GENERALIDADES DE LA HIDRÁULICA PROPORCIONAL.Los accionamientos hidráulicos permiten desarrollar grandes esfuerzos con unmínimo peso propio y un reducido espacio de montaje. Permiten un control rápido ypreciso de los movimientos de los actuadores. El cilindro hidráulico representa unactuador lineal económico y de fácil construcción. La combinación de estas ventajasabre un amplio campo de aplicaciones para la hidráulica. El crecimiento de laautomatización hace que sea posible controlar por medios electrónicos la presión, elcaudal y el sentido del flujo en sistemas hidráulicos. La elección obvia para estecontrol son las válvulas hidráulicas proporcionales, como interfase entre el sistemahidráulico y el control

Las válvulas proporcionales se controlan por medio de un sistema de controleléctrico que emite señales, lo cual es posible, incluso durante el funcionamiento delsistema.Flujo de señales y componentes.Una tensión eléctrica (típicamente entre -10V y +10V) actúa sobre un amplificadoreléctrico.El amplificador convierte la tensión en una corriente.La corriente actúa sobre el solenoide proporcional.El solenoide actúa sobre la válvula.La válvula controla el flujo energético del actuador hidráulico.El actuador convierte la energía hidráulica en energía cinética.

La tensión eléctrica de entrada puede variarse infinitamente, con lo que la potenciadel actuador puede ajustarse infinitamente.

Figura 2. Flujo de señales en hidráulica proporcional.Una válvula proporcional con su correspondiente amplificador eléctrico toma lasiguiente forma:

Figura 3. Válvula proporcional 4/3 vías con amplificador.Ventajas de la hidráulica proporcional.

Las ventajas de las válvulas proporcionales en comparación con las válvulasconmutadoras son las siguientes:Caudal y presión ajustables infinitamente y por medio de una señal eléctrica.Ajuste automático de caudal y presión durante el funcionamiento del sistema.

Automatizable, ajuste preciso e infinito de: fuerza, par de giro, aceleración,velocidad y posición.Consumo de energía reducido gracias al control de la presión y el caudalorientados a la demanda.Una válvula proporcional puede reemplazar a varias válvulas conmutadoras.Se debe tener en cuenta que los sistemas hidráulicos proporcionales trabajan bajouna regulación en lazo abierto.

VÁLVULAS PROPORCIONALES.

Solenoide proporcional.El solenoide proporcional es una variante del solenoide de conmutación. La corrienteeléctrica atraviesa la bobina del solenoide y genera un campo magnético. El campodesarrolla una fuerza dirigida hacia la derecha de la armadura.De forma similar al solenoide de conmutación, la armadura y el núcleo del solenoideproporcional están hechos de material fácilmente magnetizable. En comparación conel solenoide de conmutación, el solenoide proporcional tiene un cono de control deforma diferente, que consiste en material no magnetizable y que influye en elrecorrido de las lineas del campo magnético.Con el diseño correcto de las piezas de baja magnetización y del cono de control, seobtienen las siguientes características:La fuerza crece en proporción a la corriente.La fuerza no depende de la posición de la armadura dentro de la zona operacionaldel solenoide proporcional.Figura

Figura 4. Diseño del solenoide proporcional.

Figura 5. Característica de un solenoide proporcional.En una válvula proporcional, el solenoide actúa contra un muelle, el cual crea la fuerzade reposición. La característica del muelle ha sido introducida en los dos camposcaracterísticos del solenoide proporcional. Cuanto mas lejos se desplaza laarmadura hacia la derecha, mayor es la fuerza del muelle.

Figura 6. Comportamiento de un solenoide proporcional con diferentes corrientes.

Válvulas para presión y caudal.En las válvulas de presión, el muelle está montado entre el solenoide proporcional yel cono de control.Con una corriente eléctrica reducida, el muelle solamente está ligeramentecomprimido y la válvula abre con una baja presión. Cuanto mayor es la corrienteeléctrica establecida a través del solenoide proporciona l, mayor es la fuerza aplicadasobre la armadura. Esta se mueve hacia la derecha y la compresión previa delmuelle aumenta. La presión a la cual se abre la válvula aumenta en proporción a estafuerza.

