Gobernador (dispositivo)

Un gobernador, o limitador de velocidad o controlador, 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 la flujo de entrada de vapor.

Historia

Los gobernadores centrífugos se utilizaron 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 se encontraba el "péndulo cónico" de diseño propio de Watt. Gobernador: 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.

The theoretical basis for the operation of governors was described by James Clerk Maxwell in 1868 in his seminal paper 'On Governors#39;.

A partir del diseño de Watt, el ingeniero estadounidense Willard Gibbs, 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.

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 de cualquier trabajo que produzca un sistema termodinámico 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 vapor.

Este tipo de investigaciones teóricas culminaron en la publicación en 1876 de Gibbs' famosa obra Sobre el equilibrio de sustancias heterogéneas y en la construcción del gobernador de Gibbs. Estas formulaciones son omnipresentes hoy en día en las ciencias naturales en la forma de la teoría de Gibbs. ecuación de energía libre, que se utiliza para determinar el equilibrio de reacciones químicas; también conocido como equilibrio de Gibbs.

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 utilizaban para establecer la velocidad requerida del motor, y el regulador 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 impulsada.

Limitadores de velocidad

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.

Coches

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 iniciaron inicialmente el "acuerdo de caballeros", limitando electrónicamente sus vehículos a una velocidad máxima de 250 kilómetros por hora (155 mph), 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 Europa 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 a 250 kilómetros por hora (155 mph). El Chrysler 300C SRT8 está limitado a 270 km/h. La mayoría de los vehículos del mercado nacional japonés están limitados a sólo 180 kilómetros por hora (112 mph) o 190 kilómetros por hora (118 mph). 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 coches de alto rendimiento están limitados a una velocidad de 250 kilómetros por hora (155 mph) para limitar los costes del seguro del vehículo y reducir el riesgo de que los neumáticos fallen.

Ciclomotores

Los ciclomotores en el Reino Unido deben tener un limitador de velocidad de 48 km/h (30 mph) desde 1977. La mayoría de los demás países europeos tienen normas similares (consulte el artículo principal).

Vehículos de servicios públicos

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.

Los autobuses públicos urbanos suelen tener reguladores de velocidad que normalmente se establecen entre 65 kilómetros por hora (40 mph) y 100 kilómetros por hora (62 mph).

Camiones (HGV)

Todos los vehículos pesados en Europa y Nueva Zelanda tienen regulaciones legales o reglamentarias que limitan su velocidad a 90 kilómetros por hora (56 mph) o 100 kilómetros por hora (62 mph). Los camiones de bomberos y otros vehículos de emergencia están exentos de este requisito.

Usos de ejemplo

Aeronave

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.

Motores pequeños

Los motores pequeños, utilizados para accionar 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:

• Pneumatic: el mecanismo gobernador detecta el flujo de aire de la sopladora de volantes utilizada para enfriar un motor refrigerado por aire. El diseño típico incluye una camioneta de aire montada dentro de la carcasa de soplador del motor y vinculada al eje de acelerador del carburador. Un resorte abre el acelerador y, a medida que el motor gana velocidad, el aumento del flujo de aire del soplador obliga a la camioneta a volver contra la primavera, cerrando parcialmente el acelerador. Eventualmente, se alcanzará un punto de equilibrio y el motor correrá a una velocidad relativamente constante. Los gobernadores neumáticos son simples en diseño y económicos para producir. Sin embargo, no regulan la velocidad del motor con mucha precisión y se ven afectados por la densidad del aire, así como las condiciones externas que pueden influir en el flujo de aire.
• Centrífuga: un mecanismo de peso volador impulsado por el motor está vinculado al acelerador y funciona contra una primavera de una manera similar a la del gobernador neumático, lo que resulta en operación esencialmente idéntica. Un gobernador centrífugo es más complejo para diseñar y producir que un gobernador neumático. Sin embargo, el diseño centrífugo es más sensible a los cambios de velocidad y por lo tanto se adapta mejor a los motores que experimentan grandes fluctuaciones en la carga.
• Electrónica: un motor servo está vinculado al acelerador y controlado por un módulo electrónico que detecta la velocidad del motor contando pulsos eléctricos emitidos por el sistema de encendido o una camioneta magnética. La frecuencia de estos pulsos varía directamente con la velocidad del motor, permitiendo que el módulo de control aplique un voltaje proporcional al servo para regular la velocidad del motor. Debido a su sensibilidad y respuesta rápida a los cambios de velocidad, los gobernadores electrónicos a menudo están equipados con generadores impulsados por motores diseñados para el hardware de computadora eléctrica, ya que la frecuencia de salida del generador debe mantenerse dentro de límites estrechos para evitar el mal funcionamiento.

Controles de turbina

En las turbinas de vapor, el gobierno de la turbina de vapor es el procedimiento de monitorear y controlar el caudal de vapor dentro de 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.

En las turbinas hidráulicas, los reguladores se han utilizado 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.

Generador eléctrico

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.

Ascensor

Los reguladores 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.

Caja de música

En algunas cajas de música de cuerda se utilizan reguladores para mantener la música sonando a una velocidad algo constante mientras la tensión del resorte disminuye.