elementos finales de control

7/17/2019 Elementos Finales de Control

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INSTRUMENTACIN INDUSTRIALELEMENTOS FINALES DE CONTROL

Instrumentacin y Control


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Elementos fnales de control

Introduccin

Vlvulas de control

ActuadoresDiscusin y anlisis


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Introduccin


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Introduccin

Defnicin

Los elementos fnales de control, convierten los comandos del sistemade control en acciones concretas para corregir el comportamiento de lasvariables del proceso tecnolgico.

Los elementos fnales de control ms abituales son las vlvulas decontrol, !ue pueden ser autoaccionadas o controladas por uncontrolador a trav"s de un actuador.

#n elemento fnal de control es un mecanismo !ue altera el valor de lavariable manipulada en respuesta a una se$al de salida desde eldispositivo de control automtico% t&picamente recibe una se$al delcontrolador y manipula un 'u(o de material o energ&a para el proceso. )lelemento fnal de control puede ser una valvul de control, vridores

de frecuenci y motores elctricos, una servovalvul, un rel,elementos clefctores de cracter elctrico o un mortigudor.

)l elemento fnal de control consta generalmente de dos partes* #n actuador !ue convierte la se$al del controlador en un comando

para el dispositivo manipulador. #n mecanismo para a(ustar la variable manipulada


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!l"ulas de control )n los procesos industriales la vlvula de control (uega un papel

muy importante en el bucle de regulacin. +ealia la -uncin devariar el caudal del 'uido de control !ue modifca a su ve elvalor de la variable de medida comportndose como un orifciode rea continuamente variable. Dentro del bucle de control

tiene tanta importancia como el elemento primario, eltransmisor y el controlador.


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!l"ulas de control #na vlvula de control interacta directamente sobre las

corrientes del proceso con la fnalidad de absorber una cantidadadecuada de ca&da de presin para as& mantener al sistematotal en balance ba(o todas las condiciones de operacin.

/ediante la regulacin de ca&das de presin se logra el controlin-erencial de 'u(o, nivel, presin, temperatura, p.0., es decirtodas las variables vistas anteriormente de a& su importancia.

La seleccin de la vlvula adecuada re!uiere la consideracinde mucos -actores, para cubrir las demandas del proceso en lore-erente a caracter&sticas de control y confabilidad mecnica.


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!l"ulas de control!sta#o. 1u -uncin es unir al obturador con el servomotor. Dispone

generalmente de un &ndice !ue se$ala en una escala la posicinde apertura o cierre de la vlvula.

Ta$a. La tapa de la vlvula de control tiene por ob(eto unir el cuerpo

al servomotor. A su ve deslia el vstago del obturadoraccionado por el motor.

1egn las temperaturas de traba(o de los 'uidos y el grado deestan!uidad deseada e2isten los siguientes tipos de tapas* 3apa normal* temperaturas del 'uido variables entre 45 y 6645 C.

3apa con columnas de e2tensin temperaturas muy ba(as.

3apa con -uelle de estan!ueidad temperaturas entre 64 y 7845 C.

3apa con aletas de radiacin temperaturas 645 a 7845 C.


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!l"ulas de control

Ta$a.


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!l"ulas de controlEm$a+uetadura&


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!l"ulas de controlCuer$o. )l cuerpo de la vlvula debe resistir la temperatura y la

presin del 'uido sin p"rdidas, tener un tama$o

adecuado para el caudal !ue debe controlar y serresistente a la erosin o corrosin producidas por el'uido.

5ridas.

A!u& se realia la cone2in del cuerpo de la vlvula conla tuber&a. Las bridas estn normaliadas de acuerdo conlas presiones y temperaturas de traba(o en las normasDI y A1I.


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!l"ulas de control

O1turador. )s !uien realia la -uncin de control de paso del 'uido y puede

actuar en su propio e(e o bien tener un movimiento rotativo.

Asiento. unto con el obturador -orman el coran de la vlvulaE al

controlar el caudal gracias al orifcio de paso variable !ue-orman al variar su posicin relativa, y !ue adems tienen lamisin de cerrar el paso del 'uido.