Figura 7. Accionamiento de una válvula de presión.En las válvulas de control de caudal y distribuidoras la corredera de control estámontada entre el solenoide proporcional y el muelle.En el caso de una corriente eléctrica reducida, el muelle solamente se comprimeligeramente. La corredera se halla completamente hacia la izquierda y la válvula estácerrada. Con el aumento de corriente a través del solenoide proporcional, lacorredera es empujada hacia la derecha y la válvula se abre, incrementando elcaudal.Figura

Figura 8. Accionamiento de una válvula de caudal.

Control posicional de la armadura.Los efectos de magnetización, las fuerzas de rozamiento y el flujo distorsionan lasprestaciones de una válvula proporcional. Esto lleva a que la posición de la armadurano sea exactamente proporcional a la corriente eléctrica.Puede obtenerse una mejora en la precisión por medio de un bucle cerrado deregulación de la posición de la armadura.La posición de la armadura se mide por medio de un sistema de medición inductivo.La señal de medición se compara con la señal de referencia. La diferencia seamplifica, el solenoide entonces crea una fuerza que cambia la posición de laarmadura de forma tal que se reduce la diferencia entre la señal de referencia y la

señal de medición.El solenoide proporcional y el transductor de posición forman una unidad, que sehalla montada sobre la válvula.

Figura 10. Diseño de un solenoide proporcional de posición controlada.

Válvulas limitadoras de presión proporcionales.Una válvula limitadora de presión pilotada consiste en una etapa previa con unaválvula de asiento y una etapa principal con una corredera de control. La presión enla conexión P actúa sobre el cono de control del pilotaje a través del agujero en lacorredera de control. El solenoide proporcional ejerce una contrafuerza regulableeléctricamente.La etapa preliminar permanece cerrada, si la fuerza del solenoide proporcional esmayor que la fuerza producida por la presión en la conexión P. El muelle sostiene lacorredera de control de la etapa principal en la posición baja, el caudal es cero.Si la fuerza ejercida por la presión sobrepasa la fuerza de cierre del cono del pilotaje

de control, este se abre. Un pequeño caudal regresa al depósito desde la conexión Pa través de Y. Este caudal provoca una caida de presión a través de la corredera decontrol, por lo cual la presión en la parte superior de la corredera de control quedapor debajo de la presión en la parte inferior. La presión diferencial produce unafuerza resultante. La corredera de control se desplaza hacia arriba hasta que elmuelle antagonista compense esta fuerza. El borde de control de la etapa principalse abre de forma que P y T quedan conectados. La presión del fluido se descarga aldepósito.Figura

Figura 11. Válvula limitadora de presión proporcional pilotada.

Válvulas reguladoras de presión proporcionales.En una válvula reguladora de presión pilotada proporcional de 2 vías, la etapa depilotaje se realiza en forma de válvula de asiento y la etapa principal en forma decorredera de control. La presión en la conexión de utilización A actúa sobre el conodel pilotaje a través del taladro en la corredera de control. La fuerza opuesta seestablece por medio del solenoide proporcional.Si la presión en la conexión A se halla por debajo del valor preestablecido, el controldel pilotaje permanece cerrado. La presión en ambos lados de la corredera decontrol es idéntica. El muelle empuja la corredera hacia abajo y el borde control de laetapa principal se abre. El fluido a presión puede pasar sin restricción desde laconexión P hacia la conexión A.Si la presión en al conexión A sobrepasa el valor preestablecido, la etapa de pilotajeabre, de forma que un pequeño caudal pasa hacia la conexión Y. En la corredera decontrol hay una caida de presión a través del caudal de control. La fuerza en la partesuperior de la corredera se reduce y la corredera se desplaza hacia arriba. Lasección transversal de la apertura se reduce. Como resultado de esto, la resistenciaal caudal del borde de control entre P y A se incrementa. La presión en A cae.

Figura 12. Válvula reguladora de presión proporcional pilotada.

