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G0204: Funcionamiento y fallas tĂ­picas en los sistemas oleohidrĂĄulicos de maquinaria pesada y agrĂ­cola.

UNIDAD 2: Funcionamiento de sistemas electrohidráulicos, aplicados en maquinaria pesada y agrícola. :

Unidad 2, parte 1: Sistemas electrohidráulicos.

Material introductorio, parte 1.

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Índice de contenidos

Tema 1: Sistemas electrohidráulicos •

Componentes eléctricos de distintos modelos de equipos de maquinaria pesada y agrícola que presenten sistemas electrohidráulicos.

•

Función de relé y contactores eléctricos presentes en distintos modelos de equipos de maquinaria pesada y agrícola, que constan de sistemas electrohidráulicos.

•

Principio de funcionamiento de sensores electromagnéticos de final de carrera de distintos modelos de equipos de maquinaria pesada y agrícola, que presenten sistemas electrohidráulicos.

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UNIDAD 2: Funcionamiento de sistemas electrohidráulicos, aplicados en maquinaria pesada y agrícola. :

Introducción En esta unidad se analizará el comportamiento de los sistemas electrohidráulicos en maquinaria pesada y equipos agrícolas. En una primera etapa se describe el principio de funcionamientos de los elementos constitutivos de un sistema electrohidráulico.

En los sistemas electrohidráulicos la potencia del sistema sigue siendo oleohidráulica, lo que esencialmente cambia es el control sobre los sistemas, pueden ser de control eléctrico o electrónico.

También se describe el funcionamiento de electroválvulas de distribución, de presión y de caudal, ya sea de solenoides on/off o proporcionales, además de solenoides húmedos o secos, de corriente continua o alterna.

La unidad los introduce en la simbología básica de elementos de control eléctrico, como sensores de posicionamiento, de presión, de velocidad, finales de carrera, entre otros, elementos de conmutación de señal como relé y solenoides.

Los invitamos a revisar el material desarrollado para esta unidad.

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Tema 1: Sistemas electrohidráulicos

¿Qué entendemos por electromagnetismo?

El magnetismo es un fenómeno físico en el cual los materiales ejercen fuerzas de atracción o repulsión sobre otros materiales, debido a que tienen la facultad de poder orientar sus dominios magnéticos. Hay algunos materiales conocidos que han presentado propiedades magnéticas detectables fácilmente, como el níquel, hierro, cobalto y sus aleaciones, que comúnmente se llaman imanes. Sin embargo, todos los materiales son influidos, de mayor o menor forma, por la presencia de un campo magnético.

El electromagnetismo es un fenómeno que se produce cuando una corriente eléctrica circula por un conductor eléctrico, generando alrededor de él un campo magnético.

La imagen muestra el fenómeno del electromagnetismo, que consiste en un trozo de alambre enrollado sobre un núcleo de hierro, el núcleo concentra el campo magnético.

Al ser excitado el núcleo en forma manual por el trozo de alambre enrollado, genera un campo magnético.

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Tema 1: Sistemas electrohidráulicos

Electromagnetismo Solenoides Son simplemente bobinas activadas eléctricamente, su funcionamiento se basa en el electromagnetismo.

Electromagnetismo El entendimiento del magnetismo es crítico para comprender la electricidad, ya que el magnetismo es usado para producir corriente eléctrica y esta produce una fuerza magnética asociada.

Características de los magnetos: Atraen y mantienen sujeto al hierro.

Asumen orientación norte-sur.

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Tema 1: Sistemas electrohidráulicos Electromagnetismo Las características principales que definen el principio del electromagnetismo se dan a continuación, bajo este principio hoy funciona una innumerable cantidad de elementos de control y de potencia, tales como los relé, contactores, solenoides, motores eléctricos, sistemas de frenos electromagnéticos, hasta trenes por levitación electromagnética.

Las líneas de fuerza salen del norte y entran en el sur.

La dirección de las líneas de fuerza magnética indican la dirección del campo magnético.

Las líneas de fuerza magnética no se cruzan unas con otras.

