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El principio de control por retroalimentación en su forma básica
Funcionamiento en bucle cerrado: cómo un regulador puede modificar su salida en tiempo real basándose en la retroalimentación
Un regulador es un dispositivo que mantiene una velocidad de rotación constante del motor mediante sistemas de control y monitoreo en bucle cerrado, como captadores magnéticos u otros dispositivos tacómetricos para medir la velocidad de rotación real. El controlador del regulador es un dispositivo que, en el caso de cargas inestables, supervisa cómo se desvía la velocidad real de un valor objetivo preestablecido. En ese momento, el controlador calcula una acción correctiva y envía una orden a los dispositivos actuadores del acelerador o del sistema de combustible. Por ejemplo, si se produce una caída del 5 % en las RPM debido a la carga, el suministro de combustible se incrementa instantáneamente en cuestión de milisegundos. Este ciclo de retroalimentación resuelve el problema de control en los sistemas de bucle cerrado, y las señales de retroalimentación compensan variables adicionales no contempladas, como la fricción o la deriva térmica, que afectan la velocidad del regulador. El control de velocidad mediante retroalimentación es extremadamente importante en aplicaciones de generadores, ya que desviaciones de tan solo ±0,25 % en las RPM provocan variaciones en la frecuencia de la potencia.
Los tres elementos básicos de un regulador que son necesarios para que funcione de manera estable
Los componentes necesarios para un sistema de control de velocidad estable tienen los siguientes tres elementos básicos, que son interdependientes.
- El valor de consigna: la velocidad de rotación objetivo calibrada (por ejemplo, 1800 rpm para generadores de 60 Hz)
- La señal de error: la diferencia medida cuantificable, que se calcula de forma activa y continua (a una frecuencia de 50–100 veces por segundo)
- La actuación: sistemas mecánicos, hidráulicos o electrónicos que ejecutan las órdenes y realizan los ajustes del control de combustible (acelerador) (hasta una reducción del 70 % en el sistema de control de combustible) debido a una condición de sobrevelocidad.
El ciclo completo del dispositivo regulador opera simultáneamente en tres componentes interdependientes. Un controlador PID (proporcional-integral-derivativo) minimiza el tiempo de respuesta del sistema y mejora el rendimiento general del regulador, logrando una desviación global de velocidad inferior al 2 % ante variaciones de carga del 0 al 100 % para controlar el regulador.
Mecánica del regulador centrífugo de velocidad: medición de la velocidad mediante el equilibrio de fuerzas
Pesos voladores: fuerza centrífuga frente a fuerza del resorte a distintas RPM
Los pesos voladores giran para generar una fuerza centrífuga proporcional al cuadrado de las RPM del motor. A mayores velocidades, esta fuerza supera la fuerza neta del resorte. Como consecuencia, los pesos se desplazan verticalmente. En el punto de equilibrio, donde la fuerza centrífuga es igual a la fuerza neta del resorte, la posición vertical de los pesos voladores corresponde a una velocidad establecida. En los reguladores industriales, a 3000 RPM, la fuerza centrífuga es un 15-20 % mayor que la fuerza neta del resorte. Debido a esto, se garantiza una respuesta proporcional, lo que significa que, ante un aumento brusco de las RPM, se inicia una acción correctiva en menos de 0,2 segundos gracias al principio fundamental del equilibrio de fuerzas en la regulación de la velocidad.
Acoplamientos mecánicos y control del acelerador: conversión del movimiento en modulación del combustible
El movimiento vertical de los contrapesos empuja directamente un brazo del acelerador a través de una funda. Se trata de una traducción puramente mecánica del movimiento y, a su vez, de una reducción del caudal de combustible del 8 % al 12 % por cada 1 mm de desplazamiento de la funda en motores diésel. En este caso, una relación de palanca típica oscila entre 4:1 y 6:1. El factor más importante de este diseño es que es absolutamente infalible y no requiere ninguna fuente externa de energía. La energía cinética del conjunto giratorio es más que suficiente para controlar la combustión y mantener una velocidad constante.
Análisis de la respuesta del regulador de velocidad ante condiciones de sobrevelocidad
El regulador de velocidad responde ante condiciones de sobrevelocidad, donde la acción de frenado del regulador está relacionada con la tasa de dicha condición de sobrevelocidad.
El objetivo principal aquí es mantener un nivel de desaceleración, ya que pueden producirse condiciones de exceso de velocidad como resultado del aumento de la carga sobre el regulador cuando el motor opera con un regulador y se aplica una carga a la aplicación superior a la carga diseñada para el regulador.
Limitaciones actuales de los reguladores de velocidad
Las limitaciones de los reguladores de velocidad mecánicos tradicionales son las limitaciones inherentes a la precisión del regulador mecánico, el tiempo que tarda este en responder al cambio de carga y la velocidad a la que puede responder dicho cambio. Los reguladores mecánicos utilizan sistemas de contrapesos centrífugos y sistemas de muelles, lo que introduce una cantidad significativa de inercia mecánica al regulador, provocando, a su vez, que el tiempo de respuesta del regulador a la corrección necesaria se sitúe aproximadamente en el rango de (300 – 500 milisegundos). Este resultado indica que el regulador responderá a cualquier cambio de carga que supere los criterios de diseño de aproximadamente (1 – 3 %) y que el regulador de velocidad tendrá una velocidad máxima limitada.
Los reguladores electrónicos amplían los límites del sistema de regulación mediante correcciones del sistema de regulación controladas por microprocesador, con una frecuencia del orden de 50 milisegundos. Esto ofrece una precisión sin precedentes en el control de velocidad: ± 0,25 % de la velocidad objetivo. Asimismo, este tipo de sistemas de regulación permite controlar la velocidad incluso ante cambios bruscos de carga. Dichos sistemas de regulación también emplean tecnologías como el GPS y la Asistencia Inteligente a la Velocidad (ISA) para zonas georeferenciadas (por ejemplo, zonas escolares o zonas de obras), donde el control máximo de velocidad se realiza automáticamente, sin intervención alguna del conductor. Además, se proporciona telemetría (especialmente diagnóstica) para mantenimiento predictivo, y la mayoría de los estudios publicados sobre eficiencia de flotas reportan un ahorro de combustible del 4 al 7 %.
Preguntas Frecuentes (FAQ)
¿Qué es un regulador de velocidad?
Un regulador de velocidad es un sistema que mantiene constantes las revoluciones por minuto (RPM) del motor en función de la carga aplicada al mismo, regulando así la posición de la mariposa de aceleración.
¿Cómo funciona un regulador de velocidad centrífugo?
En un regulador centrífugo de velocidad, el aumento de velocidad activa las masas giratorias que se desplazan radialmente por efecto de la fuerza centrífuga, alcanzando un equilibrio. Esto inicia una respuesta del acelerador proporcional a la tensión del resorte activada.
¿Cuáles son las limitaciones de los reguladores mecánicos de velocidad?
La mayoría de los reguladores mecánicos de velocidad presentan limitaciones derivadas de la inercia de los sistemas mecánicos, menor precisión, respuesta más lenta y, en todos estos aspectos, comparados con los reguladores electrónicos de velocidad.
¿Cómo mejoran los reguladores electrónicos de velocidad a los sistemas mecánicos?
Los reguladores electrónicos de velocidad ofrecen, en comparación con los sistemas mecánicos, un tiempo de respuesta más rápido, una mayor precisión y una mayor capacidad de adaptación. Asimismo, permiten un control más preciso de la velocidad del sistema en diversas condiciones.