Válvulas restrictoras de caudal proporcionales.En el caso de una válvula de control de caudal proporcional en un sistema hidráulico,la sección transversal de estrangulamiento se ajusta eléctricamente para cambiar elcaudal de paso.Una válvula restrictora de caudal proporcional tiene una forma constructiva similar ala de una válvula conmutadora de 2/2 vías o a la de una válvula conmutadora de 4/2vías.En una válvula reguladora de caudal proporcional accionada directamente, elsolenoide proporcional, actúa directamente sobre la corredera de control.Con una corriente reducida a través del solenoide proporcional, ambos bordes decontrol están cerrados. Cuanto mayor es la corriente eléctrica a través del solenoideproporcional, mayor es la fuerza de la corredera. La corredera se desplaza hacia laderecha y abre los bordes de control.La corriente a través del solenoide y la desviación de la corredera sonproporcionales.Figura

Figura 13. Válvula restrictora de caudal proporcional accionada directamente.

Válvulas distribuidoras proporcionales.El diseño de una válvula distribuidora proporcional se parece al de una válvulaconmutadora de 4/3 vías.Si la señal eléctrica es cero, entonces ambos solenoides están desactivados. Lacorredera se halla centrada por los muelles. Todos los bordes de control se hallancerrados.Si entra una tensión negativa, la corriente fluye a través del solenoide de la derecha.La corredera se desplaza hacia la izquierda. Se unen las conexiones P y B asi comoA y T. La corriente a través del solenoide y la desviación de la corredera sonproporcionales.Con una tensión positiva, la corriente fluye a través del solenoide de la izquierda. Lacorredera se desplaza hacia la derecha. Se unen las conexiones P y A asi como B yT. También en este estado de funcionamiento, la corriente eléctrica y la desviaciónde la corredera son proporcionales entre si.En el caso de fallo de tensión, la corredera se desplaza a la posición media, deforma que todos los bordes de control están cerrados.

Figura 14. Válvula distribuidora proporcional 4/3 vías de accionamiento directo.En una válvula distribuidora proporcional pilotada, para el control del pilotaje se utilizauna válvula proporcional de 4/3 vías. Esta válvula se utiliza para variar la presión enlas superficies frontales de la corredera de control, con lo que la corredera de controlde la etapa principal se desplaza y los bordes de control abren.

Para obtener una mayor precisión, se controla la posición de ambas etapas de laválvula. En el caso de un fallo de energía, la corredera de control de la etapa principalse desplaza a la posición media, de forma que todos los bordes de control estáncerrados.En lugar de la válvula de 4/3 vías, pueden utilizarse para el pilotaje dos reguladoresde presión de 3 vías. Cada regulador de presión controla la presión de una de lassuperficies frontales de la corredera de control de la etapa principal.En una válvula pilotada, la fuerza para el accionamiento de la etapa principal esgenerada hidráulicamente. El solenoide proporcional solamente debe generar unamínima fuerza en la etapa inicial. La ventaja es que puede controlarse una granpotencia hidráulica con un pequeño solenoide proporcional y una mínima corrienteeléctrica. La desventaja es el consumo adicional de aceite y de potencia del pilotaje

de control.En general, las válvulas distribuidoras proporcionales hasta un paso nominal de 10,están diseñadas con accionamiento directo. Con válvulas de mayor paso nominal, seprefiere la ejecución pilotada.

Figura 15. Válvula distribuidora proporcional pilotada.

Válvulas reguladoras de caudal proporcionales.En las válvulas reguladoras de caudal, el caudal depende de dos factores:La abertura del borde de control especificada por medio de la señal de control.La caida de presión a través de la válvula.Para asegurar que el caudal esté afectado solamente por la señal de control, la caídade presión a través del borde de control debe mantenerse constante. Esto seconsigue por medio de un equilibrio de presión adicional.En una válvula reguladora de caudal de 3 vías, el solenoide proporcional actúa en laparte izquierda de la corredera. Cuanto mayor es la corriente eléctrica a través delsolenoide proporcional, mas se abre el borde de control A – T y mayor es el caudal.La parte derecha de la corredera está diseñada como un equilibrador de presión. Lapresión en la conexión A actúa en el lado izquierdo de la corredera y la fuerza delmuelle y la presión de la conexión T en el lado derecho.Si el caudal que atraviesa la válvula es demasiado elevado, la caída de presión en elborde de control aumenta, es decir, aumenta la presión diferencial A – T. Lacorredera de control del equilibrador de presión se desplaza hacia la derecha yreduce el caudal en el borde de control T – B. Esto produce la deseada reducción decaudal entre A y B.Si el caudal es demasiado bajo, la caída de presión en el borde de control disminuyey la corredera de control del equilibrador de presión se desplaza hacia la izquierda.El caudal en el borde de control T – B sube y el caudal aumenta.De esta forma, el caudal A – B es independiente de las fluctuaciones de la presiónen ambas conexiones.Si la conexión P se cierra, la válvula funciona como una válvula de control de 2 vías.Si la conexión P es desviada al depósito, la válvula funciona como una válvulareguladora de caudal de 3 vías.

