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ACTUADORES Unidad 2

Los actuadores son elementos que generan el movimiento de los elementos según las

órdenes dadas por la unidad de control.

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TABLA DE CONTENIDO

Actuadores .............................................................................................................................. 3

Analogía con los músculos ..................................................................................................... 3

Criterios de selección ............................................................................................................. 4

Clasificación ............................................................................................................................ 5

Actuadores Hidráulicos ....................................................................................................... 6

Actuadores Neumáticos ...................................................................................................... 7

Actuadores Eléctricos ....................................................................................................... 10

Aplicaciones .......................................................................................................................... 10

Tipos de actuadores ............................................................................................................. 15

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Actuadores Se denominan actuadores a aquellos elementos que pueden provocar un efecto sobre un proceso automatizado, modificando los estados de un sistema. Su función es generar el movimiento de los elementos según las órdenes dadas por la unidad de control. El actuador recibe la orden de un regulador o controlador y da una salida necesaria para activar un elemento final de control, transformando la energía de entrada en energía de salida utilizable para realizar una acción. Los actuadores generan una fuerza a partir de líquidos, de energía eléctrica o gaseosa, por este motivo se requieren dispositivos que realicen funciones de fuerza, movimiento, estabilidad, control de fluidos, temperatura o señales de alarma.

Analogía con los músculos

Los actuadores tienen un funcionamiento análogo a los músculos, están diseñados para cumplir funciones específicas, ya que son el medio físico con los cuales se ejerce el control de un proceso. Los músculos son los encargados de tener control sobre cualquier sistema, ya que son los que cumplen la función de producir no solo la potencia para el movimiento, sino también la estabilidad para que funcionen bien en un determinado proceso natural o artificial.

Imagen 2. Robot

Imagen 1. Sistema muscular.

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Un ejemplo de un sistema natural es el de la circulación sanguínea porque el corazón como elemento actuador es el encargado de irrigar sangre a través de las venas a todas partes del cuerpo.

Criterios de selección

Para cada tipo de carga existe un determinado tipo de actuador, según se trate de un circuito de iluminación, de un motor o de una válvula, habrá un actuador correspondiente para el funcionamiento del sistema.

Figura 3. Criterios de selección.

La selección está en función de la aplicación. Es necesario conocer si el tipo de control del proceso es de interrupción, regulación o rotación. Los actuadores son de distintas formas según el tipo de montaje que se quiera realizar.

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Para la selección se debe tener en cuenta factores como:

• Potencia • Controlabilidad • Peso y volumen • Precisión • Velocidad • Mantenimiento • Costo

En general cuando se va automatizar un sistema la selección puede darse así:

• Cuando se necesita mover, desplazar o soportar algún peso, para ello, se requiere de actuadores de movimiento como lo son: Los motores paso a paso, de corriente continua y de corriente alterna.

• Cuando se trabaja con líquidos se utilizan motobombas y electroválvulas. • En los procesos en los cuales, es importante utilizar un indicador que informe el

estado de cada etapa, para ello se pueden utilizar alarmas e indicadores luminosos.

• Para el control de temperatura se utilizan resistencias, ventiladores y extractores. • Entre los criterios más importantes de selección para un actuador, se encuentran

el tipo de señal, si es de corriente continua o de corriente alterna.

Clasificación

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Existen tres tipos de actuadores que son usados para manejar aparatos mecatrónicos:

• Hidráulicos • Neumáticos • Eléctricos

Los actuadores hidráulicos se emplean cuando lo que se necesita es potencia, y los neumáticos son utilizados para acciones simples de posicionamiento. Sin embargo, los hidráulicos requieren mucho equipo para suministro de energía, así como de mantenimiento periódico y los neumáticos son limitados desde el punto de vista de precisión y mantenimiento. Los actuadores eléctricos son muy utilizados en los aparatos mecatrónicos, como por ejemplo, en los robots.

Actuadores Hidráulicos

Figura 4. Actuadores 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. Los

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actuadores son alimentados con fluido a presión y se obtiene un movimiento con una determinada velocidad, fuerza, o bien velocidad angular y momento a partir de la perdida de presión de un determinado caudal del fluido. Los actuadores hidráulicos permiten realizar a distancia la maniobra automática de las válvulas y llaves. Conforme a su forma de operación, los actuadores hidráulicos se clasifican en:

• Actuadores lineales llamados Cilindros: en esta clasificación podemos encontrar dos tipos De efecto simple - en este tipo 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. El control de dirección se lleva a cabo mediante un solenoide.

• Actuadores rotativos en general denominados motores hidráulicos: en estos

actuadores el movimiento es generado por la presión. Estos motores pueden ser rotatorios u oscilantes.

Actuadores Neumáticos

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Figura 5. Actuadores neumáticos.

