Actuadores eléctricos vs. neumáticos

Nov 28, 2023

Dos compresores más pequeños a menudo son menos costosos de operar que una unidad más grande. Foto cortesía de Bimba Manufacturing Co.

Los actuadores neumáticos y eléctricos son tan diferentes que uno no puede ser un reemplazo directo del otro. Foto cortesía de Bimba Manufacturing Co.

Este cilindro neumático está disponible con un bloqueo de vástago opcional, que permite el bloqueo mecánico del vástago del pistón en cualquier posición a lo largo de la carrera. Foto cortesía de Bimba Manufacturing Co.

La neumática es más económica cuando la escala de implementación coincide con la capacidad del compresor. Foto cortesía de Bimba Manufacturing Co.

Los actuadores neumáticos brindan alta fuerza y ​​velocidad a un costo unitario bajo en un espacio reducido. Foto cortesía de Bimba Manufacturing Co.

Al calcular el costo operativo de los dispositivos neumáticos, los ingenieros deben considerar la potencia y la eficiencia del compresor, las horas de funcionamiento anuales y el costo de la electricidad. Foto cortesía de Bimba Manufacturing Co.

Los actuadores eléctricos son más económicos cuando se implementan en una escala moderada en procesos donde sus ventajas de rendimiento pueden ser un beneficio y cuando la electrónica está separada del actuador. Foto cortesía de Bimba Manufacturing Co.

¿Está considerando reemplazar un compresor y 200 cilindros neumáticos con actuadores eléctricos para ahorrar dinero en aire comprimido? O tal vez esté pensando en construir una nueva máquina neumática porque 30 actuadores eléctricos cuestan la friolera de $ 34,000.

De cualquier manera, es posible que esté tomando la decisión equivocada y desperdiciando decenas de miles de dólares al año. La elección de actuadores neumáticos o eléctricos implica una evaluación del rendimiento, los costos de los componentes, los costos del sistema y las ganancias de productividad. Las dos tecnologías son tan diferentes que una no puede ser un reemplazo directo de la otra. Cada uno tiene ventajas y desventajas inherentes.

Los actuadores neumáticos brindan alta fuerza y ​​velocidad a un costo unitario bajo en un espacio reducido. La fuerza y ​​la velocidad son fácilmente ajustables y son independientes entre sí. La aplicación neumática típica emplea cilindros sobredimensionados como factor de seguridad. Esto es común porque los cilindros neumáticos son económicos y es factible y práctico pasar al siguiente diámetro mayor. Los precios de los cilindros de varilla no reparables oscilan entre $15 y $250, según el diámetro del cuerpo, la carrera y las opciones. Los cilindros neumáticos proporcionan más fuerza y ​​velocidad por tamaño de unidad que cualquier otra tecnología, excepto la hidráulica.

La neumática es más económica cuando la escala de implementación coincide con la capacidad del compresor. Los compresores pequeños son eficientes y económicos cuando se utilizan para alimentar una pequeña cantidad de dispositivos neumáticos. Los compresores grandes son eficientes y económicos cuando alimentan una gran cantidad de dispositivos neumáticos. La capacidad del compresor no utilizada es costosa. El tiempo que un compresor permanece inactivo sin carga también es costoso.

Si bien los costos de los componentes neumáticos son bajos, los costos de mantenimiento y operación pueden ser altos, especialmente si no se ha hecho un esfuerzo serio para cuantificar y minimizar esos costos. Los costos de mantenimiento y operación incluyen cilindros de reemplazo, instalación y mantenimiento de líneas de aire y electricidad para el compresor. Según el Departamento de Energía, el 24 por ciento del costo anual del aire comprimido se debe al mantenimiento, equipo e instalación, mientras que el 76 por ciento se debe directamente al costo de la electricidad del compresor.

Por lo general, la eficiencia del compresor es menor cuando el compresor está parcialmente cargado. Además, si durante la semana laboral los compresores se dejan encendidos sin carga, se desperdicia una cantidad sustancial de electricidad. El desperdicio se incrementa por el mantenimiento inadecuado (fugas de aire) y el uso no esencial del compresor. Los compresores y cilindros sobredimensionados, comunes hoy en día, son costosos de operar.

