Libro Fundamentos Del Control Eléctrico Industrial
549
1 FUNDAMENTOS DE CONTROL ELÉCTRICO INDUSTRIAL JULIA ANDREA GÓMEZ MARULANDA UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA ESCUELA DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA MEDELLÍN 2013
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1
FUNDAMENTOS DE
CONTROL ELÉCTRICO INDUSTRIAL
JULIA ANDREA GÓMEZ MARULANDA
UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA
ESCUELA DE INGENIERÍA
FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
MEDELLÍN
2013
2
FUNDAMENTOS DE
CONTROL ELÉCTRICO INDUSTRIAL
JULIA ANDREA GÓMEZ MARULANDA
Trabajo de grado para optar al título de ingeniera electricista y electrónica
DIRECTOR
JOSE HERNAN VALENCIA GALLÓN
Ingeniero Electricista
UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA
ESCUELA DE INGENIERÍA
FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
MEDELLÍN
2013
3
Nota de aceptación
_________________________
_________________________
_________________________
_________________________
_________________________
Firma
Nombre:
Presidente del jurado
_________________________
Firma
Nombre:
Jurado
_________________________
Firma
Nombre:
Jurado
4
AGRADECIMIENTOS
Agradezco principalmente a mis padres que fueron los que me apoyaron durante
todo el proceso de aprendizaje. Agradezco también a mi director el Ingeniero
Hernán Valencia Gallón y a mis jurados los Ingenieros electricistas Hugo A.
Cardona Restrepo y Andrés E. Diez Restrepo.
5
INTRODUCCIÓN
El contenido de este libro está relacionado con los Sistemas Eléctricos de Control
Industrial, de gran aplicación y uso generalizado en todo el mundo.
En general, se dispone de muchos manuales y abundante información técnica
sobre el tema. Sin embargo, no es fácil conseguir libros con características de
texto que sean aplicadas a la enseñanza en el campo de la ingeniería eléctrica y
que a la vez presenten un tratado fácil de entender, coherente y con abundante
información que promueva la lectura activa, particularmente para aquellas
personas que tienen especial interés en el tema.
El objetivo propuesto con este libro es que sirva de texto guía para las asignaturas
de formación académica, o para cursos complementarios o electivos en estudios
de ingeniería eléctrica o electrónica a nivel de pregrado. No obstante, la utilidad de
la obra no está confinada a los cursos regulares de un programa académico, sino
que puede ser utilizada para consulta, repaso o referencia. En general, sus
contenidos son los indicados para quienes se esfuerzan por obtener mayores
conocimientos acerca de los sistemas de control que se utilizan en las plantas de
procesos industriales, con la salvedad de que no sustituye a los manuales que se
deben consultar para los procedimientos detallados con un equipo de marca
determinada.
En el desarrollo de los temas tratados, se ha pretendido que sean claros, concisos
y bien enfocados, restringiendo la discusión a lo esencial sin comprometerse con
ningún equipo de marca.
Esta edición, es una versión revisada, corregida y ampliada en todos sus capítulos
y anexos. En el documento, se hace énfasis particularmente en el control de los
motores eléctricos y en la solución de automatismos lógicos. Se han incluido
6
numerosas ilustraciones y nueva información en una amplia gama de temas,
incluida una excelente presentación en Microsoft Power Point, la cual facilita la
labor del docente y la de aprendizaje por parte del estudiante o de la persona
interesada en el tema.
Adicionalmente, se ha enfatizado en los temas de selección y dimensionamiento,
con base en las especificaciones técnicas de los componentes, y en especial
sobre los sistemas de tipo electrónico que se vienen implementando en sistemas
de control moderno que utilizan la tecnología de los microprocesadores y de la
electrónica de potencia con el empleo de los tiristores. Todo esto, difícil de
encontrar en un solo volumen, representa por su contenido una gran ayuda para el
ingeniero que debe enfrentarse por primera vez con equipos eléctricos asociados
a las maquinas industriales.
Para finalizar se hace necesario explicar dos peculiaridades especiales del texto.
Primera, cierta parte del material se ha condensado en anexos con tablas e
información técnica, que tienen el propósito de proporcionar al docente y al
estudiante un elemento auxiliar complementario para el análisis y el diseño de los
sistemas de control eléctrico, y que al mismo tiempo se adapte a las capacidades
y necesidades del estudiante. Segunda, algunas tablas pueden utilizarse sin
restricciones; otras solo como referencia o para proporcionar una perspectiva más
amplia sobre el tema.
Así mismo, se aclara que los diagramas que presenta este libro han sido
elaborados en su mayoría con base en la simbología americana establecida por la
ANSI. Sin embargo, se supone que el lector interesado en el tema tiene la
información y los conocimientos suficientes para analizar e interpretar planos
eléctricos similares que estén que estén elaborados con simbología diferente y
muy particularmente con las de origen europeo que establecen las normas DIN y
7
IEC, también de amplia utilización entre constructores de equipo eléctrico
industrial.
Vale aclarar que se han utilizado indistintamente unidades de medida tanto del
sistema inglés como del sistema métrico internacional, al referirse a los
parámetros y las variables más importantes asociadas a los sistemas eléctricos.
Con ello se pretende que el lector se familiarice con las diferentes unidades de
uso corriente en los manuales y demás documentos técnicos de estos equipos.
La elaboración de este documento se hizo con el apoyo invaluables de la
ingeniera electricista y electrónica Julia Andrea Gómez Marulanda, quien durante
2 años recopilo, organizo y edito toda la información de este documento, incluida
una presentación en formato .pptx de su autoría, que representa un aporte muy
importante y relevante para el libro en todo su contexto, con lo cual se facilitan
todas las tareas del proceso de enseñanza–aprendizaje. Esto la amerito para que
este trabajo le fuera aceptado como proyecto de grado en la modalidad de
asistencia a la docencia, con el propósito de optar al título de ingeniero electricista
y electrónico que otorga la Universidad Pontificia Bolivariana de la ciudad de
Medellín.
4
TABLA DE CONTENIDO
INDICE DE FIGURAS ...........................................................................................................................15
INDICE DE TABLAS .............................................................................................................................24
INDICE DE ANEXOS ............................................................................................................................25
CAPÍTULO 1 FUNDAMENTOS DEL CONTROL ELÉCTRICO INDUSTRIAL ............................................26
1.1 INTRODUCCIÓN ...........................................................................................................26
1.2 FUNCIONES DE CONTROL ............................................................................................27
1.2.1 Control .........................................................................................................................28
1.2.2 Tipos de controladores ................................................................................................29
1.3 DISPOSITIVOS DE LOS SISTEMAS ELÉCTRICOS .............................................................30
1.3.1 Clasificación de los sistemas de control eléctricos ......................................................31
1.3.1.1 Controladores eléctricos ..............................................................................................31
1.3.1.2 Controladores electromagnéticos ...............................................................................32
1.3.1.2.1 Ventajas del control electromagnético .......................................................................33
1.3.1.2.2 Diagrama funcional de un sistema de control electromagnético ...............................34
1.3.1.2.2.1 Dispositivos de mando .................................................................................................35
1.3.1.2.2.2 Relés.............................................................................................................................36
1.3.1.2.2.3 Contactores..................................................................................................................37
1.3.1.3 Controladores electrónicos .........................................................................................38
1.4 PROCESOS INDUSTRIALES ............................................................................................38
1.4.1 Procesos físico-químicos ..............................................................................................39
1.4.2 Procesos de manufactura ............................................................................................39
CAPÍTULO 2 DISPOSITIVOS DE LOS SISTEMAS DE CONTROL ELECTROMAGNÉTICO ......................41
2.1 INTRODUCCIÓN ...........................................................................................................41
2.2 DISPOSITIVOS DE MANDO ...........................................................................................41
2.2.1 Dispositivos de mando digitales: especificaciones y aspectos constructivos..............43
5
2.2.2 Dispositivos de mando digitales de accionamiento manual .......................................47
2.2.2.1 Pulsadores ...................................................................................................................48
2.2.2.1.1 De contacto momentáneo ...........................................................................................49
2.2.2.1.2 De contacto retenido ...................................................................................................49
2.2.2.1.3 De actuador rasante ....................................................................................................51
2.2.2.1.4 De actuador saliente ....................................................................................................52
2.2.2.1.5 De cabeza de hongo (de seta) .....................................................................................52
2.2.2.1.6 Luminosos ....................................................................................................................53
2.2.2.1.7 Con cerradura de llave .................................................................................................54
2.2.2.1.8 De muletilla ..................................................................................................................54
2.2.2.1.9 De palanca tipo Joy Stick..............................................................................................55
2.2.2.1.10 De membrana ..............................................................................................................56
2.2.2.1.11 Especificaciones técnicas de los pulsadores ................................................................58
2.2.2.2 Combinadores de mando ............................................................................................58
2.2.2.2.1 Combinador de placa frontal .......................................................................................59
2.2.2.2.2 Combinador de tambor ...............................................................................................63
2.2.2.2.3 Combinador de levas ...................................................................................................65
2.2.2.2.4 Especificaciones técnicas de los combinadores de mando .........................................68
2.2.2.3 Interruptores de pie (de pedal) ...................................................................................68
2.2.2.3.1 Especificaciones técnicas de los interruptores de pie .................................................70
2.2.3 Dispositivos de mando digitales de operación automática .........................................70
2.2.3.1 Presóstatos ..................................................................................................................71
2.2.3.1.1 Presóstatos de pistón ..................................................................................................73
2.2.3.1.2 Presóstatos de tubo Bourdon ......................................................................................74
2.2.3.1.3 Presóstatos de diafragma ............................................................................................75
2.2.3.1.4 Presóstatos de fuelle ...................................................................................................76
2.2.3.1.5 Especificaciones técnicas de los presóstatos...............................................................76
2.2.3.2 Termóstatos .................................................................................................................78
2.2.3.2.1 Termóstato bimetálico ................................................................................................79
2.2.3.2.2 Termóstato de sistema lleno .......................................................................................80
2.2.3.2.3 Termóstato de expansión o dilatación lineal...............................................................82
6
2.2.3.2.4 Termistores ..................................................................................................................83
2.2.3.2.5 Especificaciones técnicas de los termóstatos ..............................................................85
2.2.3.3 Nivóstatos ....................................................................................................................86
2.2.3.3.1 Nivóstatos de flotador .................................................................................................87
2.2.3.3.2 Nivóstatos de electrodo ..............................................................................................89
2.2.3.3.3 Nivóstatos fotoeléctricos .............................................................................................90
2.2.3.3.4 Nivóstatos de vibración ...............................................................................................91
2.2.3.3.5 Nivóstatos de membrana ............................................................................................92
2.2.3.3.6 Especificaciones técnicas de los nivóstatos .................................................................94
2.2.3.4 Interruptores de flujo ..................................................................................................94
2.2.3.4.1 Especificaciones técnicas de los flujóstatos ................................................................97
2.2.3.5 Interruptores de velocidad ..........................................................................................97
2.2.3.5.1 Interruptor de velocidad electromecánico de leva .....................................................99
2.2.3.5.2 Interruptor de velocidad electromecánico centrífugo ..............................................100
2.2.3.5.3 Interruptor de velocidad magnético tipo “Reed Switch” ..........................................101
2.2.3.5.4 Interruptor de velocidad electromagnético tipo tacogenerador ..............................102
2.2.3.5.5 Interruptor de velocidad electromagnético inductivo ..............................................104
2.2.3.5.6 Interruptor de velocidad fotoeléctrico ......................................................................105
2.2.3.5.7 Especificaciones técnicas de los interruptores de velocidad ....................................106
2.2.3.6 Interruptores de posición (interruptores límite) .......................................................106
2.2.3.6.1 Especificaciones técnicas de los interruptores de posición ......................................110
2.2.3.6.2 Interruptores límite de proximidad ...........................................................................110
2.2.3.6.3 Interruptores límite de proximidad inductivos .........................................................111
2.2.3.6.4 Interruptores límite de proximidad capacitivos ........................................................112
2.2.3.6.5 Interruptores límite de proximidad ultrasónicos ......................................................113
2.2.3.6.6 Interruptores límite de proximidad fotoeléctricos ....................................................114
2.2.3.6.7 Especificaciones técnicas de los interruptores límite de proximidad .......................115
2.2.4 Indicadores luminosos ...............................................................................................116
2.2.4.1 Código de colores de indicadores luminosos ............................................................118
2.3 RELÉS ..........................................................................................................................120
2.3.1 Relés electromagnéticos ............................................................................................123
7
2.3.1.1 Relés electromagnéticos de tensión ..........................................................................125
2.3.1.2 Relés electromagnéticos de corriente .......................................................................126
2.3.1.3 Relés electromagnéticos de corriente alterna ..........................................................126
2.3.1.4 Relés electromagnéticos de corriente directa ...........................................................127
2.3.1.5 Especificaciones técnicas de los relés electromagnéticos .........................................127
2.3.2 Relés térmicos ...........................................................................................................128
2.3.3 Relés electrónicos ......................................................................................................136
2.3.3.1 Especificaciones técnicas de los relés electrónicos ...................................................139
2.3.3.2 Relés electrónicos de sobrecarga (Solid State Overload Relays: SSOR) ....................140
2.3.4 Relés temporizados ...................................................................................................143
2.3.4.1 Método de temporización inductivo con diodo rectificador.....................................145
2.3.4.2 Método de temporización capacitivo tipo RC ...........................................................147
2.3.4.3 Método de temporización capacitivo electrónico .....................................................148
2.3.4.4 Método de temporización neumática .......................................................................151
2.3.4.5 Método de temporización de tipo térmico ...............................................................153
2.3.4.6 Método de temporización electromecánico .............................................................154
2.3.4.6.1 Método de temporización electromecánico de accionamiento por mecanismo de
cuerda ........................................................................................................................154
2.3.4.6.2 Método de temporización electromecánico de accionamiento por motor ..............155
2.3.4.7 Especificaciones técnicas de los relés temporizados ................................................155
2.3.5 Relés de protección ...................................................................................................156
2.3.5.1 Especificaciones técnicas de los relés de protección ................................................160
2.4 FUSIBLES ....................................................................................................................161
2.4.1 Especificaciones técnicas de los fusibles ...................................................................167
2.5 INTERRUPTORES AUTOMÁTICOS ...............................................................................168
2.5.1 Especificaciones técnicas de los interruptores automáticos .....................................174
2.6 CONTACTORES ...........................................................................................................176
2.6.1 Contactores enclavados (yuxtapuestos) ....................................................................190
2.6.2 Contactores con retención o memoria ......................................................................191
2.6.3 Contactores con bobina de bloqueo .........................................................................192
2.6.4 Contactores de estado sólido (SSC, abreviatura en inglés) .......................................193
8
2.6.5 Verificaciones y pruebas en contactores ...................................................................196
2.6.6 Especificaciones de corriente y voltaje para los contactores ....................................201
2.6.7 Selección de contactores para maniobra sobre motores ..........................................205
2.6.8 Clases de servicio .......................................................................................................208
2.6.9 Especificaciones técnicas de los contactores ............................................................210
2.7 GUARDAMOTORES ....................................................................................................212
2.7.1 Especificaciones técnicas para los guardamotores ...................................................214
2.8 VÁLVULA SOLENOIDE ................................................................................................214
2.8.1 Especificaciones técnicas para las válvulas solenoide ...............................................217
CAPÍTULO 3 SIMBOLOGÍA Y DESIGNACIÓN NORMALIZADA PARA LOS ELEMENTOS DE CONTROL
ELECTROMAGNÉTICOS ..............................................................................................218
3.1 INTRODUCCIÓN .........................................................................................................218
3.2 DISPOSICIONES Y NORMAS INTERNACIONALES ........................................................220
3.3 HOMOLOGACIONES ...................................................................................................223
3.4 SÍMBOLOS ELECTRICOS NORMALIZADOS DE MAYOR UTILIZACION INDUSTRIAL .....225
3.5 DESIGNACIÓN NORMALIZADA DE LOS DISPOSITIVOS DE CONTROL .........................226
3.6 DESIGNACIÓN DE BORNES, REGLETAS Y TERMINALES ..............................................229
3.7 DESIGNACIÓN DE CONDUCTORES Y CABLES .............................................................229
3.8 DIAGRAMAS DE LOS SISTEMAS DE CONTROL ELECTROMAGNÉTICO ........................231
3.8.1 Diagrama de Bloques .................................................................................................234
3.8.2 Diagrama Unifilar .......................................................................................................235
3.8.3 Diagrama Elemental ..................................................................................................236
3.8.4 Diagrama de Conexiones ...........................................................................................245
3.8.5 Diagrama de Interconexión .......................................................................................250
3.8.6 Diagrama de Construcción.........................................................................................251
3.8.7 Diagrama de Instalación ............................................................................................252
3.8.8 Bases y recintos para la ubicación de elementos ......................................................252
3.9 GRADOS DE PROTECCION PARA APARATOS ELÉCTRICOS .........................................258
3.10 GRADOS DE PROTECCION POR MEDIO DE CUBIERTAS (CODIGO IP) .........................259
9
3.11 INDICACIONES PARA EL ENSAMBLAJE DE EQUIPOS DE CONTROL ............................263
3.12 INSTALACIONES ELÉCTRICAS INDUSTRIALES .............................................................267
3.12.1 Cargas industriales .....................................................................................................269
3.12.1.1 Cargas no esenciales ..................................................................................................270
3.12.1.2 Cargas esenciales .......................................................................................................270
3.12.1.2.1 Cargas esenciales de reserva opcional ......................................................................270
3.12.1.2.2 Cargas de reserva legal ..............................................................................................271
3.12.2 Tableros eléctricos .....................................................................................................275
3.12.2.1 Tableros Arrancadores de Motor ..............................................................................277
3.12.2.2 Tableros de Control Centralizado de Motores ..........................................................278
3.12.2.3 Tableros de control ....................................................................................................278
3.12.2.4 Tableros multibreaker ...............................................................................................279
3.13 ACOMETIDAS ELÉCTRICAS .........................................................................................279
3.13.1 Tubería .......................................................................................................................280
3.13.2 Bandejas portacables .................................................................................................280
3.13.3 Cárcamos ...................................................................................................................281
3.13.4 Canaletas con tapa ....................................................................................................282
3.13.5 Blindobarras ...............................................................................................................283
CAPÍTULO 4 CONTROL DE MOTORES ELÉCTRICOS Y DE OTRAS CARGAS INDUSTRIALES .............286
4.1 INTRODUCIÓN ...........................................................................................................286
4.2 FACTORES A CONSIDERAR EN EL DISEÑO DE UNA INSTALACIÓN .............................288
4.3 REQUISITOS DE UN SISTEMA DE CONTROL ...............................................................293
4.4 TIPOS DE SISTEMAS DE CONTROL DE MOTORES .......................................................293
4.4.1 Control manual ..........................................................................................................294
4.4.2 Control semiautomático ............................................................................................295
4.4.3 Control automático ....................................................................................................295
4.5 FUNCIONES DE UN SISTEMA DE CONTROL DE MOTORES .........................................296
4.6 CIRCUITOS BÁSICOS DE CONTROL DE MOTORES ......................................................297
4.6.1 Circuitos para conexión y desconexión (arranque-paro) de cargas motor a la red ..297
10
4.6.2 Protección del motor y de los circuitos auxiliares .....................................................303
4.6.3 Circuitos de control para el funcionamiento “a pasos” .............................................311
4.6.4 Circuitos para inversión de marcha ...........................................................................316
4.6.5 Circuitos para frenado de motores eléctricos ...........................................................320
4.6.5.1 Frenado dinámico ......................................................................................................321
4.6.5.2 Frenado de contramarcha .........................................................................................323
4.6.5.3 Frenado electromagnético o por inyección de corriente ..........................................328
4.6.5.4 Frenado electromecánico ..........................................................................................330
4.6.6 Circuitos para variación y cambio de velocidad en motores eléctricos ....................333
4.6.7 Circuitos para arranque de motores con limitación de la corriente de conexión
(función aceleración) .................................................................................................351
4.6.7.1 Introducción...............................................................................................................351
4.6.7.2 Arranque de motores de corriente alterna a plena tensión (sin limitación de
corriente) ...................................................................................................................355
4.6.7.3 Arranque a voltaje reducido por medio de resistencias y reactancias estatóricas ...356
4.6.7.4 Arranque a voltaje reducido mediante transformador .............................................362
4.6.7.5 Arranque a voltaje reducido mediante conexión estrella – triángulo .......................365
4.6.7.6 Arranque de motores trifásicos con limitación de corriente por reducción de potencia
...................................................................................................................................369
4.6.7.7 Arranque suave de motores trifásicos por medios electrónicos ...............................373
4.6.7.8 Arranque con limitación de corriente para motores de rotor devanado o de anillos
rozantes .....................................................................................................................379
4.6.7.9 Arranque del motor sincrónico..................................................................................386
4.6.7.10 Aspectos a considerar para la escogencia de un método de aceleración con limitación
de corriente ...............................................................................................................394
4.6.7.11 Métodos de aceleración para motores de corriente directa ....................................398
4.6.7.12 Cálculo de las resistencias de aceleración para un motor de corriente eléctrica .....414
4.6.7.13 Empleo de contactores para la conexión de cargas industriales no motores ...........418
11
CAPÍTULO 5 INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS ELÉCTRICOS DE CONTROL EMPLEANDO LAS
TÉCNICAS DE COMPUTADOR ....................................................................................423
5.1 INTRODUCCIÓN. ........................................................................................................423
5.2 AUTOMATIZACIÓN.....................................................................................................424
5.2.1 Sustitución de la tecnología electrónica convencional (analógica) por la digital ......425
5.2.2 Planeación y supervisión global del control de la fábrica .........................................427
5.3 CONTROL DE PROCESOS MEDIANTE COMPUTADOR ................................................428
5.3.1 Ventajas del empleo del computador y los microprocesadores en los sistemas de
control........................................................................................................................429
5.4 TIPOS DE CONTROL DE PROCESOS ............................................................................429
5.4.1 Según la tarea de control ...........................................................................................430
5.4.1.1 Control local o de vigilancia .......................................................................................430
5.4.1.2 Control supervisorio ..................................................................................................431
5.4.1.3 Control digital directo ................................................................................................431
5.4.2 Según las instalaciones físicas de la Fábrica ..............................................................432
5.4.2.1 Control centralizado ..................................................................................................432
5.4.2.2 Control distribuido .....................................................................................................434
5.4.2.3 Control jerarquizado o control integral jerarquizado ................................................436
5.5 ANÁLISIS COMPARATIVO DEL EMPLEO DEL COMPUTADOR EN EL CONTROL DE
PROCESOS Y EN PROCESAMIENTO DE DATOS ...........................................................438
5.6 FUNCIONES EN UN SISTEMA DE CONTROL DE PROCESOS INTEGRAL ASISTIDO POR
COMPUTADOR ...........................................................................................................440
5.6.1 Adquisición y acondicionamiento de datos ...............................................................441
5.6.2 Control de las variables del proceso ..........................................................................441
5.6.3 Comunicación con el operador ..................................................................................442
5.6.4 Supervisión y documentación ...................................................................................442
5.7 SOPORTE LÓGICO PARA EL CONTROL DE PROCESOS POR COMPUTADOR ...............443
5.7.1 Normalizado ..............................................................................................................443
5.7.2 Particular....................................................................................................................443
5.8 ANOTACIONES SOBRE LOS LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN PARA EL CONTROL DE
PROCESOS ..................................................................................................................444
12
5.8.1 Clásicos ......................................................................................................................445
5.8.2 Específicos .................................................................................................................445
5.8.3 Multitarea ..................................................................................................................445
5.8.4 Avanzados ..................................................................................................................445
5.8.5 De simulación ............................................................................................................446
5.9 CONTROL SECUENCIAL ..............................................................................................446
5.9.1 Introducción...............................................................................................................446
5.9.2 Definiciones ...............................................................................................................447
5.9.2.1 Entrada ......................................................................................................................447
5.9.2.2 Salida ..........................................................................................................................448
5.9.2.3 Órganos receptores ...................................................................................................448
5.9.2.4 Convertidores de señal ..............................................................................................449
5.9.2.5 Selectores de datos ...................................................................................................449
5.10 ESTRUCTURA DEL CONTROL SECUENCIAL .................................................................450
5.10.1 Diseño de un sistema de control secuencial .............................................................451
5.10.2 Solución de un problema de control secuencial........................................................451
5.11 CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMABLES (PLC) .................................................452
5.11.1 Generalidades ............................................................................................................452
5.11.2 Definición ...................................................................................................................457
5.11.3 Ventajas de su empleo ..............................................................................................458
5.11.4 Estructura interna básica ...........................................................................................458
5.11.5 Aspecto físico y presentación ....................................................................................459
5.11.6 Aplicaciones generales ..............................................................................................461
5.11.7 Componentes básicos ................................................................................................461
5.11.7.1 Secuenciador .............................................................................................................461
5.11.7.2 Interfases I/O .............................................................................................................462
5.11.7.3 Memorias ...................................................................................................................463
5.11.7.4 Acumuladores y registros ..........................................................................................464
5.11.7.5 Medios de comunicación interna ..............................................................................464
5.11.7.6 Unidad de procesamiento central (CPU) ...................................................................465
5.11.7.7 Programador (PG) ......................................................................................................467
13
5.11.7.8 Periféricos ..................................................................................................................467
5.11.8 Ciclo de tratamiento de un controlador programable ..............................................468
5.11.9 Manejo de la información .........................................................................................469
5.11.10 Selección de un Controlador Lógico Programable (PLC) ...........................................470
5.11.10.1 Criterios de selección .................................................................................................470
5.11.10.2 Ficha de identidad .....................................................................................................471
5.11.10.3 Tecnología empleada .................................................................................................471
5.11.10.4 Órganos de comunicación externa ............................................................................471
5.11.10.5 Lenguajes de Programación: .....................................................................................472
5.11.10.6 Tipo de programador .................................................................................................472
5.11.10.7 Soporte lógico ............................................................................................................472
5.11.10.8 Medios de diálogo con el operador (Periféricos) ......................................................473
5.11.10.9 Consideraciones económicas ....................................................................................473
5.11.11 Diseño con controladores lógicos programables ......................................................473
5.11.11.1 Definición del problema ............................................................................................473
5.11.11.2 Análisis del sistema ....................................................................................................474
5.11.11.3 Pre-diseño ..................................................................................................................475
5.11.11.4 Diseño ........................................................................................................................476
5.11.11.5 Asignación de direcciones .........................................................................................476
5.11.11.6 Conexionado del PLC .................................................................................................477
5.12 INTERFACES ...............................................................................................................479
5.12.1 Introducción...............................................................................................................479