A los mecanismos que convierten la energía del aire comprimido en trabajo mecánico por medio de un movimiento lineal de vaivén, o de motores 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. Los actuadores neumáticos se clasifican en dos grande grupos:

• Cilindros. • Motores.

Cilindros: Los cilindros neumáticos transforman la energía neumática en trabajo mecánico de movimiento rectilíneo, que consta de carrera de avance y carrera de retroceso.

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Existen diferentes tipos de cilindros neumáticos. Según el modo en que se realiza el retroceso del vástago, los cilindros se dividen en tres grupos:

• Cilindros de simple efecto. • Cilindros de doble efecto. • Cilindro de rotación.

Los cilindros neumáticos están constituidos por un tubo circular cerrado en los extremos mediante dos tapas, entre las cuales se desliza un émbolo que separa dos cámaras. Al émbolo va unido a un vástago que saliendo a través de ambas tapas, permite utilizar la fuerza desarrollada por el cilindro, gracias a la presión del fluido al actuar sobre las superficies del émbolo. Motores: Los motores transforman la energía neumática en un movimiento de giro mecánico. Funcionan igual que los cilindros de giro pero el ángulo de giro no está limitado. Las ventajas más sobre saliente de estos actuadores son:

• Construcción sencilla (peso ligero) • Arranque y paro muy rápido

• Insensibilidad al polvo, agua, calor y frío. • La velocidad varía entre 3.000 y 8.500 rpm . • Alta aceleración y baja inercia.

De estos actuadores podemos encontrar de 2 tipos:

• Motor de aletas • Motor de pistones

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Actuadores Eléctricos

Figura 6. Actuadores 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 las señales eléctricas, es altamente versátil y prácticamente no hay restricciones respecto a la distancia entre la fuente de poder y el actuador. Dentro de los actuadores eléctricos pueden distinguirse tres tipos diferentes:

• Motores de corriente continua (DC) • Motores de corriente alterna (AC) • Motores paso a paso

Aplicaciones

Aplicación de Movimiento: Hay procesos en los que se requieren movimientos y desplazamientos, además de soportar un determinado peso, para esto existen actuadores con las características necesarias para cumplir este propósito, entre ellos

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Podemos encontrar: motores paso a paso, motores de corriente continua, motores de corriente alterna, entre otros.

Figura 10. Aplicaciones de movimiento.

Son utilizados para manejar aparatos mecatrónicos. Se emplean cuando lo que se necesita es potencia o simples posicionamientos. La estructura de estos actuadores es simple ya que sólo se requiere de energía eléctrica como fuente de poder. En la mayoría de los casos es necesario utilizar reductores, debido a que los motores son de operación continua. Aplicaciones de Fluidos: Hay procesos en los que se requiere desplazar una sustancia líquida de un punto a otro, para esto existen actuadores con las características necesarias para cumplir este propósito, entre ellos podemos encontrar: motobombas y electroválvulas.

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Figura 11. Aplicaciones con fluidos.

Los actuadores de fluido como lo son las electroválvulas son las encargadas de permitir el paso de líquidos y gases, son muy útiles en sistemas de seguridad cuando son detectadas inundaciones o en caso de fuego para los gases. En el caso de las motobombas eléctricas sumergibles, son altamente requeridas para ser instaladas en pozos de succión, pues no requieren un tipo de anclaje especial. Aplicaciones de Alarmas: Hay procesos en los que se requiere algún tipo de aviso al finalizar una tarea, al llegar a un límite, o simplemente generar una advertencia, para esto existen actuadores como Zumbadores y pilotos. Los actuadores de sonido son los encargados de propagar ondas a través de un medio que puede ser sólido, líquido o gaseoso. Las partículas materiales que transmiten tales ondas oscilan en la dirección de la propagación de las mismas ondas. Los actuadores que generan sonidos a más de 20.000 Hz se denominan ultrasonidos.

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Figura 12. Actuadores de sonido

El actuador de luz es el encargado de reaccionar ante un estado de un sistema por medio de la emisión de luz. Son elementos de monitoreo en diferentes procesos.

Figura 13. Actuadores de luz.

Aplicaciones Térmicas: Hay procesos en los que se requiere un control de temperatura, para esto, existen actuadores con las características necesarias para cumplir éste propósito entre ellos podemos encontrar: Resistencias Eléctricas, Ventiladores, Extractores, entre otros.

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Figura 14. Resistencias.

Los actuadores de calor están conformados por semiconductores en donde el flujo de la corriente eléctrica produce una pérdida de energía que se transforma en calor. El calor producido por un actuador calorífico se propaga por todo el espacio que lo rodea. Esta transmisión del calor puede producirse de tres formas: Conducción: Transferencia de calor de un cuerpo a otro hasta conseguir una temperatura estable en los dos cuerpos. Convección: El calor de un sólido se transmite mediante la circulación de un fluido que le rodea y éste lo transporta a otro lugar, a este proceso se le llama convección natural. Si la circulación del fluido está provocada por un medio externo se denomina convección forzada. Radiación: El calor se transfiere mediante emisiones electromagnéticas que son irradiadas por cualquier cuerpo cuya temperatura sea mayor a Cero Grados Kelvin. El estado de la superficie influye en gran medida en la cantidad de calor radiado.

