actuadores

ACTUADORES
OBJETIVO
Conocer el concepto y tipos de actuadores.
Conocer su modo de funcionamiento.
Conocer sus aplicaciones principales.
ACTUADORES
INTRODUCCIÓN
También llamado accionador o motor, puede ser neumático,
hidroneumáticos (gas sobre aceite), eléctrico, hidráulico, electroneumático, electro-hidráulico, pero los más utilizados son los dos
primeros, por ser los más sencillos y de rápida actuación.
Aproximadamente el 90% de las válvulas utilizadas en la industria
son accionadas neumáticamente.
El actuador recibe la orden de un controlador y en función a ella
genera la orden para activar un elemento final de control como, por
ejemplo, una válvula.
ACTUADORES
Las características a considerar son entre otras:
Potencia.
Controlabilidad.
Peso y volumen.
Precisión
Velocidad.
Mantenimiento.
Costo.
CLASIFICACIÓN DE LOS
ACTUADORES
Las causas que motivan a una clasificación de los Actuadores entre
otras son:
De acuerdo al suministro motriz
De acuerdo con su diseño
De acuerdo con su operación
De acuerdo su posición con respecto a la falla del suministro
CLASIFICACIÓN DE LOS
ACTUADORES
De acuerdo con el suministro motriz disponible o requerimientos del
proceso pueden ser:
Eléctricos
Neumáticos
Hidráulicos
Electroneumáticos
Electrohidráulicos
CLASIFICACIÓN DE LOS
ACTUADORES
De acuerdo con su diseño pueden ser:
Diafragma
Pistón
Pistón de vena rotatoria.
CLASIFICACIÓN DE LOS
ACTUADORES
Por la forma en que operan los actuadores en función del suministro,
se tiene las siguientes clasificaciones:
Simple Acción
Doble Acción
CLASIFICACIÓN DE LOS
ACTUADORES
De acuerdo su posición con respecto a la falla del suministro
Al especificar una válvula de control, la primera pregunta que debe
hacerse el ingeniero es ¿Qué debe hacerse con la válvula si falla la
energía?.
Esta pregunta se relaciona con la Posición de Falla o con la Acción de
la Válvula. La principal consideración al responder esta pregunta es,
o debería ser, la seguridad.
Es decir, si ante una falla de energía la posición más segura de la
válvula es que se coloque en una situación completamente cerrada
o completamente abierta.
CLASIFICACIÓN DE LOS ACTUADORES
Cuando la posición más segura de la
válvula es la completamente cerrada, el
ingeniero debe especificar una válvula de
Falla Cerrada (Fail-Closed, FC).
En este tipo de válvula, el mecanismo
requiere que se le suministre energía para
que abra, razón por la cual también se le
llama Válvula de Aire para Abrir (Air-toOpen, AO).
CLASIFICACIÓN DE LOS ACTUADORES
Cuando la posición más segura de
la válvula es la completamente
abierta, el ingeniero debe
especificar una válvula de Falla
Abierta (Fail-Open, FO), es decir,
para cuando lo más seguro es que
la válvula, ante una falla
energética,
se
encuentre
completamente abierta.
En este tipo de válvula, el
mecanismo requiere que se le
suministre energía para que cierre,
razón por la cual también se le
llama Válvula de Aire para Cerrar
(Air-to-close, AC)
Actuadores Neumáticos (Acción Directa e Inversa)
De la combinación del actuador y la válvula dependerá la acción de la válvula de control. Si la señal
neumática origina al final el cierre de la válvula (air-to-close) se hablará de acción directa y si por el
contrario, la válvula se abre (air-to-open), se tendrá una acción inversa.
ACTUADORES NEUMATICOS
Los actuadores neumáticos utilizan aire
comprimido como fuente de energía. Son los que
convierten la energía del aire comprimido en
trabajo mecánico. Se utilizan en aplicaciones
donde se requieran movimientos rápidos pero
poco precisos.
