Reguladores de Velocidad en Motores: Principios y Aplicaciones Industriales

Tipos Fundamentales de Reguladores de Velocidad

Reguladores de Operación Directa (Mecánicos)

Se caracterizan porque el sensor de medida no solamente suministra la energía para la función de medida en sí misma, sino que además proporciona la energía suficiente para el movimiento del sistema de regulación.

Reguladores de Operación Indirecta (con Potencia Auxiliar o Servomotores)

Se caracterizan porque el sensor solamente suministra la energía para la unidad de medida. En este caso, el sistema de regulación es accionado por un **servomotor** provisto de energía de una fuente separada.

• Pueden subdividirse, de acuerdo con la potencia auxiliar, en: **Neumáticos** (aire comprimido), **Hidráulicos** (aceite a presión) y **Eléctricos**.

Terminología Clave en Regulación de Velocidad

1. Caída de Velocidad (*Speed Droop*)

La disminución sufrida en la velocidad de un motor desde la condición de sin carga a la condición de plena carga. La **caída de velocidad** se expresa en revoluciones por minuto o (más frecuentemente) como un porcentaje de la velocidad nominal.

2. Regulación Isócrona

Mantener la velocidad del motor verdaderamente constante, independientemente de la carga. Esto significa regular con **regulación perfecta de la velocidad** o con cero de caída de velocidad.

3. *Hunting* (Fluctuación de Velocidad)

Es la fluctuación continua (disminuyendo y aumentando) de la velocidad del motor con respecto a la velocidad deseada. Cuando la carga de un motor fluctúa, el regulador tiende a sobrecontrolar y a subcontrolar los valores establecidos. Por ejemplo, si la carga desaparece, la velocidad del motor aumenta por encima de lo normal. Entonces el regulador reduce la cantidad de combustible inyectado, pero debido a la fricción, retardo, etc., el regulador reduce el combustible en exceso y la velocidad se reduce excesivamente. Luego, el regulador aumenta de nuevo la cantidad de combustible, haciendo que la velocidad aumente ligeramente hasta alcanzar un equilibrio y el regulador deja de fluctuar. Cuanto mayor sea la sensibilidad del regulador, mayor es la tendencia a fluctuar. Para prevenir esto, se emplea un sistema de **retroalimentación** que tiene el efecto de modificar el **punto de ajuste de la velocidad** (*set point*).

4. Estabilidad del Regulador

Capacidad del regulador para mantener la velocidad deseada del motor sin fluctuaciones o *hunting*.

Regulador Mecánico: Principios y Desafíos

Un regulador mecánico simple debe superar la fricción externa y suministrar una fuerza de control, lo que produce una **banda muerta** en la que el regulador no ejerce ninguna fuerza de control sobre las cremalleras. Si las **masas rotativas** solamente mueven una **válvula piloto** que dirige el aceite hacia un servo o lo deja salir, entonces la fuerza de control y la fuerza de rozamiento se anulan, con lo que se elimina la banda muerta. El regulador simple es por lo tanto inestable porque la válvula piloto permite el acceso total al servo o lo vacía, provocando condiciones de todo o nada. Se puede conseguir la **estabilidad** haciendo la válvula de mayor tamaño que las galerías del servo, pero ello ocasionaría de nuevo una banda muerta. La solución está en provocar una **retroalimentación** en las palancas de accionamiento de combustible, lo que permite un control de la **caída de velocidad** (*speed droop*).

Mecanismo de Retroalimentación en Reguladores

Se produce por medio de una palanca que conecta la **válvula piloto** del cilindro servomotor y las **masas rotativas**. Consideremos un incremento de la carga, que produce una disminución de la velocidad y un acercamiento de las masas rotativas por la parte superior, lo que a su vez provoca una bajada del extremo izquierdo de la **palanca flotante**. Esto hace que la válvula se abra, permitiendo el suministro de aceite al servo, que subirá. Esto aumenta el suministro de combustible al motor, pero también reduce el **punto de ajuste** (*set point*), ya que la palanca de retroalimentación sube y reduce la fuerza sobre el muelle. Ahora las masas giratorias pueden elevar la válvula piloto, con lo que se cierra el paso de aceite al servo. El motor girará ahora con mayor cantidad de combustible para la carga aumentada, pero a una velocidad más reducida. Esto permite la **estabilidad**, pero el motor no tendrá un **funcionamiento isócrono**.

