Reguladores de Velocidad en Motores Marinos

El Regulador de Velocidad,es un elemento que mantiene las revoluciones del motor constantes dentro de un rango deseado y en función del punto de funcionamiento que le queramos transmitir.

Además, este elemento posee protecciones de seguridad, de manera que regula la velocidad que puede llegar a alcanzar el motor para evitar revoluciones dañinas para la instalación. Otra situación donde actúa como elemento de seguridad es cuando se trabaja en vacío o hay un cambio de carga, actuando sobre la cremallera,elemento encargado de regular la cantidad de combustible que es inyectada en los cilindros del motor para mantener las revoluciones lo mas constante posible.


Índice:

1-Introducción

2-Clasificación de los reguladores

2.1-Reguladores Mecánicos

2.2-Reguladores Neumáticos 

2.3-Reguladores Hidráulicos 

2.4- Reguladores Hidráulicos isócronos

2.5-Regulador Hidráulico isócrono con caída de velocidad ajustable

2.6-Regulador Hidráulico con caída de velocidad permanente

2.7-Regulador Electrónico

3-Descripción de un sistema de control de velocidad de un buque

4-Formas de regulación en el sistema de control

5-Formas de acción de un sistema de control

6-Selección del modo de regulación

7-Bibliografía


 

1-Introducción:

Cuando hablamos de reguladores de velocidad en motores marinos, se habla del elemento que tiene por misión mantener las revoluciones del motor constantes dentro de un rango deseado y en función del punto de funcionamiento que le queramos transmitir.

Además, este elemento posee protecciones de seguridad de manera que regula la velocidad que puede llegar a alcanzar el motor para evitar revoluciones dañinas para la instalación. Otra situación donde actúa como elemento de seguridad es cuando se trabaja en vacío o hay un cambio de carga, actuando sobre la cremallera,elemento encargado de regular la cantidad de combustible que es inyectada en los cilindros del motor para mantener las revoluciones lo mas constante posible

partes de un regulador europapartes de un regulador europa 2

Hay que tener en cuenta que el porcentaje de combustible que se introduce en los cilindros depende única y exclusivamente de la dosificación que se produzca en el elemento de bombeo de combustible, siendo tradicionalmente mediante bomba de inyección. La posición en la que se encuentra la cremallera marcaría la cantidad de combustible a inyectar y sobre esta cremallera es donde actúa el regulador de velocidad.

regulador de velocidad mecanico 3regulador de velocidad mecanico 2

 

La misión que tiene el regulador de velocidad en motores principales es la de mover la cremallera para que inyecte la cantidad de combustible proporcional a las revoluciones que se demandan desde el puente de mando, la sala de control o el control local de la sala de maquinas y con ello conseguiremos que se mantengan constantes dichas revoluciones.

Regulador europa

Regulador de velocidad -Europa

Como los diesel generadores trabajan en función de la carga que demande la planta eléctrica del buque, los reguladores se encargan de mover la cremallera en proporción a la potencia demandada por el repartidor de carga del cuadro de distribución eléctrica. Para entenderse mejor, como estos generadores siempre han de tener las mismas revoluciones, imaginemos que aparece un incremento de carga: el regulador tendrá la misión de mover las cremalleras para que haya un aumento de la cantidad de combustible y así mantener constantes las revoluciones. Si no se actuara en la cremallera, se tendría la misma la cantidad de combustible en el momento inicial y en el incremento de carga, con lo que la máquina tendería a disminuir las revoluciones debido a que no tiene movimiento suficiente para mantener esa carga.


2-Clasificación de los reguladores:

A continuación nombraremos los diferentes reguladores que se emplean actualmente, en base a su sistema de accionamiento, y haciendo una breve explicación de cómo un regulador es capaz de controlar las revoluciones aumentando y disminuyendo la cantidad de combustible:

2.1-Reguladores mecánicos:

Están formados por dos masas centrífugas que giran sobre si mismo y dos muelles que van montados en la misma masa, de manera que al haber un cambio de velocidad de rotación las masas modifican la tensión de los muelles y se mueven, moviendo el sistema de regulación que acciona las cremalleras de las bombas de combustible.

