INTERRUPTOR TERMOMAGNÉTICO

El interruptor termomagnético, llave térmica o breaker es un aparato utilizado para la protección de los circuitos eléctricos contra cortocircuitos y sobrecargas. Procederemos la disección de un interruptor Zoloda Z100 de 25 A hasta llegar a sus más mínimos componentes y analizaremos su funcionamiento.

Para la apertura del interruptor se quitan los cuatro remaches de bronce ubicados en los laterales y se retira la tapa derecha.

Entre los que podemos identificar los principales: Dispositivo térmico, dispositivo magnético, cámara de extinción de arcos, palanca de accionamiento y borneras de conexión de conductores de entrada y salida.

Con los componentes a la vista analizaremos su funcionamiento.

Funcionamiento

El funcionamiento de un interruptor termomagnético se basa en dos de los efectos producidos por la circulación de corriente eléctrica en un circuito: el magnético y el térmico (efecto Joule). El dispositivo consta, por tanto, de dos partes, un electroimán y una lámina bimetálica, conectadas en serie y por las que circula la corriente hacia la carga.

Magnético

Al circular la corriente el electroimán crea una fuerza que, mediante un dispositivo mecánico adecuado, tiende a abrir un contacto, pero sólo podrá abrirlo si la intensidad I que circula por la carga sobrepasa el límite de intervención fijado. Este nivel de intervención suele estar comprendido entre 3 y 20 veces la intensidad nominal (la intensidad de diseño del interruptor termomagnético) y su actuación es de aproximadamente unas 25 milésimas de segundo, lo cual lo hace muy seguro por su velocidad de reacción. Esta es la parte destinada a la protección frente a los cortocircuitos, donde se produce un aumento muy rápido y elevado de corriente.

Térmico; La otra parte está constituida por una lámina bimetálica que, al calentarse por encima de un determinado límite por efecto de la corriente que circula por ella, sufre una deformación y pasa a una posición que activa el correspondiente dispositivo mecánico, provoca la apertura del contacto. Esta parte es la encargada de proteger de corrientes que, aunque son superiores a las permitidas por la instalación, no llegan al nivel de intervención del dispositivo magnético. Esta situación es típica de una sobrecarga, donde el consumo va aumentando conforme se eleva la corriente por conexión de aparatos o mal funcionamiento de los mismos.

Ambos dispositivos se complementan en su acción de protección, el magnético para los cortocircuitos y el térmico para las sobrecargas.

Además de esta desconexión automática, el aparato está provisto de una palanca que permite la desconexión manual de la corriente y el rearme del dispositivo automático cuando se ha producido una desconexión. No obstante, este rearme no es posible si persisten las condiciones de sobrecarga o cortocircuito. Incluso volvería a saltar, aunque la palanca estuviese sujeta con el dedo, ya que utiliza un mecanismo independiente para desconectar la corriente y bajar la palanca

Los contactos disponen de una cámara apaga-chispas, que extingue arcos eléctricos durante el momento de apertura de estos por lo que reducen su deterioro.

Como resultado del desmantelamiento total del interruptor, obtuvimos las siguientes piezas:

-Lámina bimetálica -Contacto móvil -Contacto fijo -Bobina del solenoide -Embolo del solenoide -Remaches -Tapas -Resortes -Pernos -Bornes -Dispositivo de corte -Palanca -Cámara apaga chispas -Traba para riel DIN

Selección de un interruptor termomagnético

En la elección de un Interruptor Termomagnético debe tener presente, estas características:

Cierre rápido: Es la capacidad de los contactos del interruptor de cerrarse rápidamente, independiente de la velocidad de maniobra del operador. Evita el desgaste prematuro de los contactos.

Resistencia a los choques eléctricos: Es la aptitud de mantener la rigidez dieléctrica de sus contactos abiertos evitando la circulación de corriente hacia la carga provocada por sobretensiones transitorias (según onda 8/20us) que crean arcos eléctricos de corta duración y peligrosos. La variable medible es la tensión de impulso, se mide en kV y la norma IEC 60947-2 exige 4 kV.