Compensación en Sistemas de Regulación

Es posible introducir un mecanismo denominado **compensación**, que suministrará un cambio posterior en la entrada de combustible para restablecer la velocidad a su valor normal.

Control de Caída de Velocidad (*Speed Droop*)

Función

Se implementa para dividir y equilibrar la carga entre motores que accionan el mismo eje o que funcionan en paralelo y están conectados a una misma carga eléctrica.

Mecanismo

• Se incorpora al regulador con un sistema de palancas que ajustan la compresión del muelle de velocidad al girar el eje de accionamiento de las cremalleras.
• Aumentar el combustible reduce la compresión del muelle, bajando el punto de ajuste de velocidad.

Efecto

• Se provoca una reducción en la compresión del muelle, reduciendo el **punto de ajuste de la velocidad**, por lo que el motor reduce gradualmente su velocidad al aumentar la carga.
• La relación entre carga y velocidad actúa como resistencia a las variaciones de carga en unidades interconectadas, ya sean mecánica o eléctricamente.

Reparto de Cargas (*Load Sharing*)

Aumenta de forma inversamente proporcional a sus caídas de velocidad. Cuanto menor sea el valor de la caída, mayor será la carga que absorberá el motor.

Reguladores de Velocidad Eléctricos

Características

• Compactos, con **rápida respuesta** y **alta fiabilidad**.
• Bajos **costos de mantenimiento**.

Componentes Principales

• **Controlador de velocidad** y **amplificador de señal**.
• El controlador recibe una señal de **corriente continua** proporcional a la velocidad del motor y la compara con la señal predeterminada.
• La diferencia entre el valor medido (velocidad del motor) y el valor predeterminado es la **desviación**, que se envía a un circuito de potencia para ajustar el combustible según sea necesario.
• Este sistema es inherentemente **estable** debido a la **retroalimentación** con la que se diseña.

Medición de Velocidad

• Se mide con un alternador acoplado al **eje de levas**.
• La señal de control proviene de la consola de control del puente, a través del sistema de control de máquinas.

Otras Disposiciones

• Se puede medir la frecuencia de salida del alternador; el valor medio sería la frecuencia de la corriente generada.
• Un **sensor de carga** detecta cambios en el flujo de corriente, permitiendo al regulador ajustar el combustible antes de que ocurra una disminución en la velocidad del motor.

Funcionamiento del Regulador con Ajuste de Caída de Velocidad

1. La Carga Permanece Constante

1. El motor funciona a su velocidad normal.
2. Brazos de las **masas centrífugas** en posición vertical y **balancín flotante** horizontal.
3. Orificios del cilindro del **vástago de la válvula piloto** cubiertos por las aristas de la válvula.
4. **Émbolo de maniobra** y mecanismo de control de combustible inmóviles.

2. La Carga Aumenta

1. Disminuye la velocidad del motor.
2. Brazos de las **masas centrífugas** se mueven hacia adentro.
3. El **vástago de la válvula piloto** desciende, haciendo que el orificio inferior se comunique con la presión de aceite, lo que eleva el **émbolo de maniobra** y aumenta el suministro de combustible.
4. El aceite de la parte superior del émbolo sale al sumidero.
5. El émbolo sube, empujando el balancín hacia arriba y reduciendo la tensión del muelle.
6. Los brazos de las masas centrífugas se mueven hacia afuera, elevando el vástago piloto y decelerando el movimiento ascendente del émbolo de maniobra.
7. El émbolo de maniobra se detiene cuando los brazos están verticales, cerrando los orificios de maniobra.
8. Como la tensión del muelle disminuye cuando aumenta el suministro de combustible, la posición de equilibrio se logra con menos fuerza centrífuga de las masas. Menos revoluciones del motor corresponden al aumento de carga (**caída de velocidad**).

3. La Carga Disminuye

1. Aumenta la velocidad del motor.
2. Brazos de las **masas centrífugas** se mueven hacia afuera.
3. El **vástago de la válvula piloto** asciende, haciendo que el orificio superior se comunique con la presión de aceite, lo que baja el **émbolo de maniobra** y disminuye el suministro de combustible.
4. El aceite de la parte inferior del émbolo sale al sumidero.
5. El émbolo baja, tirando del balancín hacia abajo y aumentando la tensión del muelle.
6. Los brazos de las masas centrífugas se mueven hacia adentro, descendiendo el vástago piloto y decelerando el movimiento descendente del émbolo de maniobra.
7. El émbolo de maniobra se detiene cuando los brazos están verticales, cerrando los orificios de maniobra.
8. Como la tensión del muelle aumenta cuando disminuye el suministro de combustible, la posición de equilibrio se logra con más fuerza centrífuga de las masas. Más revoluciones del motor corresponden a la disminución de carga (**caída de velocidad**).

