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Selección de motores para actuadores de válvulas de gas de HVAC

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Actuadores de válvulas de gas HVAC

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El objetivo de este artículo es destacar y comparar las tecnologías de motores disponibles para el accionamiento de las válvulas de gas utilizadas en los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC). Los sistemas HVAC incluyen válvulas de bajo coste, controladas electrónicamente, para la modulación y el cierre del flujo de fluido, que suelen requerir un par medio a baja velocidad. Las tecnologías de motores disponibles para el accionamiento de estas válvulas tienen diferentes características inherentes que podrían ser ventajosas en función de los requisitos específicos de la aplicación.

INTRODUCCIÓN

Los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) se utilizan para regular la temperatura y la calidad del aire en espacios cerrados, manteniendo a las personas calientes en los inviernos y frescas en los veranos. El sistema de calefacción puede incluir calderas, bombas, radiadores, contadores y otros componentes que suelen ser accionados por la combustión de gas natural para calentar el aire o el agua, que luego circula por el espacio a acondicionar.

El funcionamiento de un sistema de climatización gira en torno al control y la medición precisos del flujo de gas/líquido mediante elementos de detección y modulación. El elemento de modulación puede lograrse de varias maneras, normalmente utilizando algún tipo de válvulas de control de flujo y/o válvulas de aislamiento (cierre).

PRINCIPIO BÁSICO DE FUNCIONAMIENTO DE LAS VÁLVULAS DE CONTROL DE FLUJO DE FLUIDOS

En el ejemplo de una válvula de control de flujo, el vástago de la válvula se mueve hacia arriba o hacia abajo dentro del cuerpo de la válvula. Esto hace que la aguja, o elemento de sellado en el extremo del vástago, restrinja el flujo de fluido al nivel deseado. En una válvula con diseño de vástago y bola, una bola, que gira alrededor del eje de la válvula, tiene un corte que permite el flujo total en una posición y el flujo variable cuando el vástago gira a la posición de cierre.(Figura 1)

El movimiento del vástago de la válvula puede diseñarse para un funcionamiento manual (un operario que ajusta la posición de un tornillo-aguja), o como una versión de accionamiento electrónico en la que un actuador mueve el vástago controlado por un motor y un sistema de accionamiento.

TIPOS DE SISTEMAS DE MOVIMIENTO ELÉCTRICO PARA ACTUADORES DE VÁLVULAS DE GAS

Las tecnologías de movimiento disponibles que se ajustan a los requisitos de rendimiento y coste del actuador de la válvula de gas se reducen a un motor de escobillas o a un motor paso a paso de CC. Aunque ambas tecnologías tienen las capacidades de par y velocidad necesarias para la aplicación, para desarrollar una solución de movimiento completa el diseñador debe determinar la configuración del sistema global. A nivel más general, el sistema de movimiento eléctrico se compone de un motor y un sistema de posición. A continuación se detallan las opciones que deben seleccionarse, en función de la intención del diseño del sistema.

Para el actuador de la válvula de gas, la combinación de la tecnología del motor, el tipo de movimiento y el sistema de posición de las opciones de la tabla anterior determinan la complejidad y el coste de la solución de movimiento completa. Las distintas opciones del sistema de movimiento eléctrico son:

- Los motores de corriente continua con escobillas proporcionan movimiento rotativo o movimiento lineal mediante la adición de un tornillo de avance externo (para convertir el movimiento rotativo en lineal)

lineal). En ambos casos, cualquier requisito de posicionamiento requerirá un codificador para proporcionar un funcionamiento en bucle cerrado.

- Los motores paso a paso proporcionan un movimiento rotativo o lineal mediante la adición de un tornillo de dirección externo. En ambos casos, el control en bucle abierto es posible directamente con el controlador. Si se requiere un control de bucle cerrado, también se necesita un codificador.

- Los motores paso a paso lineales proporcionan un tornillo de avance integrado en un único y robusto paquete para la salida de movimiento lineal directo con control de bucle abierto con el controlador.