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!l"ulas de control

Defnicin

)n su -ormato mssimple, las vlvulas decontrol son un orifcio derestriccin variable, !uemodula el caudal del'uido en un proceso.

Las vlvulas pueden serde varios tipos segn seael dise$o del cuerpo y elmovimiento del obturador.

Las vlvulas demovimiento lineal, en las!ue el obturador semueve en la direccin de

su propio e(e se clasifcancomo se especifca a


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!l"ulas de control

Ti$os de "!l"ulas

Vlvula de globoVlvula de nguloVlvula de (aulaVlvula de compuertaVlvula en FVlvula de cuerpo partidoVlvula 1aundersVlvula de obturador e2c"ntrico rotativoVlvula de mariposaVlvula de bolaVlvula de orifco a(ustableVlvula de 'u(o a2ialVlvula de desaogo


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!l"ulas de control

!l"ulas de #lo1o

!l"ula de #lo1o& De simple asiento,

+e!uieren de un actuador de mayor tama$o para!ue el obturador cierre en contra de la presindi-erencial del proceso.

1e emplean cuando la presin del 'uido es ba(a y

se precisa !ue las -ugas en posicin de cierre seanm&nimas.

de doble asiento )n la vlvula de doble siento o de obturador

equilibradola -uera de dese!uilibrio desarrollada

por la presin di-erencial a trav"s del obturador esmenor !ue en la vlvula de simple asiento. 1e emplea en vlvulas de gran tama$o o bien

cuando deba traba(arse con una alta presindi-erencial. )n posicin de cierre las -ugas sonmayores !ue en una vlvula de simple asiento.


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!l"ulas de control

!l"ulas de #lo1o


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!l"ulas de control

!l"ulas de tres "8as

!l"ula de tres "8as& 1e emplea generalmente para meclar 'uidos G

vlvulas mecladoras o bien para derivar de un'u(o de entrada de dos de salida G vlvulas

diversoras Las vlvulas de tres v&as intervienen t&picamente

en el control de temperatura de intercambiadoresde calor.


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!l"ulas de control

!l"ulas de 9aula

!l"ula de 9aula&

Consiste en un obturador cil&ndrico !ue deslia en una (aula conorifcios adecuados en las caracter&sticas de caudal deseadas enla vlvula.

1e caracterian por el -cil desmonta(e del obturador y por!ue

"ste puede incorporar orifcios !ue permiten eliminarprcticamente el dese!uilibrio de -ueras producido por lapresin di-erencial -avoreciendo la estabilidad del-uncionamiento.

1e emplea en vlvulas de gran tama$o o bien cuando debatraba(arse con una alta presin di-erencial.


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!l"ulas de control

!l"ulas de com$uerta

!l"ula de com$uerta& )-ecta su cierre con un disco vertical plano, o de

-orma especial, y !ue se mueve verticalmente al'u(o del 'uido.

)s adecuada generalmente para control todo;nada, ya !ue en posiciones intermedias tiende ablo!uearse.

3iene la venta(a de presentar muy poca

resistencia al 'u(o de 'uido cuando est enposicin de apertura total.


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!l"ulas de control

!l"ulas en :

!l"ula en :& )s adecuada como vlvula de cierre y de control.

Como vlvula todo;nada se caracteria por suba(a perdida de carga y como vlvula de control

presenta una gran capacidad de caudal. >osee una caracter&stica de auto drena(e cuando

est instalada con un cierto ngulo. 1e emplea usualmente en instalaciones

criog"nicas.


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!l"ulas de control

!l"ulas de com$resion

!l"ula de com$resin& Bunciona mediante el pinamiento de dos o ms

elementos 'e2ibles, por e(emplo, un tubo degoma.

Igual !ue las vlvulas de dia-ragma secaracterian por!ue proporcionan un ptimocontrol en posicin de cierre parcial y se aplican-undamentalmente en el mane(o de 'uidos

negros corrosivos, viscosos o conteniendopart&culas slidas en suspensin.