La densidad de las líneas de fuerza magnética indican la fuerza del campo magnético.

Si la dirección de las líneas de fuerza magnética es la misma, estas se repelen unas con otras y si están en las misma dirección, se atraen.

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Tema 1: Sistemas electrohidráulicos

Componentes eléctricos de sistemas electrohidráulicos Electroimán Este es un tipo de imán el cual produce el campo magnético al ser excitado eléctricamente, lo interesante de los electroimanes es que al ser desenrizados pierden inmediatamente su campo magnético.

Por ejemplo, una bobina es un enrollamiento de cable en forma cilíndrica en la cual se hace circular una corriente para generar un imán, llamado normalmente electroimán.

Las espiras individuales generan pequeños campos magnéticos, que en el interior de ella se suman formando un gran campo magnético.

La figura muestra un electroimán, el cual forma electromagnético al ser excitado eléctricamente.

un campo

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Tema 1: Sistemas electrohidráulicos

Componentes eléctricos de sistemas electrohidráulicos Relé o contactores Una gran variedad de dispositivos eléctricos tales como motores, disyuntores, contactores, relés y partidores de motores usan electroimanes como principio de funcionamiento, es decir, utilizan el principio del electromagnetismo.

En la figura se aprecia un electroimán el cual es excitado eléctricamente para activar o desactivar contactos, dependiendo si son normalmente abiertos o normalmente cerrados, este es el principio básico del funcionamiento de los relé y contactores eléctricos.

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Tema 1: Sistemas electrohidráulicos

Componentes eléctricos de sistemas electrohidráulicos Solenoides El solenoide es otro elemento utilizado en los sistemas oleohidráulicos para desplazar carretes o spool de válvulas, ya sea de distribución, presión o caudal, su funcionamiento se basa en el principio planteado por el electromagnetismo.

Este consiste en energizar una bobina con corriente continua, teniendo en el centro un núcleo cilíndrico ferromagnético el cual se desplaza debido al campo magnético, moviendo spool o carretes o simplemente vástagos.

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Tema 1: Sistemas electrohidráulicos Al igual que los sistemas oleohidráulicos que se utilizan para transformar la energía mecánica o eléctrica en energía hidráulica, para transmitir gran potencia por medio de los fluidos y conseguir distintos movimientos, dando vida con esto a los sistemas oleohidráulicos de maquinaria, la electrohidráulica agrega un nuevo aliado a los sistemas, como es la corriente.

En sistemas electrohidráulicos se modifica el tipo de control, el cual inicialmente era manual o mecánico, por eléctrico, apareciendo en los sistemas botoneras, Joystick, finales de carrera eléctricos (sensores), relé, contactores, solenoides, entre otras.

Con la electrohidráulica de control se logra mejor operatividad de la maquinaria, con movimientos más suaves y amortiguados y con la electrohidráulica de potencia (solenoides) se obtiene mejor control de spool y carretes, logrando distribuir, controlar presión y caudales de forma más eficiente, pero si más complejos.

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Tema 1: Sistemas electrohidráulicos Componentes eléctricos de sistemas electrohidráulicos Válvulas de comando electrohidráulico Las válvulas direccionales o de mando poseen carrete o spool, el cual al ser desplazado en un sentido o en otro, direccionan el fluido por ductos de presión, trabajo o descarga, estos spool son por mando electrohidráulico los cuales son muy comunes en procesos de sistemas automatizados, amortiguados y de mejor control sobre el sistema.

La válvula es accionada por un solenoide, el cual funciona bajo el principio que plantea el electromagnetismo.

Entre los componentes de sistemas electrohidráulicos, se tienen como elemento principal las válvulas de distribución, de presión y de caudal las cuales conmutarán la señal eléctrica en potencia oleohidráulica, existiendo una variedad significativa de tipos, forma de accionarse y corriente que utilizan. En la unidad se definirán los tipos más comunes e importantes en los sistemas electrohidráulicos.

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Tema 1: Sistemas electrohidráulicos

Componentes eléctricos de sistemas electrohidráulicos Válvulas de distribución Los spool de válvulas de distribución pueden ser de: Solenoide de corriente continua.

