Actuadores eléctricos de válvulas - Cómo funcionan

Los actuadores eléctricos de cuarto de vuelta son dispositivos electromecánicos diseñados para operar de forma remota válvulas de cuarto de vuelta, como las válvulas de bola y de mariposa. Pueden comprarse como un paquete junto con la válvula o por separado para ser instalados en una válvula de cuarto de vuelta existente.

Índice de contenidos

• Diseño del actuador de la válvula eléctrica
• Montaje
• Características del actuador eléctrico de la válvula
• Cableado eléctrico
• Standards
• Material
• Aplicaciones de los actuadores eléctricos de válvulas
• Criterios de selección de los actuadores eléctricos de válvulas
• PRreguntas frecuentes

Diseño del actuador de la válvula eléctrica

Los actuadores eléctricos para válvulas de cuarto de vuelta son un tipo de actuadores de válvulas motorizadas rotativas. Los actuadores eléctricos rotativos convierten la energía eléctrica en fuerza de giro, por lo que un actuador eléctrico de un cuarto de vuelta sólo puede girar 90 grados. El motor eléctrico genera un par que se transmite para hacer girar la válvula a través de un accionamiento de salida. Las opciones de voltaje del motor son CA (corriente alterna), CC (corriente continua), o pueden funcionar con cualquiera de ellas. El motor está alojado en una carcasa robusta y compacta que también contiene otros componentes del actuador, como los engranajes, los interruptores de límite, el cableado, etc. Todo el conjunto se conecta a una válvula a través de una interfaz de conexión compatible, como la norma ISO 5211. En comparación con sus homólogos neumáticos e hidráulicos, los actuadores de válvulas eléctricos ofrecen un método de control de válvulas más eficiente desde el punto de vista energético, limpio y silencioso.

Par de torsión

Las válvulas de cuarto de vuelta requieren un giro de 90° para abrirse o cerrarse completamente. Para girar la válvula, se requiere un par de torsión (el equivalente rotativo de la fuerza lineal). El actuador eléctrico genera este par y lo transmite a su eje de salida, que se conecta al vástago o eje de la válvula. Esto, a su vez, hace girar la bola o el disco de la válvula y abre o cierra el orificio para permitir el paso o bloquear el flujo. La cantidad de par generada por un actuador depende de su engranaje y de la capacidad del motor. La capacidad del motor (par) es una especificación importante para el actuador, ya que debe ser superior al par requerido por la válvula para garantizar que pueda abrir y cerrar la válvula. Por lo general, el par de arranque se especifica como el par requerido de una válvula, ya que es el par más alto requerido para girar la válvula.

Par de arranque

Cuando una válvula está en posición abierta o cerrada, el par necesario para "liberarse" de cualquiera de estas posiciones se denomina par de arranque. En otras palabras, es la cantidad de par necesaria para hacer que una válvula se mueva inicialmente desde una posición de reposo. Por lo general, el par de arranque es mayor que el par de marcha. Por ejemplo, el par de arranque de una válvula de bola general es aproximadamente un 30% mayor que su par de funcionamiento. El par de arranque es mayor debido a que es desde una posición estática, el medio puede acumularse en la cavidad de la bola, y/o el medio puede rayar el asiento de la válvula causando un aumento de la fricción, etc. Un actuador de válvula de cuarto de vuelta adecuado debe generar un par de torsión superior al par de rotura de la válvula.

Tiempo de respuesta

El tiempo de respuesta es el tiempo necesario para que un actuador gire la válvula 90 grados completos (es decir, para abrir o cerrar completamente una válvula después de haber dado la orden). Al igual que el par, la velocidad de un actuador está relacionada con su engranaje y la potencia de su motor. El par y la velocidad de un actuador están directamente relacionados, ya que el par es inversamente proporcional a la velocidad. Esta relación se ve afectada por los arreglos de los engranajes. Para una determinada capacidad del motor del actuador, una relación de transmisión más alta daría lugar a un mayor par y a un tiempo de respuesta más lento que una relación de transmisión más baja. Por lo tanto, si el tiempo de respuesta es una especificación crítica de la aplicación, debe considerarse junto con el requisito de especificación del par.