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!l"ulas de control

!l"ulas de Saunders

!l"ula de Saunders& )l obturador es una membrana 'e2ible !ue a

trav"s de un vstago unido a un servomotor, es-orada contra un resalte del cuerpo cerrando as&H

el paso del 'uido. 1e caracteria por!ue el cuerpo puede revestirse

-cilmente de la goma o de plstico para traba(arcon 'uidos agresivos.

1e utilia principalmente en el mane(o de 'uidosnegros o bien en el control de 'uidos conteniendoslidos en suspensin.


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!l"ulas de control

!l"ulas de Saunders

!l"ula de mari$osa&

)l cuerpo est -ormado por un anillo cil&ndrico dentro del cual giratransversalmente un disco circular.

La vlvula puede cerrar erm"ticamente mediante un anillo degoma en el cuerpo.

)n la seleccin de la vlvula es importante considerar las presionesdi-erenciales correspondientes a las posiciones de completaapertura y cierre% se necesita una -uera grande del actuador paraaccionar la vlvula en caso de una ca&da de presin elevada.

Las vlvulas de mariposa se emplean para el control de grandescaudales de 'uidos a ba(a presin.


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!l"ulas de control

!l"ulas de Saunders

!l"ula de 1ola&

)l cuerpo de la vlvula tiene una cavidad interna es-"rica !uealberga un obturador en -orma de es-era o de bola.

La bola tiene un corte adecuado 9usualmente en V: !ue f(a lacueva caracter&stica de la vlvula, y gira transversalmente.

)l cierre estanco se logra con un aro de te'n incorporado alcuerpo contra el cual asienta la bola cuando la vlvula est cerrada.

)n posicin de apertura total, la vlvula e!uivale apro2imadamenteen tama$o a 8 J del tama$o de la tuber&a.

La vlvula de bola se emplea principalmente en el control de caudalde 'uidos negro, o bien en 'uidos con gran porcenta(e de slidos ensuspensin.


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!l"ulas de control

Otros ti$os de "!l"ulas


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Elementos fnales

Otros ti$os de "!l"ulas


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!l"ulas de control

Seleccin del ti$o de "!l"ula

Criterios 5!sicos $ara la Seleccin de!l"ulas

(& Eleccin del ti$o de "!l"ula de acuerdo a su >uncinuestra primera base de eleccin estarHbasada en la -uncin de la

vlvula o e!uipo debe de realiar en la planta para ellodistinguiremos las siguientes -unciones*

Aislamiento Deseamos interrumpir el 'u(o de la l&nea en de-orma total y cuando sea preciso.Retencin ecesitamos impedir !ue el 'u(o no retroceda acia la

ona presuriada cuando esta decrece o desaparece. Re#ulacin Kueremos modifcar el 'u(o en cuanto a cantidad,desviarlo, meclarlo o accionarlo de -orma automtica.

Se#uridad ecesitamos proteger e!uipos y personal contra lasobre presin.


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!l"ulas de control



'& Determinacin de la ,resin Nominal)2isten unas presiones de dise$o o +ating de -abricacin

estndar sobre los !ue especifcar, estos diferen entre lasormas DI o A1I

DIN ,N(< ,N(4 ,N'% ,N*< ,N4* ,N( a >lan#e067% G#Hdm)2

D 1 Num1er Tread d' Sa$e 5G#

15 95 14 65

4

M 12 14

0,72

20 105 16 75 1,01

25 115 16 85 1,23

32 140 16 100

M 16 18

1,8

40 150 16 110 2,09

50 165 18 125 2,88

65 185 18 145 3,66

80 200 20 160

8

4,77

100 220 20 180 5,65125 250 22 210 8,42

150 285 22 240M 20 22

10,4

200 340 24 295

12

16,1

250 405 26 355

M 24 26

24,9

300 460 28 410 35,1

350 520 30 47016

47,8

400 580 32 525 M 27 30 63,5

500 715 36 650 20 M 30 33 102


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!l"ulas de control


Criterios 5!sicos $ara la Seleccin de !l"ulas

)& Determinacin de los materiales constructi"os)n -uncin del -actor anterior 9presin 2 temperatura: as&H como la compatibilidad!u&mica y de resistencia a la corrosin y erosin de los 'uidos, debemos deescoger los materiales constructivos de las diversas partes de la vlvula.