Cámara de extinción de arco con limitación de la corriente de C.C. clase 3 según norma EN60898 (recomendado por el nuevo reglamento AEA en su ANEXO E) que permite el menor deterioro de la instalación sufrida por el shock calórico durante un cortocircuito.

Resistencia a los choques mecánicos: Su envolvente termoplástica flexible permite evitar quiebres y roturas del interruptor debido a condiciones severas de manipulación, hasta 30G (G: aceleración de gravedad). Por ejemplo, caída accidental del embalaje o el interruptor suelto mientras se está montando.

INTERRUPTOR DIFERENCIAL

Un interruptor diferencial, también llamado disyuntor por corriente diferencial o residual, es un dispositivo electromecánico que tiene la función de proteger a las personas de las derivaciones causadas por fallas de aislamiento entre los conductores activos y tierra o masa de los artefactos e instalaciones eléctricas. Básicamente se trata de un dispositivo amperométrico de protección que se desconecta cuando el sistema filtra una corriente significativa a la tierra.

Principio de funcionamiento

Su funcionamiento se basa en calcular continuamente la suma de vectores de las líneas de corriente monofásicas o trifásicas y, mientras la suma sea igual a cero, permiten que se suministre electricidad; pero el suministro se interrumpe rápidamente cuando la suma excede un valor predeterminado según la sensibilidad del dispositivo. 

El disyuntor bipolar incorpora en su interior un transformador toroidal, en él se conectan arrollamientos o bobinas de fase y neutro y un hilo de mando que incorpora en sus extremos un solenoide. Cuando la intensidad de entrada y la de salida (o de fase y neutro) no son iguales, los flujos de corriente que se forman en el toroide también dejan de serlo y se crea por tanto una diferencia de flujos que induce a su vez una intensidad que circula por el hilo de mando y estimula el solenoide. Esto provoca el desplazamiento de los

contactos del interruptor diferencial y la apertura del circuito.

Procederemos al despiece de un interruptor diferencial Zoloda ZPD hasta llegar hasta sus mínimos componentes y explicaremos la función de cada una de ellos.

El disyuntor a estudiar posee las siguientes características:

Polos: 2 Tensión de empleo Vo: 230 V ~ Frecuencia: 50/60 Hz Corriente asignada In: 25 A Clase de Disparo: AC Sensibilidad IΔn: 30mA = 0,03A Conforme a Norma: IEC 61008 Capacidad de conexionado: (para cables flexibles) hasta 25 mm2 Fijación: Sobre riel Din simétrico de 35 mm. Grado de protección: IP21X según lo establecido en la Norma IEC 60947-1. Tensión de Aislamiento (Ui): ha sido establecida en 660V~. Los ensayos dieléctricos y de líneas de fuga han sido realizados con esa tensión. Vida eléctrica: 2000 ciclos de maniobras Vida mecánica: 2000 ciclos de maniobras

Una vez extraída la tapa observamos los siguientes elementos que analizaremos en detalle: solenoide de disparo, borneras de conexión, palanca de accionamiento manual y mecanismo de disparo.

El solenoide es el encargado de accionar el gatillo del mecanismo de disparo que produce la desconexión del circuito cuando el disyuntor detecta diferencias entre las corrientes de fase y neutro. Está ubicado a la izquierda de la palanca de accionamiento manual y alojado en un compartimiento metálico que le proporciona sustento mecánico y blindaje

electromagnético.

Una vez retirada la tapa metálica de este compartimiento, se observan las dos conexiones de la bobina del solenoide y su sistema de sujeción compuesto por un tornillo y un resorte.

Retirando este tornillo se desmonta el solenoide y se verifica que sus cables se encuentran conectados al transformador toroidal.

En la cara inferior del solenoide observamos su parte móvil. Se trata de un pequeño buje plástico que se desplaza y acciona el mecanismo de disparo del disyuntor al recibir su bobina energía eléctrica del transformador toroidal.

La palanca de accionamiento manual cierra los contactos del equipo a la vez que comprime un resorte que queda bloqueado para que su energía sea utilizada por el sistema de disparo en la desconexión automática. La desconexión o apertura de los contactos se produce cuando el gatillo actúa sobre el dispositivo y este libera al mecanismo de la palanca.

