional. De esta manera, podemos observar si la corriente de referencia se traduce a una presin proporcional (4-20mA).

Los convertidores IP toman la fuente de aire (verificar el valor mximo) directamente del abastecimiento de aire del servoposicionador y usualmente se montan directamente sobre los mismos, esto hace que la vlvula sea muy verstil y de fcil utilizacin.

Convertidor IP


Calibracin de vlvulas de control

Para calibrar una vlvula de control se ajusta correctamente el tornillo de cero y el de multiplicacin para que la carrera completa se efecte de 3 a 15 psi (0,2 a 1 bar).


Curvas Caractersticas de vlvulas

Isoporcentual.

Lineal

Todo / Nada


Condiciones de Seguridad: Aire para abrir y aire para cerrar

En toda vlvula servo controlada debemos tener en cuenta la condicin de seguridad en falla. Podemos elegir una de dos opciones, a saber:

La vlvula se cierra totalmente en caso de una falla en el sistema de servocontrol de la vlvula o en caso de prdidas de energa. Estas son las vlvulas cuya denominacin versa como aire para abrir (air to open).

La vlvula se abre totalmente en caso de una falla en el sistema de servocontrol de la vlvula en caso de prdida de energa. Estas son las vlvulas suya denominacin versa como aire para cerrar (air to close).

Adicionalmente, en todo equipo presurizado es imperativo tener los siguientes cuidados como mnimo, a fin de evitar daos personales:

-Tener vlvulas relief graduadas a presin mxima adecuada.-Mantener todos los fittings correctamente ajustados.-Tener tubings en buen estado.-Nunca desarmar unidades presurizadas.-Utilizar siempre anteojos de seguridad.


Servovlvulas Elctricas

Vlvula Automax Las Vlvulas Automax, modelo Centura CE, son unidades accionados elctricamente a travs de un actuador elctrico motorizado acoplado al eje de la vlvula por medio de un reductor de engranajes que provee de una ventaja mecnica considerable al motor (en buena cuenta un motoreductor) y dotados de un servosicionador electrnico (ESP del trmino en ingls Electronic Servo Positioner ). La referencia de posicionamiento es una corriente de 4-20 mA que el ESP traduce a una posicin entre 0 y 90. El suministro elctrico para este modelo es de 115VAC. La expresin servoposicionador electrnico se refiere a que la unidad reconoce la posicin del eje de la vlvula, entre 0 y 90, y la compara con un valor de corriente de referencia en un rango que va desde 4 mA hasta 20 mA de manera proporcional y lineal, como lo determina el grfico de la figura anterior.

Si la posicin coincidente con el valor de corriente de referencia, el ESP no acta, pero si el valor es diferente por exceso o por defecto el ESP inmediatamente acciona el motor en el sentido de giro conveniente hasta que la posicin de la vlvula sea coincidente con la corriente de referencia. En la figura se muestra una vlvula Automax, modelo Centura CE, en donde se aprecian sus partes principales.


El actuador elctrico

La figura esquematiza el actuador elctrico. El motor (1) se acopla a travs de su eje (3) con el reductor (5) y este se acopla con el eje de la vlvula. Observe el eje de transmisin manual (2) y el switch de deteccin manual /automtico que es accionado cuando se empuja la volante contra el ESP.Cuando el ESP acta, se acciona la bobina de liberacin de freno (10) que libera el freno (11) que acta sobre el eje del motor a travs de una pequea volante(12).

La referencia de la posicin angular del eje de la vlvula es llevada hasta la tarjeta electrnica del ESP por medio del eje de referencia de posicin mecnica (7) el mismo que transmite esta posicin al potencimetro (8) a travs de los engranajes(9).


Actuador Elctrico


Principio de funcionamiento del ESP

Aqu observamos un diagrama de bloques que representa el funcionamiento de un ESP. Se aplica una seal de referencia de 4 y 20 mA, la misma que ingresa a un bloque de acondicionamiento de seal que transforma esa corriente a un valor de tensin que ingresa al bloque sumador que recibe una tensin de referencia de posicin. Al bloque sumador deben ingresar magnitudes cuyas unidades sean las mismas, por esa razn la corriente de referencia fue transformada en tensin por el primer bloque acondicionador Corriente a tensin. A la salida del bloque sumador tendremos un valor positivo, negativo o cero. Si el valor de salida del sumador es positivo, el comparador dar una seal que conmutar el triac que mueve el motor en sentido horario, que equivale a abrir la vlvula.


CONVERTIDOR I/P


Criterios de Seleccin

DATOS PRIMARIOS:

Necesarios para el clculo de la seccin de paso de la vlvula. Propiedades del Fluido. Presin antes de la vlvula Cada de Presin en la vlvula Teora del Fluido: Afecta al material e la vlvula. Caudal del fluido.

DATOS SECUNDARIOS:

Nivel de estanqueidad. Caracterstica del caudal: Relacin estructural a presin constante, entre caudal que atraviesa la vlvula de apertura.


MOTOR DRIVES

Motores ACMquina que transforma energa elctrica AC, en energa mecnica.Dado que la corriente es alterna, el motor girar suavemente a la frecuencia de la forma senoidal, denominndose MOTOR ASNCRONO.

El ms comn es el MOTOR DE INDUCCIN, donde la corriente elctrica es inducida en los bobinados del rotor, mas que alimentada directamente.


Partes del motor AC


Deslizamiento

La diferencia entre la velocidad deSincronismo Ns y de la espira N, se denomina deslizamiento.

Velocidad del motor


Variadores de Velocidad


Variadores de Frecuencia

Se denominan as a los variadores de velocidad que rectifican la tensin alterna de red,

Y por medio de seis transistores trabajando en modulacin de ancho de pulso, generan una corriente trifsica de frecuencia y tensin variable.


Diagrama Bsico


Relacin V/F


La estrategia de disparo de los transistores del ondulador es realizada por un microprocesador que, para lograr el mximo desempeo del motor dentro de todo el rango de velocidad, utiliza un algoritmo de control vectorial de flujo.

Este algoritmo por medio del conocimiento de los parmetros del motor y las variables de funcionamiento (tensin, corriente, frecuencia, etc.), realiza un control preciso del flujo magntico en el motor.

Mantenindolo constante, independientemente de la frecuencia de trabajo.

Al ser el flujo constante, el par provisto por el motor tambin lo ser.



PAR NOMINAL


Inversor Trifsico


Variadores de velocidad


Formas de Onda de Variadores


Formas de Onda de Variadores

2009-04-27T14:00:01-0500Daniel Gamero paz

Elementos Finales de Control1

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