Desde el punto de vista de seleccin de materiales de una vlvula debemos deconsiderar siempre los siguientes*i. Cuerpo retenedor de presin, parte meda en contacto con el 'uido.ii. >artes blandas y empa!uesiii. 3orniller&a de unin y recubrimientos e2teriores.

1obre el cuerpo observaremos !ue el material disponible sea compatible con el

'uido en t"rminos de compatibilidad !u&mica.

>ara determinar el material de empa!ues o sellado internos y e2ternos serHdeterminante la temperatura y la compatibilidad del material de sellado con el'uido.


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!l"ulas de control



*& Seleccin del accionamientoLas Vlvulas pueden ser accionadas de diversas -ormas*

i. /anualmenteii. Auto accionadas por el propio 'uidoiii. Accionadas por actuadores e2ternos

La seleccin del tipo de accionamiento esta condicionada por lasnecesidades en planta%

>or e(emplo accesibilidad a la vlvula, -recuencia de operacin,disponibilidad de energ&a au2iliar, econom&a, grado de e2actitudre!uerido en la operacin....


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!l"ulas de control


Criterios 5!sicos $ara la Seleccin de !l"ulas

%& Seleccin del TamaJo de la !l"ulaLas Vlvulas estn normaliadas a un tama$o o Dimetro ominal deacuerdo a los )stndares internacionales. )l dimensionado de lavlvula se realiar de acuerdo al caudal de circulacin en l&nea y

otros -actores del proceso. Cuando seleccionemos la vlvula tenemos!ue considerar aspectos como la Cavitacin y presin di-erencial entreotros.

4& Criterios comerciales #eneralesLas pautas anteriormente descritas deben de ser fnalmente (ugadas

por el ingeniero de aplicacin ba(o unos criterios comerciales !uerigen en el mercado, tales como la disponibilidad y econom&a. )sobvio !ue con la utiliacin de materiales y un +ating de altorendimiento nunca erraremos en una instalacin de 'uidos neutroscon poca presin pero esto no sigue un criterio comercial.


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!l"ulas de control

Ca"itacin

La aspiracin en vaco es un e-ecto idrodinmico, !uese produce cuando el agua u otro 'uido en estadol&!uido, pasa a gran velocidad por una arista aflada,produciendo una descompresin del 'uido debido a laconservacin de la constante de ?ernoulli 9principio de

?ernoulli:

)n dnde,V, es la velocidad del 'uido en la seccin considerada.N, es la densidad del -luido.>, es la presin a lo largo de la l&nea de corriente.g , es la aceleracin de la gravedadO, es la altura en la direccin de la gravedad, desde una

cota de re-erencia.


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!l"ulas de control

Ca"itacin

Caracter8sticas de Caudal Inerente&

)l obturador determina la caracter&stica de caudal dela vlvula% es decir, la relacin !ue e2iste entre laposicin del obturador y el caudal de paso del 'uido.

La caracter&stica de un 'uido incompresible 'uyendoen condiciones de presin di-erencial constante atrav"s de la vlvula se denomina caracterstica decaudal inherentey se representa usualmenteconsiderando como abscisas la carrera del obturadorde la vlvula y como ordenadas el porcenta(e decaudal m2imo ba(o una presin di-erencial constante.


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!l"ulas de control

Ca"itacin

Caracter8sticas de Caudal e>ecti"as&

)n la mayor parte de las vlvulas !ue traba(an encondiciones reales, la presin di-erencial cambia cuandovaria la apertura de la vlvula, por lo cual la curva real !uerelaciona la carrera de la vlvula con el caudal, se apartade la crcterstic de cudl inherente. )sta nueva curvarecibe el nombre de caracterstica de caudal efectiva.

#na -orma adecuada para representar la caracter&stica decaudal e-ectiva es a trav"s del coefciente r, !ue e2presa

la relacin entre la ca&da de presin en la vlvula respectode la ca&da de presin total del sistema, en donde laperdida total del sistema es constante.