 

regulador mecánico

 

  • Funcionamiento:

Al incrementar el número de revoluciones, la fuerza centrífuga provocada, es superior a la tensión ejercida por los muelles y las masas centrífugas se desplazan hacia el exterior. En caso de que disminuyan las revoluciones, la fuerza centrífuga disminuye y la tensión de los muelles es superior a las masas centrífugas, por lo que oscilarán hacia el interior.

carga parcial de un regulador mecánico

2.2-Reguladores neumáticos:

En estos reguladores se sustituye la fuerza centrifuga por otra fuente de energía de la que se pueda disponer durante el funcionamiento del motor, utilizándose la depresión que se produce durante la entrada de aire del motor mediante una válvula de mariposa. El principio que utiliza es hacer que esta depresión actúe sobre una membrana acoplada a la varilla de regulación de la bomba de combustible.regulador de velocidad neumático

  • Funcionamiento:

Durante el funcionamiento del motor, la posición de la membrana y la varilla dependen exclusivamente de la diferencia de presiones entre las dos caras de la membrana. Si para una posición de la válvula de mariposa la carga aumenta o disminuye, la velocidad de rotación disminuye o aumenta produciéndose depresiones en la cámara de depresión.

2.3-Reguladores hidráulicos

En este tipo de reguladores la fuerza centrífuga de las masas actúa sobre un distribuidor de aceite que permite el paso de aceite a una u otra región de la bomba de accionamiento de la varilla de regulación. El regulador de masas transfiere sus movimientos a una válvula piloto que controla el envío de aceite a la bomba de accionamiento hidráulico.

reguladores hidráulicos

Cuando la válvula piloto se encuentra en la posición media se cierran las aberturas que conectan las dos regiones, de modo que queda estático, manteniéndose el suministro de combustible en base a la velocidad establecida por el regulador.

 

2.4- Reguladores hidráulicos isócronos

Estos elementos son capaces de mantener las revoluciones del motor constantes consiguiendo estabilizar el funcionamiento de su mecanismo usando un dispositivo de caída de velocidad mientras se corrige la cantidad de combustible, y mas tarde anula la caída de velocidad permitiendo al motor retomar su velocidad original.

reguladores hidraulicos isócronos

 

2.5-Regulador hidráulico isócrono con caída de velocidad ajustable

Estos reguladores son exactamente igual que los anteriores salvo que están equipados con un elemento de varillaje de caída de velocidad, el cual permite al motor trabajar a una velocidad más baja a medida que aumenta la carga y a su vez aumenta el suministro de combustible para la carga adicional. La caída de velocidad permite el reparto equilibrado de las cargas entre máquinas en paralelo, como es el caso de los diesel generadores cuando uno trabaja como maestro y otro como esclavo.

Regulador hidráulico isócrono con caída de velocidad ajustable

2.6-Regulador hidráulico con caída de velocidad permanente

Con este regulador pasaríamos a tener un dispositivo con caída de velocidad, ya que se consigue la estabilidad deseada para cada velocidad de rotación. Pero ademas de ello, diremos que esta caída de velocidad es permanente, y por tanto no isócrono (Recordemos que isócrono se refiere a que no se desarrollan las mismas revoluciones para todas las cargas),y se obtiene mediante la conexión de un balancín entre el cilindro de maniobra y el muelle del regulador mecánico, de forma que al aumentar el suministro de combustible disminuya el ajuste de velocidad a fin de que al reducir la tensión del muelle disminuya la velocidad del motor y que al aumentar la tensión del muelle aumente la velocidad de la máquina.

regulador hidráulico con caida de velocidad permanente

 

2.7-Regulador electrónico

Estos son los mas usados y los que pondremos como ejemplo para explicar un sistema de control en un motor diesel marino. Se trata de un regulador que funciona con control PID (proporcional, integral y derivativo) del que se disponen sensores de velocidad que compara la señal de consigna establecida con la velocidad real del motor y actúa en función de su error o diferencia.

regulador electronico

Una vez corregido el error, el regulador envía una señal eléctrica al actuador que es el que mueve las cremalleras de las bombas de inyección.


3-Descripción de un sistema de control de velocidad de un buque

A continuación nos basaremos en un sistema de control de velocidad de un motor propulsor de un buque para tener una idea más clara de cómo funciona este sistema.

Hoy en día, el tipo de regulación que normalmente utilizan los buques es la regulación electrónica, pero veremos cómo, en caso de fallo de ésta, se puede sustituir automáticamente por otro tipo de regulaciones al disponer frecuentemente de sistemas redundantes.