La determinación del costo operativo por dispositivo neumático implementado en una instalación puede ser revelador, especialmente si los cálculos de costos no se han realizado durante un tiempo y la escala de operaciones se ha reducido. Si hay 500 dispositivos neumáticos que usan un compresor, el costo por dispositivo puede promediar $ 100 por año, pero si solo hay 50 dispositivos, entonces el costo por dispositivo aumenta diez veces a $ 1,000.

A diferencia de los actuadores neumáticos, los actuadores eléctricos brindan control y posicionamiento precisos, ayudan a adaptar las máquinas a procesos flexibles y tienen un bajo costo operativo. Son más económicos cuando se implementan en una escala moderada en procesos donde sus ventajas de rendimiento pueden ser un beneficio y cuando la electrónica está separada del actuador para segmentar y minimizar los costos de reemplazo.

Los actuadores eléctricos consisten en un tornillo de bola, acme o de rodillos conectado mediante un acoplador a un motor eléctrico. A medida que gira el tornillo, mueve una tuerca, que está conectada a la varilla o carro. La barra o carro mueve la carga. El rendimiento varía según los materiales utilizados. Los motores de uso común incluyen motores paso a paso y servos. Los motores de CC con escobillas y los motores de CA a veces se usan con interruptores de límite cuando la precisión de posicionamiento es menos crítica.

Los motores paso a paso son una opción económica para un posicionamiento preciso a velocidades más bajas. Sin embargo, los motores paso a paso pueden perder la sincronización con el controlador cuando se emplean en bucle abierto sin un codificador o si son demasiado pequeños para una aplicación. Los servos, por definición, son de circuito cerrado y brindan un rendimiento superior a altas velocidades, aunque a un costo más alto.

Los tornillos de alta precisión y la mecánica antiretroceso pueden proporcionar una precisión de posicionamiento de diez milésimas de pulgada. Las precisiones estándar con componentes estándar van desde unas pocas centésimas hasta unas pocas milésimas de pulgada.

La velocidad y el empuje están relacionados en la física de un actuador eléctrico. La velocidad se entrega por empuje y el empuje por velocidad. Esta es una distinción importante de los cilindros neumáticos. Para un actuador eléctrico dado, habrá más empuje disponible a bajas velocidades y menos empuje a altas velocidades. Esta característica es más pronunciada con motores paso a paso y menos con servos. Por esta razón, el dimensionamiento preciso en una aplicación es fundamental. Aumentar el empuje a la misma velocidad requiere diferentes diseños que utilicen diferentes componentes y materiales. Un aumento en el empuje y la velocidad requiere componentes y materiales más grandes y potentes, lo que aumenta los costos.

Comprender y evaluar la carga en la aplicación en condiciones reales garantiza la especificación del actuador correcto y minimiza los gastos. No comprender la carga de aplicaciones deja al ingeniero vulnerable a un bajo rendimiento y altos costos.

Además de un tornillo de accionamiento y un motor, un actuador eléctrico requiere un amplificador para alimentar el motor y un controlador para controlar el movimiento. El costo total de estos componentes oscila entre $ 800 y $ 3,000 y más.

Los costos operativos de los actuadores eléctricos provienen en gran medida del consumo de energía del motor. Los circuitos de bajo voltaje en el amplificador y el controlador consumen energía en un grado mucho menor.

Si bien los costos de los componentes de los actuadores eléctricos son altos, los costos operativos son bajos. Los altos costos de los componentes a menudo disuaden el uso de actuadores eléctricos. Sin embargo, los ahorros potenciales en los costos operativos en comparación con la neumática no se consideran adecuadamente o se ignoran.