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!l"ulas de control

Ca"itacin


De modo general, el caudal !ue pasa por la vlvulacorresponde a la ecuacin*


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!l"ulas de control

Ca"itacin


Si r K 6 la caracterstica in4erente se confunde con la efectiva. Si la caracterstica eslineal qiKKl resulta#

++6

6

lK

rr

qe+

=

Si la caracterstica es isoporcentual con Frangeabilit!G 5K&)- qiK).)+"&)lresulta

l

er

r

q

+&))'.)

6

6

+

=


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!l"ulas de control

Ca"itacin

>uede ocurrir !ue se alcance la presin de

vapor del l&!uido, de tal -orma !ue lasmol"culas l&!uidas pasen inmediatamente avapor, -ormndose cavidades en el 'uido.


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!l"ulas de control

Ca"itacin

Las cavidades -ormadas via(an aonas de mayor presin eimplotan, produciendo una estelade gas y un arran!ue de metal de lasuperfcie en la !ue origina este-enmeno.

)l -enmeno se acompa$a de ruidoy vibraciones.


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Actuadores

Las vlvulas pueden ser accionadasneumaticmente, elctricmenteohidraulicmente.

)l actuador neumtico es ampliamente utiliado.

)s simple,

barato,

no tiene -riccin y

su velocidad es limitada slo por el &ndice con el culel aire puede ser mandado al actuador y retirado delmismo.

Actuadores


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Actuadores

Defnicin

1e llama actuadores a los dispositivos !ueactan sobre otros elementos de control paraproducir un accionamiento de estos.

Los actuadores pueden ser* neumaticos, hidraulicos, elctricos!


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Actuadores

Defnicin

Ti$os De Actuadores

)l actuador recibe la orden de un regulador ocontrolador y da una salida necesaria paraactivar a un elemento fnal de control como lo

son las vlvulas.

3ipos de accionamientos el"ctricos* /otor DC /otor AC /otor de pasos 1ervomotores


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Actuadores

Defnicin

Ti$os de accionamientos el=ctricos /otor DC

+egulacin de velocidad o par +egulacin de velocidad

Aplicaciones de precisin yposicionamiento /otor AC

+egulacin de velocidad Variadores de velocidad

/otor de pasos >otencias pe!ue$as >osicionamiento con precisin

1ervomotores

>otencia pe!ue$a


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Actuadores

Defnicin

Ti$os de accionamientos el=ctricos 1ervomotores

>osicionamiento controlado por controlnum"rico

)!uipo de cmputo @ran precisin )stabilidad de velocidad +epetitividad de movimiento +espuesta dinmica


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Actuadores

Defnicin

Ti$os de accionamientos el=ctricos 1ervomotores


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Actuadores

Defnicin

Actuadores Neum!ticos E @idraulicos

Los actuadores idrulicos se emplean cuandolo !ue se necesita es potencia. +e!uieren demasiado e!uipo para

suministro de energ&a, as& como demantenimiento peridico.

Los neumticos son simples posicionamientos. Las aplicaciones de los modelos

neumticos tambi"n son limitadas desde elpunto de vista de precisin ymantenimiento.


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Actuadores

Defnicin

3ipos De Actuadores* )l"ctricos, eumticos )0idraulicos


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Actuadores

Defnicin

La "!l"ula de control neum!tica consiste en un servomotor accionado por la

se$al neumtica de G


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Actuadores

Actuadores neum!ticos


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Actuadores

Actuadores

Actuadores


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Actuadores

Actuadores neum!ticos


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Actuadores

Actuadores idr!ulicos


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Actuadores



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Actuadores



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Actuadores



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Actuadores

Actuadores

Actuadores Rotati"os

1e encargan de trans-ormar la energ&aneumtica en energ&a mecnica de rotacin.

Dependiendo de si el mvil tiene un ngulolimitado o no, se clasifcan en* @iro limitado /otores neumticos


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Actuadores

Actuadores


d


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Actuadores

Actuadores


A d


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Actuadores

Actuadores el=ctricos


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A t d


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Actuadores

Otros Actuadores

>ueden ser los relevdores trnsistores ytiristores. )n los relevadores el control seria

N*++, en transistores y tiristores comocontrol proporcional.

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