Los actuadores neumáticos más utilizados son el
de Diafragma y el de Pistón.
El Actuador de Diafragma Neumático se alimenta
con (20 psi si la señal que recibe es de 3-15 psi. Si
la señal que recibe es de 6-30, se alimenta con 40
psi.
En las válvulas con actuador de diafragma se
pueden intercambiar las piezas entre si, creando
diferentes tipos de válvulas.
Requieren de equipo como: compresor,
mangueras, válvulas, filtros y secadores de aire.
Partes principales del actuador neumático
ACTUADORES NEUMATICOS
Actuadores de Pistón
Cuando se requiere mayor potencia que la
disponible se puede utilizar uno de los
otros tipos como por ejemplo el de pistón.
Los actuadores neumáticos de pistón son
los más económicos en cuanto a la fuerza
producida
para
accionar
válvulas
automáticas de control.
Suelen funcionar con presión de entrada
entre 50 y 150 psi.
ACTUADORES NEUMÁTICOS
Los actuadores de pistón para servicio
Modulante deben tener posicionador.
El posicionador detecta el movimiento del
pistón y cuando llega a la posición requerida,
iguala las presiones opuestas en el pistón para
producir equilibrio.
El actuador de pistón neumático es una
excelente elección cuando se requiere un
aparato compacto y de alto empuje.
También puede ser muy eficaz cuando las
condiciones variables del servicio necesitan
una amplia gama de fuerzas de salida.
ACTUADORES NEUMATICOS
PARTES PRINCIPALES DE UN ACTUADOR TIPO PISTON
ACTUADORES NEUMÁTICOS
CILINDRO NEUMÁTICOS
Se consigue el desplazamiento del embolo
encerrado en un cilindro, se da como
consecuencia de la diferencia de presión a
ambos lados de este.
Existen dos clases de cilindros neumáticos
que son de simple o de doble efecto.
De simple efecto.
Estos cilindros tienen una sola conexión de
aire comprimido. No pueden realizar
trabajos más que en un sentido. Se
necesita aire solo para un movimiento de
traslación.
El vástago retorna por el efecto de un
muelle incorporado o de una fuerza
externa.
ACTUADORES NEUMÁTICOS
De doble efecto.
La fuerza ejercida por el aire
comprimido anima al émbolo, en
cilindros doble efecto, a realizar un
movimiento de traslación en los dos
sentidos.
Se dispone de una fuerza útil tanto
en la ida como en el retorno.
Se emplean especialmente en los
casos en que el émbolo tiene que
realizar una misión en el retorno a su
posición inicial.
ACTUADORES NEUMÁTICOS
Actuadores neumáticos del tipo pistón de yugo escoces de 90° de giro, para válvulas
de Bola, Mariposa, Macho y Dampers, también con sus especialidades de Doble
Acción o Retorno por Resorte (simple acción). No hay límite para diámetro de válvula
para automatizar.
ACTUADOR ELÉCTRICO
Es aquel que utiliza un motor eléctrico y convierte la
energía eléctrica en movimiento
Se clasifican según el tipo de energía utilizada para
impulsarlos y por el tipo de movimiento requerido.
Utilizan motores eléctricos monofásicos ó trifásicos y
engranajes, tanto en aquellos denominados de multivueltas como en los de un cuarto de vuelta.
La mayoría de ellos tiene un mecanismo de
desembrague del volante para operación manual en
caso de falla de energía eléctrica.
La tecnología actual permite que puedan ser
controlados remotamente a través de una conexión a
dos hilos. De este modo se pueden conectar a una red,
muchos de ellos comunicados mediante un protocolo
industrial.
TIPOS DE MOVIMIENTO DEL ACTUADORES
Debe tener capacidad para proporcionar cualquiera de las siguientes salidas:
• Un cuarto de vuelta (Movimiento rotatorio de la válvula) válvulas de bola y de
mariposa
• Multi-vuelta (Movimiento lineal de la válvula) válvulas de compuerta
DIMENSIONAMIENTO
El actuador se dimensionará por el vendedor teniendo en cuenta:
 Torque requerido para actuar la válvula, indicado por el vendedor de la
misma.