Por ejemplo, los cambios manuales (adaptar una línea de ensamblaje a un producto diferente) pueden ser costosos en términos de pérdida de producción y horas de mano de obra requeridas para implementar el cambio. En el transcurso de un año, si se requieren cambios una vez a la semana y cada cambio requiere dos personas durante cuatro horas a $50 por hora, los costos de la hora hombre ascienden a $20 800 por año. Si la línea produce un ensamblaje por minuto y el valor de cada producto es de $10, los costos de producción perdidos ascienden a $124 800. Por lo tanto, el costo anual total de los cambios asciende a $145,600.

Debido a que son programables, los actuadores eléctricos pueden reducir sustancialmente estos costos de cambio. Los ahorros de costos anuales deben ser considerados como parte de la decisión de implementación.

Cuando se consideran el costo de reemplazo, el costo operativo y la eficiencia del proceso, los costos anuales de los actuadores eléctricos son comparables a los de los neumáticos. Ayuda cuando la escala de implementación es moderada y cuando los componentes del sistema de movimiento se pueden reemplazar por separado a medida que se desgastan, en lugar de reemplazar un sistema de control de movimiento completo.

Para comparar verdaderamente los actuadores eléctricos y neumáticos, es útil ver algunos ejemplos.

Digamos que una planta usa un compresor de 100 hp que funciona a plena carga 2000 horas al año con una eficiencia del 90 por ciento. Alimenta 20 actuadores neumáticos, que cuestan en promedio $50 cada uno. Cuando no se utiliza el compresor, funciona al 25 por ciento de potencia y 85 por ciento de eficiencia. Los actuadores neumáticos promedian una vida de tres años. El costo de la electricidad es de $0.10 por kilovatio-hora.

Los actuadores eléctricos se están considerando como reemplazos. Los eléctricos tienen un promedio de $ 900 cada uno más otros $ 1,200 para controles y fuentes de alimentación. Cada actuador consume 6 amperios completamente cargados a 48 V CC el 30 por ciento del tiempo. El tiempo restante los actuadores consumen 3 amperios. La fuente de alimentación consume 6 amperios a 120 VCA bajo carga completa, produciendo 9 amperios a 48 VCC. Los actuadores mecánicos tienen una vida útil de tres años, mientras que la electrónica tiene una vida útil de 10 años.

La duración de la vida en este ejemplo son suposiciones. La vida útil real de los componentes variará. Además, la electricidad automatizará un cambio de línea que consume dos horas por semana para dos personas que ganan $30 por hora cada una. El cambio de línea detiene la producción. Por cada hora de producción, se pueden producir 100 ensamblajes a $1 cada uno.

En este ejemplo, el costo del sistema neumático es el siguiente:

Si el viejo compresor de 100 hp se puede reemplazar con una unidad más pequeña de 50 hp, los costos se reducirán. El nuevo compresor se pagará solo en aproximadamente un año y medio. Si el compresor se apaga cuando no está en uso, los costos disminuirían aún más. Los ahorros podrían ser tan altos como $ 25,000 por año. Tenga en cuenta que el costo real por actuador neumático cae de más de $2000 a aproximadamente $300 cada uno debido a la eficiencia en la implementación.

En comparación, el costo de un sistema eléctrico es el siguiente:

Además, el sistema eléctrico ahorró los siguientes costos:

En este caso, los costos de operación y mantenimiento claramente le dan al sistema eléctrico una ventaja sustancial sobre el neumático. Observe que el costo total por año es de $9 648, sin incluir los ahorros que se obtienen de una mayor adaptabilidad de la maquinaria. Una vez que consideramos las ganancias de eliminar los cambios, la implementación de los actuadores eléctricos en realidad reduce el costo, en lugar de aumentarlo, en alrededor de $7,000 por año.

Una planta tiene instalado un compresor neumático de 200 hp, que opera a plena carga 2000 horas al año con una eficiencia del 93 por ciento. Se utilizará para impulsar 150 actuadores neumáticos, que cuestan en promedio $50 cada uno. Cuando no se utiliza el compresor, se apaga.