Figura 16. Válvula distribuidora proporcional pilotada.

CURVAS CARACTERÍSTICAS Y PARÁMETROS.Representación de la curva característica.La correlación entre la señal de entrada (corriente eléctrica) y la señal de salida(presión o caudal) pueden representarse de forma gráfica, con lo cual las señales seintroducen en un diagrama.En el caso de un comportamiento proporcional, la curva característica es lineal. Lascurvas características de las válvulas comunes difieren de este comportamiento.Figura 17. Característica de una válvula limitadora de presión proporcional.Las desviaciones del comportamiento ideal se producen como resultado delrozamiento de la corredera y de los efectos de magnetización, tales como el umbralde respuesta, el margen de inversión y la histéresis.Umbral de respuesta.Si la corriente eléctrica que atraviesa el solenoide proporcional aumenta, laarmadura del solenoide se desplaza. Inmediatamente que la corriente deja decambiar, la armadura permanece inmóvil. Entonces la corriente debe incrementarseun valor mínimo antes de que la armadura se mueva de nuevo. La variación mínimarequerida se conoce como umbral de respuesta o sensibilidad de respuesta, quetambién se produce si la corriente se reduce y la armadura se desplaza en sentidocontrario.

Figura 18. Umbral de respuesta.

Margen de inversión.Si la señal de entrada primero cambia en sentido positivo y después en sentidonegativo, ello produce dos curvas características deferentes. La distancia entreambas curvas se conoce como margen de inversión. Se produce el mismo margende inversión si la corriente primero cambia en sentido negativo y a continuación ensentido positivo.

Histéresis.Si la corriente cambia de un lado a otro en todo el margen de corrección, estoproduce una distancia máxima entre las curvas características. La distancia mayorentre las dos curvas se conoce como histéresis.

Figura 20. Histéresis.Los valores de umbral de respuesta, margen de inversión y la histéresis se reducenmediante el control posicional. Los valores típicos para estas tres variables se hallanalrededor del 3 al 6% para válvulas sin regular y del 0,2 al 1% para válvulas conposición controlada.Curvas características de las válvulas de presión.El comportamiento de las válvulas de presión se describe por la función de la señalde presión con respecto al cambio de la señal de corriente eléctrica.Figura

Figura 21. Función presión / señal de una válvula limitadora de presión pilotada.

Curvas características de las válvulas de caudal.En las válvulas distribuidoras y reguladoras de caudal la desviación de la correderaes proporcional a la corriente eléctrica que circula a través del solenoide.El caudal aumenta no solo con un aumento de la corriente a través del solenoide,sino también con un incremento en la caída de presión en la válvula. Esta es la razónpor la que en la ficha técnica se especifica la presión diferencial a la cual se hanrealizado las mediciones por ejemplo 5 bar, 8 bar o 35 bar por borde de control.

Figura 22. Circuito para medición de la función caudal / señal.Las variables adicionales que influyen en la función caudal / señal son elsolapamiento y la forma de los bordes de control.Solapamiento.El solapamiento de los bordes de control influye en la función caudal / señal.En el caso de un solapamiento positivo, una reducida corriente eléctrica provoca unadesviación de la corredera de control, pero el caudal permanece en cero. Esto

produce una zona muerta en la función caudal / señal.

Figura 23. Solapamiento positivo.En el caso de solapamiento cero, la función caudal / señal en el margen bajo de laseñal es lineal.

Figura 24. Solapamiento cero.En el caso de solapamiento negativo, la función caudal / señal en el margen depequeña apertura de la válvula, produce una forma mayor.

Bordes de control.Los bordes de control de la corredera de la válvula pueden tener diversas formas.Pueden variar en lo siguiente:Formas de los bordes de control.El número de aberturas en la periferia.El cuerpo de la corredera (manguito sólido o taladrado).