 Velocidad de actuación requerida, cuando sea relevante en el proceso.
 Empleo de multiplicadores o reductores (cajas de engrane).
 Diámetro y paso del husillo (o eje en las de ¼ de vuelta).
 Tipo de control elegido (Multi-hilos o protocolo de comunicaciones)
 La fuente de voltaje disponible
ACTUADOR ELÉCTRICO
APLICACIONES
Los actuadores eléctricos se usarán en los
siguientes casos:
• Ubicaciones sin disponibilidad de aire de
instrumentos.
• Con válvulas de corte de emergencia tipo
Fire Safe.
• Cuando lo indique la ingeniería básica.
Tipos de actuadores motorizados según el
servicio:
• Motorizados (menos de 60 actuaciones
por hora).
• Motorizados (más de 1200 actuaciones
por hora).
NORMAS APLICABLES
IEC-60034
Rotating Electrical Machines, Part 1: Rating and
Performance (Maquinas Eléctricas Rotatorias,
Part 1: Clasificación y Desempeño).
ISO 5210
Industrial Valves – Multi-turn valve actuator
attachment
(Válvulas
industriales
Acoplamiento para actuador de válvulas Multivueltas).
ISO 5211
Industrial Valves –
Part-turn
actuator
attachment
(Válvulas
industriales
Acoplamiento para actuador de válvulas
vueltas-parcial).
ACTUADOR ELÉCTRICO
Forma una unidad completa, acoplado directamente sobre la válvula integrado
por:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Motor eléctrico.
Caja de engranajes.
Botonera de control manual Abrir/Parar/Cerrar.
Selector Local/Apagar/Remoto.
Indicador de posición.
Interruptores de limite.
Interruptores de torque.
Volante manual.
Protecciones del motor.
Arrancador integral y transformador de control.
Relevador de monitoreo.
Terminales eléctricas.
Palanca de Desembrague
ACTUADOR ELÉCTRICO
Motor
Debe ser con arrancador integrado, tipo
jaula de ardilla y aislamiento clase F o H,
aptos para periodos de servicio
continuo de hasta 15 minutos o el doble
del tiempo máximo de carrera.
El motor eléctrico debe tener baja
inercia y un torque de arranque y de
bloqueo alto. El motor debe de ser
capaz de trabajar en ambas direcciones.
Podrá trabajar con temperaturas
ambientes entre -20 y + 70°C a una
carga media no inferior al 33% del
máximo torque nominal.
ACTUADOR ELÉCTRICO
Motor
Transmite potencia al vástago de la válvula a
través de un sistema de engranajes.
En zonas clasificadas los motores tendrán por
default protección EEx-d salvo se indique otra
cosa.
El suministro de energía eléctrica se debe
seleccionar entre las siguientes tensiones
nominales:
Una fase 120 Vac. o 220 Vac. 60 Hz.
Tres fases 220 o 480 Vac, 60 Hz.
24 Vdc.
Con una tolerancia de ± 10% del voltaje nominal.
ACTUADOR ELÉCTRICO
Botones Selectores e Indicadores
Se requiere que el actuador incluya
botones/selector
integralmente
montados para facilitar la operación
local de la siguiente manera:
Botones para las funciones (Abrir,
Cierre y Paro); Selector(Local, Remoto,
Fuera de servicio) y los indicadores de
posición local y remota ABIERTOCERRADO (contactos separados, tipo
DPDT), para mostrar la posición de la
válvula, si la válvula es de servicio
regulatorio tendrá un indicador de
posición continua.
ACTUADOR ELÉCTRICO
Volante Manual
Todos los actuadores incluirán volante
manual instalado permanentemente
del tipo «desembrague automático» se
debe desacoplar automáticamente
cuando el motor este energizado. El
volante no debe rotar durante la
operación del motor.