Método de control

Los actuadores de válvulas eléctricas comunes tienen un control de 2 puntos (comúnmente conocido como sólo encendido/apagado) o un control de 3 puntos, pero ambos tienen 3 cables.

Voltaje

Los actuadores eléctricos pueden ser de corriente continua o alterna. Suelen estar disponibles en las siguientes tensiones: 12, 24 y 48V para corriente continua y 24, 48, 120, 130 y 240V para corriente alterna.

Montaje

Los actuadores de cuarto de vuelta tienen una interfaz de conexión que los une a una válvula. Se compone de un accionamiento de salida, un cuadrado de eje o vástago para conectar la cabeza de la válvula y una brida para atornillar el actuador a la válvula. El diseño y las dimensiones de esta interfaz de conexión pueden ser específicos de la marca o estar estandarizados según normas como la ISO 5211. Ejemplos de actuadores de cuarto de vuelta con interfaces de conexión específicas de la marca son los actuadores de válvula de bola de la serie AW1 de JP fluid controls. Estas válvulas son compatibles con las válvulas BW2 y BW3 de JP fluid controls. Por otra parte, la serie de actuadores de cuarto de vuelta AG tiene una interfaz de conexión ISO 5211 normalizada y es compatible con todas las válvulas con brida ISO 5211. La figura 2 muestra un tipo de brida ISO 5211. Independientemente de la marca, se pueden intercambiar diferentes válvulas y actuadores siempre que sigan la misma norma ISO 5211. Según la norma ISO 5211, hay diferentes tipos de bridas que varían según el par máximo de la brida, la dimensión y el número de tornillos, pernos o espárragos.

Características del actuador eléctrico de la válvula

Indicadores de posición

Los indicadores de posición indican la posición, abierta o cerrada, del actuador en un momento dado. Existen indicadores visuales, como los de la figura 3, pero también hay sistemas eléctricos de retroalimentación de posición que envían la posición a su sistema (es decir, al controlador). Los indicadores de posición tienen dos opciones básicas de conmutación: interruptores mecánicos e interruptores de proximidad (sin contacto). Los finales de carrera mecánicos se activan mediante levas internas en el eje de transmisión de salida. Los interruptores mecánicos también pueden ser finales de carrera. Los interruptores de proximidad se activan mediante sensores, que detectan la posición de la válvula. Los indicadores de posición pueden mostrar sólo las posiciones básicas de encendido y apagado o también pueden indicar que están parcialmente abiertos o parcialmente cerrados.

Anulación manual

La anulación manual es una característica de seguridad presente en la mayoría de los actuadores. Suele tratarse de un volante o manivela mecánica. Esta rueda permite cerrar o abrir mecánicamente una válvula en caso de corte de electricidad o cualquier otra emergencia.

Interruptores de fin de carrera

Los finales de carrera son un componente electromecánico de los actuadores. Constan de una leva de final de carrera de cierre y otra de apertura. Cuando el actuador mueve una válvula a la posición de apertura o cierre, la leva del interruptor correspondiente se mueve. Cuando se alcanza una posición final, la leva del interruptor correspondiente corta la electricidad. De este modo, se evita que se siga moviendo y se proporciona un asiento límite. El asiento límite es el mantenimiento de una válvula en la posición final deseada. En algunos actuadores, las levas de los finales de carrera son ajustables. Esto le permite establecer una posición, como el 75% de apertura, como posición final. Las levas de los finales de carrera pueden incorporarse a los indicadores de posición como enlace mecánico entre la válvula y el actuador.

Ciclo de trabajo

El ciclo de trabajo especifica el tiempo de uso de un actuador entre ciclos. La apertura y el cierre de la válvula constituyen un ciclo. El ciclo de trabajo es una relación entre el tiempo de encendido y el tiempo de apagado, expresado en porcentaje. Se calcula mediante la siguiente fórmula. Un ejemplo sería que si un actuador tarda 10 segundos en abrirse, 20 segundos en cerrarse y 30 segundos en descansar después de abrirse y cerrarse, el ciclo de trabajo sería (10+20 / 10+20+30) × 100 = 50%.