Solenoide de corriente alterna.

Además, ambos pueden tener solenoide bañado en aceite para enfriarlos o secarlos.

Partes de la electroválvula de mando: 1. Spool o carrete.

2. Solenoide C.C. bañado en aceite.

3. Muelle para centrar spool.

4. Accionamiento auxiliar manual.

5. Placa de centrado.

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Tema 1: Sistemas electrohidráulicos

Componentes eléctricos de sistemas electrohidráulicos Válvulas de distribución Las válvulas de distribución o de mando son las encargadas de direccionar o distribuir el fluido dentro del sistema, para esto se desplaza un spool interior ya sea por pedal, mando manual, o mando eléctrico, para el caso del mando eléctrico se utilizan los solenoides contextualizados anteriormente.

Solenoide: La función del solenoide en la válvula es transformar la energía eléctrica en energía mecánica.

Su principio de funcionamiento se basa en un electroimán, se compone de dos partes: una bobina con cable aislado y una barra de acero sólido, al interior de la bobina; cuando se excita la bobina por un campo eléctrico, la barra se desplaza por el campo imantado eléctricamente moviendo el émbolo, de esta forma se desplaza el spool de la válvula consiguiente un sistema de mando eléctrico sobre la potencia hidráulica de accionamiento.

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Tema 1: Sistemas electrohidráulicos

Componentes eléctricos de sistemas electrohidráulicos Válvulas de distribución Las válvulas de distribución de sistemas electrohidráulicos utilizan distintas formas de accionar el émbolo, que actúa sobre el spool modificando la forma del solenoide y su forma de trabajo, en algunos casos los carretes o spool son muy pesados complicando el accionar del solenoide.

Existen dos tipos de solenoide dependiendo de su forma de trabajo, los de arrastre y de empuje, para definir cuál utilizar se debe conocer claramente la aplicación, uno de ellos empuja la pieza y el otro la arrastra.

Normalmente se electrohidráulicas.

utilizan

émbolos

por

arrastre

para

aplicaciones

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Tema 1: Sistemas electrohidráulicos

Componentes eléctricos de sistemas electrohidráulicos Válvulas de distribución Si los carretes o spool de las válvulas son muy grandes o pesados, se requiere utilizar solenoides de mayor tamaño por los cuales pasa mayor cantidad de corriente, calentando en exceso el solenoide, por lo tanto encontramos solenoides secos y húmedos.

Los solenoides secos son aquellos donde el fluido del sistema no tiene contacto con la bobina del solenoide.

Los solenoides húmedos están bañados en aceite del mismo sistema para disipar el calor, normalmente se utilizan solenoides húmedos en sistemas de gran tamaño, que trabajan a alta temperatura.

La figura muestra un solenoide seco, se evita el paso del aceite por medio de un sello de aceite.

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Componentes eléctricos de sistemas electrohidráulicos Válvulas de distribución Estas utilizan solenoides de corriente continua on/off, es decir, 0 o 24 volts, encendido o apagado, cuando son excitados eléctricamente se mueven de 0 a 100% de su desplazamiento, sin embargo, existen solenoides a los cuales se les puede controlar la corriente y voltaje de entrada, llamados solenoides proporcionales.

Solenoide proporcional Son más que una conmutación entre el comando eléctrico y la potencia oleohidráulica, son los elementos de unión entre la electrónica y la oleohidráulica.

Son solenoides de corriente continua C.C., se accionan normalmente con señales de 0 a 10 volt y con corriente proporcional como señal de entrada de 4 a 20 mili Amper, logrando desplazamiento del spool o carrete de la válvula.

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Tema 1: Sistemas electrohidráulicos

Componentes eléctricos de sistemas electrohidráulicos Válvulas de distribución Estas válvulas controladas por solenoides proporcionales, dependiendo de la corriente o voltaje que reciba el solenoide, puede entregar infinitas posiciones, consiguiendo con esto un excelente método de control de los movimientos de componentes oleohidráulicos de la maquinaria. A su vez, estos se subdividen en: El solenoide proporcional se subdivide en dos tipos: Solenoide de fuerza regulada.