El volante debe permitir una operación
manual de emergencia en tres minutos
o menos. La operación manual debe
cerrar la válvula en el sentido de las
manecillas del reloj.
La flecha o eje del volante debe ser
mecánicamente independiente de la
flecha o eje del motor.
ACTUADOR ELÉCTRICO
Características Generales
Deben formar una unidad completa, acoplados
directamente sobre la válvula o mediante un
sistema de transmisión.
Los actuadores convencionales deben poder
ser montados y funcionar correctamente en
cualquier posición, sin ver afectado su
desempeño. Un estándar de montaje del
actuador es con el motor en posición horizontal
y el compartimiento de los interruptores de
posición horizontal o verticalmente hacia
arriba.
La acción a falla de las válvulas debe ser a su
última posición. Los actuadores tendrán la
electrónica de mando y el conexionado de
fuerza
completamente
encapsulados
y
separados del motor y de los engranajes, con
un grado de protección IP 68.
ACTUADOR ELÉCTRICO
Características Constructivas
La envolvente
fundición
de
anticorrosión.
del actuador será de
aluminio
y
pintura
Las conexiones eléctricas serán de 1½"NPT
para el cableado de alimentación y de 1" los
de control.
El actuador tendrá una placa metálica fijada
con los siguientes datos: Tag, fabricante,
modelo y número de serie, tensión de
alimentación, potencia, intensidad de
arranque, torque máximo, tipo de conexión.
Los bornes interiores (para señal) deben ser
aptos para cable 14 AWG y estar
señalizados.
ACTUADOR ELÉCTRICO
Acoplamiento Válvula-Actuador
El acoplamiento de las válvulas a los
actuadores será según ISO 5210 para los
lineales (válvulas de globo), e ISO 5211 para los
rotativos (válvula de bola, mariposa, etc.).
Se tendrá en cuenta que el uso de los
reductores o multiplicadores permita el
empleo de actuadores lineales sobre válvulas
rotativas, por lo que el acoplamiento ISO 5210
puede emplearse en estos casos también.
Los acoplamientos serán de acero, en
cantidades adecuadas al servicio y al ambiente
de instalación.
Los acoplamientos más comunes definidos por
la ISO 5210 son las familias "A"(para
actuadores que soportan empujes) y "B"(para
los que no soportan empuje).
ACTUADOR ELÉCTRICO
Configuración
Se requiere de un calibrador portátil para facilitar las pruebas y ajustes de
parámetros de configuración en las unidades de campo.
Un sistema no intrusivo (tipo IR o Bluetooth) apto para zona EEX.
La interfaz debe ser de tipo digital con pantalla de cristal líquido y capacidad de
mostrar información de la indicación de estado y diagnóstico.
La interfaz debe tener capacidad de almacenamiento de datos y permitir
descargas históricas de la operación para análisis de desempeño.
ACTUADOR ELÉCTRICO
Ventajas:
Desventajas:
• Precisos.
• Potencia limitada.
• Confiables.
• Fácil control.
• Sencilla instalación.
• Silenciosos.
FORMATO DE ESPECIFICACIÓN
EXPLICACIÓN HOJA DE DATOS: MOTOR / ACTUADOR / ACCESORIOS
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Especifique el rango de la temperatura ambiente.
Especifique el fabricante y el número de modelo.
Especifique el tamaño del actuador.
Especifique si el actuador es para servicio On/Off o Modulante.
Especifique la posición de falla, ultima posición.
Especifique el voltaje, número de fases y frecuencia de la alimentación
del actuador.
7. Especifique el voltaje para control del actuador.
8. Especifique el tiempo de carrera.
9. Especifique el tipo de volante manual y la orientación.
10.Especifique la orientación del actuador.
11.Especifique posición del arrancador integrado.
FORMATO DE ESPECIFICACIÓN
12.- Especifique la clasificación de área del arrancador.
13.- Especifique control local e indicación.
14.- Especifique control remoto.
15.- Especifique comando ESD.