(tiempo de apertura + tiempo de cierre) / (tiempo de apertura + tiempo de cierre + descanso) × 100 = ciclo de trabajo

A prueba de fallos

La seguridad es una característica importante en algunos actuadores de válvulas automatizadas. El dispositivo de seguridad está diseñado para cerrar o abrir una válvula siempre que se produzca un fallo de alimentación. Este sistema requiere una forma de almacenamiento de energía, como un mecanismo de resorte o una batería. Normalmente, el mecanismo de seguridad cierra la válvula. En un mecanismo de muelle, un muelle cargado cierra automáticamente la válvula cuando se corta la corriente. En el caso de un sistema de batería de reserva, a menudo denominado retorno de seguridad por batería (BSR), una batería alimenta el actuador para cerrarlo. Dependiendo del tamaño de la batería y del actuador, el tiempo de carga y la cantidad total de vueltas variará. Para una mayor redundancia, algunos actuadores tienen ambas versiones de seguridad incorporadas en el diseño. Como se ha mencionado, la mayoría de las operaciones a prueba de fallos cerrarán la válvula, pero ciertas aplicaciones requieren que la válvula se abra en caso de fallo de alimentación. Un ejemplo de esta aplicación es el flujo de agua fría que entra en un intercambiador de calor. Esto se debe a que se necesitaría agua fría para enfriar el fluido caliente restante, con el fin de evitar el sobrecalentamiento.

Modulación

Algunos actuadores de válvulas eléctricas tienen la capacidad de llevar a cabo un control modulante, que a menudo se denomina DPS (sistema de posicionamiento digital). Se trata de la capacidad de posicionar con precisión la válvula en cualquier punto entre la apertura total y el cierre total (es decir, entre 0° y 90°). Esto es necesario para las aplicaciones que requieren la variación del caudal. Normalmente, la modulación se consigue mediante un sistema de bucle de control y una placa de circuito de posicionamiento (PCB) colocada en el actuador. Para saber más sobre la modulación, lea nuestro artículo sobre válvulas modulantes .

Cableado eléctrico

Esta sección pretende explicar las distintas posibilidades de cableado de los actuadores de válvulas eléctricas de 2 y 3 puntos, ya que existen diferencias significativas entre ambos.

• actuadores de control de 2 puntos (on/off): Los tres cables son para +, - y un cable de control. Para hacer girar la válvula, el cable de control debe estar alimentado para abrir y sin alimentación para cerrar o viceversa. Si no se suministra energía a toda la unidad, la válvula permanece en la última posición. Por ejemplo, la serie AW1-R de JP Fluid Control utiliza este esquema de cableado de apertura/cierre.
• actuadores de control de 3 puntos: Los tres cables son para - y dos para + (cables de control). Por lo tanto, las dos señales de control pueden abrir o cerrar la válvula en función de cuál de ellas esté alimentada. el control de 3 puntos también ofrece la posibilidad de realizar paradas intermedias (parcialmente abiertas). Los dos cables de control nunca deben ser alimentados al mismo tiempo, o se dañará el actuador. Por ejemplo, la serie AW1 de JP Fluid Control utiliza este esquema de cableado de 3 puntos.

Antes de la instalación, verifique que el código del actuador coincide con el diagrama de conexión. Una instalación incorrecta puede dañar permanentemente el actuador o provocar situaciones de peligro. Los actuadores tienen interruptores de posición internos, lo que hace que sólo se consuma energía durante la apertura o el cierre.

actuador eléctrico de 2 puntos AW1 DC

La conexión del cable de control (azul) abre la válvula en 6s. Una vez que el cable de control se apaga, la válvula se cierra en 6s. El actuador sólo consume energía durante la apertura y el cierre.

actuador eléctrico de 3 puntos AW1 AC

Conectando el cable de control azul se abre la válvula en 16s. Conectando el cable de control marrón se cierra la válvula en 16s. Si se desconectan ambos cables de control, la válvula permanecerá en la posición actual. De esta manera se puede regular la posición de la válvula. Nunca conecte los cables de control azul y marrón al mismo tiempo, ya que esto dañará el actuador. El actuador consume energía sólo durante la apertura y el cierre.