5.12.2 Interfaces de entradas digitales (circuitos típicos) ....................................................480
5.12.3 Interfaces de salida digitales (circuitos típicos) .........................................................481
5.12.4 Interfaces análogas ....................................................................................................483
5.13 PROGRAMACIÓN DE UN PLC .....................................................................................484
5.13.1 Introducción...............................................................................................................484
5.13.2 Comandos ..................................................................................................................484
5.13.2.1 Comandos lógicos ......................................................................................................485
5.13.2.2 Comandos de servicio ................................................................................................489
5.13.3 Lenguajes ...................................................................................................................491
14
5.13.3.1 Booleano ....................................................................................................................492
5.13.3.2 Escalera o Ladder .......................................................................................................492
5.13.3.3 Grafcet .......................................................................................................................492
5.13.4 Errores en la configuración de un diagrama de escalera ..........................................503
5.13.5 Estructura básica del lenguaje booleano ...................................................................504
5.13.6 Programación de circuitos con varias salidas ............................................................508
5.13.7 Manejo del programador ..........................................................................................518
5.13.8 Programación especial del PLC ..................................................................................521
5.13.8.1 Retención de estados ................................................................................................522
5.13.8.2 Relés con retención o memoria con bobinas de enganche (SET–RESET) ..................523
5.13.8.3 Forzado de entradas y salidas ...................................................................................528
5.14 CONCEPTOS GENERALES DE LAS COMUNICACIONES DIGITALES. .............................529
5.14.1 Redes de comunicación industriales .........................................................................534
ANEXOS ...................................................................................................................................539
ANEXO A ...................................................................................................................................539
ANEXO B ...................................................................................................................................539
ANEXO C ...................................................................................................................................539
ANEXO D ...................................................................................................................................539
Bibliografía ...................................................................................................................................654
15
INDICE DE FIGURAS
Figura 1. Estructura básica de un sistema de control electromagnético. ......................................... 35
Figura 2. Tipos de pulsadores industriales ........................................................................................ 48
Figura 3. Pulsador momentáneo con contactos de doble apertura (1NO+1NC) .............................. 49
Figura 4. Mecanismo de actuador rasante ........................................................................................ 51
Figura 5. Mecanismo de Actuador saliente ....................................................................................... 52
Figura 6. Mecanismo de Cabeza de hongo ....................................................................................... 52
Figura 7. Mecanismo de actuador saliente con lámpara de señalización incorporada (pulsador
luminoso)........................................................................................................................................... 53
Figura 8. Mecanismo de accionamiento por llave ............................................................................ 54
Figura 9. Mecanismo de actuación con perilla giratoria ................................................................... 54
Figura 10. Palanca de tipo Joy Stick ................................................................................................... 55
Figura 11. Pulsador tipo membrana .................................................................................................. 56
Figura 12. Tipos de combinadores de mando ................................................................................... 59
Figura 13. Empleo de un Master Switch tripolar con un motor de corriente directa. ...................... 60
Figura 14. Empleo de un Master Switch tripolar con un motor de rotor bobinado. ........................ 61
Figura 15. Combinador de tambor. ................................................................................................... 65
Figura 16. Tipos de Levas .................................................................................................................. 66
Figura 17. Estructura básica de un combinador de levas.................................................................. 67
Figura 18. Combinador de levas de accionamiento por motor. ....................................................... 67
Figura 19. Mecanismo interruptor de accionamiento con el pie (foot switch). ............................... 69
Figura 20. Presóstato de pistón......................................................................................................... 73
Figura 21. Presóstato de tubo Bourdon. ........................................................................................... 74
Figura 22. Presóstato de diafragma. ................................................................................................. 75
Figura 23. Presóstato de fuelle.......................................................................................................... 76
Figura 24. Termóstato bimetálico y simbología. ............................................................................... 80
Figura 25. Termóstato de sistema lleno. ........................................................................................... 81
Figura 26. Termóstato de ampolleta de mercurio. ........................................................................... 82
Figura 27. Curvas de variación de resistencia por efecto de la temperatura. .................................. 84
Figura 28. Nivóstato de flotador y simbología. ................................................................................. 88
16
Figura 29. Nivóstato de electrodo. .................................................................................................... 90
Figura 30. Nivóstato fotoeléctrico. .................................................................................................... 91
Figura 31. Nivóstato de vibración. .................................................................................................... 92
Figura 32. Nivóstatos de membrana. ................................................................................................ 93
Figura 33. Flujóstato de aleta móvil y electromagnético. ................................................................. 95
Figura 34. Flujóstato de placa o aleta móvil ...................................................................................... 96
Figura 35. Tipos de interruptores de velocidad tipo industrial. ........................................................ 99
Figura 36. Interruptor de velocidad electromecánico de leva. ....................................................... 100
Figura 37. Interruptor de velocidad electromecánico centrífugo. .................................................. 101
Figura 38. Interruptor de velocidad magnético tipo Reed Switch. ................................................. 102
Figura 39. Interruptor de velocidad electromagnético del tipo de tacogenerador. ....................... 103
Figura 40. Circuito electrónico para interruptor de velocidad que genera un tren de pulsos. ...... 103
Figura 41. Interruptor de velocidad electromagnético inductivo. .................................................. 104
Figura 42. Interruptor de velocidad fotoeléctrico de disco ranurado............................................. 105
Figura 43. Mecanismo de palanca con rodillo giratorio. ................................................................. 107
Figura 44. Interruptor límite de varilla y simbología. ...................................................................... 108
Figura 45. Interruptores límite de vano o ranura tipo fotoeléctrico. ............................................. 108
Figura 46. Interruptores límite de naturaleza electromecánica. .................................................... 109
Figura 47. Interruptores de proximidad inductivos. ....................................................................... 112
Figura 48. Diagrama de bloques típico de un interruptor de proximidad inductivo. ..................... 112
Figura 49. Interruptores de proximidad capacitivos. ...................................................................... 113
Figura 50. Interruptores de proximidad ultrasónicos. .................................................................... 114
Figura 51. Interruptores de proximidad fotoeléctricos. .................................................................. 115
Figura 52. Tipos de indicadores luminosos. .................................................................................... 116
Figura 53. Formas de conexión de indicadores luminosos ............................................................. 117
Figura 54. Módulo de señalización de alarmas. .............................................................................. 120
Figura 55. Versiones constructivas de los relés electromagnéticos ............................................... 122
Figura 56. Relés electromagnéticos industriales y representación simbólica. ............................... 124
Figura 57. Tipos de relés térmicos y representación simbólica. ..................................................... 128
Figura 58. Curva característica de un relé térmico. ........................................................................ 131
Figura 59. Clasificación NEMA según tiempo de actuación. ........................................................... 132
17
Figura 60. Estructura básica y presentación frontal de un relé térmico. ........................................ 134
Figura 61. Empleo de transformadores de corriente (TC) para conexión del relé térmico. ........... 135
Figura 62. Relés electrónicos de estado sólido (SSR). ..................................................................... 137
Figura 63. Circuito básico y estructura típica de un SSR. ................................................................ 139
Figura 64. Relé electrónico de sobrecarga (SSOR): ......................................................................... 140
Figura 65. Símbolo del relé de sobrecarga de estado sólido. ......................................................... 142
Figura 66. Circuito básico de conexión del relé para aplicación con motores monofásicos. ......... 143
Figura 67. Simbología y designación normalizada de relés y contactos temporizados. ................. 145
Figura 68. Método de temporización inductivo con diodo rectificador. ........................................ 147
Figura 69. Método de temporización capacitivo. ........................................................................... 148
Figura 70. Métodos de temporización empleando dispositivos electrónicos. ............................... 149
Figura 71. Método de temporización neumática. ........................................................................... 152
Figura 72. Temporización de tipo térmico. ..................................................................................... 153
Figura 73. Relés de protección de uso corriente. ............................................................................ 157
Figura 74. Diagrama de bloques de un relé de protección de potencia inversa............................. 160
Figura 75. Tipos de fusibles. ............................................................................................................ 162
Figura 76. Curvas de respuesta tiempo vs corriente de fusibles industriales. ................................ 163
Figura 77. Curvas de protección integral para fusible-relé térmico. .............................................. 164
Figura 78. Tipos comerciales de interruptores automáticos. ......................................................... 168
Figura 79. Dibujo ilustrativo de un interruptor termomagnético monopolar. ............................... 169
Figura 80. Curva t vs i del interruptor termomagnético. ................................................................ 170
Figura 81. Símbolo del interruptor tripolar con disparadores termo-magnéticos por sobrecarga y
cortocircuito. ................................................................................................................................... 171
Figura 82. Curvas t vs i para interruptores automáticos con módulo de disparo electrónico. ....... 174
Figura 83. Presentación típica de contactores. ............................................................................... 177
Figura 84. Simbología normalizada para contactores. .................................................................... 178
Figura 85. Contactor de CA de alta corriente. ................................................................................. 183
Figura 86. Estructura básica de un contactor de CA. ...................................................................... 184
Figura 87. Efecto de retención por medio de la bobina de sombra................................................ 185
Figura 88. Principio de soplado magnético. .................................................................................... 189
Figura 89. Contactor enclavado y estructura básica de los “cuernos de enclavamiento”. ............. 190
18
Figura 90. Esquema de contactor con bobina con bloqueo. ........................................................... 192
Figura 91. Contactor de estado sólido (SSC) ................................................................................... 194
Figura 92. Conexión de un motor de CD (o CA) a una red bifilar usando contactores tripolares. .. 201
Figura 93. Tipos comerciales de Guardamotores. ........................................................................... 213
Figura 94. Símbolo normalizado IEC del guardamotor. .................................................................. 213
Figura 95. Válvulas solenoide. ......................................................................................................... 215
Figura 96. Estructura básica de una válvula solenoide. .................................................................. 215
Figura 97. Algunos sellos de homologación reconocidos internacionalmente. .............................. 224
Figura 98. Designación de conductores y cables. ........................................................................... 231
Figura 99. Diagramas de bloques .................................................................................................... 234
Figura 100. Diagramas unifilares. .................................................................................................... 235
Figura 101. Diagrama elemental para CA simbología americana. Alimentación del circuito de
control mediante el empleo de transformador y fusibles. ............................................................. 239
Figura 102. Diagrama elemental para CA en simbología americana con alimentación directa del
circuito de control y protección con fusibles. ................................................................................. 240
Figura 103. Diagrama elemental para CD en simbología americana .............................................. 241
Figura 104. Conexiones erradas en un circuito de control ............................................................. 242
Figura 105. Control para el vaciado de líquido de un tanque a otro en una misma cantidad. ....... 243
Figura 106. Diagrama ilustrativo de conexiones. ............................................................................ 248
Figura 107. Diagrama de conexiones (de cableado) para un motor trifásico y un conmutador de
voltímetro. ....................................................................................................................................... 249
Figura 108. Esquema de bornes ...................................................................................................... 250
Figura 109. Diagrama de interconexión (esquema de bordes y conductores) ............................... 251
Figura 110. Tablero de control, con dispositivos de señalización luminosa, pulsadores,
conmutadores y medidores. ........................................................................................................... 253
Figura 111. Tableros de control. ..................................................................................................... 256
Figura 112. Ilustración de tipos de encerramiento para diferentes grados de protección IP ........ 262
Figura 113. Dispositivos con protección IP55. ................................................................................ 263
Figura 114. Tableros eléctricos de uso in dustrial ........................................................................... 265
Figura 115. Tablero eléctrico de uso industrial antiguo (sin consideraciones de riesgo, según
normas actuales). ............................................................................................................................ 265
19
Figura 116. Tableros eléctricos de uso industrial sin cumplimiento de normas ............................. 266
Figura 117. Montaje de elementos sobre bastidor siguiendo indicaciones de norma. .................. 267
Figura 118. Dispositivos de protección y maniobra. ....................................................................... 268
Figura 119. Dispositivo de medida digital tipo UDI. ........................................................................ 269
Figura 120. Panel anunciador de alarmas. ...................................................................................... 269
Figura 121. Grupo electrógeno (con cabina insonorizada) para respaldo de energía (tipo stand-by).
......................................................................................................................................................... 272
Figura 122. a) Sistema de distribución de energía con respaldo para la totalidad de la carga. b)
Sistema de distribución de energía con respaldo para cargas esenciales únicamente. ................. 274
Figura 123. Tableros de distribución principal. ............................................................................... 276
Figura 124. Acometidas eléctricas por tubería y bandeja portacables. .......................................... 279
Figura 125. Tipos de bandeja portacables. ..................................................................................... 281
Figura 126. Tendido de conductores por cárcamo. ........................................................................ 282
Figura 127. Canaleta termoplástica con tapa. ................................................................................ 282
Figura 128. Barrajes de un sistema de Blindobarras. ...................................................................... 283
Figura 129. Sistema de distribución de energía con Blindobarras. ................................................. 284
Figura 130. Máquina, control, motor. ............................................................................................. 288
Figura 131. Máquina. ...................................................................................................................... 289
Figura 132. Fuente de energía disponible por medio de transformador acondicionador. ............. 289
Figura 133. Motor. .......................................................................................................................... 290
Figura 134. Operador y dispositivo de control. ............................................................................... 290
Figura 135. Interruptor sencillo de cuchilla con portafusible incorporado. ................................... 294
Figura 136. Circuitos básicos de potencia para la operación de arranque-paro con motores
eléctricos. ........................................................................................................................................ 297
Figura 137. Circuitos básicos de control para arranque y paro de motores eléctricos. ................. 299
Figura 138. Carcasa del motor conectada a tierra. ......................................................................... 304
Figura 139. Símbolo IEC para un desconectador rápido ................................................................. 306
Figura 140. Conexión de relé de sobre y bajo voltaje o de relé inversión de secuencia ................ 307
Figura 141. Circuitos para protección de motor contra la variación de tensión ............................ 309
Figura 142. Bandas transportadoras accionadas por motores eléctricos. ...................................... 312
20
Figura 143. Circuito para el mando de un motor de corriente directa que incorpora la función jog.
......................................................................................................................................................... 313
Figura 144. Circuito con función Jog ............................................................................................... 315
Figura 145. Esquema ilustrativo de un elevador de personal o de carga. ...................................... 316
Figura 146. Circuitos para inversión de marcha de un motor de CD. ............................................. 317
Figura 147. Circuito típico para frenado dinámico de un motor de CD. ......................................... 321
Figura 148. Circuitos para frenado de contramarcha en motores de CA y CD. .............................. 325
Figura 149. Inversión de marcha con frenado de contramarcha. ................................................... 327
Figura 150. Frenado de motor por inyección de corriente directa ................................................. 330
Figura 151. Empleo de freno electromagnético de CD para un motor de CA. ............................... 332
Figura 152. Variadores de velocidad. .............................................................................................. 334
Figura 153. Dispositivos de regulación usados con motores de CD. ............................................... 335
Figura 154. Circuitos para variación de velocidad de motores de CD............................................. 335
Figura 155. Empleo de una variac para variación manual de la velocidad de un motor de CD ...... 337
Figura 156. Variación de velocidad por medio de resistencias rotóricas ajustables, para un motor
de rotor devanado (motor de anillos rozantes) .............................................................................. 338
Figura 157. Circuito de Cambiador de dos velocidades en un motor trifásico en conexión Dahlander
∆-YY. (a). Circuito de potencia. (b).Circuito de control. .................................................................. 343
Figura 158. Mando con interruptor de muletilla con retención (Sistema Dahlander) ................... 344
Figura 159. Circuitos para cambiador de dos velocidades en un motor trifásico por devanados
parciales. (a). Circuito de potencia. (b) Circuitos de control. .......................................................... 346
Figura 160. Control selectivo de velocidad para un motor de rotor devanado. ............................. 349
Figura 161. Control forzado de velocidad para motor de rotor devanado. .................................... 350
Figura 162. Cambiador manual de velocidad para un motor de CD mediante combinador de
mando. ............................................................................................................................................ 351
Figura 163. Arranque directo (a plena tensión) de un motor trifásico. .......................................... 355
Figura 164. Diagramas fasoriales del circuito del motor para el cálculo de las resistencias o
reactancias limitadoras. .................................................................................................................. 358
Figura 165. Circuito acelerador en transición cerrada, para maniobra sobre un motor trifásico. (a)
(b) Circuitos de potencia. (c) Circuito de control. ........................................................................... 361
21
Figura 166. Arranque de un motor trifásico a tensión reducida mediante autotransformador. (a)
Circuito de potencia. (b) Circuito de control, en transición cerrada. .............................................. 363
Figura 167. Curvas de aceleración del motor trifásico de jaula de ardilla en arranque estrella–
triángulo. ......................................................................................................................................... 366
Figura 168. Arranque de un motor trifásico de jaula de ardilla en conexión estrella–triángulo. (a)
Circuito de potencia. (b) Circuito de control. .................................................................................. 368
Figura 169. Motor trifásico de jaula de ardilla con arranque por devanados parciales. (a) Circuito de
potencia. (b) Circuito de control. (c) Esquema de bornes. ............................................................. 372
Figura 170. Conexión reguladora de tensión para motores trifásicos mediante SCR .................... 374
Figura 171. Arranque de motores trifásicos de jaula de ardilla mediante arrancadores suaves
electrónicos. (a) Circuito de potencia. (b) Circuito de control. ....................................................... 376
Figura 172. Curvas de aceleración del motor trifásico de jaula de anillos rozantes o de rotor
devanado, a tensión de línea constante con resistencia rotórica. ................................................. 379
Figura 173. Variación del torque de arranque con la resistencia rotórica externa para un motor de
anillos rozantes o rotor devanado. ................................................................................................. 380
Figura 174. Circuitos para el arranque de un motor de rotor devanado. Circuito de potencia (a).
Circuito de control (b). .................................................................................................................... 383
Figura 175. Curva característica de velocidad vs torque del motor sincrónico. ............................. 388
Figura 176. Arranque del motor sincrónico con sincronización por límite de tiempo. (a) Circuito de
potencia. (b) Circuito de control. .................................................................................................... 392
Figura 177. Circuito acelerador por etapas para un motor de CD shunt mediante la conexión en
serie de resistencias limitadoras en el inducido o armadura.......................................................... 403
Figura 178. (a) Proceso de aceleración gradual de un motor de CD por cambio de las resistencias
en el circuito del inducido. (b) Variación de la corriente del motor por efecto de la conmutación, en
función del tiempo. (c) Variación de la velocidad del motor por efecto de la conmutación, en
función del tiempo. ......................................................................................................................... 404
Figura 179. Circuito de aceleración por fuerza contraelectromotriz o límite de velocidad, para un
motor de CD tipo shunt. .................................................................................................................. 407
Figura 180. Circuito de aceleración por límite de corriente con relés serie, para un motor de CD
tipo shunt. ....................................................................................................................................... 409
22
Figura 181. Circuito de aceleración por límite de corriente, empleando contactores con bobina de
bloqueo, para un motor de CD tipo shunt. ..................................................................................... 410
Figura 182. Circuito de aceleración por límite de tiempo empleando bloques de contactos con
retardo neumático, para un motor de CD tipo shunt ..................................................................... 412
Figura 183. Circuito de aceleración por límite de tiempo, empleando un relé temporizado por
motor con contactos de retardo secuencial, para un motor de CD tupo shunt. ............................ 413
Figura 184. Empleo de contactores con contactos de conexión adelantada para maniobra de
bancos de condensadores. .............................................................................................................. 422
Figura 185. Presentación física típica de un tablero eléctrico industrial con empleo de un PLC. .. 424
Figura 186. Tecnología electrónica análoga y digital. ..................................................................... 426
Figura 187. Diagrama de bloques de un control local o de vigilancia. ............................................ 430
Figura 188. Diagrama de bloques para un sistema de control supervisorio. .................................. 431
Figura 189. Sala de control de un sistema de control centralizado. ............................................... 433
Figura 190. Diagrama de bloques de un sistema de control digital directo centralizado. .............. 434
Figura 191. Diagrama de bloques de un sistema de control distribuido empleando una red de
comunicación radial. ....................................................................................................................... 435
Figura 192. Estructura del sistema de control integral jerarquizado asistido por computador ..... 438
Figura 193. Estructura de un control secuencial. ............................................................................ 450
Figura 194. Circuito de control electromagnético que maneja un compresor de aire, para ser
implementado con un arreglo utilizando circuitos integrados con compuertas lógicas. ............... 454
Figura 195. Estructura interna básica de un PLC mediante una representación en diagrama de
bloques. ........................................................................................................................................... 459
Figura 196. PLC en presentación compacta. ................................................................................... 460
Figura 197. PLC en presentación modular. ..................................................................................... 460
Figura 198. Conformación de la CPU. .............................................................................................. 466
Figura 199. Ciclo de tratamiento de un controlador programable. ................................................ 469
Figura 200. División del proceso en subprocesos. .......................................................................... 475
Figura 201. Circuito básico para conexionado de un PLC. .............................................................. 477
Figura 202. Versión de interface de entrada digital tipo sourse. .................................................... 480
Figura 203. Versión de interface de entrada digital tipo sink. ........................................................ 481
Figura 204. Interface de salida digital tipo source. ......................................................................... 482
23
Figura 205. Interface de salida digital por relé tipo source. ............................................................ 482
Figura 206. Acción asociada a una etapa. ....................................................................................... 493
Figura 207. Transición de GRAFCET................................................................................................. 494
Figura 208. Direccionamiento condicional. ..................................................................................... 495
Figura 209. Salto entre etapas ........................................................................................................ 496
Figura 210. Secuencias simultáneas ................................................................................................ 497
Figura 211. Estructura de una red industrial. .................................................................................. 531
24
INDICE DE TABLAS
Tabla 1. Tabla de conversión de unidades de presión. ..................................................................... 77
Tabla 2. Clasificación NEMA para contactores ................................................................................ 177
Tabla 3. Intensidades de corriente para esquemas de conexión de 2 y 3 vías. .............................. 200
Tabla 4. Entidades principales de normalización para simbología eléctrica ................................... 220
Tabla 5. Tabla de Código IP. ............................................................................................................ 260
Tabla 6. Velocidades normalizadas para frecuencia de 60 Hz ........................................................ 340
Tabla 7. Análisis comparativo del empleo del computador en el control de procesos y en el
procesamiento de datos ................................................................................................................. 439
25
INDICE DE ANEXOS
ANEXO A: TABLAS.................................................................................................................. 540
ANEXO B: EJERCICIOS RESUELTOS .......................................................................................... 606
ANEXO C: CUESTIONARIO ...................................................................................................... 631
ANEXO D: CONEXIÓN DAHALANDER ....................................................................................... 651
26
CAPÍTULO 1 FUNDAMENTOS DEL CONTROL ELÉCTRICO INDUSTRIAL
1.1 INTRODUCCIÓN
El objetivo primario de una planta industrial es producir un objeto terminado.
Para lograr un producto aceptable se requiere la transformación de cierta materia
prima; proceso que es realizado por máquinas que demandan energía. Ésta
evidentemente debe ser regulada y controlada para que las máquinas puedan
cumplir satisfactoriamente con las tareas exigidas.
Un proceso industrial involucra una secuencia de operaciones ordenadas que se
dan en el tiempo y que gradualmente van transformando la materia prima hasta
lograr el producto terminado. El proceso es realizado por máquinas que demandan
energía y esta energía evidentemente debe ser regulada para que se transforme
eficientemente y puedan ser cumplidas las tareas exigidas.
Los motores eléctricos suministran en su mayor parte la energía mecánica que
demandan las máquinas de una instalación industrial. Se excluyen otro tipo de
motores como los de combustión interna en virtud del elevado nivel de ruido que
producen, el alto grado de contaminación ambiental que generan y los problemas
intrínsecos asociados a las exigencias de mantenimiento de estos elementos.
Comparativamente, los motores eléctricos son fáciles de instalar y acoplar,
requieren un bajo servicio de mantenimiento, no contaminan el ambiente,
producen bajo ruido, y sobre todo; son altamente eficientes en su proceso de
transformar la energía eléctrica en energía mecánica de movimiento.
En un típico proceso industrial, cada motor o grupo de motores ha de realizar, por
lo general, varias operaciones y a menudo repetir algunas o todas de ellas. La
secuencia de control puede involucrar operaciones tales como la inversión de
27
marcha, el frenado, la limitación o variación de la velocidad y el torque, el control
de la aceleración, u operaciones más complejas como la de secuenciación y
sincronización de trenes motrices.
Es importante resaltar que el motor eléctrico es la carga más compleja e
importante asociada a un sistema eléctrico ya que involucra efectos resistivos e
inductivos, tensiones inducidas, y aspectos inerciales y friccionales que afectan
notoriamente el comportamiento de la máquina; especialmente durante la
conexión y desconexión de la misma.
Los motores eléctricos se fabrican en varias potencias, desde fracciones en baja
tensión a grandes potencias en media tensión, tanto en corriente alterna como en
corriente directa.
Los motores se pueden clasificar de diversas maneras, pero la que se aplica para
efectos prácticos considera: Tamaño (potencia), voltaje y tipo de corriente, tipo de
aplicación y características de par-velocidad. Otros elementos están relacionados
con aspectos constructivos y limitaciones físicas de tipo ambiental.
1.2 FUNCIONES DE CONTROL
Todo proceso industrial demanda energía en formas muy diversas. Esta energía,
ya sea térmica, lumínica, mecánica de movimiento, o de cualquier otra índole;
puede ser obtenida de una fuente primaria como es la energía eléctrica la cual es
fácilmente transportable, transformable y disponible en el sitio que se requiera y a
un costo relativamente bajo. Prácticamente, toda la industria moderna que existe
actualmente en el mundo depende en mayor o menor grado del suministro de
energía eléctrica para realizar sus operaciones y sin ella puede afirmarse que toda
actividad industrial quedaría paralizada.
28
El suministro de energía requiere de medios para transportarla y regularla
convenientemente hacia las máquinas o equipos que la demandan. De este
concepto se derivan palabras que hoy en día son muy familiares en el argot
técnico como: controlador, regulador, gobernador y otras más.
1.2.1 Control
En términos generales y desde el punto de vista de la ingeniería, control es la
regulación de energía en forma predeterminada hacia los elementos o dispositivos
que la demanden.
Para que una máquina pueda realizar un proceso industrial de transformación de
materia prima en un producto terminado, se requiere de un medio de control o
regulación de la energía que se le suministra a los diferentes elementos o
dispositivos que se incorporan en dicha máquina. En principio, por cada máquina
que se use, debe disponerse de un controlador.
Un controlador es el conjunto de elementos físicos interconectados que
interactúan con el sistema, con el propósito de regular la energía demandada,
realizando sobre el mismo lo que se conoce como la tarea de control o acción de
control, la cual define la forma o manera de actuar de dicho sistema. Un
controlador interactúa convenientemente para regular la energía que demanda
un órgano receptor cuya función es la de transformar dicha energía en una forma
útil y aprovechable. A estos órganos receptores también se les conoce como
elementos finales de control o simplemente se les denomina las cargas del
proceso. Un motor eléctrico es una carga o elemento final de control y como tal
requiere un dispositivo controlador que regule la energía suministrada para realizar
la tarea de control que debe cumplir sobre la máquina o en el proceso donde se
encuentra instalado; de esta forma podrá operar y funcionar satisfactoriamente.
29
1.2.2 Tipos de controladores
En la industria de procesos se utilizan muchos e importantes dispositivos que
demandan fuentes de energía diferentes a la eléctrica. Dispositivos hidráulicos,
neumáticos o simplemente mecánicos compiten e interactúan con los eléctricos y
electrónicos. Las válvulas reguladoras neumáticas para el control de fluidos, los
cilindros o servomotores hidráulicos para posicionamiento de piezas móviles, son
ejemplos típicos de dispositivos de uso corriente.
