Un gobernador , o limitador o controlador de velocidad , es un dispositivo utilizado para medir y regular la velocidad de una máquina , como un motor .
Un ejemplo clásico es el gobernador centrífugo , también conocido como gobernador de Watt o de bola volante en una máquina de vapor alternativa, que utiliza el efecto de la fuerza de inercia sobre pesos giratorios impulsados por el eje de salida de la máquina para regular su velocidad alterando el flujo de entrada de vapor.
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Los reguladores centrífugos se utilizaban para regular la distancia y la presión entre las piedras de los molinos de viento desde el siglo XVII. Las primeras máquinas de vapor empleaban un movimiento puramente alternativo y se usaban para bombear agua, una aplicación que podía tolerar variaciones en la velocidad de trabajo.
No fue hasta que el ingeniero escocés James Watt introdujo la máquina de vapor rotativa , para impulsar la maquinaria industrial, que se hizo necesaria una velocidad de funcionamiento constante. Entre los años 1775 y 1800, Watt, en colaboración con el industrial Matthew Boulton , produjo unos 500 motores de haz rotativo . En el corazón de estos motores estaba el gobernador de "péndulo cónico" de diseño propio de Watt: un conjunto de bolas de acero giratorias unidas a un eje vertical mediante brazos de enlace, donde la fuerza de control consiste en el peso de las bolas.
La base teórica para el funcionamiento de los gobernadores fue descrita por James Clerk Maxwell en 1868 en su artículo fundamental "Sobre los gobernadores". [1]
A partir del diseño de Watt estuvo el ingeniero estadounidense Willard Gibbs , quien en 1872 analizó teóricamente el gobernador de péndulo cónico de Watt desde una perspectiva matemática del equilibrio energético. Durante sus años de posgrado en la Universidad de Yale , Gibbs observó que el funcionamiento del dispositivo en la práctica estaba plagado de desventajas de lentitud y una tendencia a corregir excesivamente los cambios de velocidad que se suponía debía controlar. [2]
Gibbs teorizó que, de manera análoga al equilibrio del simple regulador de Watt (que depende del equilibrio de dos pares: uno debido al peso de las "bolas" y el otro debido a su rotación), el equilibrio termodinámico para cualquier trabajo que produzca un sistema termodinámico Depende del saldo de dos entidades. La primera es la energía térmica suministrada a la sustancia intermedia y la segunda es la energía de trabajo realizada por la sustancia intermedia. En este caso la sustancia intermedia es vapor.
Este tipo de investigaciones teóricas culminaron con la publicación en 1876 de la famosa obra de Gibbs Sobre el equilibrio de sustancias heterogéneas y con la construcción del gobernador de Gibbs. Estas formulaciones son omnipresentes hoy en día en las ciencias naturales en la forma de la ecuación de energía libre de Gibbs , que se utiliza para determinar el equilibrio de reacciones químicas; También conocido como equilibrio de Gibbs . [3]
Los reguladores también se encontraban en los primeros vehículos de motor (como el Wilson-Pilcher de 1900 ), donde constituían una alternativa al acelerador manual. Se usaban para establecer la velocidad requerida del motor, y el gobernador ajustaba el acelerador y la sincronización del vehículo para mantener la velocidad constante, similar a un control de crucero moderno . Los gobernadores también eran opcionales en los vehículos utilitarios con accesorios impulsados por motor, como cabrestantes o bombas hidráulicas (como los Land Rover ), nuevamente para mantener el motor a la velocidad requerida independientemente de las variaciones de la carga que se conducía.
Se pueden utilizar reguladores para limitar la velocidad máxima de los vehículos y, para algunas clases de vehículos, dichos dispositivos son un requisito legal. De manera más general, se pueden utilizar para limitar la velocidad de rotación del motor de combustión interna o proteger el motor de daños debidos a una velocidad de rotación excesiva.
Hoy en día, BMW , Audi , Volkswagen y Mercedes-Benz limitan sus coches de producción a 250 kilómetros por hora (155 mph). Ciertos coches Audi Sport GmbH y AMG , y el Mercedes/McLaren SLR son una excepción. Los BMW Rolls-Royce están limitados a 240 kilómetros por hora (149 mph). Los jaguares , aunque británicos, también tienen un limitador, al igual que los suecos Saab y Volvo en los coches donde es necesario.
Los fabricantes alemanes inicialmente iniciaron el " acuerdo de caballeros ", limitando electrónicamente sus vehículos a una velocidad máxima de 250 kilómetros por hora (155 mph), [4] [5] ya que velocidades tan altas son más probables en la Autobahn . Esto se hizo para reducir el deseo político de introducir un límite de velocidad legal.