actuador eléctrico de 2 puntos AW1 AC

La conexión del cable de control (negro) abre la válvula en 16s. Una vez que el cable de control se apaga la válvula se cierra en 16s. El actuador consume energía sólo durante la apertura y el cierre.

actuador eléctrico de 3 puntos AW1 DC

Al conectar el cable de control marrón, la válvula se cierra en 6s. Conectando el cable negro de control se asegura que la válvula se abra en 6s. Si ambos cables de control están conectados, la válvula permanecerá en la posición actual. De este modo, se puede regular la posición de la válvula. Nunca conecte los cables de control negro y marrón al mismo tiempo Esto dañará el actuador. El actuador consume energía sólo durante la apertura y el cierre.

Estándares

Grado de protección IP (IEC 60529)

Los actuadores eléctricos de válvulas tienen un grado de protección IP (protección contra la entrada). La clasificación IP especifica el grado de protección del actuador contra el polvo, el agua y otros riesgos ambientales. La clasificación IP 54 de los actuadores de válvulas de bola de la serie AW significa que estos actuadores están parcialmente protegidos contra el polvo y pueden resistir las salpicaduras de agua.

Tipo de servicio (IEC 60034-1)

Se trata de una norma internacional de la CEI (Comisión Electrotécnica Internacional) para dispositivos eléctricos rotativos. En el caso de los actuadores eléctricos, especifica el tipo y el ciclo de trabajo de sus motores eléctricos. Un actuador con clasificación S2 30min puede funcionar de forma continua durante 30min, después de lo cual se debe dejar descansar el motor. Se puede volver a poner en marcha una vez que su temperatura haya vuelto a la temperatura ambiente.

ATEX

Las directivas ATEX especifican qué equipos pueden funcionar con seguridad en un entorno de atmósfera explosiva. Una certificación ATEX para un actuador significa que el actuador es a prueba de explosiones en un entorno determinado. Consulte nuestro diagrama de flujo para determinar si necesita un actuador ATEX o si necesita una mayor comprensión de su etiqueta ATEX.

Directiva de baja tensión (LVD) 2014/35/UE

La certificación LVD garantiza que los equipos eléctricos de baja tensión, como los actuadores, ofrecen suficiente protección a sus usuarios.

Compatibilidad electromagnética (CEM) 2014/30/UE

Un actuador con certificación CEM no genera ni se ve afectado por perturbaciones electromagnéticas.

Material

Los componentes del actuador están contenidos en una carcasa compacta. Los materiales más comunes de las carcasas son el plástico y el aluminio.  Las aplicaciones especiales pueden requerir materiales de alojamiento especiales.

Aplicaciones de los actuadores eléctricos de válvulas

Los actuadores eléctricos de cuarto de vuelta se utilizan para controlar a distancia las válvulas de bola y de mariposa. Aumentan en gran medida la facilidad de manejo de las válvulas de cuarto de vuelta al proporcionar un control remoto y automatizado. También proporcionan un par de torsión suficiente para las válvulas que requieren pares de torsión más elevados que no pueden ser generados por un ser humano. Estos actuadores se utilizan en la automatización industrial, el riego, el suministro de agua, la dosificación de fluidos, los sistemas de calefacción y el transporte o la transferencia de fluidos.

Criterios de selección de los actuadores eléctricos de válvulas

• Par de torsión
• Potencia
• Compatibilidad con el montaje de válvulas
• Temperatura
• Grado de protección IP:
• Requisitos ATEX
• A prueba de fallos
• Modulación
• Tipo y ciclo de trabajo

Preguntas frecuentes

¿Cómo se cablean e instalan los actuadores eléctricos de válvulas?

Los métodos de instalación y cableado de los actuadores eléctricos varían según el modelo. Sin embargo, las instrucciones detalladas de cableado e instalación de los actuadores de las series AW y AG se pueden encontrar aquí.