El siguiente paso es la remoción de las borneras de entrada y los contactos principales del disyuntor. Estos se encuentran encastrados a presión en la base de la carcasa del equipo.

Aquí observamos un detalle del conjunto bornera – contacto:

Para la extracción del mecanismo de disparo se debe retirar el tornillo ubicado en la parte posterior de la carcasa y oculto tras un tapón plástico blanco.

Al retirar el mecanismo de disparo quedan expuestos la cámara apagachispas, el transformador toroidal y los contactos móviles con el resorte que los acciona:

La cámara apagachispas cumple la función de extinción del arco eléctrico que se produce en los contactos durante la apertura del circuito.

Aquí se observa el detalle de uno de los módulos apagachispas una vez retirado del interruptor:

Lo último que se extrae del aparato es el conjunto “electromagnético” que esta compuesto por el

transformador toroidal y el circuito de prueba.

El transformador toroidal es el corazón del interruptor diferencial ya que su misión es detectar la

diferencia entre la corriente de entrada y salida en el circuito. Sobre el toroide hay arrolladas dos bobinas,

colocadas en serie con los conductores de alimentación, que producirán campos magnéticos opuestos e iguales mientras las corrientes de de ambos conductores sean de la misma magnitud. Al producirse una fuga o contacto accidental a tierra se producirá un desequilibrio entre las corrientes de fase y neutro y este generará un campo magnético diferencial que inducirá una corriente en la bobina de corriente residual y esta activará el mecanismo de disparo mediante el solenoide.

En la siguiente imagen se observa un detalle del núcleo toroidal con las bobinas de corriente de fase y neutro (amarillo y celeste) y la de corriente diferencial o residual (alambre de cobre esmaltado).

El circuito de prueba o test produce la simulación de falla mediante la derivación de una corriente de fuga

entre entrada y salida del dispositivo sin ser censada por el toroide. Esta conexión se realiza cuando al pulsar el botón identificado con la letra “T” del frente del disyuntor este cierra un contacto que conecta una resistencia entre la fase de entrada y el neutro de salida.

En este caso encontramos una resistencia de 3200 Ohm (naranja, rojo, rojo) por la que circulará una corriente de 68 mA (0,068 A) al ser conectada a una tensión de 220V.

CONVERTIDOR DE FRECUENCIA CON MODULACIÓN POR AMPLITUD DEPULSO (PAM)

Básicamente representado en la figura 4, donde se aprecia los cuatro bloques que actúan sobre la frecuencia de salida para el motor

Figura 4 Convertidos de frecuencia PAM

La tensión y la frecuencia se hacen variar simultáneamente. El rectificador da una corriente continua fija, por lo que se aplica un transistor que conecta o suprime

alternativamente la tensión de corriente continua fija dando una tensión variable después del filtro formado por una bobina y un condensador. La magnitud de la tensión de corriente continua variable depende del tiempo durante el cual el transistor da paso de corriente. El circuito de control y regulación mide y compara esta tensión con la entrada, si existe una diferencia, automáticamente se efectúa la regulación hasta que se obtenga una tensión correcta a partir del filtro. La frecuencia de la tensión de salida se hace variar en el inversor cambiando la duración del período. Durante un período, los tiristores se activan varia veces. La duración del período puede ser controlada:

1.- Directamente por la señal de control.

2.- Por la tensión de corriente continua variable, proporcional a la señal de control

Frenado

El motor actuará como generador al ser impulsado por la carga. Si el motor está conectado directamente a la fuente de suministro, la energía generada se devuelve a la red y esto frena el motor. El convertidor de frecuencia tipo PAM no permite que esta energía producida sea devuelta a la red porque el rectificador la bloquea, llegando sólo hasta el circuito intermedio.

Ventajas de los convertidores de frecuencia PAM

Relación entre tensión y frecuencia siempre constante, es decir, que el motor no puede pararse incluso aunque sea sobrecargado.

Muy apropiado para el funcionamiento en paralelo con otros motores.