Con base en lo indicado anteriormente, puede hacerse una clasificación general
de los controladores según el tipo de energía que demanden:
Neumáticos
Hidráulicos
Mecánicos
Eléctricos
Otros
Es de uso corriente la fabricación de equipos y de maquinaria que incorpora
elementos finales de control de diversa índole que interactúan entre sí. Estos
montajes especiales originan a su vez formas alternas de regulación y dan origen
a los denominados controladores híbridos como por ejemplo:
Controladores Electro-neumáticos
Controladores Electro-hidráulicos.
Controladores Electro-mecánicos.
Controladores Hidráulico-neumáticos.
30
1.3 DISPOSITIVOS DE LOS SISTEMAS ELÉCTRICOS
En la estructura básica de un sistema eléctrico se tienen varios elementos que
desempeñan importantes funciones. Prácticamente, cualquier dispositivo eléctrico
puede agruparse dentro de uno o varios de los siguientes:
Dispositivos de protección.
Dispositivos de mando.
Dispositivos de medida.
Dispositivos de señalización.
Dispositivos de regulación y control.
Dispositivos de maniobra.
Órganos receptores o cargas.
Algunos no pueden catalogarse como dispositivos porque simplemente son
accesorios o elementos de instalación y montaje.
En otros puede existir ambigüedad por la tarea o función que realizan. En una
instalación de alumbrado, un simple interruptor por ejemplo es un dispositivo de
mando manual que a su vez permite controlar el flujo de potencia eléctrica hacia
una lámpara incandescente sin necesidad de recurrir a un dispositivo que tenga
capacidad de maniobra para manejar la corriente que demanda la lámpara. De
esta manera, dicho interruptor podría clasificarse no sólo como dispositivo de
mando sino también como un dispositivo de control y de maniobra.
Para dar mayor claridad en este aspecto y definir en forma más precisa el papel
que desempeña un dispositivo dentro de un sistema eléctrico, es conveniente
hacer una nueva clasificación que relacione el concepto de regulación y control.
31
1.3.1 Clasificación de los sistemas de control eléctricos
El tipo de carga y la tarea de control o el grado de regulación que debe hacerse
sobre ella es lo que define la naturaleza del controlador a usar en una aplicación
específica. Por ello, los controladores para sistemas eléctricos se han clasificado
más precisamente como:
Eléctricos
Electromagnéticos
Electrónicos
1.3.1.1 Controladores eléctricos
Están conformados por elementos que maniobran sobre cargas de bajo consumo
representadas en su mayoría por lámparas para alumbrado, electrodomésticos
varios, equipos de cómputo, soldadores, pequeños motores para sistemas de
refrigeración, ventilación, aire acondicionado, bombas y compresores de aire,
entre otros. Generalmente se trata de sistemas eléctricos que operan a 120 V/240
V de corriente alterna monofásica con potencias que no sobrepasan los 10 kW.
Los dispositivos asociados a este tipo de control son interruptores manuales o
automáticos para baja corriente; dispositivos de protección como fusibles y
cortacircuitos (Breakers) y eventualmente algunos dispositivos de regulación
continua de tipo eléctrico o electrónico, como reóstatos, inductancias ajustables y
reguladores de baja corriente con tiristores, cuyo propósito es permitir alguna
variación de la corriente por la carga.
En general, los sistemas de control de tipo eléctrico simple no participan
significativamente en el mando y regulación de las cargas industriales, que por su
32
naturaleza son complejas y de alto consumo de energía. En principio son usados
en las instalaciones eléctricas domiciliarias, comerciales, industriales, en el
ambiente de oficinas y de otros sitios donde no se involucran directamente con la
maquinaria de la planta de procesos.
1.3.1.2 Controladores electromagnéticos
Los dispositivos asociados a un sistema de control electromagnético presentan
características muy ventajosas para realizar las unidades de regulación o de
mando que requieren las cargas industriales, y particularmente la más importante:
el motor eléctrico.
Las ventajas derivadas del empleo de dispositivos electromagnéticos, hoy ya
mejorado significativamente, ha permitido que este tipo de control, que se impuso
a nivel industrial desde hace casi un siglo, siga vigente a pesar de la
“competencia” que le imponen los muchos dispositivos electrónicos que se han
incorporado en los últimos años en la técnica de la regulación y el control de las
cargas eléctricas industriales.
Dado el nivel de predominio y de alta confiabilidad que hoy proporcionan los
dispositivos que conforman los sistemas de control electromagnético, se puede
asegurar que cada día son más las industrias que demandan esos productos y
mayor el interés entre fabricantes por incrementar la producción y desarrollar
nuevos y mejores dispositivos. Por esta razón, una parte importante de los temas
desarrollados en este libro tiene que ver con los sistemas de control
electromagnético.
33
1.3.1.2.1 Ventajas del control electromagnético
Se pueden anotar las siguientes ventajas comparativas para este sistema:
Elimina o reduce el esfuerzo físico del operador, particularmente para la
maniobra sobre cargas elevadas.
Elimina en gran parte la habilidad que requiere el operador para manejar el
proceso. Esto resulta importante en operaciones que involucran
secuenciación o sincronismo, o en operaciones que son difíciles de realizar
manualmente por tener un alto grado de complejidad.
Permite localizar los dispositivos de mando y regulación alejados de las
cargas a un costo mínimo y para mayor seguridad de los operarios.
En los sistemas del control electromagnético, los dispositivos de potencia
que operan con altos voltajes y corrientes no se extienden al punto de
operación.
Proporcionan comodidad.
Se facilita la rápida vigilancia y supervisión durante la operación del
sistema.
Permite hacer ajustes y sustitución rápida de piezas y componentes.
Además, se facilitan las reparaciones y el servicio de mantenimiento por la
simplicidad de los diseños.
Sus partes y componentes son razonablemente pequeñas y sobre todo
robustos y flexibles.
Ofrecen confiabilidad de uso por la continuidad que proporcionan bajo
condiciones anormales de trabajo, particularmente cuando el sistema se
somete a fenómenos de conexión y desconexión de cargas pesadas, y en
situaciones extremas por efectos de sobrecargas, cortocircuitos y otras
anormalidades externas.
Posibilita la automatización.
34
Son altamente confiables y seguros debido a la simplicidad de diseño, a la
excelente calidad de los materiales empleados hoy en día en la fabricación
de los dispositivos, a la inclusión de factores de seguridad con el uso de
modernos dispositivos de protección y a la exigencia de normas
internacionales muy estrictas.
Dado que los sistemas de control electrónicos modernos que emplean
controladores programables y tiristores que ofrecen excelentes alternativas
para el control y maniobra de las cargas eléctricas de sistemas complejos,
la tendencia actual es la de combinar (en lugar de competir) los dispositivos
electromagnéticos con los electrónicos para introducir controladores más
pequeños, económicos, confiables, y sobre todo capaces de realizar tareas
más complejas que incorporen también la supervisión y den información
sobre la producción.
1.3.1.2.2 Diagrama funcional de un sistema de control electromagnético
En un sistema de control electromagnético intervienen diversos dispositivos que
pueden agruparse en tres tipos básicos principales y dos complementarios o
auxiliares denominados:
Principales
o Dispositivos de mando
o Relés
o Contactores
Complementarios o auxiliares
o Dispositivos de protección
o Dispositivos de medida y señalización
35
No están consideradas en esta clasificación las cargas eléctricas, ya que estas
son comunes para los diferentes sistemas eléctricos de control de los indicados
anteriormente, son también muy importantes los denominados dispositivos de
protección, con los cuales se busca salvaguardar la integridad física de las
personas y de los equipos, garantizando un funcionamiento seguro y confiable del
sistema. Los mismos, incluidos los de medida y señalización serán estudiados
con detalle posteriormente.
La disposición funcional de los dispositivos básicos representada mediante un
diagrama de bloques se muestra la Figura 1.
Figura 1. Estructura básica de un sistema de control electromagnético.
1.3.1.2.2.1 Dispositivos de mando
Los dispositivos de mando realizan la función de recoger la información que
requiere el sistema a controlar, la cual está relacionada directamente con las
órdenes del operario o con el cambio que experimentan las variables de interés
asociadas al proceso, convirtiendo esta información a señales eléctricas que son
procesadas por los relés.
36
Estableciendo una analogía con el cuerpo humano, estos dispositivos actúan de
manera similar a los órganos de los sentidos.
1.3.1.2.2.2 Relés
Los relés son interruptores de control de uno o varios contactos, abiertos o
cerrados, accionados por un elemento sensible que responde al cambio que
presenta una variable eléctrica como voltaje o corriente, u otra de la misma
naturaleza relacionada con otra variable de interés particular para un sistema
eléctrico.
La función de los relés es juzgar y definir la acción de control a realizar sobre los
elementos de carga, de acuerdo a un comportamiento lógico preestablecido.
Mediante los contactos del relé es posible reproducir una señal de mando en
diferentes puntos del circuito para generar acciones asociadas a la tarea de
control.
Siguiendo con la analogía anterior, los relés actúan de forma similar al cerebro
humano y por consiguiente representan la parte que hace la tarea inteligente en el
sistema.
En los relés de uso corriente el elemento sensible es un electroimán o una cinta
bimetálica, pero se dispone también de otros relés especiales de tipo electrónico,
cuyos elementos sensibles presentan formas muy diversas dependiendo de la
variable eléctrica a la cual respondan.
37
1.3.1.2.2.3 Contactores
Los contactores son interruptores de potencia de uno o varios contactos
accionados por un electroimán. Sin embargo, aunque operan bajo el mismo
principio de los relés electromagnéticos, tienen una aplicación diferente. Su
principal función es la de manejar y actuar directamente sobre las cargas
eléctricas ya que sus contactos se diseñan con capacidad de maniobra para
atender las exigencias que imponen las mismas durante su conexión, operación
normal y desconexión. En cierta forma, son amplificadores de las señales de
salida de los relés las cuales son de bajo nivel. Los contactores actúan como los
miembros del cuerpo humano, de acuerdo con la analogía anterior.
Las cargas que están en capacidad de manejar los contactos de un contactor,
están representadas por dispositivos muy diversos.
Industrialmente las cargas eléctricas que manejan los contactores son de tipo
resistivo, inductivo y capacitivo. Válvulas solenoides, electroimanes de freno,
resistencias de calefacción, bancos capacitivos para corrección del factor de
potencia, y muchos otros, son ejemplos típicos. Sin embargo, debe tenerse
presente que es el motor eléctrico la carga más importante y la que exige un
diseño cuidadoso del controlador.
Actualmente se diseñan y construyen interruptores electrónicos de estado sólido
que se utilizan como contactores; y aunque no cabe definirlos como tales, su uso
se ha venido generalizando y se aceptan ya como contactores estáticos o
contactores de estado sólido (SSC).
38
1.3.1.3 Controladores electrónicos
Los controladores electrónicos presentan características ventajosas y
sobresalientes particularmente para el mando y regulación sobre cargas eléctricas
que realizan tareas complejas. Los dispositivos modernos que ha aportado la
electrónica de potencia en este campo, como los rectificadores controlados de
silicio (SCR) por ejemplo, han permitido incorporar nuevas tecnologías en
conmutación y regulación de alta corriente, particularmente para cierto tipo de
motores eléctricos. La sustitución de algunos dispositivos electromagnéticos que
pueden realizar tareas inteligentes (mediante el empleo de controladores lógicos
programables PLC o aún más, por el uso de computadoras que asisten
directamente el proceso y atienden todas las cargas) han alterado muchos
conceptos y teorías que tradicionalmente se venían aplicando en los sistemas de
control. Sin embargo, a pesar de estos asombrosos y revolucionarios cambios que
hoy en día se pueden apreciar en la industria moderna, son muchos los
dispositivos convencionales, particularmente de tipo electromagnético, que hasta
la fecha no encuentran sustituto ni tienen a la vista competidores equivalentes que
puedan desplazarlos. Tal es el caso de los contactores que se usan para la
maniobra de grandes motores en media tensión.
1.4 PROCESOS INDUSTRIALES
Los procesos que se realizan en la industria pueden estar clasificados en dos
categorías:
Procesos físico-químicos.
Procesos de manufactura.
39
1.4.1 Procesos físico-químicos
Los procesos físico-químicos, conocidos también como procesos de colada o
procesos continuos, son aquellos donde las variables que intervienen presentan
una variación continua en el tiempo.
En dichos procesos se lleva a cabo la regulación de variables como presión,
temperatura, nivel, caudal, etc., buscando generalmente mantener el valor de la
variable en un valor definido durante el proceso. En los procesos continuos se
aplican usualmente las técnicas de regulación de lazo cerrado que permiten
automatizar procesos.
1.4.2 Procesos de manufactura
En los procesos de manufactura se siguen técnicas diferentes de control y en ellos
no se regulan variables; se manipulan variables siguiendo los ordenamientos de la
lógica matemática que están establecidos en el álgebra de Boole y en todos los
desarrollos que aportan las técnicas digitales.
En este tipo de procesos las variables solo pueden tomar uno de dos posibles
estados definidos, los cuales están separados por un umbral.
En los procesos de manufactura se trabaja sobre piezas sueltas que deben
ensamblarse para conformar el producto terminado. Es éste el caso típico de una
fábrica ensambladora de automóviles. Allí debe hacerse un control muy preciso de
movimientos para lograr un producto finalmente terminado. De ahí que sea la
posición y la rapidez con la cual se desplaza una pieza móvil, las dos variables
típicas a controlar.
40
En los procesos de manufactura son utilizados ampliamente mecanismos
robotizados, y en ellos los motores eléctricos desempeñan funciones esenciales
de alta importancia.
Los controladores electromagnéticos son en principio controladores del tipo “Todo
o Nada” ya que están conformados en su esencia por interruptores eléctricos. Este
tipo de controladores encaja perfectamente en la estructura de los procesos de
manufactura; sin embargo, son muchos los procesos físico-químicos en donde
funcionan satisfactoriamente controladores de este tipo para manejar los motores
que dan el movimiento a las máquinas, permaneciendo marginados de las tareas
de regulación.
De igual manera puede establecerse que los controladores electrónicos tienen una
amplia aceptación y cabida en ambos procesos y su desempeño es altamente
satisfactorio.
Puede reafirmarse que los controladores electromagnéticos y electrónicos van de
la mano y ambos comparten importantes tareas de proceso confundiéndose con
bastante frecuencia en un solo controlador híbrido, que en términos generales los
hemos llamado el controlador eléctrico.
REGRESAR AL INICIO DEL DOCUMENTO……
41
CAPÍTULO 2 DISPOSITIVOS DE LOS SISTEMAS DE CONTROL
ELECTROMAGNÉTICO
2.1 INTRODUCCIÓN
En este capítulo se describen los principales dispositivos de mando, control y
maniobra de naturaleza electromecánica, electromagnética y electrónica,
utilizados en los sistemas eléctricos de control para la maniobra de las cargas
industriales, haciendo énfasis en los motores.
Se estudian en detalle principios de funcionamiento, tipos y clases de dispositivos,
características y especificaciones técnicas, criterios de selección y principales
usos y aplicaciones.
2.2 DISPOSITIVOS DE MANDO
Realizan la función de recoger la información que requiere el sistema a controlar,
la cual está relacionada directamente con las órdenes del operario o con el cambio
que experimentan las variables de interés que se controlan en los procesos.
De acuerdo con su naturaleza pueden ser de dos tipos:
Digitales.
Análogos.
Los dispositivos de mando digitales introducen al sistema uno de dos posibles
valores de información, separados por un umbral de señal o variable detectada.
Estos dispositivos pueden ser de dos tipos. Unos son generadores de un tren de
pulsos codificados en binario o en otros formatos y su salida presenta uno de dos
42
estados lógicos definidos como “0” o “1”. Dicha salida se procesa por medios
electrónicos para generar la acción de control que le corresponde, produciendo
una señal normalizada que puede ser reconocida por los elementos que ejecutan
la lógica o la tarea inteligente del circuito.
Otros son los dispositivos denominados de “Todo o Nada” (on-off) que también
proporcionan salidas binarias, aunque no necesariamente de la misma naturaleza
de los primeros.
Los dispositivos de “Todo o Nada” actúan como elementos de conmutación y
disponen de contactos eléctricos de forma y características idénticas a las de un
interruptor. Su accionamiento se presenta por el efecto de una fuerza mecánica de
origen externo que proviene de una orden manual o del elemento sensible que
incorpora el dispositivo. Algunos sensores digitales que generan pulsos
codificados se diseñan para proporcionar salida de contacto tipo interruptor como
en los dispositivos de “Todo o Nada”.
Los dispositivos analógicos introducen señales que pueden variar en forma
continua con iguales o diferentes valores en el tiempo.
Los dispositivos de mando pueden ser de accionamiento manual o automático.
Se consideran manuales cuando son actuados por un operario; ya sea con las
manos o los pies y en general por cualquier medio que involucre una orden directa
de un operador. Se denominan automáticos cuando su actuación responde a los
cambios que experimenta una variable de interés asociada al sistema de control.
Un dispositivo digital manual es por ejemplo un pulsador o un interruptor de pie;
uno digital de tipo automático es un termóstato o un interruptor de velocidad.
43
Un dispositivo analógico manual es por ejemplo un reóstato, usado para variar la
corriente del devanado excitador de un motor de CD; uno analógico automático es
un termopar o una fotorresistencia.
Siendo los sistemas de control electromagnético, de naturaleza discreta o digital,
es evidente que el empleo de los dispositivos de mando analógicos está
restringido para aplicaciones directas, a no ser que se utilicen convertidores
análogo-digitales que habiliten su utilización. Es corriente hacer uso de estos
dispositivos para el control de temperatura empleando termopares y
termorresistencias, y velocidad, empleando taco-generadores.
2.2.1 Dispositivos de mando digitales: especificaciones y aspectos
constructivos
También conocidos como dispositivos de “Todo o Nada”. Su función como
elemento de circuito es conectar o desconectar y cambiar conexiones que
permiten realizar diferentes tareas o funciones en el sistema a controlar. Como ya
se estableció, se trata de interruptores que, por su misma naturaleza, permiten o
restringen el paso de la corriente que demanda un órgano receptor del circuito.
El material empleado para la fabricación de los contactos es frecuentemente la
plata fina, el oro fino, el rodio, el wolframio; elementos cuyo punto de fusión es
alto, de tal manera que el desgaste por efecto del arco y los golpes de
accionamiento es bajo, pudiendo ser usado en interruptores con alto ciclo de
trabajo. También se emplean varias aleaciones con metales diversos como:
Plata-oro / plata-níquel / plata-paladio / plata-óxido de cadmio. Estos
materiales ofrecen resistencia a la corrosión, al efecto de arco y al medio
ambiente. La aleación oxido de cadmio ofrece adicionalmente resistencia a
la soldadura por efecto del arco.
44
Paladio-cobre. Ofrece resistencia al desgaste mecánico debido a los
golpes de funcionamiento.
Estaño-wolframio. Ofrece resistencia al desgaste por el efecto del arco y
en corriente directa protege contra el efecto galvánico (corrosión eléctrica).
Plata-rodio. Ofrece resistencia al efecto galvánico (en CD).
En resumen, para cada aplicación los fabricantes buscan no solo una excelente
conductividad de los materiales a usar sino también una reducción del desgaste
por efecto del golpe del cierre, por el efecto de arco, por calentamiento y por
contaminación ambiental, particularmente para interruptores que manejan cargas
inductivas y realizan ciclos de trabajo pesados en ambientes desfavorables.
En general, tanto la plata como aleaciones del mismo metal, presentan excelentes
características de conductividad eléctrica y son resistentes al desgaste por golpe y
rozamiento y a la acción nociva del arco.
En su construcción, internamente se dispone de mecanismos especiales de
palanca con resorte que garantizan una rápida conmutación (con tiempos del
orden de unos pocos milisegundos) y evitan el rebote del contacto móvil al golpear
sobre el fijo, reduciendo el indeseable efecto del arco.
Para la selección apropiada de estos dispositivos es necesario tener en cuenta el
tipo de carga y los requisitos que impone la carga a conmutar. Estos son entre
otros:
Corriente de carga.
Voltaje de alimentación de la carga y frecuencia de la red.
Factor de potencia o constante de tiempo de la carga.
Ciclo de trabajo de la carga.
Condiciones ambientales en el sitio de instalación del interruptor.
45
Entre las condiciones ambientales a considerar pueden anotarse las siguientes:
Temperatura ambiente, humedad relativa, altura sobre el nivel del mar y otras
como presencia de polvo, goteo, lluvia, etc.
Desde el punto de vista eléctrico, los dispositivos de mando digitales de “Todo o
Nada” se especifican por lo siguiente:
Corriente nominal o asignada de servicio (In o Ie)
Esta corriente define el máximo valor eficaz de corriente que puede circular
permanentemente por los contactos del interruptor sin sobrepasar un valor de
temperatura de contacto especificado por una norma.
Sin embargo, y a pesar de la aparente rigidez de la norma, los contactos de
cualquier interruptor se diseñan para manejar corrientes mucho mayores que la
nominales durante cortos periodos de tiempo (que pueden incluso ser repetidos)
siempre y cuando el ciclo trabajo no origine elevación de la temperatura en el
punto de contacto por encima de los valores que define la norma. Esto es
deseable porque al momento de energizar una carga se originan picos de
corriente de conexión de corta duración que podrían producir deterioro de los
contactos. Con todo ello, la vida útil, que normalmente es especificada por el
fabricante, es de miles o millones de maniobras.
Voltaje nominal o asignado de servicio (Vn o Ve)
Es el máximo valor eficaz de tensión que puede aplicarse a los bornes del
interruptor para garantizar el corte de la corriente durante la apertura de los
contactos y dar un aislamiento satisfactorio entre el órgano receptor y la fuente de
alimentación del circuito.
46
En baja tensión (definida para tensiones hasta 600V), el voltaje nominal se
especifica normalmente para carga resistiva , a no ser que se defina
para el interruptor una categoría de empleo que implique tener en cuenta otras
consideraciones que impone la carga.
Condiciones ambientales
De igual forma, el deterioro de los contactos podrá acelerarse si las condiciones
ambientales del sitio donde se encuentra instalado el interruptor son desfavorables
y no es posible garantizar un buen aislamiento y encapsulado, apropiados para el
buen desempeño. En la práctica, se construyen diferentes tipos de encapsulados y
recintos que ofrecen o proporcionan el grado de protección que se requiera para
una aplicación particular.
Los dispositivos de mando se construyen para múltiples aplicaciones y funciones.
En general, los interruptores se clasifican como de servicio pesado (heavy duty)
o de servicio estándar (estándar duty), de acuerdo con las condiciones
operativas que impone la carga.
Se tienen dispositivos de mando para actuar directamente sobre la carga,
particularmente para conmutar resistencias limitadoras de corriente durante el
arranque de motores de pequeño y mediano tamaño, tanto de CD como de CA.
Algunos se diseñan para conmutar los devanados del motor en arranques estrella-
triangulo o para efectuar maniobras de inversión de marcha o cambio de
velocidad.
Los dispositivos de mando que tienen una mayor capacidad de maniobra para
actuar directamente sobre la carga y particularmente sobre motores; son robustos,
de gran tamaño y de costo elevado. Actualmente, su empleo está restringido a
aplicaciones especiales y su fabricación ha caído en desuso. Se diseñan
47
generalmente para corrientes moderadas, hasta 100A o menores; y para voltajes
nominales por debajo de 600V.
Los dispositivos de mando de uso corriente manejan corrientes relativamente
pequeñas, hasta 10A o menores y son diseñados para tensiones industriales que
normalmente no sobrepasan de 600V.
2.2.2 Dispositivos de mando digitales de accionamiento manual
Los dispositivos de mando digitales de accionamiento manual más usados en la
industria son:
Pulsadores.
Interruptores de pie.
Combinadores de mando.
Para su correcta selección se debe garantizar que los dispositivos tengan sello de
homologación, lo cual implica que han sido diseñados y construidos siguiendo
normas que certifican un producto confiable, que cumple con las especificaciones
indicadas y que tienen una vida útil garantizada. Algunas de las normas que
definen materiales, dimensiones, límites de temperatura, grado de protección,
clase de aislamiento, limitaciones de tensión, corriente y muchos otros aspectos
de estos dispositivos son:
IEC 337-1.
IEC 337-2.
IEC 536.
VDE 0630.
VDE 0660.
UL 508.
48
BS 3955.
2.2.2.1 Pulsadores
Son interruptores de control de accionamiento manual de uno o varios contactos
normalmente abiertos o normalmente cerrados (NA/NC). Disponen de un botón,
émbolo o pistón que al ser presionado con el dedo o la palma de la mano origina
la actuación de los contactos (ver Figura 2).
Figura 2. Tipos de pulsadores industriales
Fuente: Catalogo ABB “Pilot Devices the complete offering”
Los pulsadores (push button) son los dispositivos más utilizados para el mando de
motores y en general de las máquinas industriales. Según su operación o manera
de actuación, los pulsadores se clasifican como:
De contacto momentáneo.
De contacto sostenido o retenido.
49
2.2.2.1.1 De contacto momentáneo
Los pulsadores de contacto momentáneo solo operan mientras se mantiene
oprimido el actuador del pulsador; si se deja de oprimir, un muelle lo retorna y los
contactos se rearman quedando en la posición de reposo inicial.
2.2.2.1.2 De contacto retenido
Los pulsadores de contacto retenido operan cuando se oprime el pulsador. Al
oprimir el dispositivo, un mecanismo mantiene esta posición aún después de dejar
de presionar el actuador. Para rearmarlos debe oprimirse el pulsador por segunda
vez o simplemente aplicarle una ligera fuerza en sentido giratorio. Algunos
aspectos constructivos de un pulsador se ilustran en la Figura 3.
Figura 3. Pulsador momentáneo con contactos de doble apertura (1NO+1NC)
Los contactos de doble apertura son bastante utilizados porque proporcionan
mayor grado de aislamiento sobre los órganos receptores y tienen un mejor
comportamiento ante la presencia del arco. En general se diseñan con categorías
de empleo AC11 o DC11 entre 1 y 10A y para maniobrar con tensiones entre 12 y
600 V máximo. La categoría AC11 o DC11 habilita al interruptor para actuar en la
50
conmutación de electroimanes o solenoides de CA o CD como los asociados a la
estructura interna de relés y contactores electromagnéticos.
Debido a que normalmente operan con ciclos de trabajo pesado, los fabricantes
los construyen para que sus contactos puedan resistir sin desgaste apreciable los
golpes de accionamiento y efecto del arco. Una técnica de fabricación bastante
efectiva, ha consistido en lograr que los contactos se deslicen al cerrar y que no
presenten el fenómeno de rebote justo al momento de cerrar, cuando se dé la
actuación del interruptor.
El deslizamiento entre contactos que se están cerrando mantiene limpias las
superficies de los mismos y garantiza que la resistencia óhmica de contacto se
mantenga en valores muy pequeños, limitando en consecuencia las pérdidas por
calor. Un buen contacto de interruptor tiene una resistencia óhmica generalmente
menor de 3mΩ a corriente nominal, lo cual implica caídas de potencial que
típicamente no sobrepasan los 30mV.
Las diferencias constructivas que presentan los pulsadores, tienen que ver con la
forma física del actuador y la manera como este puede satisfacer diferentes
aspectos funcionales y de maniobra. Se construyen pulsadores de varios estilos o
tipos según la forma del actuador. Estos pueden ser:
De actuador deprimido.