Una alternativa es utilizar actuadores eléctricos. Los actuadores de reemplazo cuestan $1,200 cada uno, lo que incluye controladores y controles integrados, pero no fuentes de alimentación. Cada actuador consume 6 amperios completamente cargados a 48 V CC, que es aproximadamente el 30 por ciento del tiempo. El tiempo restante los actuadores funcionan a 3 amperios. La fuente de alimentación consume 6 amperios a 120 VCA a plena carga, produciendo 9 amperios a 48 VCC.

En este ejemplo, el costo del sistema neumático es el siguiente:

Incluso con un compresor grande de 200 hp, el costo por dispositivo es extremadamente bajo y se beneficia de la gran escala de implementación. Si se pudiera usar un compresor de 100 hp en su lugar, los costos se pueden reducir aún más.

En comparación, el costo de un sistema eléctrico es el siguiente:

Debido a la gran escala de implementación, el costo de reemplazo de los actuadores aumenta el costo anual del sistema, lo que hace que los actuadores eléctricos sean poco prácticos. El sistema tendría que aumentar drásticamente la productividad para que valga la pena seguirlo.

En este caso, la neumática demostró ser la alternativa más económica. La utilización del compresor es más eficiente debido a la mayor cantidad de actuadores neumáticos desplegados. Los costos de reemplazo del actuador eléctrico elevan los costos del sistema eléctrico. Incluso con un diseño de actuador eléctrico modular, los costos están sustancialmente por encima del neumático.

El costo inicial de los actuadores es solo una pequeña consideración en una lista de problemas para implementar una automatización inteligente y rentable. El alto costo de los componentes eléctricos puede ser engañoso, pero también lo pueden ser los altos costos operativos del compresor. Ninguno cuenta toda la historia.

Los costos operativos neumáticos se pueden controlar dimensionando el compresor para que se ajuste a la escala de implementación del dispositivo neumático. Los costos de los actuadores eléctricos se pueden minimizar con un dimensionamiento preciso, comprando los componentes de control de movimiento por separado y reservándolos para aplicaciones en las que puedan mejorar la eficiencia del proceso. Los actuadores neumáticos tienen ventajas en costo, tamaño, empuje y velocidad, pero los eléctricos tienen ventajas en precisión, flexibilidad y control, lo que hace que la maquinaria y los procesos sean más eficientes. Una evaluación estimada inicial de una aplicación puede evitar descuidos y generar ahorros de costos considerables a largo plazo, al mismo tiempo que garantiza que el equipo coincida con las tareas en cuestión.

Use la siguiente ecuación para estimar el costo operativo de un actuador eléctrico:

Costo = Corriente x voltaje x 0.001 x horas de operación anuales x costo de electricidad x ciclo de trabajo

La corriente es el consumo de corriente de la fuente de alimentación o del controlador que proporciona energía a los devanados del motor. El voltaje es el voltaje de la línea de CA. El ciclo de trabajo es el porcentaje de tiempo que el motor consume la corriente especificada. Por lo general, un motor consume toda la corriente parte del tiempo, una parte de la corriente total parte del tiempo, y está inactivo otro porcentaje del tiempo sin carga, cuando la mayor parte del consumo de corriente se debe a la electrónica de control.

Supongamos que estamos utilizando una fuente de alimentación de CC para proporcionar energía al actuador. Esta fuente de alimentación proporciona 48 VDC a un máximo de 12 amperios. Según la hoja de datos del fabricante, la fuente de alimentación consume un máximo de 8 amperios a 120 VCA. Nuestro cálculo del costo del actuador eléctrico supone que el motor de nuestro actuador consume 6 amperios de corriente continua a plena carga y 1 amperio de corriente continua en reposo. Además, suponga que la mitad del consumo de corriente del actuador se traduce linealmente en la mitad del consumo de corriente de la fuente de alimentación.

El sistema funciona 8 horas al día, cinco días a la semana, y la electricidad cuesta $0,10 por kilovatio-hora. El sistema está inactivo la mitad del tiempo y consume una carga completa la mitad del tiempo.