Solenoide de carrera controlada.

Solenoide de fuerza regulada Estos regulan la fuerza variando la intensidad de corriente, con mínima carrera.

Son de mínimo tamaño debido a su recorrido menor.

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Tema 1: Sistemas electrohidráulicos

Componentes eléctricos de sistemas electrohidráulicos EL RELÉ Es el elemento electromagnético utilizado en los sistemas de control electrohidráulico, como un interruptor accionado por señales eléctricas, activando la bobina del relé, actuando sobre los contactos del relé, conmutando su estado, de abierto a cerrado o viceversa.

En la imagen se muestra una bobina que al energizarse, permite la conmutación de cerrar o abrir contactos. Esta conmutación se realiza por medio de un electroimán, donde se alimenta la bobina para atraer un núcleo y generar el desplazamiento de los contactos.

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Componentes eléctricos de sistemas electrohidráulicos Ventajas del uso de los relé en sistemas electrohidráulicos El uso de los relé se masificó en los sistemas de control electrohidráulico, debido a que son capaces de controlar circuitos de mayor potencia con mínima señal de control, reconocidos como un verdadero amplificador de señal eléctrica, siendo esta una de sus ventajas de utilización, considerado el relé como un sistema de control indirecto por encima del sistema de control directo.

Con una baja corriente de control o de excitación (corriente que circula por la bobina del relé), se puede comandar gran cantidad de corriente por los contactos.

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Componentes eléctricos de sistemas electrohidráulicos Ventajas del uso de los relé en sistemas electrohidráulicos Otra ventaja importante del uso de los relé en sistemas electrohidráulicos, es la separación existente entre la corriente control del sistema con la corriente de accionamiento o potencia del sistema, es decir, las bobinas de control son accionadas por bajas tensiones de control, dominando altos voltajes o elevada potencia en los contactos.

El uso de relé además no entrega la opción de control a distancia por medio de módulos digitales de control.

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Componentes eléctricos de sistemas electrohidráulicos Estructura de un relé La figura muestra la estructura básica de un relé, compuesto por una bobina y sus respectivos contactos.

A continuación se muestran los símbolos de la bobina de un relé y los contactos de un relé en un plano de control eléctrico.

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Componentes eléctricos de sistemas electrohidráulicos La figura muestra la aplicación de un relé en maquinaria pesada.

El relé permanece activado (conectado) cuando la llave se encuentra en la posición de ON, arranque y precalentamiento. La tensión es suministrada desde el interruptor del arranque, puede ser de 24 VDC o distinta, no determina el estado del relé.

Relé utilizado en el sistema de arranque.

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Componentes eléctricos de sistemas electrohidráulicos Todos los relé tienen como característica una bobina que se activa con un determinado voltaje, en la maquinaria normalmente de 24 VDC y sus contactos principales, que permiten una conducción de corrientes y voltajes mayores, por ejemplo 7 [A] y un voltaje de 250 VAC.

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Componentes eléctricos de sistemas electrohidráulicos Se muestran distintas formas de relé aplicados a maquinaria pesada para diversas aplicaciones.

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Contactor Un contactor es simplemente un relé capaz de transmitir una alta cantidad de corriente.

Funcionamiento de un contactor Al igual que un relé cuando la bobina de alimentación no ha sido energizada, el resorte mantiene desconectado los contactos principales, sin embargo, cuando esta es energizada, se genera un campo magnético y atrae al núcleo móvil venciendo la fuerza del resorte, generando la conexión de los contactos principales.

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Contactor La figura muestra el principio de funcionamiento de un contactor y un contactor aplicado a maquinaria pesada.

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Contactor Ejemplo de circuito para verificar el funcionamiento de un contactor.

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Aplicaciones de componentes eléctricos de sistemas electrohidráulicos Solenoide sobre un motor de partida de una máquina

La figura muestra la aplicación de un solenoide sobre un elemento de maquinaria pesada, en este caso un motor de partida, además se muestra el plano de control de la situación.