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Tipos de actuadores

Motor AC

Motor que funciona con corriente alterna tiene velocidad constante, torque moderado y giro en un solo sentido. Aplicaciones donde se requiera movimientos rotacionales que necesiten mucha potencia y en transporte de cargas que tengan mucha resistencia mecánica. También es conocido como alternador.

Podemos encontrar dos tipos:

• Síncronos • Asíncronos

Este motor está construido de manera que cuando los devanados inducido e inductor están unidos en serie y circula una corriente por ellos, se forman dos flujos magnéticos que al ser alimentados con tensión alterna provocan el giro del rotor.

Corriente alterna

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Motor DC

Es una máquina que convierte la energía eléctrica en mecánica, principalmente mediante el movimiento rotatorio. Su característica principal es la capacidad para el cambio de sentido de giro invirtiendo la polaridad de alimentación.

Se utiliza en aplicaciones donde se requiera movimientos rotacionales que no necesiten mucha potencia, juguetes y extractores de calor de equipos electrónicos que ofrezcan poca resistencia mecánica.

Están constituidos por dos devanados internos, inductor e inducido, alimentados con corriente continua.

Para que se pueda dar la conversión de energía eléctrica en energía mecánica de forma continua es necesario que los campos magnéticos del estator y el rotor permanezcan estáticos entre sí. Esta transformación es máxima cuando se encuentran en cuadratura.

Podemos encontrar dos tipos: • Controlados por inducción • Controlados por excitación

Corriente continúa

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Motor Paso a Paso

Es un dispositivo electromecánico que convierte una serie de impulsos eléctricos en desplazamientos angulares discretos, lo que significa es que es capaz de avanzar una serie de grados (paso) dependiendo de sus entradas de control.

El motor paso a paso se comporta de la misma manera que un convertidor digital-analógico y puede ser gobernado por impulsos procedentes de sistemas lógicos.

Este motor presenta las ventajas de tener alta precisión y repetibilidad en cuanto al posicionamiento.

Se diferencia de un motor convencional en que en este se puede posicionar su eje en posiciones fijas o pasos, pudiendo mantener la posición.

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Motobomba

Es un sistema mecánico compuesto por una bomba (medio de transporte de fluidos líquidos) y el mando (motor), cuando se activa succiona líquido y lo descarga a una presión mayor.

Se utiliza en la industria de la construcción o en la agrícola principalmente con la finalidad de bombear agua de un deposito y trasvasarla hacia otro lugar a través de una manguera.

El aumento en volumen entre dos álabes contiguos en el orificio de entrada, produce un vacío que hace que el líquido circule hacia ese espacio más grande. La reducción volumétrica en el orificio de descarga, a su vez, obliga al líquido a salir al tubo de descarga.

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Electroválvula

Es un elemento final de control, ya sea automático o manual. Su función es variar el caudal del fluido de control, que modifica a su vez el valor de la variable controlada, comportándose como un orificio de área continuamente variable.

La cual permite el paso de líquido cuando es activada y lo bloquea cuando se apaga. Usada en aplicaciones donde se requiera control de fluidos a través de una tubería.

Al conectar la válvula a la alimentación de 110 VAC, se genera un electroimán en la bobina.

El campo magnético atrae al vástago metálico y deja pasar el fluido. Cuando se desconecta la válvula, un resorte hace que el vástago baje e interrumpe el paso de fluido.

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Piloto

Indicador que transforma la energía eléctrica en energía lumínica. Es utilizado donde se requiera señalización y alarmas como en avisos y semáforos.

El actuador de luz es el encargado de reaccionar ante un estado de un sistema por medio de la emisión de luz. Son elementos de monitoreo en diferentes procesos.

Los pilotos del módulo están compuestos por microdiodos. Ellos poseen un circuito de acondicionamiento que permite que sean alimentados con voltajes en el rango de 50 220

VAC, sin problemas de funcionamiento.

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Zumbador

Es un dispositivo electrónico que produce un sonido o zumbido continuo o intermitente de un mismo tono. Sirve como mecanismo de señalización o aviso, y son utilizados en múltiples sistemas como en automóviles o en electrodomésticos.

Puede ser conectado a circuitos integrados especiales para así lograr distintos tonos. Cuando se acciona, la corriente pasa por la bobina del electroimán y produce un campo magnético variable que hace vibrar la lámina de acero sobre la armadura.

Cuando se conecta, empiezan a vibrar un zumbador de membranas, las cuales producen el sonido característico.