De actuador elevado o saliente.
De actuador rasante.
De accionamiento por palanca o de tipo joy stick.
De cabeza de hongo (o de seta).
De perilla o muletilla.
Con cerradura de llave.
Luminosos.
51
De membrana.
Otros.
2.2.2.1.3 De actuador rasante
Figura 4. Mecanismo de actuador rasante
Los pulsadores de actuador deprimido o de actuador rasante (ver Figura 4),
presentan cierto grado de seguridad ya que al efectuar la maniobra solo pueden
accionarse con un dedo del operario.
52
2.2.2.1.4 De actuador saliente
Figura 5. Mecanismo de Actuador saliente
Los pulsadores de actuador saliente (ver Figura 5) pueden ser accionados con los
dedos, la palma de la mano o el brazo.
2.2.2.1.5 De cabeza de hongo (de seta)
Figura 6. Mecanismo de Cabeza de hongo
Los pulsadores de cabeza de hongo (ver Figura 6) son de gran área de contacto y
se utilizan para ordenar paros de emergencia o retornos de emergencia. Se
53
accionan generalmente con la palma de la mano y presentan gran visibilidad para
facilitar el reconocimiento por parte del operario. Generalmente se construyen de
color rojo o amarillo y algunos son de actuación retenida.
2.2.2.1.6 Luminosos
Figura 7. Mecanismo de actuador saliente con lámpara de señalización
incorporada (pulsador luminoso)
Los pulsadores luminosos (ver Figura 7) incorporan una lámpara de señalización
(L), la cual se ilumina al ser activado el pulsador. Esto permite al operario
reconocer que el pulsador fue previamente manipulado y que alguna tarea se
encuentra en ejecución. Son bastante utilizados en la industria. Su construcción es
similar a la que presentan los pulsadores de actuador saliente o rasante.
54
2.2.2.1.7 Con cerradura de llave
Figura 8. Mecanismo de accionamiento por llave
Los pulsadores con cerradura de llave (ver Figura 8) solo pueden accionarse con
el uso de una llave la cual se supone es de manejo reservado. Se utilizan para
activar o desactivar sistemas de alarma, garantizar un desempeño seguro durante
labores de mantenimiento que se realicen en la máquina y, poner en
funcionamiento escaleras eléctricas, ascensores, grúas, grupos motogeneradores,
etc.
2.2.2.1.8 De muletilla
Figura 9. Mecanismo de actuación con perilla giratoria
Los pulsadores de muletilla (Figura 9) disponen de una perilla que puede girarse
entre dos o más posiciones de maniobra claramente definidas. Aunque se
55
construyen de contacto sostenido o retenido, son más utilizados los de contacto
momentáneo.
El giro de la perilla puede ser en una o en ambas direcciones, la rotación está
limitada a ángulos entre 50º y 90º. Al dejar de ejercer la fuerza de actuación sobre
la perilla, esta retorna a su posición inicial, dejando el interruptor en su condición
eléctrica original. Son bastante utilizados como selectores de función para
arranque manual, inversión de marcha, aumento o disminución de velocidad, etc.
2.2.2.1.9 De palanca tipo Joy Stick
Figura 10. Palanca de tipo Joy Stick
Fuente: http://www.pioneerbreaker.com/ProductDetails.asp?ProductCode=PBC-XD2PA24
Los pulsadores de palanca tipo Joy Stick (ver Figura 10) incorporan un brazo largo
de accionamiento el cual puede tomar diversas posiciones de maniobra. Se
ajustan para ser manipulados con la mano cerrada sobre el extremo libre de la
palanca de accionamiento. Son muy utilizados para el manejo de máquinas-
herramienta, tornos grúas, montacargas, y en general, para funciones de
posicionamiento de una pieza que debe desplazarse de un sitio a otro.
56
2.2.2.1.10 De membrana
Figura 11. Pulsador tipo membrana
Fuente: http://www.indiamart.com/exorindia-pvtltd-mumbai/hmi-display-panels.html
Los pulsadores tipo membrana (ver Figura 11) se usan en los teclados que
incorporan los equipos de control programable como un medio de diálogo hombre-
máquina para diagnóstico, programación o mando directo.
La instalación de pulsadores se hace normalmente sobre el panel o parte frontal
del tablero y en general son de muy fácil instalación y montaje.
En particular, debe garantizarse cierto grado de protección contra la penetración
de polvo, chorros de agua y goteo, y contra contactos involuntarios por parte de
las personas.
Los pulsadores se instalan normalmente en la parte frontal de los tableros
eléctricos que controlan las máquinas y los equipos. También se ensamblan en lo
que se conoce bajo el nombre de caja de pulsadores o estación de pulsadores.
Estas unidades se utilizan con mucha frecuencia para el mando de motores en
instalaciones pequeñas y con ellas se pueden ejecutar tareas de arranque y paro,
elevación y giro, marcha adelante y atrás, subir y bajar, etc. Frecuentemente se
incorporan dispositivos de señalización luminosa para indicar el estado de la
57
función que ejecuta. Para el mando de motores en el denominado puente-grúa se
acostumbra el uso de cajas de pulsadores colgantes que pueden ser desplazadas
fácilmente por el operario.
Todo pulsador que se instale debe tener una leyenda que indique la función que
realiza dicho dispositivo. Los pulsadores se identifican también por un código de
colores que tiene significado especial.
El color rojo se ha definido para los pulsadores de detención o paro, ya sea en
condiciones normales o de peligro. El paro puede ser de tipo general, de una parte
de una máquina, de uno o un grupo de motores. En caso de un paro de
emergencia son utilizados los pulsadores de color rojo de cabeza de hongo, los
cuales son fácilmente identificables.
El color amarillo es utilizado para intervenir el funcionamiento de la máquina e
interrumpir su operación ante situaciones anómalas o no deseadas. Son usados
por ejemplo para el retorno de emergencia, barrido o evacuación de gases
residuales, etc.
El color verde se utiliza para arranque parcial o general de la máquina o de uno o
un grupo de motores. Este color es definido también como indicador de
operaciones que se realizan con seguridad.
El color azul es utilizado para accionar en estados que requieren operación
obligatoria, como por ejemplo una función de reposición o reset.
Los colores gris, blanco y negro se han dejado a elección del usuario para iniciar
cualquier otra condición particular o general que no sea cubierta por las
anteriormente citadas, pero excluyendo su empleo como pulsadores de paro de
emergencia.
58
2.2.2.1.11 Especificaciones técnicas de los pulsadores
Al momento de especificar un pulsador, es necesario tener en cuenta los
siguientes parámetros:
Número de contactos y su disposición eléctrica.
Corriente y tensión nominal de los contactos y categoría de empleo.
Color y dimensiones físicas (Φ16, Φ22, Φ30 mm).
Tipo de actuador asociado al pulsador.
Grado de protección para condiciones ambientales (IP54, IP65… / NEMA 4,
4x, 13…).
2.2.2.2 Combinadores de mando
Se conocen con el nombre de Master Switch (MS).
Básicamente son interruptores de accionamiento manual con distintas posiciones
de maniobra. Los denominados Master Switch se emplean para regulación,
mando, maniobra y arranque de motores, hasta unos 40 HP y 440V.
Sin embargo, los de uso generalizado manejan corrientes moderadas no mayores
a 20 A y sirven para conectar y desconectar circuitos principales y de control, con
plena seguridad de servicio. Algunos pueden usarse para realizar operaciones en
forma secuencial o programada.
Su accionamiento se logra por medio de una palanca, perilla o brazo que hace
girar un eje sobre el cual van montados los elementos de conexión. Pueden ser de
tres tipos:
59
De placa frontal o planos.
De tambor.
De levas.
Figura 12. Tipos de combinadores de mando
Fuente: http://www.tecneweb.com.ar/Apuntes/tercero_9/instrumentos.htm
2.2.2.2.1 Combinador de placa frontal
Su empleo se ha restringido principalmente al arranque por resistencia de motores
de corriente directa y de rotor bobinado.
Se construye colocando una serie de contactos fijos de cobre, en forma de botón,
describiendo una semicircunferencia y dispuestos sobre una placa de material
aislante. Un contacto móvil de cobre localizado sobre el brazo o palanca, permite
efectuar una conmutación con cada uno de los contactos a medida que se avanza
en el movimiento en el brazo.
En algunos de los combinadores de este tipo, el brazo de contacto está obligado a
vencer la acción de un resorte que tiende a hacerlo regresar a su primera posición.
60
Sin embargo, cuando el brazo de maniobra está en la posición final de marcha,
éste queda sostenido por una bobina de mantenimiento que lo retiene.
La acción del resorte evita que el operario deje el brazo en una posición
intermedia, lo cual sobrecargaría la resistencia de arranque. La bobina de
mantenimiento protege al motor por perdida de tensión en la línea (protección de
bajo voltaje).
Si se presenta una caída de tensión en la línea de la bobina, ésta suelta el brazo,
que por acción del resorte vuelve a la posición inicial, desconectando el motor.
A los contactos fijos se unen las derivaciones de una resistencia de aceleración o
arranque que suele ser de hierro-cromo-níquel, resistente a la oxidación y a las
temperaturas elevadas. Estas resistencias vienen determinadas por los valores
admisibles de la intensidad de corriente inicial; entre el 150% y el 300% del valor
nominal y por las dimensiones de los fusibles que han de proteger al motor.
La Figura 13 y la Figura 14 muestran los diagramas de conexión para arranque de
un motor de CD y otro de CA de rotor bobinado empleando combinadores de
mando.
Figura 13. Empleo de un Master Switch tripolar con un motor de corriente directa.
61
Figura 14. Empleo de un Master Switch tripolar con un motor de rotor bobinado.
Los arrancadores de placa frontal empleados para arranque de motores de CD se
construyen de tres y cuatro bornes o terminales de salida. En el de tres puntos el
terminal F no existe y el campo se conecta a través del terminal L, quedando en
serie con la bobina de mantenimiento o retención.
En el circuito de la Figura 13, el motor arranca con toda la resistencia incluida en
el inducido, lo cual permite limitar la corriente de arranque. El brazo se va
desplazando entonces lentamente desde la posición 1 hasta la 8, eliminándose en
cada paso parte de la resistencia. Al final, el inducido queda conectado
directamente a la línea. Se puede apreciar que el campo se establece desde la
primera posición, y en la última, la bobina de retención atrae a la pieza de hierro
unida al brazo y mantiene a éste en dicha posición, pudiéndose soltar el brazo.
El combinador de la Figura 14 tiene otro tipo de construcción. La palanca no lleva
resorte, por lo cual puede dejarse sobre cualquiera de los segmentos del motor
62
con el objeto de graduar la velocidad. Por su modo de funcionamiento, las
resistencias empleadas deben diseñarse para servicio continuo.
Puesto que el regulador solo opera sobre el circuito del rotor, es esencial que el
motor arranque con la palanca en la posición de “plena conexión”, por ello suele
disponerse en un circuito separado para el estator formado por un pulsador de
paro, otro de arranque, un contactor M y un contacto de enclavamiento
(normalmente cerrado) sobre la palanca de mando. Como se ve en la figura, el
contacto auxiliar va conectado en serie con el pulsador de arranque, de forma que
el contactor M sólo puede excitarse cuando el reóstato del circuito del rotor está en
su posición de arranque, incluyendo la máxima resistencia.
Al presionar el pulsador de arranque se energiza M y el motor se conecta a la
línea arrancando con toda la resistencia exterior incluida. Cuando la palanca gira
en el sentido de las agujas del reloj, el contacto auxiliar se abre mecánicamente
(sin producir ningún efecto) al abandonar el primer punto. A medida que se avanza
con el brazo, el motor se va acelerando hacia su velocidad nominal o de régimen.
Si se presenta una caída de tensión en la línea, o un corte en el suministro de
corriente, el contactor M se desenergiza y el motor se detiene. Sin embargo, al
normalizarse la situación, este no puede arrancar porque tanto el contacto M de
auto-mantenimiento como el contacto auxiliar, estarán abiertos. Para reponer la
marcha del motor es necesario volver la palanca a la primera posición.
Pueden anotarse algunas desventajas de los combinadores de placa frontal:
Los contactos sufren mucho desgaste por el arco de ruptura, puesto que la
velocidad de apertura es reducida y no se dispone de soplado magnético
conveniente.
Los contactos sufren desgaste por rozamiento debido a la acción deslizante
del brazo. Sin embargo esta acción los mantiene limpios.
63
Son poco flexibles, ya que prácticamente no admiten un cambio de
conexiones que permita utilizarlos en otras aplicaciones.
2.2.2.2.2 Combinador de tambor
Está formado por un cilindro o tambor sobre el cual se aplican anillos o segmentos
de cobre o plata que van a servir como contactos móviles de un sistema
interruptor. Los segmentos conductores están separados por arandelas aisladoras
y algunos están conectados entre sí eléctricamente.
Dispuestos en una misma línea, se encuentran localizados un conjunto de
contactos fijos denominados escobillas o dedos de contacto. Estas escobillas
pueden ser de carbón, cobre o plata. Cuando se acciona el brazo o palanca del
combinador, se mueven los contactos del eje y a medida que se avanza en el
movimiento circular se van actuando contactos que abren y cierran circuitos
eléctricos.
El eje se monta generalmente sobre cojinete de bolas y su cursor se apoya sobre
una rueda entallada obligándose a entrar sobre una serie de muescas,
correspondiendo cada una a las diferentes posiciones de marcha. Esto permite al
operario “sentir” las posiciones a lo largo del recorrido angular de la perilla o la
palanca.
El combinador de tambor es robusto y compacto, y supera las anteriores
desventajas ya que no solo puede construirse para resistir muy malos tratos, sino
que puede equiparse con dispositivos contra la formación de chispas entre
contactos.
64
En general podemos indicar las siguientes ventajas:
Son fáciles de maniobrar e instalar.
Flexibles. En muchos de ellos se puede cambiar fácilmente la longitud y
colocación de los segmentos y la duración de cierre y apertura, para
responder en la práctica a cualquier sucesión de maniobras. En los más
recientes se aplican construcciones modulares con las cuales es posible
insertar bloques de contactos para incrementar sus posibilidades de control.
Presentan buenas características de interrupción. Algunos de aplicación
especial se construyen con cámara apaga-chispas y bobina de soplado.
Entre las desventajas se pueden anotar:
Apertura relativamente lenta de los contactos.
Desgaste de los contactos por rozamiento.
Sus aplicaciones más importantes son:
Como dispositivos de mando para máquinas–herramienta y grúas.
En distribución de energía en líneas aéreas para trenes eléctricos.
Para conmutar los puntos de medida de voltímetros, amperímetros,
kilovatímetros, etc.
En la implementación de sistemas de transferencia manual, cuando se
tienen dos alimentadores con el propósito de garantizar el suministro de
energía a una carga esencial.
En conexión directa, como interruptores principales en equipos eléctricos.
Para cambio de velocidad y arranque de motores.
Como selectores de funciones (Auto, Manual, Prueba, Apagado etc.)
65
Figura 15. Combinador de tambor.
Fuente: http://www.electrocentro.com.mx/descripciones/Interruptores%20tipo%20tambor.html
2.2.2.2.3 Combinador de levas
Consiste en un juego de pequeños interruptores de accionamiento por vástago,
rodillo o palanca, localizados sobre un soporte fijo. El movimiento de sus
actuadores es proporcionado por un pequeño motor que hace girar un sistema de
levas ligadas al eje del combinador. Esta disposición se denomina árbol de levas.
Al girar el eje se mueve la leva y cierra o abre los contactos de los interruptores en
la sucesión deseada, de acuerdo a las diversas posiciones a manejar.
La forma del combinador de levas es muy flexible ya que fácilmente es posible
efectuar cambios en la sucesión de cierre de los contactos, cambiando la leva o
modificando su posición. En la mayoría de los casos, los combinadores se
construyen con doble leva, lo cual permite ajustar la duración de cierre o apertura
de los contactos, modificando su posición relativa. El eje del combinador va
montado generalmente sobre un cojinete de bolas y su extremo libre se dispone
para acoplar al elemento actuador. Cuando se tienen varios contactos, estos se
activan secuencialmente, generando retardos de tiempo entre ellos. Una vez se
completa el ciclo, el motor se detiene dejando los contactos en una posición
definida que puede ser reposicionada en forma manual o automática.
66
En general se construye de accionamiento por motor, sin embargo, también los
hay de accionamiento manual. Los manuales disponen de un sencillo mecanismo
que proporciona una parada en cada posición del brazo, de forma que el operario
la “sienta”. Algunos llevan muelle de retorno para cuando se suelta la manivela y
un mecanismo de retención (trinquete) para el final de la carrera.
Los de accionamiento por motor son de uso más frecuente en procesos donde se
requiere sincronización, como es el caso de la puesta en marcha de una caldera o
en un sistema de semáforos. En estas aplicaciones específicas se le conoce con
el nombre de PROGRAMADOR. Un contacto auxiliar del mismo combinador
permite desconectar el motor al finalizar el programa o al terminar el ciclo de
trabajo. El acople o embrague del motor con el árbol de levas lo hace un
electroimán, el cual al desenergizarse libera al acople y permite el retorno de las
levas a la posición de reposo mediante la acción de un resorte.
En la Figura 16, Figura 17 y Figura 18 se ilustran combinadores de levas que
proporcionan un retardo en la actuación de los contactos, resaltando su forma
física y aspectos constructivos.
Figura 16. Tipos de Levas
Fuente: http://elmotorrecalentado.blogspot.com/2010/08/clasificacion-de-las-levas.html
67
Figura 17. Estructura básica de un combinador de levas.
Figura 18. Combinador de levas de accionamiento por motor.
Fuente: http://www.directindustry.es/prod/marsh-bellofram/temporizadores-ciclicos-
electromecanicos-11788-491374.html
Las ventajas del combinador de levas son las siguientes:
No hay deslizamientos de los contactos y por siguiente el desgaste esta
reducido en un mínimo.
Los circuitos se encuentran totalmente aislados uno del otro.
No hay restricciones en la sucesión de cierre de los contactos, ya que
puede cambiarse manualmente la posición de las levas, lo cual los hace
bastante flexibles.
68
En general, son los dispositivos indicados para utilizarse en procesos
automáticos donde se requiere secuenciación y sincronismo. Los motores
utilizados son generalmente de CA de velocidad constante y de bajo
consumo.
2.2.2.2.4 Especificaciones técnicas de los combinadores de mando
Al momento de especificar un combinador de mando, es necesario conocer los
siguientes aspectos técnicos:
Tipo de actuador y naturaleza del interruptor.
Número de posiciones.
Número de contactos asociados a cada posición de maniobra y su
disposición eléctrica.
Corriente y tensión nominal de los contactos y categoría de empleo.
Grado de protección para condiciones ambientales.
2.2.2.3 Interruptores de pie (de pedal)
Son interruptores de control de uno o varios contactos (NA/NC) diseñados para
ser accionados con el pie (ver Figura 19). Se ubican normalmente en el piso y se
conecta a la máquina por medio de un cable con toma de seguridad que impide
desconexiones indeseadas cuando el cable se tensiona.
En su estructura incorporan usualmente una cubierta o guarda metálica en la parte
superior para evitar accionamientos accidentales por parte de operarios o
personas que estén en circulación por el área donde se encuentra ubicado el
interruptor.
69
Figura 19. Mecanismo interruptor de accionamiento con el pie (foot switch).
Fuente: http://www.ledcontrols.com.mx/catalogo.php?linea=26
Para la guarda se utilizan colores que llaman la atención de los operarios. Como
materiales de diseño para las cubiertas, la base y la guarda se usan
frecuentemente materiales termoplásticos moldeados, de alta resistencia a los
golpes.
Desde el punto de vista eléctrico, se construyen interruptores de accionamiento
por pedal de uno o más contactos, abiertos y/o cerrados; ya sea de contacto
momentáneo o de contacto sostenido. En general manejan bajos niveles de
corriente, limitados a un máximo de 10 A y dentro del rango de tensiones
industriales hasta 600 VCA.
La vida útil mecánica y eléctrica se mide en millones de maniobras dentro de
amplios rangos de temperatura ambiente. También es de uso corriente el empleo
de interruptores de doble pedal para ser accionados con los dos pies; con ello se
obliga al operario a tener siempre una posición definida del cuerpo para ejecutar la
maniobra de mando sobre la máquina.
Pueden considerarse también como interruptores de pie algunas variantes de
palanca que son diseñadas para ser actuadas por medio de un movimiento de la
rodilla de los operarios cuando estos deben ejecutar tareas de mando sentados.
70
En general, los interruptores de pie se utilizan cuando se requiere que los
operarios deban ejecutar tareas en las cuales ellos deben tener libertad de
movimiento con las manos, para sujetar o posicionar piezas sobre las cuales se
debe realizar un proceso. Se emplean corrientemente en máquinas de soldadura
de punto, máquinas para costura de telas, en máquinas dobladoras,
estampadoras, troqueladoras, en prensas hidráulicas y muchas otras.
2.2.2.3.1 Especificaciones técnicas de los interruptores de pie
Al momento de especificar un interruptor de pie, es necesario conocer los
siguientes aspectos técnicos:
Forma, dimensiones y tipo de conector.
Número de contactos y su disposición eléctrica.
Corriente y tensión nominal de los contactos y categoría de empleo.
Grado de protección para condiciones ambientales.
2.2.3 Dispositivos de mando digitales de operación automática
Son interruptores de control de uno o varios contactos (NA/NC) accionados por el
cambio que experimenta una variable de proceso. Se conocen también como
transductores, sensores, elementos primarios o detectores. En la actualidad, se
dispone de dispositivos para todas las variables de interés y son bastante
utilizados en las industrias de proceso físico-químico y de manufactura. En su
construcción, algunos de ellos incorporan elementos de indicación luminosa para
definir su condición de estado ON-OFF.
71
Los más usados son:
Presóstatos.
Termóstatos.
Nivóstatos.
Interruptores de flujo (flujóstatos).
Interruptores de velocidad.
Interruptores de posición (Interruptor de fin de carrera o límite).
Higróstatos.
Otros.
2.2.3.1 Presóstatos
Son interruptores de control de uno o varios contactos (NA/NC) que se accionan
en respuesta a un cambio de presión con respecto a un valor de referencia. Se
conocen también como manóstatos o vacuóstatos, si se trata de presiones de
vacío.
Se utilizan en instalaciones comerciales e industriales, como elementos sensores
en sistemas de control para equipos de aire comprimido, sistemas hidráulicos,
presión de vapor de agua en calderas y presión de aceite lubricante y combustible
en motores de combustión interna, entre otros.
También en la detección de cambios extremos de presión (por sobrepresión o
vacío).
De acuerdo con su naturaleza, los presóstatos industriales se fabrican de cuatro
tipos básicos a saber:
72
De Pistón.
De tubo Bourdon.
De Diafragma.
De Fuelle.
En los presóstatos se dispone generalmente de un muelle o resorte cuya fuerza de
acción, ajustable por medio de un tornillo o perilla, está en oposición a la fuerza
que origina el desplazamiento del elemento sensible. Con esta disposición se hace
posible variar, dentro de cierto rango, la presión a la cual se actúa los contactos.
Esta presión se da con referencia a la atmosférica o a una de referencia
específica.
Variaciones de 1 a 5 con respecto a una presión de ajuste mínima son típicas.
También se construyen Presóstatos para operación en modo diferencial, cuyos
contactos se activan a una presión determinada (P1) y se desactivan sólo cuando
la presión se ha reducido a cierto valor (P2) con respecto a la de operación inicial.
El dispositivo dispone de dos mecanismos de ajuste; uno para definir el punto de
presión de control máximo (P1) y el otro para establecer el valor de la banda
diferencial ( ), con lo cual queda definida la presión mínima (P2). La banda
diferencial se expresa usualmente en forma porcentual.
Los Presóstatos que operan de modo diferencial son muy usados en sistemas
compresores de aire, pudiendo operar directamente sobre motores pequeños de
baja corriente nominal. Normalmente su capacidad de conducción de corriente no
sobrepasa los 15 A para tensiones industriales hasta 600 VCA.
Los interruptores de los presóstatos generalmente son de tipo electromecánico,
pero es frecuente encontrar versiones del tipo de ampolleta de mercurio.
73
2.2.3.1.1 Presóstatos de pistón
Los presóstatos de pistón se caracterizan por una vida media larga y
generalmente se diseñan para operar con altas presiones. Para lograr un buen
sellado, el pistón se construye de teflón y en la cámara se dispone de algún tipo
de lubricación para facilitar el desplazamiento del mismo. El resorte de reposición
puede ser fijo o de ajuste variable, lo cual permite al usuario definir la presión de
referencia para la actuación de los contactos.
Figura 20. Presóstato de pistón.
Fuente:http://www.lanasarrate.es/productos/Presi%C3%B3n/presostatos_mecanicos/presostato_m
embrara_piston_de_vacio_y_presion_e1h-3944-4014-4060-1
74
2.2.3.1.2 Presóstatos de tubo Bourdon
En los presóstatos de tubo Bourdon (caracterizados por su gran sensibilidad), se
emplea convencionalmente un tubo de sección plana en forma de arco o de
espiral plana o helicoidal. En este, el movimiento angular del extremo libre es
linealmente proporcional al cambio de presión dentro del tubo. Dicho movimiento
es originado por la diferencia de fuerzas que se presenta en las dos superficies
planas; la externa de mayor área que la interna.
Se fabrican en todos los rangos de presión, incluyendo presiones de vacío. Tiene
la desventaja de que es sensible a golpes y vibraciones, debido a que la masa del
tubo es soportada únicamente en un extremo. El material utilizado para el
elemento sensible es normalmente acero inoxidable, monel, bronce entre otros.
Figura 21. Presóstato de tubo Bourdon.
Fuente: http://www.equitrol.com/presostatos.html
75
2.2.3.1.3 Presóstatos de diafragma
Los presóstatos de diafragma pueden ser metálicos de aleaciones de cobre-
berilio, acero inoxidable, etc.; también a base de caucho o polímeros como teflón,
mylar, etc. En su construcción se emplean formas especiales, que le dan
elasticidad y facilitan la elongación. Los presóstatos de diafragma son a menudo
los más usados en sistemas de baja presión, hasta 150 psi o 200 psi, pero se
fabrican para presiones tan altas como 10000 psi. La exactitud de estos
dispositivos es muy buena.
Mediante el ajuste de la fuerza aplicada sobre un resorte o muelle de reposición,
es posible calibrar el valor de la presión de referencia para la actuación de los
contactos. El diagrama se construye con ondulaciones circulares para facilitar su
elongación.
Figura 22. Presóstato de diafragma.
Fuente: http://www.directindustry.es/prod/dwyer/presostatos-diferenciales-membrana-7228-
714845.html
76
2.2.3.1.4 Presóstatos de fuelle
Los presóstatos de fuelle se caracterizan por su alta sensibilidad, pudiendo
realizar un alto trabajo de salida aún con pequeños cambios de presión, debido
básicamente a la gran área efectiva y forma física que presenta el fuelle. Sin
embargo, presentan baja resistencia a la vibración y su vida media no es muy
elevada. Se construyen para presiones de vacío y altas presiones, hasta unos
3600 psi.
