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 regulador centrífugo , también conocido como regulador de Watt o de bola flotante en una máquina de vapor alternativa, que utiliza el efecto de la fuerza inercial sobre los 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 muelas de los molinos de viento desde el siglo XVII. Las primeras máquinas de vapor empleaban un movimiento puramente alternativo y se utilizaban 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 accionar maquinaria industrial que se hizo necesaria una velocidad de funcionamiento constante. Entre los años 1775 y 1800, Watt, en asociación con el industrial Matthew Boulton , produjo unas 500 máquinas de vapor rotativas . En el corazón de estas máquinas se encontraba el regulador de "péndulo cónico" diseñado por Watt: un conjunto de bolas de acero giratorias unidas a un eje vertical mediante brazos articulados, 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]
Basándose en el diseño de Watt, el ingeniero estadounidense Willard Gibbs analizó teóricamente en 1872 el regulador de péndulo cónico de Watt desde una perspectiva de balance de energía matemático. Durante sus años de posgrado en la Universidad de Yale , Gibbs observó que el funcionamiento del dispositivo en la práctica estaba plagado de desventajas, como la lentitud y una tendencia a corregir en exceso los cambios de velocidad que se suponía que debía controlar. [2]
Gibbs teorizó que, de manera análoga al equilibrio del regulador de Watt simple (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 sistema termodinámico que produzca trabajo depende del equilibrio 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 el vapor.
Este tipo de investigaciones teóricas culminaron en la publicación en 1876 de la famosa obra de Gibbs Sobre el equilibrio de sustancias heterogéneas y en la construcción del regulador de Gibbs. Estas formulaciones son omnipresentes hoy en día en las ciencias naturales en forma de la ecuación de energía libre de Gibbs , que se utiliza para determinar el equilibrio de las reacciones químicas; también conocida como equilibrio de Gibbs . [3]
Los reguladores también se encontraban en los primeros vehículos de motor (como el Wilson-Pilcher de 1900 ), donde eran una alternativa al acelerador manual. Se usaban para establecer la velocidad requerida del motor, y el acelerador y la sincronización del vehículo eran ajustados por el regulador para mantener la velocidad constante, similar a un control de crucero moderno . Los reguladores también eran opcionales en los vehículos utilitarios con accesorios accionados por el 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 manejaba.
Los reguladores se pueden utilizar para limitar la velocidad máxima de los vehículos y, en algunos tipos de vehículos, estos dispositivos son un requisito legal. En términos más generales, se pueden utilizar para limitar la velocidad de rotación del motor de combustión interna o para proteger el motor de daños debidos a una velocidad de rotación excesiva.
En la actualidad, BMW , Audi , Volkswagen y Mercedes-Benz limitan sus coches de producción a 250 kilómetros por hora (155 mph). Algunos coches de Audi Sport GmbH y AMG , y el Mercedes/McLaren SLR son excepciones. Los Rolls-Royce de BMW están limitados a 240 kilómetros por hora (149 mph). Los Jaguar , aunque británicos, también tienen limitador, al igual que los suecos Saab y Volvo en los coches en los que es necesario.
Los fabricantes alemanes iniciaron inicialmente el " pacto de caballeros ", limitando electrónicamente sus vehículos a una velocidad máxima de 250 kilómetros por hora (155 mph), [4] [5] ya que es más probable que se alcancen velocidades tan altas en la autopista . 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 coches Opel o Vauxhall de alta potencia pueden superar la marca de los 250 kilómetros por hora (155 mph), mientras que sus Cadillacs no lo hacen. 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 doméstico 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 unos 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 .
En el Reino Unido, los ciclomotores deben tener un limitador de velocidad de 30 mph (48 km/h) desde 1977. [8] La mayoría de los demás países europeos tienen normas similares (véase el artículo principal).
Los vehículos de servicio público suelen tener una velocidad máxima establecida por ley. Los servicios de autobuses regulares en el Reino Unido (y también los servicios de autobús ) están limitados a 65 mph. [9]
Los autobuses públicos urbanos suelen tener limitadores de velocidad que suelen estar configurados entre 65 kilómetros por hora (40 mph) y 100 kilómetros por hora (62 mph). [ cita requerida ]
Todos los vehículos pesados en Europa y Nueva Zelanda tienen leyes o reglamentos que limitan su velocidad a 90 kilómetros por hora (56 mph) o 100 kilómetros por hora (62 mph). [ cita requerida ] Los camiones de bomberos y otros vehículos de emergencia están exentos de este requisito.
Las hélices de los aviones son otra aplicación. El regulador detecta las RPM del eje y ajusta o controla el ángulo de las palas para variar la carga de par en el motor. De este modo, cuando el avión aumenta su velocidad (como en un descenso) o disminuye su velocidad (en un ascenso), las RPM se mantienen constantes.
Los motores pequeños, que se utilizan para accionar cortadoras de césped , generadores portátiles y tractores para césped y jardín , están equipados con un regulador para limitar el combustible que llega al motor a una velocidad máxima segura cuando no está cargado y para mantener una velocidad relativamente constante a pesar de los cambios en la carga. En el caso de aplicaciones con generadores, la velocidad del motor debe controlarse de cerca para que la frecuencia de salida del generador permanezca razonablemente constante.
Los reguladores de motores pequeños suelen ser de uno de tres tipos: [10]
En las turbinas de vapor , el control de la turbina de vapor es el procedimiento de monitorización y control del caudal de vapor que ingresa a la turbina con el objetivo de mantener constante su velocidad de rotación. El caudal de vapor se monitoriza y controla interponiendo válvulas entre la caldera y la turbina. [11]
En las turbinas hidráulicas , los reguladores se han utilizado desde mediados del siglo XIX para controlar su velocidad. Un sistema típico utilizaría un regulador Flyball que actuaría directamente sobre la válvula de entrada de la turbina o la compuerta para controlar la cantidad de agua que entra en la turbina. En 1930, los reguladores mecánicos comenzaron a utilizar controladores PID para un control más preciso. En la última parte del siglo XX, los reguladores electrónicos y los sistemas digitales comenzaron a reemplazar a los reguladores mecánicos. [12]
Para la generación eléctrica en redes eléctricas sincrónicas , los motores primarios impulsan generadores eléctricos que están acoplados eléctricamente a cualquier otro generador de la red. Con el control de velocidad de caída, la frecuencia de toda la red determina el combustible suministrado a cada generador, de modo que si la red funciona más rápido, el regulador reduce el combustible para cada generador para limitar la velocidad.
Los limitadores se utilizan en ascensores . Actúan como 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 para ascensores). Este dispositivo debe instalarse en ascensores de tracción y ascensores hidráulicos con cable.
En algunas cajas de música a cuerda se utilizan reguladores para mantener la música reproduciéndose a una velocidad más o menos constante mientras la tensión del resorte disminuye.