Costo anual a plena carga = 120 x 4 x 0,001 x 8 x 5 x 52 x 0,1 x 0,5 = $49,92

Costo anual en reposo = 120 x 0,67 x 0,001 x 8 x 5 x 52 x 0,1 x 0,5 = $8,36

Para conocer los costos operativos totales, sume los costos, lo que equivale a alrededor de $58 anuales por actuador.

También tenemos que estimar los costos de reemplazo:

Actuadores = (costo por unidad x cantidad) ÷ vida útil

Electrónica = (costo por unidad x cantidad) ÷ vida útil

Si el sistema de actuador cuesta un total de $1200, de los cuales el actuador mismo cuesta $900 y tiene una vida útil de tres años, los costos anuales totales son aproximadamente ($900 ÷ 3) + $58 o $358 por cada actuador implementado. Si los componentes electrónicos están enterrados en el actuador y toda la unidad debe reemplazarse cuando el producto falla, los costos totales por año de propiedad ascienden a $458 por año por actuador. Por lo general, la electrónica tendrá una vida útil más larga y su contribución a los gastos de mantenimiento será menor.

Con actuadores neumáticos, la fuerza es proporcional al área de superficie del pistón. Para calcular la fuerza:

F = (diámetro del pistón)² x 0,785 x (presión de aire)

Por ejemplo, un cilindro de 1,0625 pulgadas de diámetro a 100 psi produce 89 libras de fuerza.

La velocidad y la fuerza se pueden controlar de forma independiente. Para mayor o menor fuerza, suba o baje la presión del aire usando un regulador. Para reducir la velocidad, use un control de flujo. Estos factores se combinan para simplificar el dimensionamiento de la aplicación.

Para que la estimación de costos sea más simple y rápida, se puede usar la siguiente ecuación para estimar el costo anual del aire comprimido:

Costo = (caballos de fuerza x 0,982 x horas de operación anuales x costo de electricidad) ÷ eficiencia

Las horas de funcionamiento anuales representan el número de horas que el compresor funciona a plena carga por año. Para calcular el costo de la electricidad, divida su factura de electricidad total por los kilovatios hora consumidos para obtener dólares por kilovatio hora. La eficiencia es la eficiencia del motor del compresor, como se indica en las especificaciones del compresor.

Suponga que el compresor tiene una potencia nominal de 200 hp y funciona a plena carga durante 8 horas al día, cinco días a la semana. Si el costo de la electricidad es de $0.10 por kilovatio-hora, y si el compresor tiene una eficiencia del 90 por ciento a plena carga, el costo anual del aire comprimido se puede calcular como:

Costo = (200 x 0.982 x 8 x 5 x 52 x 0.1) ÷ 0.9 = $45,390.24

Esta ecuación supone que el compresor está encendido a plena carga o apagado. En realidad, los compresores a menudo consumen electricidad sin carga mientras no se usan, en una cantidad del 20 al 30 por ciento del uso de carga completa. Además, la eficiencia del compresor es menor cuando está parcialmente cargado (85 por ciento en lugar del 90 por ciento en nuestro ejemplo).

Si durante la semana los compresores se dejan encendidos sin carga, podríamos agregar lo siguiente al costo total del aire comprimido:

Costo sin carga = (200 x 0.982 x 16 x 5 x 52 x 0.1 x 0.25) ÷ 0.85 = $24,030.12

El costo operativo total se calcula sumando los costos con carga completa y sin carga, que asciende a más de $69,000. Si la potencia real del eje del compresor es un 5 por ciento mayor, entonces los costos con y sin carga aumentan en un 5 por ciento. Si el compresor se apaga en lugar de dejarlo encendido continuamente, los costos se reducen a $45,000.

También se debe considerar el costo de los cilindros de reemplazo:

Costos anuales de reemplazo de cilindros = (cantidad x costo por cilindro) ÷ vida útil

Se deben sumar los costos operativos del compresor a plena carga, los costos operativos sin carga y el costo total de reemplazo de los cilindros para determinar el costo total del sistema. Divida este número por el número de cilindros desplegados para encontrar el costo promedio por cilindro.

Por Robert Kral, ingeniero sénior de soporte técnico, Bimba Manufacturing Co. University Park, IL