En la fabricación del fuelle se emplea comúnmente el acero inoxidable o una
aleación de cobre – zinc (80/20). Para aplicaciones especiales se usa el bronce
fósforo, cobre – berilio, monel, etc.
Figura 23. Presóstato de fuelle.
Fuente: http://www.directindustry.es/prod/kobold-instrumentation/presostatos-fuelle-8996-
483858.html
2.2.3.1.5 Especificaciones técnicas de los presóstatos
Para la especificación técnica de un presóstato debe definirse:
77
La naturaleza del presóstato, de acuerdo con el tipo de elemento sensible y
la acción de control (simple o diferencial).
El tipo de fluido presurizado sobre el cual va a operar.
La temperatura máxima del fluido.
Presión máxima súbita (Máximum Surge Pressure o Burst pressure).
El tipo de conector y dimensiones para permitir su instalación física.
Rango de ajuste de presión de control y tipo de mecanismo de ajuste (de
tornillo, de perilla).
Tipo de encapsulado, materiales y grado de protección.
Especificaciones eléctricas del interruptor relacionadas con el número de
contactos y su disposición eléctrica, la corriente y tensión nominal de los
contactos y la categoría de empleo.
Existen diferentes unidades para la medida de presión. En la Tabla 1 se presentan
las de uso corriente y se dan sus diferentes factores de conversión.
Tabla 1. Tabla de conversión de unidades de presión.
Fuente: http://www.monografias.com/trabajos11/presi/presi.shtml
78
2.2.3.2 Termóstatos
Son interruptores eléctricos de control de uno o varios contactos (NA/NC) que se
conmutan en respuesta a un cambio de temperatura con respecto a un valor de
referencia.
Se utilizan en instalaciones domésticas, industriales, edificios comerciales, como
elementos sensores para sistemas de control de temperatura en refrigeradores y
congeladores, calderas, hornos y calentadores, equipos electrodomésticos y de
aire acondicionado, y protección contra sobre-temperatura para dispositivos
eléctricos (motores, generadores) y electrónicos (semiconductores de potencia),
entre otros. También se utilizan en sistemas de alarma o pre-alarma para señalar
temperaturas máximas o mínimas.
Según el principio de funcionamiento, asociado a su elemento sensible, se
clasifican como:
De bimetálico
De sistema lleno
De expansión o dilatación lineal
De termistor
Otros
Las características más importantes en estos dispositivos son:
Campo de medida: Define el rango de valores de temperatura para el cual
opera el dispositivo.
Sensibilidad: Indica el cambio mínimo de temperatura necesaria para que
actúen los contactos del interruptor (banda diferencial muerta).
79
Velocidad de respuesta: Asociada con el tiempo desde el instante en que
se origina el cambio de temperatura que es conducente a la actuación y el
instante para el cual se operan los contactos del interruptor.
En los termóstatos, generalmente la capacidad de conducción de corriente de los
contactos del interruptor no sobrepasa los 15 A, dentro de un rango de tensiones
nominales hasta 600 V. En general, los termóstatos se diseñan para operar a una
temperatura de control fija, pero en algunos casos se dispone de un muelle o
resorte cuya fuerza de acción es ajustable, pudiéndose efectuar cambios dentro
de ciertos valores. Son típicas, variaciones de hasta 1:10 con respecto a la
temperatura mínima de control. Igual que se hace para los presóstatos, también se
fabrican termostatos de tipo diferencial, con un comportamiento similar en el cual
se define una temperatura de control y una banda diferencial ajustables.
2.2.3.2.1 Termóstato bimetálico
Se construyen generalmente utilizando aleaciones de hierro-níquel, laminadas en
frío o en caliente, que presentan diferentes coeficientes de dilatación térmica. En
algunos se construyen con dos metales diferentes. El calentamiento del bimetálico
origina una alteración de sus dimensiones en virtud de la diferencia de coeficientes
de dilatación térmica de los materiales con los cuales se ha construido. Este
fenómeno se aprovecha para operar los contactos del interruptor (ver Figura 24).
Los termóstatos de bimetálico son usados con mucha frecuencia en
electrodomésticos (calentadores de agua, ollas, freidoras, planchas, secadores,
etc.). Industrialmente se instalan en equipos intercambiadores de calor como
radiadores y disipadores de calor para dispositivos semiconductores electrónicos
de potencia.
80
El rango típico de temperatura para el cual se aplican los termóstatos bimetálicos
es de -40ºC a +800ºC; la banda diferencial es de unos 5ºC o mayor y su velocidad
de respuesta es relativamente baja.
Figura 24. Termóstato bimetálico y simbología.
Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Termostato
2.2.3.2.2 Termóstato de sistema lleno
Consta de un bulbo (elemento sensible), un tubo capilar y un elemento actuador
que puede ser un fuelle, diafragma o tubo Bourdon. Se trata de un sistema cerrado
y lleno al interior con un fluido (líquido o gas, freón, mercurio, etc.) que se contrae
o expande por efecto de los cambios de temperatura. Dicha expansión genera una
fuerza sobre el elemento actuador, permitiendo que este accione los contactos de
un interruptor (ver Figura 25).
Debido a que el tubo capilar y fuelle, diafragma o tubo Bourdon contienen
apreciable volumen del fluido, los cambios de temperatura ambiente, a lo largo del
capilar, pueden introducir error. Interponiendo un elemento sensible, no activo,
81
entre el fuelle y el mecanismo que opera, es posible efectuar la compensación por
los cambios de temperatura ambiente.
Los termóstatos de sistema lleno son de aplicación general, tanto para líquidos
como para sólidos. La velocidad de respuesta es alta y su banda diferencial es de
5ºC a 10ºC; En los líquidos, el rango de aplicación se encuentra entre -70ºC a
+250ºC; y en los de gas, entre -250ºC a +800ºC. Por lo demás, el sistema de
bulbo puede sumergirse fácilmente en líquidos o introducirse en orificios
especiales denominados pozos. El bulbo se construye de acero inoxidable, cobre,
bronce y otras aleaciones.
Los termóstatos de sistema lleno se usan inmersos en instalaciones de tanques y
tuberías tanto para líquidos como para gases, lo mismo que en hornos o sistemas
de refrigeración.
Figura 25. Termóstato de sistema lleno.
Fuente: http://www.hogartintorero.com/Recambios/G_GENERICOS/G13_TERMOSTATOS.htm
82
2.2.3.2.3 Termóstato de expansión o dilatación lineal
Se construyen termóstatos de expansión lineal del tipo de Ampolleta de mercurio
(ver Figura 26), el cual opera bajo el principio de la expansión que experimenta un
fluido cuando es sometido a un cambio de temperatura. Está conformado por dos
o tres electrodos encapsulados en un recipiente de vidrio al vacío que contiene
mercurio. Estos presentan bandas diferenciales muy pequeñas (inferiores a
0.09ºC) con rangos de aplicación desde 0ºC a +100ºC.
Otra versión es el tipo de dilatación lineal denominado de Hilo caliente (hot wire),
el cual opera bajo el principio de la dilatación que experimenta una cinta o hilo
metálico cuando es sometido a un cambio de temperatura. Sus características son
similares a las que presentan los termóstatos de bimetálico y su construcción es
abierta y de bajo costo.
Los termóstatos de hilo caliente son poco usados y su uso se restringe a circuitos
de protección y alarma contra alta temperatura en sistemas de refrigeración de
motores de combustión interna tipo Diésel.
Figura 26. Termóstato de ampolleta de mercurio.
Fuente: http://periodictable.com/Items/080.32/index.html
83
2.2.3.2.4 Termistores
Los termistores no son propiamente termóstatos puesto que no disponen de
contactos de interruptor. Sin embargo, debido a sus características de alta
variación de resistencia con la temperatura, y convenientemente procesada su
salida por medios eléctricos o electrónicos, es posible utilizarlos en interesantes
aplicaciones, particularmente para proteger los bobinados de las máquinas
eléctricas contra sobre calentamiento.
Estos dispositivos se construyen en formas muy diversas que asemejan varillas,
tornillos, agujas, discos, arandelas, etc. Son precisamente estas formas las que
facilitan la acomodación de los elementos al ser instalados en sitios de difícil
acceso y de espacio muy reducido como son las ranuras del núcleo donde se
alojan los bobinados de los motores y generadores. Se construyen a partir de
semiconductores de óxidos metálicos con los cuales se logran una variación de la
resistencia con la temperatura en forma exponencial creciente (PTC) o decreciente
(NTC) como se muestra en la Figura 27.
Los denominados NTC (Coeficiente Negativo de Temperatura) son de gran
sensibilidad ante los cambios de temperatura y presentan relaciones de cambio
hasta de 100:1 dentro del rango típico de utilización que es de –50ºC a +300ºC.
La resistencia Ro representa el valor óhmico a una temperatura de referencia que
normalmente es 0ºC o en algunos casos 25ºC. Los valores típicos para Ro están
comprendidos entre 10 KΩ y 100KΩ.
84
Figura 27. Curvas de variación de resistencia por efecto de la temperatura.
Los termistores se usan en sistema de refrigeración, aire acondicionado y
calentadores de baja temperatura. Para el caso de su utilización en motores, se
operan a temperaturas que oscilan entre 20ºC y 160ºC, que corresponde a las
temperaturas medias extremas a las que normalmente se someten los devanados
de un motor.
De igual manera es posible utilizar termistores de tipo PTC (Coeficiente Positivo
de Temperatura). En general, éstos presentan características y aspectos
constructivos similares a los NTC. Sin embargo, no tienen la gran sensibilidad ni el
elevado coeficiente de temperatura que presentan los NTC.
Como características generales de los termistores se pueden anotar las
siguientes:
Alta sensibilidad.
Buena estabilidad.
Alta velocidad de respuesta.
Fácil instalación.
Bajo costo.
Para el proceso de medición y control se recurre generalmente al empleo de un
divisor de tensión resistivo, con el propósito de traducir las variaciones de
85
resistencia por cambios de temperatura a una señal de voltaje que puede ser
fácilmente comparada y que procesada electrónicamente sirve para generar
acción de control y la protección que se tiene prevista con el dispositivo.
2.2.3.2.5 Especificaciones técnicas de los termóstatos
Es importante anotar que no debe confundirse un termóstato con un relé térmico.
Existen notables diferencias entre ellos. Para la especificación técnica de un
termóstato debe definirse:
Tipo de termóstato según su naturaleza, indicando si es simple o
diferencial.
Naturaleza o tipo, según el elemento sensible.
Temperatura máxima sobre el elemento sensible.
Temperatura de control y/o rango de ajuste, y banda diferencial si se trata
de un termóstato de tipo diferencial.
Tipo de fluido o material que estará en contacto con el elemento sensible.
Tipo de conector o mecanismo de fijación usado para el montaje del
dispositivo.
Tipo de encapsulado y dimensiones físicas.
Especificaciones eléctricas para los contactos del interruptor. Ello implica
definir la corriente nominal o asignada por los contactos, el voltaje nominal
o asignado, la categoría de empleo, el número y disposición eléctrica de los
contactos y el aislamiento eléctrico de la carcasa o cubierta (grado de
protección).
Dimensiones físicas.
Es importante también, tener en cuenta la sensibilidad y la máxima temperatura
ambiente y condiciones ambientales.
86
Para los termóstatos de sistema lleno es de uso corriente dar información sobre el
material y las dimensiones del bulbo (acero inoxidable, bronce, etc.) y la longitud
del capilar, y para el actuador final indicarse si se trata de fuelle, de diafragma o de
tubo Bourdon.
Para los termóstatos de bimetálico se indican las dimensiones físicas y el grado de
aislamiento a la cubierta.
2.2.3.3 Nivóstatos
Son interruptores de control de uno o varios contactos (NA/NC) accionados por el
cambio de nivel que experimenta un líquido (o sólido) que se encuentra
almacenado en un tanque o recipiente.
Permiten el control de nivel de líquidos y sólidos en recipientes de
almacenamiento, se pueden usar como detectores de lleno o vacío, como
elementos de protección contra derrames o disminución de niveles asociados con
valores de reserva, protección contra marcha en seco para bombas de llenado,
para el control de volumen o peso de sustancias que deben ser depositadas en
recipientes, como botellas o contenedores, entre otros.
En los sistemas de nivel, la acción de control se hace normalmente sobre válvulas
de admisión o escape, motores eléctricos o dispositivos de señalización de
alarmas.
Existen muchos tipos de nivóstatos, los más comunes son:
De flotador.
De electrodo.
87
Fotoeléctricos.
De vibración.
De radiación.
Para líquidos con grandes niveles se pueden usar tan bien presóstatos como
sensores de nivel, teniendo presente que una columna de líquido presenta una
cabeza de presión la cual puede ser detectada por el presóstato.
Esta es una alternativa que se usa con alguna frecuencia en tanques de
almacenamiento de combustible.
Con líquidos que están a mayor temperatura que la ambiental u otra referencia, se
pueden usar termóstatos para detectar el cambio de nivel. El termóstato actúa sus
contactos cuando el elemento sensible se pone en contacto con el fluido caliente.
Su aplicación es restringida dada la baja velocidad de respuesta y los retardos que
se originan en la acción de control. Sin embargo, es una posibilidad que no debe
descartarse y puede resultar económica y de fácil instalación.
Desde el punto de vista eléctrico, la capacidad de conducción de corriente de los
nivóstatos no sobrepasa los 15A a tensiones nominales industriales; por lo cual
solo pueden aplicarse a circuitos de control o al gobierno de pequeños motores
(generalmente bombas pequeñas).
2.2.3.3.1 Nivóstatos de flotador
Los nivóstatos de flotador son de tipo mecánico y su desplazamiento puede ser
angular o vertical (ver Figura 28). La forma típica del flotador es cilíndrica o
esférica y se construyen de polipropileno, hypalon, plástico, corcho, aluminio,
88
latón, acero inoxidable, etc. Los nivóstatos de desplazamiento angular se emplean
para cambios pequeños de nivel; los de desplazamientos vertical, para cambios
grandes superiores a 0.5 m en tanques cerrados o abiertos.
Algunos interruptores denominados de flotador boyante se fabrican de acero
inoxidable o galvanizado, requiriéndose para su funcionamiento de un contra peso
de equilibrio haciendo que un brazo que pivota se desplace y accione los
contactos del interruptor. Se usa para el control de nivel de líquidos que presentan
agitación en la superficie ya que responden al valor medio del nivel, en lugar del
valor instantáneo. El empleo de interruptores con contactos de ampolleta de
mercurio, en la construcción de nivóstatos de flotador es de uso frecuente.
Figura 28. Nivóstato de flotador y simbología.
Fuente: http://www.suner.es/buscar.php?b=catalogo&idmarca=1673&marca=SAUTER
89
2.2.3.3.2 Nivóstatos de electrodo
Los nivóstatos de electrodo o de conductividad están conformados por una
varilla metálica (de cobre, bronce, acero inoxidable, Hastelloy, Titanio etc.)
colocada dentro del tanque al nivel de control.
Un segundo electrodo, o el mismo tanque si es metálico, permite cerrar el circuito
eléctrico cuando el nivel del líquido alcanza el primer electrodo (ver Figura 29).
Este sistema tiene la desventaja de que únicamente opera con líquidos
conductores o medianamente conductores, si se emplea un dispositivo
amplificador intermedio.
Se usan en tanques con soluciones químicas, algunos alimentos y bebidas y aún
con agua corriente del grifo.
No es recomendable su empleo con líquidos combustibles, ya que siendo buenos
aisladores, pueden presentar cierta conductividad por contaminación o humedad,
originando un incendio o explosión debido a las chispas que se presentan cuando
el combustible entra en contacto con el electrodo.
La ventaja de poder desplazar fácilmente el electrodo a cualquier nivel y el hecho
de ser un dispositivo de bajo costo, son las razones por las cuales su empleo es
muy extendido.
La limpieza del electrodo es una rutina que debe tenerse con ciertos líquidos, ya
que los sedimentos o placas que se adhieren al mismo, pueden afectar el punto de
control.
90
Se construyen también en modo diferencial con dos electrodos de diferente
longitud, lo cual define una diferencia en niveles para operar entre un nivel máximo
y mínimo.
Figura 29. Nivóstato de electrodo.
Fuente: http://www.directindustry.es/prod/acs-control-system-gmbh/interruptores-nivel-conductivos-
electrodos-multiplos-37041-384964.html
2.2.3.3.3 Nivóstatos fotoeléctricos
Con los nivóstatos de tipo fotoeléctricos no hay restricción en la diferencia de
nivel que se desee controlar y su aplicabilidad cubre cualquier tipo de líquidos
oscuros o claros. Son los más elegibles para el control de nivel de sólidos en silos
y tolvas de molinos, y en tanques de gran tamaño.
El principio de funcionamiento es muy sencillo. Una lámpara (LED) emite un rayo
de luz visible o infrarrojo, el cual al ser interrumpido por el líquido en virtud de un
cambio de nivel con respecto a un valor de referencia, produce una señal que
activa los contactos de salida (NO/NC, usualmente) de un dispositivo denominado
relé fotoeléctrico (ver Figura 30).
91
A pesar de su mayor costo, el nivóstato fotoeléctrico es muy utilizado ya que
puede adaptarse fácilmente para instalación en puntos donde otros nivóstatos son
difíciles de instalar.
Figura 30. Nivóstato fotoeléctrico.
Fuente: http://www.nauticexpo.es/prod/gems-sensors/sensores-nivel-tanque-buque-electro-optico-
32816-337466.html
2.2.3.3.4 Nivóstatos de vibración
Los nivóstatos de vibración se usan para control de nivel de líquidos y sólidos en
tanques, silos y tolvas. En el caso de los sólidos, éstos deben ser granulados o en
polvo tales como cereales, harinas, materiales plásticos, arena, etc.
El elemento sensible se construye con una paleta rígida de forma plana o en
herradura, cuyo material es Hastelloy o acero inoxidable, la cual está en vibración
permanente a una frecuencia determinada, que cambia cuando el fluido se pone
en contacto con la paleta (ver Figura 31). Este cambio es detectado por un circuito
electrónico conversor de frecuencia a voltaje que actúa sobre un pequeño relé
cuyos contactos inician la acción de control.
92
Su construcción robusta y compacta, con un mínimo de piezas y su fácil
instalación al nivel deseado hacen que el uso se haya extendido notoriamente, en
particular para sólidos. Otras versiones constructivas de nivóstatos que no son de
uso generalizado se encuentran disponibles para aplicaciones particulares.
Figura 31. Nivóstato de vibración.
Fuente: http://www.directindustry.es/prod/endress-hauser/interruptores-nivel-vibratorios-liquidos-
4726-1095811.html
El denominado interruptor de flotador del tipo reed switch se usa para el control o
indicación de grandes niveles, especialmente en tanques de almacenamiento de
agua y en represas.
Estos incorporan un flotador que lleva un imán permanente, el cual va actuando a
diferentes niveles los contactos de los diferentes interruptores tipo reed que se
encuentran al interior de un tubo plástico sumergido, a lo largo del cual se
desplaza externamente el flotador que lleva el imán.
2.2.3.3.5 Nivóstatos de membrana
Es un detector para el control de nivel, que se puede utilizar para indicar estados
llenos y vacíos con sólidos granulados o en polvo. Este dispositivo usa un
interruptor que es accionado por una membrana, la cual debe estar expuesta al
material a controlar (ver Figura 32). A medida que el material entra en el silo se
93
amontona y cubre la membrana, la presión que se ejerce sobre ella la obliga a
retroceder presionando el mecanismo que acciona el interruptor. Este tipo de
nivóstato sirve para la puesta en marcha o paro asociado a los mecanismos de
carga y descarga en silos y recipientes; también puede ser utilizado para generar
señales visuales o acústicas de alarma o supervisión. El material de la membrana
puede ser neopreno, FPM o acero Inoxidable. Estos dispositivos son de naturaleza
electromecánica y su accionar es más parecido al de un interruptor límite que al de
un interruptor de nivel.
Figura 32. Nivóstatos de membrana.
Fuente: http://www.dwyer-inst.com/Product/Level/LevelSwitches/Diaphragm/Ultra-Mag-
Algunas aplicaciones de los nivóstatos son:
Permiten el control de nivel de líquidos y sólidos en recipientes de
almacenamiento.
Se pueden usar como detectores de lleno o vacío.
Como elementos de protección contra derrames o disminución de niveles
asociados con valores de reserva.
Protección contra marcha en seco para bombas de llenado.
Para el control de volumen o peso de sustancias que deben ser
depositadas en recipientes, como botellas o contenedores.
94
2.2.3.3.6 Especificaciones técnicas de los nivóstatos
Para la especificación de un nivóstato se debe considerar lo siguiente:
Tipo de nivóstato según su naturaleza.
Nivel de control de referencia o rango de ajuste.
Clase de líquido o sólido a controlar y su temperatura.
Número de contactos y su disposición eléctrica.
Corriente nominal o asignada de los contactos, voltaje nominal y categoría
de empleo.
Especificaciones de tensión de alimentación y tipo de corriente, si el
dispositivo elegido lo requiere.
Forma física, dimensiones, grado de protección y tipo de conexión.
2.2.3.4 Interruptores de flujo
Son interruptores de control de uno o varios contactos (NA/NC) accionados por el
paso de un fluido (líquido o gas: aire, agua, combustible, vapor, etc.) que circula
por un ducto o tubería. Para su actuación se requiere que el fluido este en
movimiento y que su velocidad sobrepase cierto valor de umbral.
Como cualquier interruptor de accionamiento automático, está constituido por un
elemento sensible y un interruptor de uno o varios contactos cuyo mecanismo de
actuación responde a las variaciones de flujo por efecto de un cambio en la
velocidad del fluido, o por la fuerza que ejerce un fluido en movimiento sobre la
superficie de una pequeña placa posicionada de manera que quede sometida a la
corriente del mismo.
95
Se construyen diferentes tipos de flujóstatos (ver Figura 33). Los hay
electromagnéticos, de turbina (acoplados a un tacogenerador o a un generador de
pulsos; ya sea foto eléctrico, electromecánico, magnético o electromagnético), o
de placa móvil (Vane Operated Flow Switch), entre otros.
Figura 33. Flujóstato de aleta móvil y electromagnético.
Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Sensor_de_flujo
Puede aplicarse también para el elemento sensible el principio que establece la
relación física entre presión y caudal o flujo cuando se instala en la tubería una
placa de orificio o se pone una restricción al paso del fluido.
Sus usos se extienden en sistemas de lubricación y enfriamiento para garantizar
que el fluido lubricante o refrigerante está en movimiento y que la bomba opera
normalmente; en sistemas de aire acondicionado para verificar su condición de
funcionamiento; para garantizar la condición del pre-barrido de los gases producto
de la combustión al interior del “hogar” de una caldera, durante el proceso de
limpieza o prebarrido para facilitar el reencendido. En general, para control de flujo
mínimo o máximo o de un valor de referencia determinado.
Los mecanismos de turbina o electromagnéticos proporcionan señales análogas o
digitales de velocidad que deben ser procesadas eléctricamente para convertirlas
96
en señales relacionadas directamente con el flujo y luego en una salida de
interruptor con contactos abiertos y/o cerrados.
En la Figura 34 se ilustra un sensor de flujo que actúa el interruptor por la
deflexión que experimenta la placa cuando ésta se somete a la fuerza que sobre
una placa de área A ejerce el fluido que va por el ducto. La placa tiene un área
relativamente pequeña en comparación con la del ducto, de ahí que no produce
turbulencia significativa al paso del fluido.
La deflexión de la placa se transmite al vástago del interruptor y lo acciona
generando de esta manera la acción de control.
Figura 34. Flujóstato de placa o aleta móvil
Algunas de las aplicaciones de los flujóstatos son:
En sistemas de lubricación y enfriamiento para garantizar que el fluido
lubricante o refrigerante está en movimiento y que la bomba opera
normalmente.
En sistemas de aire acondicionado para verificar su condición de
funcionamiento.
97
Para garantizar la condición del pre-barrido de los gases producto de la
combustión al interior del “hogar” de una caldera, durante el proceso de
limpieza para facilitar el reencendido.
En general, para control de flujo mínimo o máximo o de un valor de
referencia determinado.
2.2.3.4.1 Especificaciones técnicas de los flujóstatos
Para especificar un flujóstato debe indicarse:
Tipo de flujóstato, según la naturaleza del elemento sensible.
Tipo de fluido.
Presión y temperatura máxima del fluido al interior del ducto que lo
transporta.
Dimensiones y tipo de conector requerido para el montaje; incluido el
diámetro, para permitir su conexión al ducto o tubería.
Flujo máximo admisible y flujo de actuación; así como posibilidades de
ajuste dentro de un rango.
Especificación de la corriente asignada del interruptor, voltaje nominal,
categoría de empleo y número de contactos con su disposición eléctrica.
Tipo de alimentación (voltaje, tipo de corriente y consumo), si es requerido
por el dispositivo.
2.2.3.5 Interruptores de velocidad
Son interruptores de control de uno o varios contactos (NA/NC) que responden al
cambio de velocidad que experimenta una pieza en movimiento, el eje de un motor
o de cualquier otro dispositivo que pueda girar; estos últimos se conocen también
98
como interruptores de velocidad angular (Speed Switch). Se dispone también de
interruptores para sensar velocidad lineal. Todos ellos son actuados únicamente
por la magnitud de la velocidad y no por el hecho de que gire el eje, o se desplace
un objeto o material.
Estos dispositivos se emplean generalmente para protección de motores contra
sobre velocidad (embalamiento); para desconectar el devanado auxiliar o de
arranque en los motores de inducción monofásicos de dos bobinados; para
desconectar el motor a tiempo en caso de frenado eléctrico por contracorriente
justo antes de que el motor llegue al reposo, evitando el arranque en sentido
contrario; en motores eléctricos para generación de alarmas y desconexión del
motor ante situaciones de sobre-velocidad o embalamiento; para detección de
correas o acoplamientos rotos; en alternadores para el control de su velocidad,
con el propósito de impedir desviaciones de la frecuencia asociadas a la onda de
tensión que produce el generador; para el control de velocidad en bandas
transportadoras y enrolladoras; para detección de velocidades mínimas o máximas
asociadas a motores o vehículos en movimiento; y para producir impulsos de
control que, procesados convenientemente, proporcionan una señal de velocidad
para indicación, registro, alarma, etc.
Existen varios tipos entre los cuales podemos destacar los siguientes:
Electromecánicos
o De levas
o Centrífugos
Magnéticos
o De lengüeta o Reed Switch
99
Electromagnéticos
o De tacogenerador
o Inductivos
Fotoeléctricos
o De vano con disco ranurado
Figura 35. Tipos de interruptores de velocidad tipo industrial.
Fuente: http://www.directindustry.com/prod/frank-w-murphy-ltd/rotational-speed-sensors-12515-
548019.html
2.2.3.5.1 Interruptor de velocidad electromecánico de leva
En los interruptores de velocidad electromecánicos de levas (ver Figura 36),
una leva acoplada al eje del motor actúa sobre los contactos de un interruptor,
produciendo un tren de impulsos eléctricos que procesados por medios eléctricos
o electrónicos pueden iniciar una acción de control.
100
Figura 36. Interruptor de velocidad electromecánico de leva.
