Hidráulica proporcional

Las válvulas proporcionales son válvulas de infinitas posiciones, en las que la magnitud (presión, caudal, etc.) es proporcional a la señal de entrada.

Podemos clasificar las principales válvulas proporcionales: 

• Válvulas direccionales.
• Válvulas de caudal.
• Válvulas de presión.

El principal elemento que posibilita este tipo de uso en la hidráulica es el solenoide proporcional, que es capaz de crear una fuerza proporcional al valor de la corriente o de la tensión (existen ambas versiones) aplicada sobre él. Esta fuerza enfrentada sobre un muelle calibrado, da como resultado una posición concreta o una variación de la fuerza que ejerce el muelle, posición que puede ser calculada previamente conociendo la fuerza que se ejercerá y la constante del muelle.

Habitualmente el rango del valor de tensión de funcionamiento de las solenoides es de +/- 10 voltios. Para controlar este valor de tensión se suele usar un amplificador intermedio, posibilitando el uso de tensiones de mando inferiores.

Los sistemas hidráulicos proporcionales unen el mando electrónico con la hidráulica. Solo con una ligera idea de lo que la electrónica es capaz de hacer en nuestros días podemos imaginar las posibilidades de control que nos ofrece.

Con hidráulica proporcional podemos realizar accionamientos más rápidos, controlados de una forma más simple (con un PLC por ejemplo), de más exactitud y lo más importante, pudiendo variar tanto la velocidad como la fuerza de arranques y paradas. Otra ventaja es que al poder crear rampas de aceleración y deceleración evitamos los golpes de ariete.

La repetitibilidad del sistema es buena pero existe una desviación de la posición y por tanto del valor de la magnitud de salida, en cada una de las repeticiones para un mismo valor, sobre la que además, influye notablemente si la regulación es ascendente o descendente.

Para compensar esta desviación podemos usar otro sistema eléctrico que nos informe de la posición del solenoide, compensando mediante un sistema autónomo la diferencia real con la teórica hasta ajustar ambas, esto es lo que se llama un sistema de lazo cerrado.

Figura 1: Hidraúlica proporcional de lazo cerrado 

Válvulas direccionales proporcionales: 

Todas las válvulas direccionales proporcionales pueden compartir el método para lograr la proporcionalidad sea cual sea su tipo de centro (si lo hay), siendo el mismo principio de funcionamiento solo veremos como ejemplo una válvula 4 vías y 3 posiciones, siendo extensible su explicación al resto de válvulas direccionales existentes.

El funcionamiento de una válvula proporcional directa como la de la imagen es idéntica a la de una válvula igual que no sea proporcional, la diferencia radica en que podemos controlar el grado de apertura de la corredera mediante la variación de la señal eléctrica en el solenoide, y por tanto su caudal, teniendo control sobre la velocidad y su incremento/decremento en cada momento. En este caso la válvula también tiene un captador de posición de la corredera, con lo que el sistema de lazo cerrado puede corregir las desviaciones que se producen respecto al estado real y teórico de la corredera para un valor determinado de corriente (lazo cerrado).

Este sistema nos da un control absoluto en cuanto a la velocidad del actuador que gobierne. Podemos mediante un joystick y un sistema eléctrico que interprete el movimiento de este, regular la velocidad de uno o varios actuadores. Con un joystick y dos válvulas de este tipo podríamos gobernar un sistema de eje cartesiano y la velocidad simultanea de ambos ejes.

El mismo método puede ser aplicado en una válvula pilotada para mayores caudales y/o presiones. Por ejemplo el accionamiento a través de joystick de la velocidad y dirección de pequeñas excavadoras, con válvulas de este tipo que controlen los motores hidráulicos de sus ruedas.

Dependiendo del grado de precisión requerido usaremos o no un captador de posición para corregir las desviaciones.

Algunos efectos y errores a tener en cuenta en hidráulica proporcional son:

• Zona muerta
  Para todas las válvulas proporcionales tenemos que hablar de un campo de valores de señal (valor de la corriente) que no hace variar la magnitud de salida controlada por la válvula. Superada esta zona muerta la válvula actúa. Este valor vendrá indicado en las características eléctricas de la válvula que el fabricante aporta en su manual técnico.
• Sensibilidad
  Superada la zona muerta es el mínimo cambio en el valor de entrada que provoca un cambio en la salida.
• Repetitibilidad
  Es la capacidad que el sistema tiene para la reproducción de señales de salida idénticas cuando se introduce repetidamente la misma señal de entrada. Dato que aportará el fabricante en su manual técnico.
• Histéresis
  Sobre el grado de repetitibilidad también influye si se llega al mismo valor desde un valor superior o uno inferior. Se determina histéresis al error que se introduce a igual señal de entrada, cuando se llega desde el valor mínimo o cuando se llega desde el valor máximo.
• Dither
  El dither es una señal de CA de frecuencia elevada (50-100 Hz), y de baja amplitud que se utiliza para compensar los efectos de la histéresis. Esta se origina por la fricción de la corredera y su alojamiento, su inercia y el efecto de los muelles.

Para compensar los efectos de la histéresis, se sobrepone a la señal de corriente continua una señal de corriente alterna de dither que produce una vibración en el núcleo del solenoide.

Las válvulas con solenoides proporcionales se utilizan con amplificadores de control electrónico, que suministran la potencia necesaria para actuar la válvula y realizar funciones adicionales.

Las señales de entrada iniciales provienen de una variedad de fuentes:

• Potenciómetros
• Sensores de temperatura
• Transductores de presión
• Tacogeneradores
• Microprocesadores
• Autómatas con salidas analógicas

Estos dispositivos son todos ellos fuentes de baja potencia en términos de tensión y corriente. Su potencia debe amplificarse antes de que puedan accionar una válvula proporcional.

Además el amplificador puede cumplir otras funciones como compensación de la zona muerta, ganancia, dither, o limitación de la señal como protección.

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