Velocidad constante cualquiera que sea su carga

El motor funciona de manera suave incluso a bajas velocidades

A prueba de cortocircuitos Rendimiento muy elevado

El motor funciona de manera silenciosa

Frenado por resistencia

Inconveniente

La energía de frenado no puede ser devuelta a la red eléctrica

CONVERTIDOR DE FRECUENCIA CON MODULACIÓN POR ANCHURA DEPULSO (PWM)

El esquema básico de los convertidores PWM es el de la figura 8

Figura8; CONVERTIDOR DE FRECUENCIA PWM

En esta figura se observa que la tensión continua es constante hasta e inversor. Esto significa que tanto la tensión como la frecuencia deben ser cambiadas en el inversor para que el motor pueda ser sometido a estas variaciones. La tensión se controla aplicando la tensión máxima al motor durante períodos más o menos largos. La frecuencia se controla aplicando impulsos positivos durante medio período e impulsos negativos durante el siguiente medio período. El circuito de control establece los tiempos de activación y desactivación de los tiristores en los puntos de intersección entre la tensión senoidal y la tensión triangular

Figura 9 TENSIONES Y FRECUENCIAS MÁXIMAS PARA PWM

En la figura 9 las tensiones de regulador aplicadas a los tiristores para controlar la frecuencia de salida. La amplitud de la tensión senoidal y la amplitud de la tensión triangular determinan la anchura de los impulsos de tensión que se aplican al motor.

Frenado

Durante el frenado, el motor actúa como generador, pero la energía sólo vuelve hasta el filtro del circuito intermedio ya que el rectificador bloquea el paso. Por tanto, el frenado está limitado, a no ser que se extraiga la energía a partir del circuito intermedio. Si se sustituye el rectificador por dos puentes de tiristores conectados en anti-paralelo, como en la figura 7, la energía puede ser devuelta a la red eléctrica aunque esto producirá algunas perturbaciones en la red de distribución y es de realización más costosa.

Ventajas de los convertidores de frecuencia PWM

- El motor funciona de manera suave, incluso a bajas velocidades.

- Es posible realizar el frenado a través de un módulo de frenado.

- Son apropiados para funcionamiento de motores paralelos sólo si la corriente de arranque de los motores no da lugar a la limitación de la corriente (parada del motor).

- Buen rendimiento del sistema.

Inconvenientes

- Motor ruidoso en razón de la forma de la curva de tensión.

- Parada del motor cuando el convertidor de frecuencia llega a la limitación de corriente (Aceleración rápida y valor de cresta de la carga). La aceleración debe ser adaptada a la carga para evitar la limitación de la corriente.

INVERSOR DE CORRIENTE (CSI)

El esquema básico es el de la figura 10, muy simplificada, donde se observa que el circuito intermedio es simplemente una bobina

Figura 10 CONVERTIDOR DE FRECUENCIA CSI

Al igual que los esquemas anteriores, este esquema, también está muy simplificado. Puede verse que no hay condensador en el circuito intermedio. La misión del condensador en los circuitos anteriores consistía en mantener la tensión constante auna frecuencia

dada. Por tanto, la carga determinaba la corriente del motor. Aquí la situación es inversa. La tensión variable procedente del rectificador controlado se transforma por medio de la bobina en una corriente continua ajustable adaptada a la frecuencia. De esta forma, la carga es la que determina la tensión del motor. Mayores cargas, exigen tensiones de motor elevadas. El convertidor de frecuencia CSI no es apropiado para funcionamiento de motores en paralelo, pues los condensadores del inversor deben ser adaptados a la potencia del motor.

Frenado

En este caso la energía de frenado es conducida directamente a la red de distribución eléctrica sin utilizar componentes suplementarios.

Ventajas de los convertidores de frecuencia CSI

- La energía de frenado puede ser devuelta a la red de distribución de electricidad sin componentes suplementarios.

- El convertidor está a prueba de cortocircuitos porque funciona a corriente constante, incluso si ocurre un cortocircuito.

- Buen rendimiento del sistema.- El motor funciona de manera silenciosa.

Inconvenientes

- Utilización limitada en el caso de funcionamiento de motores en paralelo.

- A velocidades lentas se producen indeseables variaciones periódicas del par.

- El rectificador controlado genera importantes perturbaciones y pérdidas en la red de distribución de electricidad.

- Reacción lenta a los cambios de carga.