Figura 26. Correderas con diferentes formas de los bordes de controlEl borde de control con forma triangular se utiliza con mucha frecuencia. Sus ventajaspueden aclararse sobre una válvula distribuidora accionada manualmente.Con la válvula cerrada, la fuga es mínima debido al solapamiento y a las aberturas enforma triangular.En el margen de pequeñas aperturas, los movimientos de la leva producen pequeñasvariaciones de caudal. El caudal en este margen puede controlarse con un alto gradode sensibilidad.En el margen de grandes aperturas, se alcanzan grandes variaciones de caudal conpequeñas desviaciones de la leva.Si la leva se desplaza hasta el tope, se obtiene una gran apertura de válvula, con loque el actuador hidráulico conectado alcanzará una elevada velocidad.

Figura 27. Válvula accionada manualmente con bordes de control triangulares.De forma semejante a la leva manual, un solenoide proporcional también permite unajuste continuo de la válvula. Por lo tanto, todas las ventajas de los bordes de control

de tipo triangular valen también para las válvulas proporcionales accionadaseléctricamente.El borde de control rectangular produce un recorrido prácticamente lineal de la curvacaracterística, el borde de control triangular produce una función parabólica.

Figura 28. Función caudal / señal para borde de control rectangular.

Figura 29. Función caudal / señal para borde de control triangular.Parámetros dinámicos de una válvula proporcional.Muchas aplicaciones requieren válvulas proporcionales, que no solamente soncapaces de seguir con precisión los cambios de la entrada eléctrica, sino tambiénmuy rápidamente. La velocidad de reacción de una válvula proporcional puedeespecificarse por medio de dos valores característicos:Tiempo de manipulación.Frecuencia crítica.Tiempo de manipulación.El tiempo de manipulación de una válvula proporcional se determina de la siguientemanera: la señal de control se modifica por medio de un cambio en escalón, se mideel tiempo requerido por la válvula para alcanzar la nueva variable de salida.El tiempo de manipulación aumenta con grandes cambios de señal, además,muchas válvulas tienen tiempos de manipulación diferentes para los cambiospositivos o negativos de la señal de control.Los tiempos de manipulación de las válvulas proporcionales se hallanaproximadamente alrededor de los 10 ms y los 100 ms.

Figura 30. Tiempo de manipulación para diferentes saltos de la señal de control.Medición de la respuesta en frecuencia.Para poder especificar la frecuencia crítica de una válvula, primero es necesariomedir la respuesta en frecuencia.Para medir la respuesta en frecuencia, la válvula se acciona por medio de una señalde control sinusoidal. La variable de corrección y la posición de la corredera serepresentan gráficamente utilizando un osciloscopio. La corredera de la válvulaoscila a la misma frecuencia que la señal de control.Si la frecuencia de accionamiento aumenta mientras que la amplitud de activaciónpermanece igual, entonces la frecuencia a la cual oscila la corredera tambiénaumenta. Con frecuencias muy altas, la corredera ya no es capaz de seguir loscambios de la señal de control.

Figura 31. Medición de la respuesta en frecuencia.La respuesta en frecuencia consiste en dos diagramas: la respuesta en amplitud y larespuesta en fase.La respuesta en frecuencia produce una frecuencia crítica de aproximadamente 65Hz al 10% de la máxima amplitud posible de la señal de control. Para un 90% deamplitud de la señal de control, la frecuencia crítica es de aproximadamente 23 Hz.

AMPLIFICADORES PROPORCIONALES.La señal de control para una válvula proporcional se genera a través de un circuitoelectrónico. Deben distinguirse entre dos funciones:Especificación del valor de consigna.Amplificador.

Figura 32. Esquema de flujo de señal.La especificación del valor de consigna y el amplificador pueden agruparse enmódulos electrónicos de varias maneras.

Figura 33. Módulos electrónicos para el flujo de señal.Diseño y modo de funcionamiento de un amplificador.En los amplificadores para válvulas proporcionales, debe distinguirse entre dosejecuciones: el amplificador se halla montado en la válvula o está diseñado en formade módulo o tarjeta independiente.