Para el control de combustible, se posee de un regulador electrónico en este caso el regulador Woodward 723 Plus que es de acción inversa, esto quiere decir que a menor intensidad de corriente mayor será la cantidad de combustible a emplear. Esto se hace debido a que en caso de fallo de este regulador, inmediatamente se regula por otro medio, como por ejemplo la regulación mecánica.

regulador de velocidad electrónico

El sistema de control esta formado básicamente por:

  1. Un panel de control local
  2. Un actuador que incluye un regulador mecánico
  3. Un convertidor electro-hidráulico.

Las funciones que realiza el sistema el sistema de control son:

  • Regulación electrónica, neumática o mecánica de velocidad del motor.

  • Control de operación local y remota.

  • Control de la carga de combustible.

  • Control de los límites de combustible para la protección del motor.

  • Control de seguridad y alarmas.

  • Capacidad de arrancar y parar el motor.

panel de control local del motor

 

Explicación de los elementos que forman el sistema de control:

  • Regulador electrónico: elemento que recibe la señal eléctrica del puente de mando o de la sala de control de máquinas y que, tras compararla con los sensores de velocidad (Pickups), sufre un proceso proporcional, integral y derivativo (PID), se crea una nueva señal corregida y se envía al convertidor electro-hidráulico para  transformar dicha señal en una respuesta hidráulica.

regulador de velocidad electrónico

  • Convertidor electrohidráulico [Electrohidraulic Converter (EG)]: elemento que recibe la señal eléctrica proveniente del regulador electrónico y la transforma en señal hidráulica para así mandarla al actuador y modifique la posición de las cremalleras para crear una nueva demanda de combustible.

    actuador electro hidraulico

                                          Ejemplo de un actuador electro hidráulico

     

  • Regulador mecánico Pressure Compensated-Air Speed Setting Governor (PGA): elemento que mantiene las revoluciones del motor en función de la demanda generada desde el puente o la sala de máquinas.Pressure Compensated-Air Speed Setting Governor (PGA)
  • Actuador EG-PGA: está formado por un convertidor electro hidráulico y un regulador mecánico y el conjunto de los mismos pasa a llamarse EG-PGA. Es el encargado de mover las cremalleras en función de la demanda de combustible.

actuador EG-PGA

  • Sensor de velocidad (Pickup magnético): elemento que mide la velocidad real de un motor a través de una señal electromagnética generada. Es instalado a una pequeña distancia del volante de inercia de la máquina.
    Sensor de velocidad
    Cuando un material ferromagnético (en este caso, el diente de una rueda dentada) pasa frente a la cabeza del pickup magnético, varía el campo que corta la bobina de éste, con lo que se generará una tensión. Tanto la frecuencia de salida como la tensión creada en el pickup varían con la velocidad de la rueda dentada. Lo que básicamente hacen las entradas para la medida de velocidad es medir la frecuencia de la señal del pickup, que será proporcional a la velocidad del motor.

sensor de velocidad (3) sensor de velocidad de cerca

 

  • Servomotor Booster: cilindro hidráulico que contiene en su interior un pistón. En una de las cámaras se encuentra el aceite del regulador y en la otra el aire a presión que procede del sistema de aire de arranque a través de una válvula de 3 vías accionada mediante una solenoide. A la hora de arrancar se permite el paso del aire hacia el Booster de manera que se consigue presurizar el aceite que se encuentra dentro del mismo. Así conseguimos que durante el arranque se obtengan presiones de aceite en el regulador que le permite hacerse cargo del motor rápidamente. Durante una operación normal, el Booster es innecesario debido a que la bomba de engranajes suministra el aceite a presión que necesita el regulador.

servomotor booster

 

4-Formas de regulación en el sistema de control

Nota*:La siguiente información está recogida de un estudio realizado a bordo por el autor 

Como nuestro sistema es de acción inversa, a continuación se van a explicar las diferentes formas de regulación que tiene el motor para que, en caso de avería, pueda ser intervenido y controlado mediante otro sistema y así no tener que sufrir una parada del motor.Además, introduciremos una visualización del esquema para entender mejor su funcionamiento:

  • Control electrónico

Cuando ponemos en funcionamiento el motor principal y se crea una demanda de revoluciones desde el puente o desde la sala de máquinas, entra en acción nuestro sistema de control electrónico, a través de un elemento llamado Woodward 723 Plus, el cual genera una señal eléctrica que varía de 4 a 20 mA, y que variará respecto del convertidor electrohidráulico del regulador. Esta diferencia o error que se produce será la orden que le llegará al actuador de manera que mueva las cremalleras para que aumente o disminuya el combustible. Es importante aclarar que la señal eléctrica comienza en 4 mA debido a que debemos estar seguros de que existe una corriente en nuestro circuito. La señal de velocidad real del motor es obtenida y enviada al regulador mediante dos pickups instalados en su volante de inercia.