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Aplicaciones de componentes eléctricos de sistemas electrohidráulicos Solenoide accionando un sistema oleohidráulico.

En la figura se muestra un solenoide actuando sobre una válvula para conmutar las vías de trabajo, presión y descarga de un sistema oleohidráulico.

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Aplicaciones de componentes eléctricos de sistemas electrohidráulicos La figura muestra varios solenoides accionando un sistema oleohidráulico de un equipo pesado.

El símbolo muestra el accionamiento de un solenoide.

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Aplicaciones de componentes eléctricos de sistemas electrohidráulicos Solenoide accionando un sistema oleohidráulico.

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Componentes eléctricos de sistemas electrohidráulicos Sensores El sensor transforma magnitudes físicas o químicas en magnitudes eléctricas. En términos estrictos, un sensor es un instrumento que no altera la propiedad censada. Por ejemplo, un sensor de temperatura sería un instrumento tal que no agrega ni cede calor a la masa censada.

Los transductores, a diferencia de los sensores, consumen una parte de la magnitud que están cuantificando. Un transductor simplemente se encarga de transformar, traducir o adaptar una magnitud física no interpretable por el sistema, que pretender medirla a otra magnitud física interpretable por dicho sistema. Por ejemplo, convertir presión a intensidad eléctrica, temperatura a tensión, etc.

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Clasificación de los sensores Según su alimentación Requieren voltaje, dos terminales corresponden a la alimentación y de un tercero se obtiene la señal eléctrica correspondiente a la medida.

No procesan la información antes de ser enviada, no requieren fuente de alimentación externa y por lo general tienen dos terminales.

Según señal entregada • Encendido/Apagado.

• Señales de voltaje con niveles determinados por un umbral.

• PWM. Entregan una señal continua que varía en un rango proporcional al parámetro detectado.

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Componentes eléctricos de sistemas electrohidráulicos Señal digital de sensores Señal que toma solo 2 estados: on/off, sin valores intermedios.

Son señales de voltaje y continuidad (Ej.: 0 / 5 Volts, 0 / 10 Volts )

Señal analógica de sensores Señal que toma distintos valores dentro de un rango definido de medición. Ej.: de 4 a 20 mA, 0 a 10 Volts, 500 Ohms a 1.5 kOhms

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Tipos de sensores Existe un amplia gama de sensores, en la unidad se mencionarán algunos de ellos que se utilizan normalmente en sistemas electrohidráulicos, indicando características de operación, ventajas y desventajas.

Sensor inductivo (pickup magnético) Este tipo de sensor detecta la presencia de metales, internamente posee un circuito electrónico que genera un campo magnético, el cual está calibrado para medir una cierta cantidad de corriente eléctrica sin la presencia de metal alguno en el campo magnético, pero cuando se le acerca un metal, el campo magnético se altera provocando que la corriente que lo genera cambie de valor, por lo que, a su vez, el sensor responde al sistema de control indicándole la presencia del metal.

Los sensores inductivos se utilizan para medir velocidades de rotación o detectar la posición angular de un determinado elemento.

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Sensor inductivo (pickup magnético) Ventajas del sensor inductivo Su principal ventaja es su reducido costo y simplicidad.

De todos los principios de medición de posición sin contactos, los sensores inductivos son particularmente insensibles a las perturbaciones y muy robustos.

Desventajas del sensor inductivo Estos sensores pueden ser afectados por la distancia y las rebabas de metal, por lo que requieren constante mantenimiento.

Tiene por defecto no trabajar bien a baja velocidad.

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Componentes eléctricos de sistemas electrohidráulicos Sensores discretos: interruptores y contactores Los sensores discretos son aquellos que simplemente indican si se detecta algún objeto o no, generando un 1 lógico si se detecta o un 0 lógicos si no se detecta, esta información es originada principalmente por presencia o ausencia de voltaje, aunque en algunos casos esa información es reportada por medio de un flujo de corriente eléctrica.

A estos sensores también se les llama interruptores o detectores.

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Componentes eléctricos de sistemas electrohidráulicos Sensor capacitivo Este tipo de sensor detecta aquellos materiales cuya constante dieléctrica sea mayor que la unidad (1).