2.2.3.5.2 Interruptor de velocidad electromecánico centrífugo
El denominado interruptor de velocidad electromecánico centrífugo es
actuado únicamente por la magnitud de la velocidad y no simplemente por el
hecho de que gire el eje.
Consiste en cuatro contrapesos colocados sobre dos varillas móviles pivoteadas
sobre un eje en movimiento, el cual por efecto de la fuerza centrífuga produce el
desplazamiento de un vástago que acciona un microinterruptor de palanca o
pistón con el cual puede iniciarse una acción de control (ver Figura 37). Los pesos
son reposicionados por la acción de un resorte en forma de espiral cuando el
mecanismo se detiene o la velocidad de giro se hace inferior a la definida por el
punto de control. Con ello el interruptor queda en la posición de reposo inicial.
Para giro en ambas
direcciones
101
Figura 37. Interruptor de velocidad electromecánico centrífugo.
Los interruptores centrífugos se emplean para velocidades por debajo de 10000
R.P.M. Algunos disponen de un mecanismo de ajuste que permite modificar la
posición de los pesos o la fuerza de reacción del resorte que va montado sobre el
eje. Los rangos típicos de ajuste son amplios y en la práctica son disponibles
desde 200 a 1300 R.P.M (baja velocidad) y desde 1300 a 7000 R.P.M (alta
velocidad). Estas velocidades se encuentran dentro del rango típico de velocidad
asociado a los motores eléctricos y a los de combustión interna
2.2.3.5.3 Interruptor de velocidad magnético tipo “Reed Switch”
Los interruptores de velocidad magnético tipo Reed Switch (de vano o ranura)
incorporan un imán permanentemente que acciona los contactos de un interruptor
102
de lengüeta de material magnético que se encuentra enfrentado a dicho imán,
separado por una ranura (ver Figura 38). El paso de una aspa magnética en
movimiento giratorio por la ranura, reduce el flujo magnético que mantiene el
contacto del interruptor cerrado, haciendo que este se abra, generando una acción
de control relacionada con un tren de pulsos.
Figura 38. Interruptor de velocidad magnético tipo Reed Switch.
2.2.3.5.4 Interruptor de velocidad electromagnético tipo tacogenerador
En los interruptores de velocidad electromagnéticos del tipo de
tacogenerador, un pequeño generador de CA o CD es acoplado al eje del motor
al cual se le desea medir o registrar la velocidad.
A los bornes del generador se conecta directamente un relé de control, el cual
opera cuando la tensión alcanza un valor determinado relacionado directamente
con la velocidad. Estos dispositivos se construyen para velocidades hasta 3600
R.P.M. Para el interruptor que utiliza generador de corriente directa o alterna,
accionado por un motor que gira a una velocidad determinada, el relé
electromagnético acoplado al mismo se acciona cuando la velocidad supera un
valor mínimo de referencia, que define la tensión de enganche del relé (ver Figura
103
39). Ajustando la tensión del resorte asociado a la armadura del relé, es posible
establecer diferentes velocidades de actuación para el interruptor.
Como el generador produce un tren de pulsos que son proporcionales a la
velocidad, se requiere el empleo de un circuito electrónico que incorpore un
convertidor de frecuencia a voltaje, un comparador y un amplificador que accione
sobre el relé electromagnético que aporta los contactos utilizados para realizar la
acción de control. (Ver Figura 40).
Figura 39. Interruptor de velocidad electromagnético del tipo de tacogenerador.
Figura 40. Circuito electrónico para interruptor de velocidad que genera un tren de
pulsos.
104
2.2.3.5.5 Interruptor de velocidad electromagnético inductivo
El interruptor de velocidad electromagnético inductivo genera un voltaje en los
terminales de una bobina devanada sobre un imán permanente. Al girar un disco
ranurado de hierro o un piñón del mismo material, se altera la reluctancia del
circuito magnético y modifica el flujo magnético que atraviesa la bobina,
induciéndose en ésta una fuerza electromotriz en los terminales de la misma (ver
Figura 41). La tensión de salida (Vw) es un tren de pulsos cuya frecuencia está
relacionada con la velocidad (ω) del disco giratorio.
Esta señal se procesa en una unidad de tipo electrónico como la indicada en la
Figura 40 y su salida de contacto seco se emplea para iniciar una acción de
control.
Figura 41. Interruptor de velocidad electromagnético inductivo.
105
2.2.3.5.6 Interruptor de velocidad fotoeléctrico
En los interruptores de velocidad fotoeléctricos, usados para altas velocidades,
un disco ranurado acoplado al eje del sistema móvil produce un tren de impulsos
luminosos cuando dicho disco permite el paso de la luz emitida por una lámpara
de estado sólido (LED) hacia un sensor de vano o ranura (ver Figura 42). La salida
de este dispositivo es un tren de pulsos eléctricos que se procesa en una unidad
tipo electrónico y se emplea para iniciar una acción de indicación o de control.
Son bastantes utilizados los acoples fotoeléctricos por infrarrojos donde se
incorpora un LED y un fotodiodo o fototransistor. La luz infrarroja permite operar el
sistema sin la perturbación de la luz visible.
Figura 42. Interruptor de velocidad fotoeléctrico de disco ranurado.
Fuente: http://www.maxigard.com/sensor_technology.htm
Algunas aplicaciones de los interruptores de velocidad son:
En motores eléctricos para generación de alarmas y desconexión del motor
ante situaciones de sobrevelocidad o embalamiento.
En alternadores para el control de su velocidad, con el propósito de impedir
desviaciones de la frecuencia asociadas a la onda de tensión que produce
el generador.
Control de velocidad en bandas transportadoras y enrolladoras.
106
Detección de velocidades mínimas o máximas asociadas a motores o
vehículos en movimiento.
Detección de correas o acoplamientos rotos.
2.2.3.5.7 Especificaciones técnicas de los interruptores de velocidad
Para especificar un interruptor de velocidad (Speed Switch) debe indicarse:
Tipo de interruptor según su naturaleza.
Velocidad de conmutación y rango de ajuste.
Sentido de rotación y tipo de acople.
Velocidad máxima.
Tamaño físico, tipo de acople y grado de protección.
Especificaciones eléctricas relacionadas con: número de contactos y su
disposición eléctrica, corriente y tensión nominal de los contactos, categoría
de empleo y tensión de alimentación y tipo de corriente si el dispositivo lo
requiere.
2.2.3.6 Interruptores de posición (interruptores límite)
Son interruptores de control de uno o varios contactos (NA/NC) accionados por el
cambio de posición que experimenta una pieza u objeto en movimiento. Pueden
ser accionados por topes, levas, platinas, la interrupción de un rayo luminoso, etc.
En algunos, su actuación se logra por la simple aproximación de un objeto en
movimiento a un punto de referencia sin que sea necesario el contacto físico.
Estos se conocen también con el nombre de interruptores de proximidad.
107
Estos dispositivos son ampliamente utilizados en sistemas eléctricos de operación
automática. Se emplean en puertas automáticas, cerraduras de seguridad,
máquinas-herramienta, sistemas de alarma, contadores de objetos, detectores de
proximidad, detectores de piezas defectuosas, equipos de soldadura, máquinas
dobladoras, cortadoras, selladoras, estampadoras, etc.
Dentro de su aplicabilidad cumplen funciones muy importantes, como puesta en
marcha o detención del motor o la pieza móvil al final o durante su recorrido
(puertas de garaje, de acceso, de ascensores, etc.); dar indicación de avance o
retroceso; detección de piezas defectuosas; conteo de objetos; generación de
alarmas por contacto o proximidad; para generación ordenes de corte, doblaje,
estampado, sellado, impresión; entre otras.
Los fabricantes los suministran en formas y tamaños muy diversos, siendo
bastante comunes los denominados microinterruptores provistos de vástago,
palanca con rodillo o varilla móvil.
En las Figura 43, Figura 44 y Figura 45 se ilustran diferentes dispositivos que se
utilizan en la industria.
Figura 43. Mecanismo de palanca con rodillo giratorio.
Fuente: http://sensoresdeproximidad.blogspot.com/p/sensor-fin-de-carrera-el-final-de.html
108
Figura 44. Interruptor límite de varilla y simbología.
Figura 45. Interruptores límite de vano o ranura tipo fotoeléctrico.
En principio se trata de dispositivos de naturaleza electromecánica diseñados para
ser accionados con piezas de formas muy diversas. Los de uso corriente en la
industria se muestran en la Figura 46. Entre ellos están los de:
109
Varilla: se usan generalmente para conteo de objetos.
Vástago o palanca: detectan la posición de la pieza móvil y generan
además detención, como por ejemplo la desconexión del motor que acciona
una puerta cuando ésta llega al final del recorrido.
Vano o ranura: son de tipo magnético o fotoeléctrico (similares a los
usados en interruptores de velocidad). Dan indicación de avance o
retroceso; sirven para la detección de piezas defectuosas; puesta en
servicio de una máquina durante cierto tiempo, como es el caso de juegos
mecánicos, máquinas dispensadoras de cigarrillos o teléfonos que se
ponen en servicio con monedas, etc.
Figura 46. Interruptores límite de naturaleza electromecánica.
Fuente: http://www.applegate.co.uk/b2b-products-services/rs-components-ltd/ip66-limit-switch-
wside/GLCB01A4J-4482.html
Algunas aplicaciones de los interruptores de posición son:
Puesta en marcha ó detención del motor ó la pieza móvil al final ó durante
su recorrido (puertas de garaje, de acceso, de ascensores, etc).
110
Dar indicación de avance ó retroceso.
Detección de piezas defectuosas.
Conteo de objetos
Generación de alarmas por contacto o proximidad.
Para generación ordenes de corte, doblaje, estampado, sellado e
impresión, entre otras.
2.2.3.6.1 Especificaciones técnicas de los interruptores de posición
Para la especificación de un interruptor límite se requiere definir:
Tipo o naturaleza del interruptor.
Ángulo de ataque de la pieza móvil.
Velocidad máxima de conmutación (conteo rápido o lento).
Fuerza máxima de impacto sobre el actuador del interruptor.
Dimensiones físicas, forma de instalación y grado de protección (se
requiere conocer aspectos físicos de la máquina sobre la cual se va a
instalar).
Aspectos relacionados con la parte eléctrica del interruptor como son: la
corriente y tensión nominal o asignada para los contactos, la categoría de
empleo, el número de contactos y su disposición eléctrica, el voltaje de
alimentación y el tipo de corriente si lo requiere.
2.2.3.6.2 Interruptores límite de proximidad
Estos dispositivos de actuación sin contacto físico tienen interesantes aplicaciones
en la industria de alimentos, la inspección de piezas defectuosas, la detección de
111
intrusos a áreas restringidas, el conteo de objetos y el control de nivel en procesos
de llenado y vaciado de líquidos y materiales sólidos (ya sea materia prima o
residuos) en recipientes o tanques.
Se construyen de varios tipos, entre ellos:
Inductivos.
Capacitivos
Ultrasónicos.
Fotoeléctricos.
2.2.3.6.3 Interruptores límite de proximidad inductivos
Los detectores inductivos (ver Figura 47) son bastante utilizados para sensar la
presencia o ausencia de materiales ferromagnéticos a pequeñas distancias no
mayores de 10 cm.
Por su tamaño reducido ocupan poco espacio y pueden instalarse sin dificultad.
Se utilizan en circuitos que generan un campo electromagnético de alta
frecuencia, el cual al ser perturbado produce una salida relacionada con un
cambio de frecuencia asociado con un circuito LC conectado a un oscilador. Esta
debe procesarse electrónicamente para su utilización en forma conveniente.
Requieren conectarse a una fuente de alimentación que puede ser de CA o de CD
según el modelo considerado.
112
Figura 47. Interruptores de proximidad inductivos.
Fuente: http://www.gentixs.com/marcas/siemens_sensores_inductivo.html
En la Figura 48 se ilustra las partes componentes básicas del interruptor inductivo
por medio de un diagrama de bloques.
Figura 48. Diagrama de bloques típico de un interruptor de proximidad inductivo.
Fuente: http://www.dte.uvigo.es/recursos/inductivos/INDUCTIVOS/funcionamiento/constitucion.htm
2.2.3.6.4 Interruptores límite de proximidad capacitivos
Los detectores capacitivos (ver Figura 49) actúan generalmente sobre un circuito
eléctrico RC o LC cuya salida se produce ante el cambio que experimenta la
capacidad del dispositivo cuando está próximo a materiales conductores o no;
conductores que pueden ser sólidos, líquidos o en polvo como plástico, madera,
aceite, agua, cerámica, papel, vidrio, entre otros. Operan para cortas distancias,
pero algunos pueden ser muy sensibles, llegando a producir salidas para
113
distancias hasta de 20 cm. Requieren del suministro de energía para su
funcionamiento.
Figura 49. Interruptores de proximidad capacitivos.
Fuente: http://www.directindustry.es/prod/pepperl-fuchs/sensores-capacitivos-antideflagrantes-
proximidad-7315-495462.html
2.2.3.6.5 Interruptores límite de proximidad ultrasónicos
Los detectores ultrasónicos (ver Figura 50) transmiten y reciben pulsos de alta
frecuencia y pueden usarse para sensar la presencia o ausencia de prácticamente
cualquier tipo de objeto de forma regular o no, transparente u opaco, sólido, liquido
o en forma de polvo. Se caracterizan por su gran sensibilidad, ya que pueden
detectar objetos a distancias entre 6 mm y 6 m. Como objetos típicos se tienen:
ladrillos, botellas, lingotes de acero, puertas en movimiento, cambio de nivel de
líquidos, etc. Requieren también de un suministro de energía de CA o CD según el
modelo, y se ofrecen con la particularidad de que muchos fabricantes los
construyen para dar salidas análogas normalizadas de 4 a 20 mA o de 0 a 10V.
114
Figura 50. Interruptores de proximidad ultrasónicos.
Fuente: http://www.directindustry.es/prod/turck/sensores-proximidad-por-ultrasonidoss-4959-
564433.html
2.2.3.6.6 Interruptores límite de proximidad fotoeléctricos
Los detectores fotoeléctricos (ver Figura 51) transmiten y reciben luz modulada
para sensar la presencia o ausencia de un objeto. Son los más sensibles y pueden
detectar cambios que se originan a distancias de hasta 100 m. Los de tipo
infrarrojo pueden aplicarse en ambientes iluminados y funcionan
satisfactoriamente en áreas de alta vibración.
Los que funcionan con luz visible tienen el inconveniente de que pueden ser
afectados por el nivel de iluminación que se tenga en el sitio de instalación.
Algunas aplicaciones típicas incluyen: conteo de objetos, inspección de piezas,
detección de personas, generación de órdenes de mando para corte, doblaje,
sellado, etc.
115
Figura 51. Interruptores de proximidad fotoeléctricos.
Fuente: http://www.gentixs.com/marcas/siemens_sensores_optico.html
Algunas de las aplicaciones de los interruptores de proximidad son:
Detección de presencia de objetos o personas en movimiento, para
apertura y cierre de puertas automáticas o generación de alarmas contra
intrusos.
Detección de objetos metálicos (herramientas, armas, etc.) en puestos de
control.
Para generar señales de alerta en productos de almacén que salen sin
autorización o sin registro de caja.
2.2.3.6.7 Especificaciones técnicas de los interruptores límite de
proximidad
Para la especificación de un interruptor límite de proximidad se requiere
determinar:
Naturaleza del interruptor.
Forma física y dimensiones.
Alcance (sensibilidad del dispositivo para la detección a cierta distancia).
Número de contactos y su disposición eléctrica.
Tensión y corriente nominal y categoría de empleo para sus contactos.
116
Grado de protección para condiciones ambientales.
2.2.4 Indicadores luminosos
Los indicadores luminosos no son precisamente dispositivos de mando, pero es
frecuente su empleo en combinación con éstos.
Los indicadores luminosos o lámparas de señalización son usados para indicar
una condición eléctrica de circuito o el estado de funcionamiento de un elemento
receptor de energía, como por ejemplo un motor. Frecuentemente se localizan en
cajas de pulsadores o directamente sobre el panel o parte frontal de los tableros
eléctricos.
Se dispone de varios tipos de lámparas, de las cuales algunas se ilustran en la
Figura 52. Las más comunes son las de filamento (conocidas como lámparas
incandescentes), las de gas (usualmente de Neón) y las de estado sólido (que
usan diodos emisores de luz-LED). Las dos últimas tienen una vida media
bastante elevada pero presentan un bajo nivel de iluminación en comparación con
las de filamento. Actualmente las lámparas de led y de filamento son las más
utilizadas.
Figura 52. Tipos de indicadores luminosos.
Fuente: http://santafe-ar.all.biz/botoneras-e-indicadores-luminosos-moeller-mando-y-g99937
117
Los fabricantes diseñan los indicadores para que puedan operarse a las tensiones
normalizadas en la industria desde 12V hasta 240V, y para consumos entre 1,2W
y 12W, con corrientes de unos pocos mA. Sólo en casos especiales se hace
necesario el empleo de resistencias limitadores o de transformadores para
acondicionar a otros voltajes (ver Figura 53).
Los indicadores se instalan sobre bases o zócalos portalámparas, las cuales se
construyen de material termoplástico con ciertas partes metálicas. Las
dimensiones típicas para el orificio de montaje son de 22 mm y 30 mm,
independientemente de si las lámparas son de conexión roscada, de tipo bayoneta
o de cualquier otra índole.
Es también de uso corriente el empleo de columnas de señalización (ver Figura
52) que sirven para supervisar secuencias complejas en máquinas, procesos
automáticos o para dar alarma visual en situaciones de emergencia. La instalación
de estas columnas se hace sobre el piso o, montándolas sobre un tubo, o
colocadas directamente en la parte superior de un tablero eléctrico. El número de
elementos de señalización pude llegar hasta diez y algunos de ellos pueden ser
elementos de luz permanente, de luz intermitente o flash de luz giratoria. La altura
de las columnas oscila entre 1 m y 4 m según las condiciones de visibilidad en el
sitio.
Figura 53. Formas de conexión de indicadores luminosos
Símbolo
básico IEC
118
Conexiones típicas:
a) Conexión directa
b) Con resistencia limitadora
c) Con transformador
d) Intermitente de conexión directa
2.2.4.1 Código de colores de indicadores luminosos
Existe también un código de colores para las lámparas de señalización por medio
del cual es posible reconocer las condiciones de operación de la máquina o de los
motores de una instalación:
El color rojo significa condición de peligro o alarma y define estados de
emergencia que requieren una acción inmediata. Se usan, por ejemplo,
para denotar una falla en el sistema de lubricación o el de refrigeración de
una máquina, una condición de sobrecarga o cortocircuito, etc.
El color amarillo significa precaución o alerta, e indica que se está iniciando
un cambio próximo a condiciones anormales. Se usa como indicador de
pre-alarmas para que el operario tome acciones correctoras tendientes a la
normalización del funcionamiento, antes de que se presenta la falla.
El color verde tiene el significado de operación o funcionamiento normal
bajo condiciones de servicio seguras. También se usa para dar autorización
de proseguir en maniobras venideras. Una condición segura puede estar
representada por circulación del líquido de refrigeración, tanque de
alimentación lleno, sistema de recirculación de combustible en servicio,
sistema de pre-barrido de gases activo, etc.
El color blanco se utiliza para dar información general (supervisión) y
puede tener cualquier significado, empleándose en particular cuando
119
existen dudas sobre el empleo de los colores anteriores. Se utiliza también
como señal permisiva para indicar que pueden ejecutar otras tareas.
El color azul es poco utilizado y se emplea para dar información especial.
En general puede tener cualquier significado, pero no el asignado a los
colores rojo, amarillo y verde. Puede ser usado para señalizar por ejemplo
disponibilidad de la máquina para el servicio o el arranque, indicar mando
remoto, etc.
Finalmente, debe señalarse que los pulsadores luminosos rojos no pueden
utilizarse como dispositivos para el paro normal o de emergencia.
En muchas instalaciones industriales son utilizados los denominados módulos o
tableros de señalización de alarmas. Estos incorporan un número determinado
de lámparas de señalización, las cuales son activadas y retenidas cuando se
presentan una condición de falla o de peligro en algún punto definido de la
máquina o el equipo instalado, donde se encuentra el sensor que envía la
información respectiva al módulo de señalización.
Generalmente se ensamblan con un interruptor de reposición de alarmas, un
interruptor de chequeo o verificación de lámparas y un relé auxiliar que se utiliza
para generar acciones externas de control a través de sus contactos.
En la Figura 54 se ilustra el circuito típico de un módulo de señalización de
alarmas para un motor diésel de un grupo electrógeno, de cuatro salidas, con
posibilidad de expansión, que incorporan los dispositivos mencionados
anteriormente. En él, cada lámpara es conectada a través de un SCR que recibe
la señal de mando de compuerta cuando se activa el sensor de alarma respectivo.
120
Figura 54. Módulo de señalización de alarmas.
2.3 RELÉS
Son interruptores de control de uno o varios contactos (NA/NC) accionados por un
actuador sensible a una señal de tipo eléctrico, generalmente voltaje o corriente.
Los materiales más utilizados para la fabricación de los contactos son plata, cobre
y aleaciones de los anteriores con otros metales (rodio, paladio, oxido de cadmio,
y otros), que proporcionan un buen contacto eléctrico con ligeras fuerzas
mecánicas de actuación.
La acción básica de los relés es la de juzgar la acción de control a realizar y actuar
en consecuencia sobre los contactores que permiten la maniobra de las cargas.
En otras palabras, a través de los contactos de los relés se estructura la ecuación
booleana que define la tarea de control que debe realizar una máquina o equipo.
121
En la actualidad es posible configurar por medio de programación en los PLC,
relés virtuales con los cuales se pueden estructurar las funciones o tareas de
control que realiza una máquina, como si estos fueran relés físicos. En esta
aplicación el número de contactos (NA/NC) de dichos relés solo está limitado por
la capacidad de memoria que tenga el controlador programable.
En general, los relés son apropiados cuando se necesita multiplicidad de
funciones de control originadas por una simple señal de mando. La construcción
típica es la de múltiples contactos NA y/o NC, los cuales se accionan (abren o
cierran) cuando se excita el elemento sensible. Los relés se conectan y
desconectan mediante dispositivos de mando tales como: pulsadores,
interruptores límite, termóstatos, presóstatos, etc.
Los relés pueden clasificarse de acuerdo a diversos aspectos como:
Según la naturaleza del elemento sensible:
Electromagnéticos (ver Figura 55)
o Sin retención (Relé estándar).
o Con retención o memoria (tipo “set-reset”).
Térmicos (ver Figura 57 y Figura 60)
Electrónicos (ver Figura 62 y Figura 63)
o Sin retención (Relé estándar)
o Con retención (Relé con memoria o “set-reset”)
Según la variable eléctrica a la cual responde el elemento sensible del relé:
De tensión
De corriente
122
Multifuncionales (conocidos también como “Relés de protección”)
Según el tipo de corriente que demanda el elemento sensible del relé:
De corriente alterna
De corriente directa
Según la actuación de los contactos del relé:
De actuación inmediata
De actuación retardada o temporizada (Relés temporizados)
o Simultánea
o Secuencial
Figura 55. Versiones constructivas de los relés electromagnéticos
123
2.3.1 Relés electromagnéticos
En los relés electromagnéticos (ver Figura 56), el elemento sensible es un
electroimán, conformado por una bobina y un núcleo magnético el cual consta de
dos partes, una fija y una móvil. En la parte fija está enrollada la bobina, y la parte
móvil está conectada a los contactos por medio de un enlace aislado que permite
la actuación de los mismos cuando es atraída por el núcleo fijo al ser energizada
la bobina. Se diseñan para trabajo liviano, y sus contactos no están especificados
para altas intensidades de corriente. Estos contactos tienen forma simple y no
incorporan cámara apaga chispa ni bobina de soplado, tienen características
similares a los contactos que utilizan los dispositivos de mando digital. En general,
los contactos no manejan cargas importantes y el arco puede extinguirse
fácilmente por elongación.
Algunas cargas típicas para los contactos de los relés son las lámparas de
señalización, las bobinas de otros relés, contactores y algunos electroimanes
pertenecientes a válvulas solenoide u órganos receptores de bajo consumo. Se
diseñan generalmente para categoría de empleo AC11 y DC11, en corriente
alterna y en corriente directa respectivamente.
El consumo de los electroimanes de los relés es generalmente muy bajo (de 1 a
10 VA) y la corriente nominal de servicio (In) de los contactos no sobrepasa de
10A, para tensiones que no sobrepasan de 600 V. Sin embargo, algunos
fabricantes construyen relés de mayor tamaño, conocidos como relés de potencia
o mejor contactores auxiliares. Con estos dispositivos se pueden manejar cargas
de tamaño un poco mayor a las descritas anteriormente, como pequeños motores,
válvulas de control, lámparas y elementos calefactores de baja potencia. Debe
tenerse presente que la vida útil de los contactos de un relé depende
esencialmente del ciclo de trabajo y del factor de potencia asociados al órgano
receptor que conectan los contactos del mismo.
124
Figura 56. Relés electromagnéticos industriales y representación simbólica.
Fuente: http://www.retrovicio.org/foro/showthread.php?4957-conectar-rele-y-monedero-a-lpt
Los relés electromagnéticos realizan funciones básicas como multiplicar o
reproducir en diferentes puntos de un circuito la señal de control aplicada al
elemento sensible del relé, por medio de sus contactos; estructurar o configurar la
tarea o función de control asociada a un motor, máquina o equipo, aplicando los
conceptos asociados a la lógica matemática (algebra de Boole), y manejar a
través de sus contactos los órganos receptores pertenecientes a los contactores
que manejan las cargas asociadas a máquinas y equipos.
Algunas aplicaciones de control necesitan dispositivos que respondan a cambios
de tensión o a cambios en la intensidad de la corriente, incluso a otras variables o
condiciones eléctricas de interés como frecuencia, sobrevoltaje, bajo voltaje,
potencia inversa, secuencia, sobrecorriente, pérdida de fase, pérdida de
aislamiento, entre muchas otras. Para esto último, se hace que dichas variables o
condiciones eléctricas especiales se hagan relacionar con una señal de tensión o
corriente, que son en última instancia aquellas a las cuales responde el elemento
125
sensible de un relé. Aplicando este principio, se construyen los relés conocidos
como relés de protección o multifuncionales.
Para los relés electromagnéticos, de acuerdo a la variable a la cual responde el
elemento sensible (el electroimán) del relé, estos se clasifican como relés de
tensión o voltaje y relés de corriente.
Dichos relés tienen el mismo principio de funcionamiento y características
similares. Sin embargo, presentan aspectos constructivos diferentes,
particularmente en el electroimán.
Los núcleos de los relés electromagnéticos se construyen en dos formas típicas:
De núcleo en “U” o de herradura y de núcleo en “E” o acorazado. Este último
se utiliza generalmente en la fabricación de los contactores auxiliares (relés de
potencia) de corriente alterna.
En los relés que emplean electroimán con núcleo en U, la parte móvil del mismo,
conocida como la armadura, presenta desplazamiento angular. En los de tipo
acorazado, la armadura tiene desplazamiento vertical u horizontal.
Entre los relés electromagnéticos de corriente alterna y directa, existen también
dos diferencias constructivas asociadas al electroimán.