16.- Especifique monitor de relé.
17.- Especifique el tamaño de conexión eléctrica para señal y
alimentación.
18.- Especifique el tipo de conexión de cable.
19.- Especifique transmisor de posición.
20.- Especifique interruptores sobre carga térmica.
21.- Especifique interruptores de posición.
22.- Especifique interruptores de torque.
23.- Especifique arrancador reversa.
24.- Especifique protección contra transcientes.
ACTUADOR HIDRÁULICOS
En este tipo de actuador su fuente de
energía es aceites minerales a una presión
comprendida entre los 50 y 100 bares,
llegando a superar los 300 bar.
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 actuadores hidráulicos se utilizan para
maquinarias grandes, las cuales presentan
mayor velocidad y mayor resistencia
mecánica.
Se dividen en:
Tipo cilindro.
Motores de aletas y pistones.
ACTUADOR HIDRÁULICOS
Características
• La precisión obtenida es mayor que las de los actuadores neumáticos.
• Permiten desarrollar elevadas fuerzas y pares.
• Estabilidad frente a cargas estáticas.
• Elevada capacidad de carga y relación potencia peso.
• Auto-lubricación y robustez.
• Estos actuadores son de poco uso en la industria si lo comparamos con la
acogida de los actuadores neumático y eléctrico.
ACTUADOR HIDRÁULICOS
Ventajas:
Desventajas:
•
Respuesta con mayor frecuencia.
•
Difícil mantenimiento.
•
Alta índice entre potencia y carga.
•
•
Mayor exactitud con respecto a los
neumáticos.
Instalación
especial
(filtros,
eliminación aire, sistemas de
refrigeración, unidades de control
de distribución).
•
Amplio rango de velocidad.
•
•
Desempeño
velocidades.
Frecuentes fugas de aceite a lo
largo de la instalación debido a las
elevadas presiones .
•
Costosos.
•
suave
a
bajas
Produce más fuerza que un
sistema neumático del mismo
tamaño
ACTUADOR HIDRÁULICOS
Aplicaciones:
Gracias a sus múltiples variaciones de diseño
han sido utilizados en infinidad de aplicaciones
como:
•
•
•
•
•
•
•
•
Se utilizan en máquinas troqueladoras.
Plataformas elevadoras.
En maquinaria pesada para obras civiles.
Sistema de aparcamiento automático.
Grúas.
Accionamiento de válvulas de mariposa.
Industrias farmacéuticas.
Refinerías, etc.
COMPARACIÓN ENTRE LOS DIFERENTES TIPOS
DE ACTUADORES
NEUMATICOS
ELECTRICOS
HIDRAULICOS
ENERGIA
Aire a presión
(5 -10 bar)
Corriente eléctrica
Aceite mineral (50 – 100 bar)
OPCIONES
Cilindros
Motor de paletas
Motor de pistón
Corriente continua
Corriente alterna
Motor paso a paso
Cilindros
Motor de paletas
Motor de pistones axiales
VENTAJAS
Baratos
Rápidos
Sencillos
Robustos
Precisos
Confiables
Fácil control
Sencilla instalación
Silenciosos
Rápidos
Auto-lubricantes
Alta capacidad de carga
Estabilidad frente a cargas
estáticas
DESVENTAJAS
Dificultad de control continuo
Instalación especial
Ruidoso
Potencia limitada
Difícil mantenimiento
Instalación especial
Frecuentes fugas
Caros
ACTUADORES ELECTRO-HIDRÁULICOS
Combinan la acción de la señal eléctrica de control (0/4-20mA); con la fuerza
que se puede lograr con presiones hidráulicas, acoplando a estas con un sistema
de balance de fuerzas.
Comúnmente, estos sistemas operan a presiones de hasta 3,000 psi, brindando
potencia y velocidad para requerimientos de control de gran exactitud.