El funcionamiento de este sensor basa su operación en el campo eléctrico, que puede ser almacenado en un capacitor, el cual dependiendo del material dieléctrico la carga almacenada será muy grande o pequeña, teniendo como base la constante dieléctrica del aire que es igual a 1, cualquier otro material que puede ser plástico, agua, vidrio, cartón, etc., tienen una constante dieléctrica mayor a 1.

Para que el sensor sepa qué material tiene que detectar, debe ser ajustado.

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Componentes eléctricos de sistemas electrohidráulicos Sensor magnético Este sensor se encarga de indicar cuando un campo magnético se encuentre presente cerca de él.

Posee un circuito interno que responde cuando un campo magnético incide sobre él, puede ser desde un simple reed switch (interruptor de lengüeta) hasta un circuito más complejo que reporte por medio de un voltaje la presencia o no del campo magnético.

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Componentes eléctricos de sistemas electrohidráulicos Sensores electromecánicos (fin de carrera) Es un final de carrera que recibe la información de posición en forma mecánica, por medio de un rodillo, enviando al sistema de control una señal eléctrica indicando posiciones de elementos, normalmente posición de actuadores oleohidráulicos.

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Componentes eléctricos de sistemas electrohidráulicos Utilización de los sensores en los sistemas electrohidráulicos En el esquema se muestran dos sistemas de control, el primero en lazo abierto donde no existe realimentación del movimiento de la corredera, en el segundo el control es en lazo cerrado, es decir, existe realimentación con respecto al movimiento de la corredera. La realimentación del sistema se realiza por medio de un sensor, con lo que cambia notablemente la situación de control, desde un sistema abierto sin realimentación a un sistema cerrado realimentado.

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Componentes eléctricos de sistemas electrohidráulicos Válvula de distribución proporcional de accionamiento directo y sin realimentación La función de esta válvula es direccionar el fluido en el sistema electrohidráulico, para lograrlo recibe información del sistema de control al solenoide, este recibe la información y posiciona la válvula de 0 a 100% de suposición dependiente de la señal de entrada de 4 a 20 mA, sin embargo, si en el sistema existen perturbaciones, esta posición podría estar errónea, por lo tanto se define a esta válvula como de mando directo sin realimentación.

La válvula de la figura es de mando directo y además no posee realimentación, es decir, se entrega la información al solenoide para que mueva el spool pero no existe certeza de que esto ocurra.

Esto se define como sistema en lazo abierto, no realimentado.

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Componentes eléctricos de sistemas electrohidráulicos Válvula de distribución proporcional de accionamiento directo y con realimentación La válvula de la figura es de mando directo por solenoide y además posee realimentación, por medio de un sensor de posición, es decir, se entrega la información de la posición del solenoide en todo momento, esta información la recibe la tarjeta electrónica o el amplificador de señal, controlando de esta forma el solenoide proporcional, logrando un mejor posicionamiento del spool de la válvula de distribución.

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Componentes eléctricos de sistemas electrohidráulicos Válvula de distribución proporcional de accionamiento indirecto de dos etapas y con realimentación La válvula de la figura es de mando indirecto por solenoide sobre una válvula piloto proporcional.

La válvula piloto proporcional controla los mandos oleohidráulicos de la válvula principal, la cualidad de esta válvula es que posee doble realimentación por medio de sensores de posición, para el solenoide proporcional de la válvula piloto y la posición del spool de la válvula principal centrada por muelle.

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Componentes eléctricos de sistemas electrohidráulicos Símbolo para válvula de distribución proporcional de accionamiento indirecto y con realimentación en el spool proporcional y realimentación en el spool de mando oleohidráulico.

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BIBLIOGRAFÍA

Gildemeister Maquinarias www.mgildemeister.cl Mannesmann Rexroth. (1980). Training Hidráulico (vol.

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Potter Merle, C. (1998). Mecánica de los fluidos (2ª. ed.). México: Editorial Prentice Hall. ISBN: 970-17-01968 Sewobe www.case.com.es

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