2.3.1.1 Relés electromagnéticos de tensión
Estos relés se caracterizan por tener un electroimán con una bobina de alta
impedancia, la cual se construye con muchas espiras de alambre delgado,
implicando que por dicha bobina circula una corriente del orden de mA.
126
El paso de la corriente por la bobina genera un flujo magnético por el núcleo fijo,
haciendo que la parte móvil del mismo sea atraída, con la consecuente actuación
de los contactos. El accionamiento del relé se manifiesta cuando la tensión
aplicada a la bobina sobrepasa un valor de referencia (tensión de enganche), la
cual garantiza que la fuerza que se ejerce sobre el resorte acoplado a la parte
móvil del núcleo es mayor que la de oposición que ejerce dicho resorte.
Se conectan en derivación o paralelo con la línea de alimentación a voltaje
constante. Son los más utilizados.
2.3.1.2 Relés electromagnéticos de corriente
Estos se caracterizan por tener una bobina de baja impedancia, en general, con
pocas espiras de alambre grueso.
Su funcionamiento es similar al del relé de tensión, pero a diferencia del anterior,
estos responden a cambios de corriente por encima de un valor de referencia y se
conectan en serie con la línea o la carga.
Los de corriente alterna para intensidades muy elevadas, se conectan a través de
transformadores de corriente; los de corriente directa se conectan en paralelo
con elementos denominados shunt.
2.3.1.3 Relés electromagnéticos de corriente alterna
En los relés de corriente alterna se utiliza núcleo de hierro laminado para reducir
el efecto de calentamiento, originado por las corrientes inducidas en él, debido a
que el flujo que lo atraviesa es variable. Así mismo, en la cara polar del
127
electroimán, donde el núcleo móvil y fijo se unen al ser atraídos, se instala un
anillo de cobre cerrado (en corto circuito) conocido con el nombre de bobina de
sombra. Con ello se consigue eliminar el efecto de vibración mecánica del núcleo
(120 Hz o 100 Hz), originado por la variación del flujo magnético que induce la
corriente alterna al circular por la bonina del electroimán; particularmente en los
cruces por cero, cuando el flujo se debilita y la fuerza de atracción se hace
mínima, provocando que la armadura trate de soltarse.
2.3.1.4 Relés electromagnéticos de corriente directa
En los relés de corriente directa se emplean tanto núcleos laminados como
macizos, ya que no se presentan problemas de calentamiento sobre los mismos.
Además, no llevan bobinas de sombra, pues no hay problemas de vibración, ya
que el flujo que induce la corriente por la bobina del electroimán es constante y
mucho mayor que cero.
2.3.1.5 Especificaciones técnicas de los relés electromagnéticos
Para la especificación de un relé electromagnético se requiere determinar:
Número de contactos y su disposición eléctrica.
Corriente nominal de los contactos, tensión nominal y su categoría de
empleo.
Tipo de relé (estándar o con retención).
Tensión de alimentación y tipo de corriente para la bobina del electroimán.
Tipo de encapsulado, forma física y dimensiones.
Grado de protección para condiciones ambientales.
128
2.3.2 Relés térmicos
El funcionamiento de los relés térmicos (ver Figura 57), se basa en el principio
físico del bimetálico, es decir; el efecto de dilatación que experimenta una cinta
bimetálica cuando ésta se somete a un cambio de temperatura. El elemento
sensible (bimetálico) puede ser actuado por efecto del calentamiento directo o
indirecto al paso de la corriente. Los bimetálicos se construyen a partir de
aleaciones de hierro-níquel en forma de cinta; laminando en frio o en caliente dos
cintas metálicas que tienen un coeficiente de dilación térmica diferente.
En los de calentamiento directo, la corriente circula por el elemento sensible, y al
paso de esta se produce una elevación de temperatura que produce una
deformación del elemento haciendo que se active un sistema de palanca que arma
o acciona los contactos del relé. En los de calentamiento indirecto, la corriente
circula por un filamento enrollado en el bimetálico y el calor producido se transmite
al elemento sensible por conducción y radiación, ejerciendo la misma acción sobre
los contactos.
Figura 57. Tipos de relés térmicos y representación simbólica.
Fuente: http://www.directindustry.es/prod/ghisalba/reles-termicos-14477-30423.html
129
Su aplicación típica es la protección de sobrecorriente en motores eléctricos,
denominándose como relés térmicos de sobrecorriente o de sobrecarga
(overload relay).
El elemento sensible de un relé térmico responde a una elevación de la corriente,
con respecto a un valor de referencia ajustable, que circula por el bimetálico. Con
base en lo anterior, cualquier condición de sobrecarga que origine una elevación
de la corriente por los devanados de una máquina eléctrica, puede ser detectada
por un relé térmico, permitiendo por medio de este su desconexión, antes de que
se presente una avería o daño en la máquina.
Ciertos elementos o dispositivos eléctricos son susceptibles de admitir
sobrecargas térmicas durante cortos periodos de tiempo (segundos o minutos) en
su funcionamiento, sin que ello genere una avería o destrucción del componente.
En principio, pueden ser sobrecargados aquellos elementos que tienen capacidad
térmica (gran tamaño/gran masa), como por ejemplo: máquinas eléctricas
(motores, generadores y transformadores), baterías de ácido-plomo de tipo
automotriz o estacionarias, conductores de alimentación en acometidas eléctricas
y tanques de proceso electrolítico, entre otros.
Para el caso de las máquinas eléctricas, particularmente con motores, estos se
pueden ver sometidos a diferentes tipos de sobrecargas, como son: Mecánicas,
eléctricas y ambientales
Las sobrecargas mecánicas: están relacionadas con un exceso de carga
física que sobrepasa los valores nominales de la máquina, como por
ejemplo un bloqueo de rotor o un ciclo de trabajo pesado con muchas
maniobras de conexión-desconexión en tiempos muy reducidos.
130
La sobrecarga eléctrica: está asociada a condiciones de sobre o baja
tensión, pérdida de fase, cambio de frecuencia y mal conexionado de los
devanados del motor, entre otras.
La sobrecarga ambiental: se manifiesta cuando se hace la instalación de
un motor en un sitio donde es pobre la ventilación y la temperatura
ambiente es muy elevada, o cuando se presenta una falla en los
rodamientos de la máquina o un daño en el ventilador del motor. Es causa
también de sobrecarga ambiental en los motores, la instalación del motor
en sitios donde se tienen polvo y pelusas en suspensión que se adhieren a
los bobinados y superficies internas y externas del mismo. Esta situación
genera un aislamiento térmico en la máquina, impidiendo que el calor
generado internamente pueda salir al exterior, elevando su temperatura y
finalmente destruyendo el aislamiento de sus devanados.
Los relés térmicos presentan una curva característica de tiempo inverso, a
diferencia de los relés electromagnéticos que son de tiempo independiente. Por
esta razón, la actuación de los contactos no es inmediata sino retardada,
resultando de gran interés para ciertas aplicaciones.
La curva característica de tiempo inverso de los relés bimetálicos establece que el
tiempo de actuación de sus contactos es inversamente proporcional a la corriente
que circula por el elemento sensible (bimetálico). Por consiguiente, si la corriente
que circula por el elemento sensible es muy elevada, el tiempo de actuación es
muy corto; y por el contrario, si la corriente es pequeña, pero superior a un nivel
crítico, el tiempo de actuación es largo.
El tiempo de actuación del relé se establece a partir de la curva característica del
relé: tiempo = f (corriente), suministrada por el fabricante como se indica la Figura
58. La curva de respuesta está enmarcada dentro de dos asíntotas: la de corriente
térmica (Ir) y la de tiempo muerto (tm).
131
Figura 58. Curva característica de un relé térmico.
Por debajo del valor ajustado para la corriente térmica (Ir) del relé, sus contactos
no se actúan; por encima de dicha corriente, los contactos se actúan siguiendo el
comportamiento de tiempo inverso asociado al elemento sensible del relé: a mayor
corriente menor tiempo de actuación. Si la corriente que circula por el elemento
sensible sobrepasa cierto umbral de referencia, a partir del cual se considera que
se entra en un nivel de corto circuito, el tiempo de actuación en los contactos
siempre va a ser el mismo y es igual al tiempo muerto (tm), cuyo valor típico es del
orden de 4 a 8 s.
Una corriente de carga entre tres y doce veces la corriente nominal (In) de la
misma, establece el limite a partir del cual se considera una condición de
sobrecarga severa que origina generalmente graves daños o la destrucción
definitiva del dispositivo o elemento de carga.
Se ha estandarizado como nivel práctico de referencia para establecer como
rango de sobrecarga para un motor eléctrico el comprendido entre Ir y 6 Ir. Por
132
encima de este último valor se considera que la carga está operando bajo nivel de
cortocircuito. Si se analiza la curva del relé puede observarse que el tiempo de
respuesta para la actuación de los contactos es demasiado grande, lo que implica
que el relé es “lento” para actuar y no garantiza protección para la condición de
cortocircuito. Esta condición se puede solucionar empleando un fusible o breaker,
elementos que son más rápidos para actuar. Estrictamente, se considera que un
motor eléctrico está bajo condición de sobre carga si su corriente se encuentra se
encuentra por encima de la nominal (In) y por debajo de la de arranque (Ia). Por
encima de , se considera que se encuentra en condición de cortocircuito.
La NEMA define varias clases de relés de sobrecarga según el tiempo de
actuación para un valor de referencia correspondiente a seis veces la corriente de
ajuste del relé (Ir) como se muestra en la Figura 59.
En la práctica los relés térmicos se construyen de manera que se pueda ajustar el
valor de la Ir, entre un rango amplio de valores, desde un mínimo hasta un máximo
( ) que representa el valor nominal para la corriente del relé.
Figura 59. Clasificación NEMA según tiempo de actuación.
133
Un relé clase 30 NEMA indica que el tiempo de actuación de sus contactos se
hace en menos de 30 segundos , cuando por el elemento sensible circula una
corriente igual a seis veces el valor de Ir ajustado. Este se conoce con el nombre
de relé lento (slow trip). Para un relé NEMA clase 20, el disparo se hace en menos
de veinte segundos a seis veces la corriente a la cual se ajusta el relé. Finalmente
el relé clase 10 es de disparo rápido (quick trip) para el cual la actuación se hace
en menos de diez segundos para seis veces la corriente (Ir) a la cual se ajuste el
relé.
Los relés de uso corriente para protección de motores eléctricos son los de acción
lenta (clase 30 o 40).
Los aplicación típica de los relés térmicos es la de ofrecer protección de
sobrecarga por elevación de corriente en motores eléctricos. Vienen
acondicionados con un tornillo de ajuste con graduaciones que permite calibrar la
corriente de actuación del relé dentro de un amplio margen; entre 1:3 o 1:4. El
punto de ajuste se establece normalmente a la corriente nominal o asignada de la
carga (In); siendo este un valor de referencia para la selección apropiada del relé y
su ajuste final ( de la carga).
Los relés térmicos van equipados con elementos compensadores de temperatura,
y por ello, son prácticamente insensibles a las influencias de la temperatura
ambiente en un amplio margen (-20ºC a +50ºC). Así mismo, se construyen para
que actúen no solo ante sobrecarga simétrica sino por fallas asimétricas
generadas por desbalance o perdida de fase.
En la Figura 60, se ilustra la estructura básica y la presentación frontal típica de un
relé térmico de sobrecorriente. En este dispositivo, la corriente de servicio (Ir)
circula por el elemento sensible (cinta bimetálica) sin ocasionar la desconexión de
la carga. Cuando se presenta una sobrecorriente (I> Ir) se origina la deformación
134
del bimetálico estableciéndose la apertura de un contacto que en forma indirecta
interrumpe la corriente por la carga actuando sobre al bobina del contactor de
línea.
Figura 60. Estructura básica y presentación frontal de un relé térmico.
Para corrientes superiores a 100 A, el elemento sensible del relé térmico se acopla
a la línea por medio de transformadores de corriente (TC), según se ilustra en la
Figura 61. Esta configuración se ha establecido por razones de índole práctico
debido al incremento en el tamaño físico del relé. Los transformadores se
seleccionan para una relación de transformación normalizada con salida de 1 o 5
A, así el relé térmico queda definido para una baja corriente y su costo es
relativamente bajo.
135
Figura 61. Empleo de transformadores de corriente (TC) para conexión del relé
térmico.
A modo de ejemplo; si el motor a proteger tiene una corriente nominal de 180A, se
pueden escoger transformaciones de 200:5 tipo ventana, ya que esta es la
relación de transformación comercial que por encima se encuentra más próxima al
valor de corriente que maneja el motor. En consecuencia, el relé térmico debe
ajustarse para una corriente de:
Este valor entra a definir el criterio para seleccionar convenientemente el rango de
ajuste del relé térmico a usar.
Es también de gran importancia establecer la diferencia que se presenta entre los
relés térmicos y los fusibles. En primer lugar, los fusibles tienen como función la de
proteger ante condiciones de cortocircuito toda la instalación eléctrica, en especial
a los conductores, y evitar un daño mayor o la destrucción definitiva de los
dispositivos de carga. Por el contrario, los relés térmicos tienen como función la de
136
proteger el dispositivo de carga ante una sobrecarga mecánica o eléctrica como el
funcionamiento en dos fases por apertura de una de las líneas de alimentación, un
sobre o bajo voltaje sostenido; y en general, ante cualquier anomalía que se
traduzca en una sobre corriente por la carga.
2.3.3 Relés electrónicos
Conocidos también como relés de estado sólido (SSR, Solid State Relays), son
ampliamente utilizados como sustitutos directos de relés electromagnéticos.
Para la construcción de los SSR se utilizan dispositivos electrónicos de estado
sólido como transistores de potencia y tiristores. Los tiristores de uso corriente son
los Rectificadores Controlados de Silicio (SCR) y los TRIAC. Estos dispositivos se
ponen a trabajar como interruptores estáticos en CD o en CA
El tipo de corriente que impone la carga define también el tipo de relé a usar. En
general, los SSR construidos con tiristores son diseñados para manejar cargas de
CA y los construidos con transistores (bipolares o de tecnología MOS) se diseñan
para el manejo de cargas de CD
Los SSR funcionan muy bien manejando pequeñas y moderadas cargas tales
como: motores de sopladores y ventiladores, lámparas, hornos y calentadores,
electroimanes y válvulas solenoide, taladros, máquinas fotocopiadoras e
impresoras, sistemas de señalización y alarma, pequeñas máquinas– herramienta,
equipos de extrusión y moldeo para plásticos, máquinas lavadoras, etc.
137
Figura 62. Relés electrónicos de estado sólido (SSR).
Fuente: http://www.electrical-relay.es/4-solid-state-relay-13.html
En la Figura 62 se ilustran formas típicas y aspectos constructivos asociados a los
SSR. Sus características especiales se indican a continuación:
Sus contactos no tienen partes móviles, lo cual significa que no están
sometidos a la acción del arco ni al desgaste.
Presentan tiempos de conmutación muy cortos (20 a 80 µs), lo cual permite
su utilización en circuitos donde el número de maniobras por unidad de
tiempo es elevado.
Demanda muy poca energía para la actuación (aún para manejar cargas de
elevado consumo).
Se activan con tensiones de entrada que pueden oscilar entre rangos muy
amplios tanto en corriente directa como en alterna.
Son resistentes al impacto, la vibración y la acción del medio ambiente.
Son silenciosos durante su operación.
Tiene una vida media muy elevada que puede alcanzar normalmente hasta
109 operaciones.
138
Proporcionan un excelente aislamiento (de 2 y 4 KV) entre los terminales de
entrada y salida; un alto voltaje de bloqueo directo (del orden de 600V o
mayor); una alta capacidad para el manejo de corrientes máximas no
repetitivas; una señalización de estado ON con LED y en algunos modelos,
desconexión automática por sobretemperatura.
Finalmente, son de bajo costo y de fácil intercambiabilidad.
En la Figura 63 se ilustra un circuito básico de relé de estado sólido de un contacto
y su estructura típica.
A pesar de todas las ventajas comparativas que ofrecen los SSR, estos tienen
algunas limitaciones inherentes que deben considerase antes de realizar su
escogencia para una aplicación particular. Entre dichas limitaciones se cuentan:
No son reparables (son unidades cerradas).
Solo aportan un número reducido de contactos (no mayor de tres) y no se
ofrecen unidades con contactos normalmente cerrados. De hecho, no es
posible configurar un SSR con contactos normalmente cerrados, solo los
abiertos están disponibles. Esto es una limitación para configurar la tarea
de control que debe realizar una máquina o equipo.
Sobre los contactos se manifiestan mayores caídas de tensión (aprox. 1V),
pérdidas de calor y fugas de corriente cuando estos se encuentran cerrados
o abiertos. La elevación de temperatura por pérdidas de calor puede llegar
a ser una limitante cuando se han de manejar corrientes moderadamente
elevadas. Algunas unidades se construyen de fábrica con un disipador de
calor incorporado a la estructura del relé, lo cual mejora su comportamiento
térmico.
139
Figura 63. Circuito básico y estructura típica de un SSR.
2.3.3.1 Especificaciones técnicas de los relés electrónicos
Para la especificación de un relé electrónico se requiere conocer el voltaje de
alimentación de la carga, el tipo de corriente y la corriente nominal de la carga.
Valores máximos (10 a 75 A) y mínimos (50 a 100 mA) en estado permanente. A
partir de esta información se determina:
El , medido en Amp2seg, es un parámetro indicativo de la capacidad que
tiene el dispositivo para absorber calor sin destruirse al paso de una
corriente eficaz. Se usa para definir el fusible de protección para el relé.
140
El voltaje de control y el tipo de corriente. Esto define el valor máximo y
mínimo de voltaje que puede aplicarse a los terminales de entrada (A1, A2)
del dispositivo para lograr la conmutación de los contactos del SSR.
Numero de contactos y su valor de corriente y tensión nominal.
2.3.3.2 Relés electrónicos de sobrecarga (Solid State Overload Relays:
SSOR)
Este tipo de relés se están construyendo con miras a ir sustituyendo gradualmente
los relés térmicos tradicionales de tipo bimetálico. En la Figura 64 se ilustra un relé
electrónico de sobrecarga de tipo industrial, muy similar en su presentación al relé
térmico de bimetálico.
Figura 64. Relé electrónico de sobrecarga (SSOR):
Fuente: http://www.editores-srl.com.ar/anuario/distribucion/abb_reles_de_sobrecarga
Se ha buscado que el diseño de los relés electrónicos sea compatible en un ciento
por ciento y pueda ser sustituido e instalado sin ningún problema en remplazo del
relé térmico. Esto indica que el dispositivo tiene una presentación y curvas de t vs i
similares, además de un comportamiento idéntico.
141
De igual forma como se presenta en los relés bimetálicos, en los relés electrónicos
se dispone de:
Selector de modo manual – automático con botón de reposición (reset).
Contactos auxiliares para desconexión y alarma. En otras más avanzadas
hay dos contactos extras, que se actúan por falla a tierra u operación
próxima a sobrecarga.
Amplio ajuste de corriente de disparo.
Protección intrínseca contra pérdida de fase, falla a tierra y desbalance de
fase.
Botón de disparo (trip button o test button) para simular la actuación de relé
ante una sobrecarga y botón pulsador de paro o desconexión.
Terminales de conexión rápida para montaje separado o directo sobre
contactor.
Protección contra choque eléctrico por contactos con partes del cuerpo.
Diseño para diferentes clases de disparo (trip class) según NEMA.
Señalización con LED cuando hay disparo por sobrecarga o falla a tierra, o
para indicar que el relé está en servicio normal sin disparo.
Sistema de monitoreo interno que origina el disparo (trip) del dispositivo en
la eventualidad de una falla interna.
Algunos tienen puerto de comunicación para monitoreo a distancia.
Los relés electrónicos de sobrecarga (Solid State Overload Relay – SSOR), en
principio, son dispositivos de muy bajo consumo de energía y ésta se toma
directamente de la red o en algunos casos debe ser suministrada separadamente,
según lo indique el fabricante.
Normalmente se diseñan como dispositivos tripolares para protección de motores
trifásicos que manejan corriente hasta 100 A. Para corrientes mayores se hace
142
necesario el empleo de transformadores de corriente adicionales (usualmente tipo
ventana).
La medición de la corriente del motor o la carga se hace por medio de
transformadores de corriente internos. Un microprocesador verifica los valores de
la corriente de cada fase e inicia la acción de disparo (trip) en la eventualidad de
una falla por sobrecarga. La corriente de ajuste del relé debe ser igual a la
corriente nominal del motor o la carga.
Para su utilización se requiere que el circuito principal incorpore dispositivos de
protección contra cortocircuitos ya sea por medio de fusibles o de interruptores
automáticos.
Solo funcionan con corriente alterna senoidal en redes de 50/60 Hz; lo cual
representa una limitación para ser usado en la protección de motores de corriente
directa.
El símbolo utilizado para la representación del relé de sobrecarga de estado sólido
se muestra en la Figura 65.
Figura 65. Símbolo del relé de sobrecarga de estado sólido.
Para utilizar un SSOR tripolar con un motor monofásico, las vías de corriente
principal del dispositivo pueden y deben conectarse en serie, según muestra la
143
Figura 66. Esta disposición es también una exigencia para el uso con los relés
térmicos de sobrecarga.
Figura 66. Circuito básico de conexión del relé para aplicación con motores
monofásicos.
2.3.4 Relés temporizados
La temporización es un retardo (delay) provocado en la actuación de los contactos
de un relé. Esta puede ser de tres tipos:
Al trabajo (on – delay, a la excitación).
Al reposo (off – delay, a la desexcitación).
Al trabajo – Al reposo (on – off delay), la cual es una combinación de las
dos anteriores (de poco uso).
Se denomina temporización al trabajo aquella que empieza para los contactos al
momento de energizarse el elemento sensible o la bobina del relé, y al reposo la
que empieza al desenergizarse la bobina del relé.
La temporización de ambos tipos pueden ocurrir en un contacto normalmente
abierto (NO) o en uno normalmente cerrado (NC).
144
Es deseable que la temporización asociada a los contactos de un relé presente
excelentes características de precisión, repetitividad y ajuste de tiempo dentro de
rangos amplios.
En la práctica, la temporización de los relés industriales se obtiene por los
siguientes métodos:
Inductivos (con resistencia, por “camisa de cobre”, con diodo rectificador).
Capacitivos (RC o con dispositivos electrónicos).
Neumáticos (de fuelle).
Térmicos (de bimetálico, de hilo caliente (hot wire relay)).
Mecánicos (con mecanismo de cuerda, por motor).
Además, para ciertas aplicaciones puede ser necesario que el relé ofrezca no solo
la alternativa de contactos retardados de actuación simultanea sino también de
contactos con retardo secuencial. Esto sin embargo, solo en los relés de tipo
electrónico o en los de retardo electromecánico de accionamiento por motor, es
posible lograrlo fácilmente. En general, en los relés temporizados de tipo
electrónico y en los neumáticos se reúnen las mejores características, entre ellas:
rangos amplios para el ajuste del tiempo de retardo, buena precisión y
repetitividad, disponibilidad para conseguir los dos tipos de retardo que pueden
ofrecer los relés temporizados, y relativo bajo costo.
Por medio de relés temporizados es posible adelantar o retrasar “con respecto a
una señal de mando” una salida para generar una acción de control establecida
por una lógica previamente definida en un circuito eléctrico.
Un relé temporizado se identifica (según NEMA) por las letras TR (time relay) y los
contactos del mismo (sean abiertos o cerrados) por las letras TR–TC o TR–TO.
145
El primer par de letras establecen que son contactos del relé temporizado TR y el
segundo par de letras para indicar que el contacto es temporizado para cerrar (TC)
o temporizado para abrir (TO) como se muestra en la Figura 67.
Figura 67. Simbología y designación normalizada de relés y contactos
temporizados.
2.3.4.1 Método de temporización inductivo con diodo rectificador
El método inductivo con resistencia o por “camisa de cobre” es actualmente
poco utilizado a nivel industrial. Se aplica solo en relés de CD.
El retardo por resistencia (conectada ésta en paralelo con la bobina del relé), se
inicia al abrir de nuevo el interruptor, cuando la energía almacenada en la bobina
se libera gradualmente a través del mismo elemento, puesto que el interruptor
abierto permite la circulación de la corriente de descarga originada por la tensión
inducida en la bobina del relé, cerrando la corriente está variando por efecto de la
146
desconexión. El sistema presenta la desventaja del consumo permanente en la
resistencia, lo cual no es deseable.
En el método inductivo por camisa de cobre; la camisa de cobre es una espira en
corto formada por una lámina de cobre que rodea el núcleo del electroimán y
sobre el cual va devanada la bobina principal. Dicha bobina actúa como el
secundario de un transformador de corriente. La magnitud del retardo logrado por
efecto de la corriente inducida en la camisa al momento de desenergizar el relé se
puede variar ajustando la presión del resorte de armadura o modificando el
tamaño de la camisa de cobre.
El método inductivo con diodo rectificador se ilustra en la Figura 68. El diodo D
permanece polarizado inversamente hasta el momento en que se abre
nuevamente el interruptor S y se establece una tensión en la bobina que hace
circular la corriente de descarga Ir por el diodo, impidiendo que el flujo decaiga
rápidamente. La temporización con diodo rectificador es ampliamente utilizada y
como ventaja puede señalarse que protege al interruptor S contra la sobretensión
originada en la bobina.
147
Figura 68. Método de temporización inductivo con diodo rectificador.
En los relés temporizados inductivamente solo se logra temporización al reposo, y
su operación es únicamente para CD. Debe observarse la polaridad correcta de la
fuente para no generar un cortocircuito a través del diodo. El tiempo de retardo
varía desde unos pocos milisegundos hasta varios segundos y generalmente no
es ajustable.
2.3.4.2 Método de temporización capacitivo tipo RC
El método de temporización capacitiva es uno de los más empleados puesto
que se logran mayores tiempos de retardo. El empleo de condensadores
electrolíticos de gran capacidad permite temporización por varios segundos. Sin
embargo, cuando se utilizan dispositivos electrónicos como elementos de interface
entre el condensador y la bobina del relé, se pueden obtener retardos del orden de
minutos, e incluso de horas.
El circuito de la Figura 69 ilustra la conexión requerida para lograr temporización al
reposo. En éste, al cerrar el interruptor S, el condensador C se carga
instantáneamente a la tensión de alimentación V y al mismo tiempo se energiza el
relé. Cuando se abre el interruptor, el condensador se descarga lentamente a
través de la bobina del relé y en consecuencia la armadura se retarda para caer,
148
lográndose de esta manera que los contactos del relé sigan operados a pesar de
que el interruptor se encuentre abierto desde mucho antes.
Figura 69. Método de temporización capacitivo.
En el diseño del temporizador capacitivo debe evitarse que la corriente de
descarga Id sea oscilante, ya que de serlo origina la vibración de la armadura, lo
cual no es deseable. Este problema se soluciona montando una resistencia R1 en
serie con el condensador, si la resistencia interna del relé (R) no es suficiente.