SELECCIÓN DE MOTORES PARA ACTUADORES DE VÁLVULAS DE GAS

Motor DC

Los motores de corriente continua son máquinas eléctricas simples que giran cuando se aplica la corriente continua. No requieren una electrónica compleja para accionar el motor (Figura 2). Sin embargo, si se requiere un movimiento lineal para la aplicación, una solución de motor de CC necesita un tornillo de avance adicional y un sistema de engranajes para convertir el movimiento rotativo en lineal. La solución de CC también necesitaría un mecanismo de retroalimentación en forma de sensor óptico o codificador para controlar con precisión la posición lineal. Algunos diseñadores también pueden añadir un sistema de frenado para mejorar la precisión del posicionamiento, debido a la gran inercia del rotor del motor.

Normalmente, los motores de CC (ideales para aplicaciones de válvulas de gas) tienen velocidades de salida de 1.000 a 10.000 rpm y proporcionan un par de hasta 160 mNm. Dependiendo del punto de carga de trabajo de la aplicación, se puede añadir una caja de engranajes y/o un sistema de tornillo de avance.

Motor paso a paso

El motor paso a paso es un motor eléctrico de corriente continua que gira a través de varios incrementos pequeños, iguales y discretos denominados pasos (Figura 3) El accionamiento de un motor paso a paso requiere una unidad de control específica. Los motores paso a paso tienen características inherentes debido a su construcción y diseño que pueden ser ventajosas para la aplicación. El motor puede funcionar en bucle abierto con una buena precisión, siempre que el motor esté bien dimensionado, lo que permite a los motores paso a paso incorporar un control de posicionamiento (pasos discretos). Además, el diseño del motor paso a paso permite utilizar el par de retención para mantener la posición, y proporciona una excelente respuesta para iniciar, detener e invertir la aplicación.

Si se requiere un movimiento lineal para la aplicación, una solución de motor paso a paso necesita un tornillo de avance adicional y un sistema de engranajes para convertir el movimiento rotativo en movimiento lineal.

Normalmente, los motores paso a paso pueden utilizarse para una velocidad de salida de hasta 1.000 rpm y proporcionar un par de hasta 170 mNm. El par y la velocidad reales también dependen del modo de accionamiento (paso completo, medio paso o micropaso). Según el punto de carga de trabajo de la aplicación, pueden añadirse sistemas de caja de engranajes y husillos.

Actuador lineal paso a paso

Un actuador lineal paso a paso se compone de un motor paso a paso apilado en una lata con un rotor roscado y un husillo integrado que proporciona un movimiento lineal directo en un paquete compacto (Figura 4) El husillo del actuador lineal paso a paso se mueve hacia arriba y hacia abajo en incrementos de pasos discretos cuando se aplican pulsos eléctricos. Una de las ventajas importantes de utilizar un actuador lineal de paso es su capacidad para ser controlado con precisión en un sistema de bucle abierto, lo que significa que no se requiere un costoso dispositivo de retroalimentación o sistema de frenado para el posicionamiento.

Normalmente, los actuadores lineales pueden utilizarse para una velocidad de salida de hasta 80 mm/s y proporcionar una fuerza de hasta 100 N. La fuerza y la velocidad reales dependerán también de la eficiencia del husillo y del modo de accionamiento (paso completo, medio paso o micropaso). Dependiendo del punto de carga de trabajo de la aplicación, se puede añadir una caja de cambios.

CONCLUSIÓN

Consideraciones clave para la selección del motor para el accionamiento de válvulas en aplicaciones HVAC:

Las aplicaciones de válvulas de gas variarán según el tipo de vástago de la válvula y el funcionamiento y la precisión deseados. La variedad de requisitos de aplicación que determinan la mejor solución incluyen:

- Par/fuerza máxima y de funcionamiento requerida

- Requerimiento de velocidad: típicamente el requerimiento de fuerza/par es requerido a bajas velocidades para aplicaciones de válvulas.

- Precio de la solución completa

- Sistema de control: normalmente no se requiere un control de bucle cerrado

- Temperatura de funcionamiento del entorno de la aplicación

- Tipo de movimiento necesario para el accionamiento (movimiento rotativo o lineal)

- Vida útil prevista de la solución antes de su sustitución

- Resolución lineal o rotativa requerida

- Corriente y tensión máximas disponibles

En función de las soluciones de movimiento disponibles y de los requisitos de la aplicación HVAC, la solución de movimiento paso a paso es la más adecuada para una aplicación rotativa, o el motor lineal paso a paso para la aplicación lineal.