Funcionamiento del Regulador Isócrono

1. La Carga Permanece Constante

1. El motor funciona a su velocidad normal.
2. Brazos de las **masas centrífugas** en posición vertical y **balancín flotante** horizontal.
3. Orificios del cilindro del **vástago de la válvula piloto** cubiertos por las aristas de la válvula.
4. **Émbolo receptor** del compensador en posición normal.
5. **Émbolo de maniobra** y mecanismo de control de combustible inmóviles.

2. La Carga Aumenta

1. Disminuye la velocidad del motor.
2. Brazos de las **masas centrífugas** se mueven hacia adentro.
3. El **vástago de la válvula piloto** desciende.
4. El aceite a presión eleva el **émbolo de maniobra**, que obliga a descender al **émbolo actuador** y sube el **émbolo receptor**.
5. El vástago de la válvula piloto se eleva, cierra los orificios y detiene el émbolo de maniobra.
6. Aumenta el suministro de combustible y el motor vuelve a su velocidad normal.
7. Las revoluciones se ajustan, y los brazos de las masas centrífugas y el émbolo receptor regresan a la posición vertical.
8. El muelle presiona al émbolo receptor para que regrese a su posición normal.
9. El **balancín flotante** bascula alrededor del bulón-pivote del vástago de la válvula piloto.
10. La rapidez del émbolo receptor se determina con la **válvula de aguja** (su paso de aceite es ajustable).
11. El motor y los componentes del regulador vuelven a su estado original.

3. La Carga Disminuye

1. Aumenta la velocidad del motor.
2. Brazos de las **masas centrífugas** se mueven hacia afuera.
3. El **vástago de la válvula piloto** asciende, haciendo que el orificio superior se comunique con la presión de aceite, lo que baja el **émbolo de maniobra** y disminuye el suministro de combustible.
4. El aceite de la parte inferior del émbolo sale al sumidero.
5. El émbolo actuador sube y el émbolo receptor desciende. El vástago de la válvula piloto cierra los orificios.
6. El émbolo receptor regresa gradualmente a su posición original.
7. El motor vuelve a su velocidad normal y los brazos de las masas centrífugas vuelven a la posición vertical.
8. La longitud efectiva del acoplamiento entre el eje del regulador y el vástago de la válvula piloto varía.
9. Esto produce el mismo efecto que la variación del muelle del regulador.
10. **Conclusión:** Los reguladores hidráulicos isócronos mantienen la velocidad constante en todas las condiciones de carga. Funcionan a **velocidad isócrona**, constante entre plena carga y ninguna carga.

Conceptos Adicionales en Regulación

5. Sensibilidad (*Sensitivity*)

Es el cambio en la velocidad necesario para que el regulador comience a realizar acciones correctivas en el mecanismo de control del combustible y se suele expresar como un porcentaje de la **velocidad nominal**.

6. Velocidad de Actuación o *Promptness*

Velocidad con la que actúa el regulador cuando se produce una variación en la velocidad del motor. Identifica el intervalo de tiempo empleado por el regulador para actuar sobre el mecanismo de control de combustible desde la posición de **nula carga** hasta la posición de **máxima carga**. La velocidad de actuación depende de la potencia del regulador y cuanto mayor sea esta potencia, menor será el tiempo necesario para vencer la resistencia de este mecanismo.

7. Regulación Proporcional

Cuando, ante una variación de la velocidad, el regulador reacciona variando la posición de las cremalleras en proporción al **error detectado**.

8. Regulación Derivada

Si la reacción del regulador es proporcional a la rapidez con la que se produce el **error**. Es decir, a un cambio muy súbito le corresponde mucha reacción, y a un cambio o fluctuación muy lento, le corresponde poca reacción.

9. Regulación Integral

Cuando el regulador actúa no solo según lo que va creciendo o reduciéndose el error, sino que además actúa proporcionalmente al tiempo en el que se mantiene este **error**.