Funciones del amplificador.Elemento de corrección: su objeto es c ompensar la zona muerta de la válvula.Modulador de ancho de pulso: se utiliza para convertir la señal.Etapa final: proporciona la capacidad eléctrica requerida.

Figura 34. Módulo sin control posicional de la armadura.Para válvulas con solenoides de posición controlada, la evaluación del sensor y elbucle cerrado de regulación están integrados en el amplificador. Se necesitan lassiguientes funciones adicionales:Fuente de tensión: para alimentación del sistema de medición.Demodulador: convierte la tensión suministrada por el sistema de medición.Regulador: realiza la comparación y la corrección de la posición.Figura 35.

Figura 35. Módulo con control posicional de la armadura.Un amplificador de un canal es adecuado para válvulas con un solenoideproporcional. Las válvulas distribuidoras accionadas por medio de dos solenoidesrequieren un amplificador de dos canales. Dependiendo del estado de la señal de control, se aplica la corriente solamente en el lado derecho o izquierdo del solenoideproporcional.Figura

Figura 36. Amplificador de dos canales sin control posicional de la armadura.Modulación de ancho de pulso.La tensión eléctrica es convertida a pulsos. Se generan aproximadamente diez milpulsos por segundo.Cuando se ha ejecutado la etapa final, la señal en forma de pulso actúa sobre elsolenoide proporcional. Dado que la inductividad de la bobina del solenoideproporcional es elevada, la corriente no puede cambiar tan rápidamente como latensión. La corriente fluctúa ligeramente por un valor medio.Una tensión eléctrica pequeña, tal como una señal de entrada, crea pequeñospulsos. La corriente promedio del solenoide es pequeña.

Figura 37. Modulación de ancho de pulso.Cuanto mayor es la tensión eléctrica, más ancho es el pulso. La corriente promedioque atraviesa la bobina del solenoide aumenta.El promedio de la corriente que atraviesa el solenoide y la tensión de entrada delamplificador son proporcionales entre sí.

Figura 38. Modulación de ancho de pulso.Efecto Dither.La ligera pulsación de la corriente, como resultado de la modulación de la amplitudde los pulsos hace que la armadura y la corredera de la válvula oscilen ligeramente aalta frecuencia. Con ello no se producen rozamientos estáticos. El umbral derespuesta, el margen de inversión y la histéresis de la válvula se reducen claramente.La reducción del rozamiento y la histéresis como resultado de la alta frecuencia de laseñal, se conoce como efecto Dither.Ajuste de un amplificador.Como resultado del solapamiento, las válvulas tienen una marcada zona muerta. Sise combina una válvula y un amplificador con característica lineal, se mantiene lazona muerta. Si se combina una válvula con un amplificador con característica linealespecial, puede compersarse la zona muerta.

Figura 39. Compensación de la zona muerta.

Figura 40. Compensación de la zona muerta.Puede ajustarse la característica del amplificador de la válvula, con la cual es posible

utilizar el mismo tipo de amplificador para diferentes tipos de válvulas, compensartolerancias de fabricación, reemplazar solamente la válvula o solamente elamplificador.Se ajustan tres variables:Corriente máxima: valor máximo de corriente para el solenoide proporcional.Corriente de salto: compensar solapamientos.Corriente básica: posicionar cuando se recibe señal cero.

Figura 41. Opciones de ajuste con un amplificador de dos canales.Especificación del valor de consigna.En una válvula proporcional se necesita una tensión eléctrica como señal de control.La tensión puede variar en general entre 0V y 10V o entre –10V y 10V. La variablede corrección puede ser generada de diferentes formas.

Con una válvula proporcional, es posible establecer diferentes aperturas de válvula yvelocidades. También en estos circuitos los cambios bruscos de las señales decontrol producen aceleraciones bruscas y vibraciones.Para conseguir un movimiento suave y regular, la variable de corrección de la válvulaproporcional se modifica en forma de rampa.A menudo se necesitan diferentes pendientes de rampa para el avance y elretroceso de un actuador. Además, muchas aplicaciones exigen diferentespendientes de rampa para generar aceleración y desaceleración de cargas. Paratales aplicaciones se utilizan formadores de rampas, que automáticamentereconocen el estado operacional y conmutan entre las diferentes rampas.

Figura 42. Formador de rampa con diferentes pendientes.