En caso de fallo del sistema electrónico o de cualquiera de sus elementos, como nuestro sistema es de acción inversa el control pasaría automáticamente al mecanismo de bolas del regulador; Aclarar que si fuera de acción directa el motor sufriría una parada debido a que no dispone de ningún otro elemento alternativo para seguir regulando el combustible.

Una vez controlada la velocidad bajo el control mecánico del regulador, se puede seleccionar un ajuste de velocidad remoto, mediante una señal neumática, la cual se obtiene a partir de una señal de corriente procedente del puente, y, finalmente, se controlará la velocidad del motor de nuevo. Desde el puente de mando, se generan señales de 4-20 mA de demanda para las rpm. Esta señal de corriente llega al panel de control para el control electrónico que realiza nuestro Woodward 723 Plus. En este caso, estamos hablando de un control remoto, que es el que normalmente se usa en este tipo de buques.

En caso de que queramos pasar el control a local, tendremos que fijar de forma digital mediante los conmutadores de subir y bajar rpm del panel de control local del motor.

Mientras se está trabajando en control automático y con el WW723 en perfecto funcionamiento, se mantiene energizado un relé, y a través de éste se dejan pasar 5 V hacia un convertidor de Intensidad/Presión, el cual toma la señal de corriente que recibe del controlador electrónico y lo convierte en una señal de presión. Llegado este punto, el convertidor recibe la corriente máxima (>20 mA) con lo que convierte esta señal de corriente en presión máxima (>15 psi), y tomando ésta como referencia de velocidad al regulador, demandamos así la velocidad máxima.

  • Control mecánico

En caso de que fallara nuestro controlador WW723 (por alimentación, Fallo en los pickups,…), llega un momento en el que nuestro relé K11 se desenergiza, provocando que no deje pasar la señal al convertidor I/P y así los 5 V. Con ello, nuestro convertidor no recibe señal (I=0 mA) con lo que se genera una señal neumática mínima de rpm. Este fallo provocará que el mecanismo de bolas pase a mínima velocidad y, como consecuencia de ello, el motor reducirá a la mínima su velocidad.

Ahora bien, la velocidad del motor se podrá ajustar manualmente mediante el botón de ajuste del regulador PGA. En este caso, el oficial de guardia debe inspeccionar el motor para comprobar el motivo por el cual se ha cambiado el control a backup mediante el mecanismo de bolas (comprobar suciedad de los cables de ambos pickups, cableado de alimentación,…).

En caso de que se haya desenergizado el relé debido a un fallo en el control electrónico WW723,en el encendido del controlador solamente se podrá volver a energizar el relé si, y solo si el motor se ha parado durante un período de tiempo predeterminado (5 min) y se ha pulsado el botón de reseteo en el cuadro.

  • Control neumático

Al seleccionar el modo mecánico en el panel LECP, y estando el control en remoto, el relé se encuentra desenergizado, con lo que a través de su contacto se hace pasar al convertidor I/P la señal de demanda de rpm de que proviene del sistema de control LIPS (fabricante del sistema de control del grupo Wärtsilä). Esta señal eléctrica se convierte en señal neumática de 3 a 15 psi. Pasamos entonces a estar bajo control del regulador mecánico con demanda de rpm neumática.

En caso de fallo del convertidor I/P o fallo del aire de control, estando seleccionado el control mecánico, el actuador PGA pasará a control mecánico de backup y su ajuste de velocidad se hará sobre el botón giratorio del propio regulador.

Si seleccionamos el control mecánico con modo local, el relé se encuentra desenergizado, pero la señal de demanda de LIPS está cortada, por lo que el convertidor I/P se envía señal mínima, lo que viene a decir que la demanda neumática de rpm al regulador mecánico es mínima. En este caso, el ajuste de velocidad se hace actuando sobre el botón giratorio del regulador mecánico.