ACTUADORES ELECTRO-HIDRÁULICOS
CLASIFICACIÓN DE ACTUADORES
POSICION EN FALLA
ACTUADOR LINEAL DE DOBLE ACCIÓN
ACTUADOR DE RETORNO POR RESORTE
PIÑON Y CREMALLERA DOBLE ACCIÓN
PIÑON Y CREMALLERA RETORNO POR RESORTE
YUGO ESCOSES DOBLE ACCION
ACTUADOR DE YUGO ESCOCES
PRINCIPIO DE OPERACIÓN – SR (retorno por resorte)
Apertura:
1. Arranque de Bomba. La válvula de
By-Pass abre para permitir que el
aceite regrese al tanque mientras
el motor arranca completamente.
2. Las válvulas de By-Pass y ESD
Cierran, forzando al aceite a ir
hacia el cilindro
3. La válvula de By-Pass abre para
detener el Actuador, cuando la
bomba para después de operar un
tiempo
Cierre:
1. La solenoide de cerrar se
desenergiza permitiendo al aceite
ir hacia el tanque
PRINCIPIO DE OPERACIÓN - DA
1. La bomba arranca para llenar el
acumulador.
2. La válvula Block es energizada para
mover el actuador
3. La dirección es controlada con la
válvula solenoide de 4 vías y dos
posiciones
4. La válvula de modo lento y orificio
fijo
para
encontrar
un
posicionamento
5. El piloto Dual operado con válvulas
check mantiene al actuador en
posición
ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA
ACUMULADORES HIDRÁULICOS
OPERACIÓN ACUMULADOR HIDRÁULICO
ACUMULADOR HIDRÁULICO
Baja presión de nitrógeno:
• El acumulador no almacena
energía suficiente para el número
de carreras especificado
• Daño permanente en la vejiga.
ACUMULADOR HIDRÁULICO
Montaje:
• Preferentemente vertical para evitar acumulación de fluido hidráulico en
puntos intermedios
Modulo de control
1)
2)
3)
4)
5)
6)
Selector Local/Remoto/Fuera.
Perilla Local Abrir/Parar/Cerrar.
Indicador local de position LCD.
Interruptores de límite
Manifold hidráulico integral
A prueba de agua y explosión NEMA
6/IP68 & EP.
7) Entradas independientes de ESD &
Prueba Parcial
8) Bloque de terminales con sistema de
Doble Sellado.
Modulo de control
Modulo de control
COMPARTIMIENTO DE TERMINALES
• Un solo punto de conexión.
• Doble sello (doble hermeticidad)
• 4 entradas de conduit de ½” NPT
CARACTERISTICAS
Interruptor de Tiempo
• Previene el golpe de ariete
• Configurable del 1 al 99% en apertura
o cierre
• Encendido / apagado es configurable
de 100 ms (milisegundos) a 99 s
(segundos) en ambas direcciones.
Limites Mantenidos
• Posición
• Presión
• 3 relevadores de limite NO o NC
MODOS DE PRUEBA PARCIAL
Remota
Voltaje
Contactos secos
Botonera
Local
Configurador.
CONFIGURACIÓN
RETORNO POR RESORTE SIN ACUMULADOR
RETORNO POR RESORTE CON ACUMULADOR
VENTAJAS
Auto contenido
Falla segura
Tanque pequeño
Disponible en SIL 3
Tiempo de operación del
resorte ajustable
DESVENTAJAS:
Mayor tamaño
DOBLE ACCION SIN ACUMULADOR
VENTAJAS
•Auto contenido
•Compacto
•Bajo costo
DESVENTAJAS:
• Ajuste de tiempo no disponible
DOBLE ACCIÓN CON ACUMULADOR
VENTAJAS
•Auto contenido
•Bajo costo
•Compacto
•Tiempo de operación ajustable
DESVENTAJAS:
• Tanque grande
DOBLE ACCION CON UNIDAD DE POTENCIA
REMOTA
VENTAJAS
• Reduce el peso en la tubería
DESVENTAJAS:
• Requiere conexiones eléctricas e hidráulicas
en sitio