En los mercados europeos, General Motors Europe a veces opta por descontar el acuerdo, lo que significa que ciertos automóviles Opel o Vauxhall de alta potencia pueden superar la marca de 250 kilómetros por hora (155 mph), mientras que sus Cadillacs no. Ferrari , Lamborghini , Maserati , Porsche , Aston Martin y Bentley tampoco limitan sus coches, al menos no a 250 kilómetros por hora (155 mph). El Chrysler 300C SRT8 está limitado a 270 km/h. La mayoría de los vehículos del mercado interno japonés están limitados a sólo 180 kilómetros por hora (112 mph) o 190 kilómetros por hora (118 mph). [6] La velocidad máxima es un fuerte argumento de venta, aunque es poco probable que se alcancen velocidades superiores a 300 kilómetros por hora (190 mph) en las vías públicas.
Muchos automóviles de alto rendimiento están limitados a una velocidad de 250 kilómetros por hora (155 mph ) [7] para limitar los costos de seguro del vehículo y reducir el riesgo de que fallen los neumáticos .
Los ciclomotores en el Reino Unido deben tener un limitador de velocidad de 48 km/h (30 mph) desde 1977. [8] La mayoría de los demás países europeos tienen reglas similares (consulte el artículo principal).
Los vehículos de servicio público suelen tener una velocidad máxima legislada. Los servicios regulares de autocares en el Reino Unido (y también los servicios de autobús ) están limitados a 65 mph. [9]
Los autobuses públicos urbanos suelen tener reguladores de velocidad que normalmente están fijados entre 65 kilómetros por hora (40 mph) y 100 kilómetros por hora (62 mph). [ cita necesaria ]
Todos los vehículos pesados en Europa y Nueva Zelanda tienen regulaciones legales que limitan su velocidad a 90 kilómetros por hora (56 mph) o 100 kilómetros por hora (62 mph). [ cita necesaria ] Los camiones de bomberos y otros vehículos de emergencia están exentos de este requisito.
Las hélices de aviones son otra aplicación. El gobernador detecta las RPM del eje y ajusta o controla el ángulo de las palas para variar la carga de torsión en el motor. Por lo tanto, cuando el avión acelera (como en un picado) o desacelera (en ascenso), las RPM se mantienen constantes.
Los motores pequeños, utilizados para alimentar cortadoras de césped , generadores portátiles y tractores para césped y jardín , están equipados con un regulador para limitar el combustible al motor a una velocidad máxima segura cuando está descargado y para mantener una velocidad relativamente constante a pesar de los cambios en la carga. En el caso de aplicaciones de generador, la velocidad del motor debe controlarse estrechamente para que la frecuencia de salida del generador permanezca razonablemente constante.
Los gobernadores de motores pequeños suelen ser de tres tipos: [10]
En las turbinas de vapor , el gobierno de la turbina de vapor es el procedimiento de monitorear y controlar el caudal de vapor hacia la turbina con el objetivo de mantener constante su velocidad de rotación. El caudal de vapor se monitoriza y controla mediante válvulas interpuestas entre la caldera y la turbina. [11]
En las turbinas hidráulicas se utilizan gobernadores desde mediados del siglo XIX para controlar su velocidad. Un sistema típico usaría un gobernador Flyball que actúa directamente sobre la válvula de entrada de la turbina o la compuerta para controlar la cantidad de agua que ingresa a la turbina. En 1930, los gobernadores mecánicos comenzaron a utilizar controladores PID para un control más preciso. A finales del siglo XX, los gobernadores electrónicos y los sistemas digitales comenzaron a reemplazar a los gobernadores mecánicos. [12]
Para la generación eléctrica en redes eléctricas síncronas , los motores primarios accionan generadores eléctricos que están acoplados eléctricamente a cualquier otro generador de la red. Con el control de caída de velocidad, la frecuencia de toda la red determina el combustible entregado a cada generador, de modo que si la red funciona más rápido, su regulador reduce el combustible a cada generador para limitar la velocidad.
Los gobernadores se utilizan en ascensores . Actúa como un mecanismo de parada en caso de que el ascensor supere su velocidad de disparo (que suele ser un factor de la velocidad máxima del ascensor y está preestablecida por el fabricante según las directrices internacionales de seguridad de ascensores). Este dispositivo debe instalarse en ascensores de tracción y ascensores hidráulicos de cable.
En algunas cajas de música de cuerda se utilizan reguladores para mantener la música a una velocidad algo constante mientras disminuye la tensión del resorte.