5-Formas de acción de un sistema de control

El conjunto convertidor EG – regulador PGA puede estar programado como de acción directa o de inversa:

  • En la acción directa, se toma una señal de corriente creciente que es proporcionada por el Woodward 723 que, a mayor intensidad, mayor cantidad de combustible consume la máquina. La acción directa supone la caída de la máquina en caso de pérdida de la señal electrónica.

  • En la acción inversa, una señal de corriente creciente supone una disminución en el caudal de combustible proporcionado a la máquina, es decir, a mayor intensidad, menor cantidad de combustible consume la máquina. La acción inversa se implementa en reguladores que normalmente dispongan del mecanismo de bolas para que pueda éste tomar el control en caso de pérdida de la señal proporcionado por el sistema electrónico.

posicion de la cremallera


6-Selección del modo de regulación

En caso de que nuestro motor no se encuentre operativo en cualquier tipo de regulación, se puede seleccionar el modo de trabajo que queramos hacer trabajar a la máquina (Por ejemplo, en caso de que nuestra regulación electrónica no se encuentre operativa). Se dispone de una Válvula de selección de modo que lleva incorporado un presostato., e instalando este tipo de válvula es posible escoger el modo de control que se quiera trabajar:

  • Control Electrónico. Nuestro regulador PGA funciona como actuador. El convertidor EG recibe la señal eléctrica (entre 0 y 200 mA) que, calculado a priori por el regulador WW723, coincidirá con la demanda de combustible.
  • Control Mecánico-Hidráulico. El convertidor EG se encontrará fuera de servicio y con ello el control electrónico 723. Solamente actuaría el regulador PGA que funciona como un regulador independiente llevando al motor a la velocidad que ha sido anteriormente establecida, ya sea mecánica o neumáticamente.

En el modo de control electrónico, tanto la válvula piloto del convertidor EG como la válvula piloto del mecanismo de bolas se encuentran en serie. Para que el regulador trabaje en este modo es necesario elevar la consigna de velocidad mecánica por
encima de la consigna eléctrica. De este modo, se permite a la válvula piloto del mecanismo de bolas permanecer abierta y no interferir en el funcionamiento del control electrónico descrito anteriormente. La diferencia de velocidad debe de ser, aproximadamente, entre un 5 y un 10 % de la velocidad máxima.

Siempre deberemos de tener en cuenta que, aunque estemos trabajando en modo EG, el mecanismo de bolas tomará el control si su consigna es menor que la del EG. De hecho, todo está instalado de manera que el regulador hidráulico seleccione la consigna que menor sea de las dos posibles.

En el caso de los reguladores EG-PGA instalados de acción inversa, ante la pérdida de una señal, el regulador siempre tenderá a incrementar el consumo de combustible hasta que se alcance la velocidad requerida en la que toma el control el mecanismo de bolas.

En el caso del regulador instalado como de acción directa, la pérdida de señal provocará que la salida del actuador vaya a la posición de mínimo combustible. Como la consigna de velocidad del mecanismo de bolas es mayor que la electrónica, el regulador no podrá jamás tomar el control automáticamente como es el del caso anterior.

La válvula de selección de modo puede ser accionada, bien sea mecánica, eléctrica o neumáticamente, y se monta en la parte exterior del regulador.


7-Bibliografía

  • Cabronero Mesas, Daniel. Motores de combustión interna y turbinas de gas. Barcelona: Autor-editor, 1993.
  • MAN B&W. “Basics electronic speed Governor”.
  • www.dieselduck.info
  • MAN Diesel & Turbo. Basic Principles of Ship Propulsion. Copenhagen SV, 2011.
  • R. Routledge. Discoveries & Inventions of the Nineteenth Century. New York: Routledge, 1881.
  •  Woodward. Application & Hardware manual. Fort Collins CO, 1999
  • Woodward, 723PLUS Digital control application manual. Hoofddorp, 2000. REGULADORES

Autor: Javier Tirado Pantoja

Edición: Roberto García Soutullo

2018-06-12T13:09:40+00:00

3 Comments

  1. Dario barreto 13/06/2018 at 06:45 - Contestar

    Muy bueno este articulo

  2. Anthony 17/06/2018 at 02:11 - Contestar

    Gracias!

  3. Miguel Angel 11/07/2018 at 14:06 - Contestar

    Felicitaciones por el articulo, y por los demás, gran trabajo.

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