Como se sabe, para funcionamiento sobreamortiguado, debe cumplirse que:
Siendo R la resistencia del relé (o cualquier otra incluida en serie con el
condensador), L la inductancia asociada a la bobina del relé y C la capacidad del
condensador empleado. Conociendo la corriente a la cual se suelta la armadura,
puede determinarse la combinación RC requerida para un tiempo dado. El tiempo
de caída puede variarse ajustando R. Por lo demás, el método de temporización
capacitiva solo es aplicable a circuitos de CD.
2.3.4.3 Método de temporización capacitivo electrónico
El empleo de dispositivos electrónicos para lograr grandes retardos se ilustra en la
149
Figura 70. Para el circuito de la Figura 70 a, se emplea un transistor, por ejemplo;
al cerrar el interruptor S, el condensador C se carga inmediatamente al voltaje V y
circula una corriente de base que lleva al transistor a saturación, haciendo que el
relé opere inmediatamente. El valor de la resistencia R que asegura esa condición
está dado por la expresión:
Siendo β la ganancia del transistor y Rr la resistencia interna del relé. La
resistencia variable Rv permite el ajuste del tiempo de temporización.
Figura 70. Métodos de temporización empleando dispositivos electrónicos.
Cuando se abre el interruptor, el condensador C entra a descargarse lentamente a
través de R manteniendo en circulación la corriente de base, impidiendo que el
relé se desactive.
150
La descarga de C está representada por la ecuación:
donde,
Para determinar el tiempo de temporización T (retardo al reposo) suponemos que
el relé se desenergiza cuando la corriente por el mismo se reduce a su valor de
desconexión (Holding) IH. Bajo esta condición tendremos entones que:
Para t = T se cumple que
Reemplazando el valor de iB en la ecuación para la descarga de C:
De donde:
( )
Para el circuito de la
Figura 70 b, que emplea Rectificador Controlado de Silicio (SCR); cuando se
cierra el contacto de iniciación S, el condensador C empieza a cargarse a través
de R con una constante de tiempo . Después de cierto tiempo T, la tensión
en el condensador (Vc) alcanza el valor (Vs) para el cual se presenta la
conmutación del diodo de cuatro capas (D4), iniciándose una descarga súbita de
C a través de la compuerta del SCR, el cual se conmuta y pone en funcionamiento
el relé. El contacto cerrado del relé, en serie con R, inhibe la operación de éste y,
lo que es más importante, la resistencia R4 permite la descarga total del
151
condensador para lograr una repetición correcta del tiempo de retardo ajustado
con el cursor de la resistencia variable Rv. Como se podrá deducir del análisis
anterior, la temporización lograda con este circuito es del tipo on delay o de
retardo al trabajo. Para el cálculo del tiempo de retardo T en función de los
parámetros del circuito, partimos de la expresión para el voltaje en el
condensador:
( )
Para , , donde Vs es el voltaje de conmutación del diodo de cuatro
capas. En consecuencia:
( )
De donde:
(
)
Muchos otros son los circuitos electrónicos utilizados en la práctica. El análisis del
circuito de retardo con el integrado 555 (ver
Figura 70.c) se deja como ejercicio al lector. Podrá comprobarse finalmente que el
tiempo de retardo es:
2.3.4.4 Método de temporización neumática
En el método de temporización neumática, la armadura del relé va acoplada al eje
de accionamiento de un fuelle; el cual se moverá lentamente una vez se energice
152
el relé, debido al aumento de la fuerza de reacción originada por la presión del aire
al interior del fuelle (ver Figura 71).
Figura 71. Método de temporización neumática.
El ajuste del tiempo de retardo puede lograrse disponiendo de una pequeña
válvula de aguja, con la cual se permite la salida de aire hacia el exterior desde la
cámara donde está siendo comprimido el aire por efecto del desplazamiento del
eje que cierra el fuelle y que simultáneamente actúa sobre los contactos a
retardar. La válvula se acciona manualmente por medio de una perilla de
calibración accesible al usuario.
Con el método de temporización neumática se logran tiempos de retardo
considerables: desde 0,2 hasta 180 segundos (valores típicos) con muy buena
precisión de repetición.
Se dispone también de relés y contactores a los cuales se les puede adaptar un
bloque de contactos auxiliares temporizados neumáticamente. Estos los producen
algunos fabricantes para sus propios relés y contactores. Por lo demás, debe
tenerse presente que el sistema de fuelle neumático descrito anteriormente no se
utiliza en todos los casos. Se han desarrollado también mecanismos con base en
cámaras y diafragmas con acción de resorte que cumplen idéntica función.
153
Por el método neumático, es también posible conseguir retardos al reposo,
haciendo cambios en la actuación del fuelle para que este reaccione cuando la
armadura se suelte y no cuando se atraiga.
2.3.4.5 Método de temporización de tipo térmico
La temporización de tipo térmico se fundamenta en el principio del bimetálico, de
acuerdo con el dispositivo mostrado en la Figura 72. Al calentar el filamento
bobinado sobre el bimetálico, éste inicia una deformación en el sentido de la flecha
hasta que finalmente se operan los contactos del relé; consiguiéndose de esta
manera un retardo al trabajo.
Figura 72. Temporización de tipo térmico.
Con los relés térmicos descritos anteriormente se logran retardos hasta de cinco
minutos, con la característica que el filamento puede alimentarse tanto con CA
como con CD. Sin embargo, no son muy utilizados en cuanto que su tiempo de
operación es fijo y no se asegura precisión en la repetición.
154
Para este dispositivo, el fabricante especifica el número de contactos, su
disposición eléctrica y los valores de corriente y tensión nominal, así como el valor
de la tensión de alimentación del filamento que permite el correcto funcionamiento.
2.3.4.6 Método de temporización electromecánico
Este método proporciona retardos considerables y de gran precisión de repetición.
Se emplean principalmente en sistemas secuenciales donde la actuación de los
contactos debe presentar retardos diferentes, particularmente, en circuitos de
semaforización y en general en circuitos asociados a sistemas de procesos
continuos que se ejecutan por etapas. Se construyen en variedad de formas y
rangos amplios de temporización, como por ejemplo:
De 3 s hasta 100 s.
De 3 min. Hasta 100 min.
De 12 min. Hasta 6 horas.
Los relés temporizados mecánicamente se encuentran en dos versiones
diferentes:
De accionamiento por mecanismo de cuerda
De accionamiento por motor
2.3.4.6.1 Método de temporización electromecánico de accionamiento por
mecanismo de cuerda
En este mecanismo, al energizarse la bobina del electroimán se atrae
inmediatamente la armadura dando cuerda a un mecanismo de piñones y
155
engranajes que empiezan a operar sobre los contactos, haciendo que estos
operen en consecuencia. Al final se agota la energía asociada al mecanismo de
cuerda y el actuador del relé se detiene. Al desenergizarse la bobina, los contactos
se sueltan inmediatamente y se regresa a la condición inicial. Se obtiene de esta
manera temporización al trabajo, aunque en la práctica también es posible por
mecanismos similares la temporización al reposo.
2.3.4.6.2 Método de temporización electromecánico de accionamiento por
motor
En los relés temporizados de accionamiento por motor se emplea generalmente
un pequeño motor de velocidad constante que garantiza, con independencia de
las fluctuaciones de tensión y temperatura, una buena respuesta en exactitud y
repetitividad para los tiempos ajustados.
El mecanismo básico de este relé es el mismo que ya se describió para los
combinadores de mando de levas, puesto que en última estancia estos
dispositivos son interruptores con contactos retardados.
2.3.4.7 Especificaciones técnicas de los relés temporizados
Para la especificación de un relé temporizado debe indicarse (como mínimo) lo
siguiente:
Naturaleza del retardo (electrónico, neumático, etc.).
El tipo de retardo (al trabajo, al reposo, etc.).
El tiempo de retardo o rango de ajuste de tiempo; así como la posibilidad de
escalamiento del tiempo (x1, x10, etc.).
156
Número de contactos retardados y su disposición eléctrica.
Requerimientos de energía para el funcionamiento del elemento sensible:
voltaje nominal y tipo de corriente.
Corriente y voltaje nominal asignado a los contactos y la categoría de
empleo.
Grado de protección, tipo de encapsulado y dimensiones físicas.
Precisión del retardo (especificación complementaria).
Repetitividad (especificación complementaria).
2.3.5 Relés de protección
Se conocen con este nombre a cierto tipo de relés cuyo elemento sensible se hace
responder al cambio que experimenta una variable eléctrica o no eléctrica de
interés que pueda afectar el comportamiento de ciertos dispositivos o equipos
eléctricos.
En principio, la variable considerada debe estar relacionada con una señal de
tensión y/o corriente, puesto que ese concepto es el que define su designación
como relé.
Estos dispositivos son ampliamente utilizados para la protección de máquinas
eléctricas principalmente motores, generadores y transformadores, y en general,
equipo eléctrico alojado en recintos o tableros asociados a centros de control,
tableros de distribución y de fuerza motriz, entre otros.
Los relés de protección tienen aplicaciones particulares y específicas. En principio
disponen de dispositivos de señalización para indicar condiciones de normalidad,
pre-alarma y alarma. Generalmente vienen acondicionados con dispositivos de
157
ajuste para calibrar los valores de referencia según la variable considerada y el
tiempo de retardo para el accionamiento de los contactos del relé.
Para protección de motores se usan los siguientes relés: de sobrecorriente, de
sobre y bajo voltaje, de sobretemperatura, de inversión de secuencia y de pérdida
de excitación, entre otros. Para protección de generadores se usan: de sobre y
bajo voltaje, de sobre y baja frecuencia, de sobrecorriente, de sobretemperatura,
de verificación de sincronismo y de pérdida de excitación, entre otros.
Se usan también relés de protección para ser instalados en líneas de transmisión,
subestaciones y, en general, en ciertas máquinas de proceso industrial. Algunos
de ellos se ilustran en la Figura 73.
Figura 73. Relés de protección de uso corriente.
Fuente: http://www.directindustry.es/prod/emas/reles.html
La Asociación de Manufactureros de Equipo Eléctrico de Los Estados Unidos
(NEMA) ha clasificado y codificado los relés de protección con una nomenclatura
158
simple de números y letras que hoy se utiliza ampliamente a nivel internacional,
como por ejemplo:
Bajo y sobre voltaje ( código NEMA 27/59)
Sobrecorriente (código NEMA 51)
Sobretemperatura (código NEMA 49)
Sobre frecuencia (código NEMA 81-O)
Bajo frecuencia (código NEMA 81-U)
Inversión de secuencia (código NEMA 47N)
Perdida de excitación (código NEMA 42)
Potencia inversa (código NEMA 32)
Otros
Más códigos de identificación para relés de protección pueden consultarse en la
tabla 11 del ANEXO A de este libro.
Aunque los primeros relés de este tipo se construyeron de naturaleza
electromecánica o electromagnética; hoy en día estos son electrónicos y en casi
todos se aplican los microcontroladores para conseguir una excelente ajustabilidad
y las mejores características de respuesta en estado estacionario y transitorio.
En casi todos los relés electrónicos se incorpora:
Señalización de estado para indicar cuando el dispositivo está activado.
Salida digital normalizada por contacto de estado sólido o por contacto de
relé.
Tiempos de retardo ajustables en la actuación de los contactos.
Display para visualización de la magnitud de la variable de interés.
159
La estructura básica de un relé de protección es simple. En primer lugar se
requiere de un detector (circuito de sensing) que responde a los cambios de la
variable de interés. Para temperatura por ejemplo, se utilizan sondas con
termistores, termorresistencias o termocuplas. Para el muestreo de una señal de
potencia eléctrica se requiere sensar tanto voltaje como corriente; para ello se
utilizan transformadores de corriente, y circuitos divisores de tensión resistivos o
transformadores de potencial a los niveles exigidos por la electrónica interna del
relé. Para los de frecuencia es común el empleo de convertidores de frecuencia a
voltaje. Estos convertidores son circuitos integrados que convierten un tren de
pulsos de entrada en una señal de voltaje de CD, la cual es comparada con otra
de referencia.
La salida del circuito de sensing es comparada con una señal de referencia
asociada a la variable que se quiere controlar. La señal de salida del comparador
puede ser retardada para ignorar variaciones de estado transitorio que no
justifican generar una acción de control. Si la señal de salida se mantiene y
sobrepasa el nivel de referencia, previamente ajustado, se genera la actuación de
los contactos del relé y la señalización respectiva, indicando la presencia de la
falla.
En el Capítulo 4, se ampliará el empleo de algunos de estos relés en la protección
de motores.
En la Figura 74 se ilustra el diagrama de bloques de un relé de protección de
potencia inversa (NEMA 32), conectado a la red por medio de transformadores de
potencial y corriente.
160
Figura 74. Diagrama de bloques de un relé de protección de potencia inversa.
2.3.5.1 Especificaciones técnicas de los relés de protección
Para la especificación de un relé de protección se requiere:
Tipo de relé, según variable a controlar.
Tensión y corriente nominal y tipo de corriente.
Rango de ajuste del tiempo de retardo para la actuación.
Rango de ajuste para la variable de referencia (en forma porcentual o en
magnitud).
Número de contactos, su disposición eléctrica, valores de corriente, tensión
nominal y categoría de empleo.
Grado de protección y tipo de encapsulado.
Disponibilidad de display para medida de la variable.
Disponibilidad de elementos de señalización.
161
2.4 FUSIBLES
La unión franca o directa entre dos conductores sometidos a una diferencia de
potencial origina la circulación de una corriente que puede alcanzar valores de
gran intensidad debido a la baja impedancia del circuito. Esta situación se conoce
con el nombre de condición de cortocircuito y a la corriente circulante como
corriente de cortocircuito (ISC).
A nivel industrial, las corrientes de cortocircuito generalmente toman valores del
orden de kiloamperios, lo que representan situaciones extremadamente
peligrosas, no solo por los daños que se pueden originar en los diferentes
elementos del sistema eléctrico, sino por el riesgo de que se inicie un incendio.
Una condición de cortocircuito debe ser clarificada en tiempos extremadamente
cortos del orden de unos pocos milisegundos, tiempo que solo ciertos dispositivos
como los fusibles, los breakers u otros más de construcción especial están en
capacidad de manejar.
Los fusibles son dispositivos utilizados para dar protección contra cortocircuito. En
principio, se caracterizan por su simplicidad, facilidad de instalación y bajo costo
comparativo. Se conectan siempre en serie con la línea de alimentación o la
carga. Su función principal es la de minimizar el riesgo contra incendio y garantizar
la integridad física de las personas que puedan encontrarse cerca al punto donde
se origina el cortocircuito. Generalmente, una condición de cortocircuito origina
corrientes del orden de kiloamperios, ya que normalmente las tensiones de
alimentación del circuito son elevadas y la resistencia “que ve la fuente” (asociada
al cortocircuito) es prácticamente nula.
Esta situación es de carácter destructivo y para evitar daños importantes en los
conductores de alimentación así como en los elementos del circuito, se hace
162
necesario cortar o interrumpir muy rápidamente la corriente, en tiempo del orden
de milisegundos.
Se construyen empleando un hilo o laminilla de material metálico de bajo punto de
fusión. En general se usa plomo, cobre, aluminio y algunas aleaciones especiales.
Algunas variedades de fusibles comerciales se muestran en la Figura 75.
Figura 75. Tipos de fusibles.
Fuente: http://www.arqhys.com/arquitectura/fusibles-tipos.html
Estos dispositivos presentan una curva característica de tiempo inverso, como la
indicada en la Figura 76.
163
Figura 76. Curvas de respuesta tiempo vs corriente de fusibles industriales.
La corriente Ie representa la corriente nominal o asignada de fusible, la cual es
establecida por el fabricante.
Puesto que el fusible se conecta en serie con la línea de alimentación que conecta
la carga, la corriente del circuito se debe mantener por debajo de la corriente
asignada del fusible para evitar que el elemento se pueda “quemar” y aísle el
circuito.
Utilizando un fusible de acción lenta, el tiempo de actuación t1 sería mayor que el
tiempo t2 correspondiente para un fusible de acción rápida, bajo el supuesto de
que ambos están sometidos a la misma corriente de cortocircuito ISC. En otras
palabras, el fusible lento se demora más tiempo para quemarse que el rápido ante
la misma corriente de cortocircuito.
Puesto que los tiempos de reacción de los relés de sobrecarga son muy elevados
(3 a 4s), ante condiciones de cortocircuito, éstos no están en capacidad de dar la
protección inmediata que se requiere. Solo dispositivos que puedan reaccionar
164
abriendo el circuito en el tiempo de unos pocos milisegundos serán los indicados
para garantizar el funcionamiento satisfactorio de la protección que se busca. Así
pues, los tiempos t1 y t2 indicados en la Figura 76 son tiempos que no sobrepasan
los 10 o 20 ms, reduciéndose aún más en la medida que la intensidad de la
corriente de cortocircuito se hace mayor.
De lo anterior nace la necesidad de implementar la protección integral que
garantice la desconexión tanto por sobrecarga como por cortocircuito, combinando
en serie los elementos apropiados, como por ejemplo, un fusible con un relé
térmico (ver Figura 77) o un relé electromagnético de corriente con un relé térmico,
o directamente con un solo dispositivos de uso generalizado conocido como
cortacircuito o breaker.
Figura 77. Curvas de protección integral para fusible-relé térmico.
Los fusibles se instalan en bases portafusiles que pueden presentar formas
diversas. Los de uso más extendido son los de tipo cápsula y tipo diazed. A nivel
industrial se prefieren los fusibles de acción “lenta”, ya que los denominados de
acción “rápida” se destinan a la protección de equipos y dispositivos electrónicos
165
de potencia que incorporan transistores y tiristores, los cuales son muy sensibles
al efecto de los súbitos de gran corriente que se originan durante un cortocircuito,
puesto que los semiconductores no presentan una gran capacidad térmica.
Los fusibles se especifican normalmente para una corriente nominal asignada le, a
partir de la cual se inicia el efecto de desconexión y aislamiento que proporciona el
dispositivo. Por debajo de ese nivel de corriente el fusible nunca actúa. Para todo
fusible debe indicarse la corriente máxima de cortocircuito que puede interrumpir
con seguridad sin efectos autodestructivos sobre el portafusible y demás
accesorios del montaje. Así mismo, el voltaje nominal o asignado para garantizar
el aislamiento efectivo entre la red y la carga cuando el fusible se destruye. La
corriente máxima de cortocircuito que puede interrumpir un fusible se conoce con
el nombre de corriente disruptiva y se debe indicar a un voltaje de línea
determinado.
Las normas establecen que los circuitos de control o de mando deben llevar un
fusible o un dispositivo equivalente por línea “viva” que se utilice; así mismo
establecen que no se puede proteger el neutro o el conductor de tierra con
fusibles.
También se recomiendan que se incorporen protecciones integrales (sobrecarga
y cortocircuito) en las líneas principales que alimentan los circuitos de potencia
que contienen las cargas.
La protección integral para un motor eléctrico se consigue conectando en serie un
fusible y un elemento sensible del relé térmico por cada línea “viva” de la
acometida usada para alimentar el motor.
Para la gráfica de la Figura 77 se tiene lo siguiente:
166
Ir: corriente de ajuste del relé térmico. Debe ser igual a la corriente nominal o
asignada para el motor a plena carga, considerando la clase de servicio.
le: Corriente nominal o asignada para el fusible.
la: Corriente de arranque del motor.
El fusible de elección para usar con motores es el fusible de acción lenta, debido a
que se puede seleccionar incluso para corrientes (le) menores que la de arranque
del motor (la) sin que se destruya al arrancar la máquina. De esta práctica resulta
un fusible de menor tamaño y por consiguiente de menor costo. Más adelante, en
el capítulo cuatro se dan indicaciones precisas para calcular el tamaño de los
fusibles cuando en el circuito a proteger se tiene varios motores.
Debe tenerse cuidado en la selección de la clase NEMA y del ajuste de la
corriente (lr) del relé de protección para asegurar que el motor pueda arrancar
normalmente sin que dichas protecciones se actúen. Para ello es requisito que la
curva de aceleración del motor nunca corte la curva de la protección integral y
siempre este por debajo de ésta (ver Figura 77). Si se dispone de un relé térmico
tripolar para operar con carga trifásica, debe tenerse presente que las curvas
características del relé solo tienen validez para una corriente de carga igual en los
tres elementos sensibles. Para aplicaciones monofásicas se recomienda conectar
en serie dichos elementos, de lo contrario, el tiempo de disparo o actuación no
será el deseado, ya que el relé detecta la ausencia de corriente por un elemento
sensible como si fuera una pérdida de fase y su actuación se hace más rápida y a
menor corriente, desconectando el motor antes de que se ponga en
funcionamiento.
Algunos diseñadores descartan el empleo de los fusibles y protegen el motor
solamente con dispositivos térmicos, pero esto no es aceptado por las normas
sino cuando se emplean ciertos dispositivos de protección más sofisticados como
167
los interruptores automáticos (o breakers) que están previstos para dar una
protección integral.
2.4.1 Especificaciones técnicas de los fusibles
Para todo fusible debe indicarse:
Corriente nominal o asignada (In o Ie): valor eficaz de corriente por
encima del cual el fusible empieza su proceso de actuación para aislar el
circuito.
Voltaje nominal o asignado (Vn o Ve): tensión máxima sobre la cual
puede operar para garantizar el aislamiento efectivo entre la red y la carga
cuando el fusible se destruye.
Corriente máxima de cortocircuito (Corriente disruptiva): que puede
interrumpir con seguridad el fusible sin efectos autodestructivos sobre los
portafusiles y demás accesorios de montaje. Dicha corriente viene
especificada en kA, para una tensión máxima de línea sobre la cual puede
operar satisfactoriamente.
Capacidad térmica: . Se mide en A2.seg (valor rms de corriente). Esta
especificación es una medida de la capacidad del fusible para actuar con
mayor o menor rapidez ante la presencia de un cortocircuito. Los fusibles
rápidos (fast action fuse) tienen un valor de I2t menor que los lentos (slow
action fuses). Si se pretende que la actuación del fusible sea efectiva, el
del dispositivo o elemento que se quiere proteger debe ser mayor que el
del fusible.
Dimensiones físicas, tipo de encapsulado y portafusible requerido.
Grado de protección.
168
2.5 INTERRUPTORES AUTOMÁTICOS
Son interruptores de accionamiento manual para apertura y cierre (ver Figura 78),
los cuales se abren automáticamente (“se disparan”) cuando por sus contactos
principales circulan corrientes de sobrecarga o cortocircuito que superan umbrales
de referencia fija o ajustable. En principio se construyen para corrientes medias y
elevadas. Sin embargo, algunos fabricantes los construyen para corrientes bajas y
los llaman “mini breakers”.
Figura 78. Tipos comerciales de interruptores automáticos.
Fuente: http://www.editores-srl.com.ar/taxonomy/term/1143
Se conocen también con el nombre de cortacircuitos y mal denominados, como
breakers (ver Figura 79), aunque la palabra es un anglicismo ampliamente
aceptado.
Estos interruptores están previstos para dar protección a generadores eléctricos
(fuentes de energía), y especialmente a los cables y conductores de las
acometidas eléctricas de circuitos de carga asociados, entre otros: a sistemas de
alumbrado, calefacción y aire acondicionado. Su mayor aplicación se da a nivel
169
industrial, para proteger los circuitos asociados a máquinas o grupos de máquinas,
motores o grupos de motores, y equipos auxiliares.
Se instalan normalmente en tableros de distribución, de fuerza motriz, de
transferencia de carga, tableros centralizados para control de motores y en los
denominados tableros multi-breaker, para alimentación de circuitos de alumbrado
y tomas corrientes.
Figura 79. Dibujo ilustrativo de un interruptor termomagnético monopolar.
Sus funciones principales son:
Separar galvánicamente (aislar) de la red o fuente de alimentación todos los
componentes eléctricos de un circuito, para minimizar el riesgo eléctrico y
facilitar los trabajos de limpieza, mantenimiento y reparación.
Como elemento de protección para máquinas eléctricas, particularmente
generadores y transformadores.
170
Para protección de bancos de baterías estacionarias, como por ejemplo los
utilizados en subestaciones, plantas telefónicas y UPS.
Dar protección general a la instalación y en particular a los cables y
conductores de las acometidas eléctricas en situaciones de sobrecarga y
cortocircuito.
Servir de “interruptores totalizadores” para desconectar completamente la
carga en situaciones de emergencia como inundaciones, incendios, etc.
Lo anterior indica que no están diseñados como interruptores para maniobra de
carga sino como interruptores de circuito que permanecen “cerrados” y
eventualmente se “abren” de acuerdo con las situaciones ya indicadas.
Normalmente se usan para dos protecciones básicas, la de cortocircuito y la de
sobrecarga, como se ilustra en la Figura 80. La protección de cortocircuito es
omnipolar, lo que significa que el interruptor se abre aunque el cortocircuito se
haya presentado en alguna de las fases, no en todas.
Figura 80. Curva t vs i del interruptor termomagnético.
171
Su símbolo normalizado se representa en la Figura 81.
Figura 81. Símbolo del interruptor tripolar con disparadores termo-magnéticos por
sobrecarga y cortocircuito.
Para interruptores de alta corriente, muchos fabricantes los acondicionan con la
posibilidad de incorporarles algunos accesorios o mecanismos que permiten
complementar su funcionalidad. Los de uso más frecuente son:
Mecanismos de accionamiento por motor para apertura y cierre por mando
remoto.
Mecanismos de disparo o apertura por mando remoto mediante un
electroimán conocido como bobina de disparo (shunt trip coil) o de emisión
de corriente.
Bobina de mínima tensión para apertura del interruptor (con o sin retardo)
cuando la tensión aplicada a sus bornes es menor que un valor de
referencia.
Mecanismo de bloqueo con cerradura de llave para evitar operaciones de
apertura manual no autorizadas, pero sin inhibir la actuación automática del
interruptor por sobrecarga o cortocircuito.
Contactos auxiliares (NO/NC) para mando o señalización remota según el
estado de cierre o apertura del interruptor.
Mecanismo de ajuste para la corriente térmica o de sobrecarga (Ir) con
respecto al valor de la corriente asignada o nominal (In) del interruptor.
172
Mecanismo de ajuste para la corriente magnética o de cortocircuito (Im) con
respecto al valor de la corriente térmica o de sobrecarga (Ir) del interruptor.
Extensión de palanca de accionamiento para facilitar la maniobra de
apertura y cierre.
Botón de disparo (trip button) para apertura directa y rápida del interruptor
sin necesidad de maniobrar la palanca.
Indicadores digitales de corriente y tensión para las líneas de la red, con el
propósito de facilitar la supervisión de la instalación. Con ello se obtienen
lecturas directas que indican el grado de cargabilidad de los circuitos que
protegen el interruptor.
En interruptores de gran tamaño se tiene la alternativa de escoger
dispositivos extraíbles para facilitar su mantenimiento y reparación. Con
esta disposición se consigue la mejor alternativa de aislamiento de los
circuitos de carga con respecto a la red, sobre todo cuando se trabaja con
altos voltajes.
Por las severas condiciones de servicio en las cuales deben operar los
interruptores automáticos, particularmente durante la maniobra de disparo para
despejar corrientes de cortocircuito, resulta evidente que sus contactos deben
incorporar materiales y elementos que garanticen la apertura con gran rapidez y
con seguridad (sin autodestrucción).
Para ello, los fabricantes construyen los contactos y el recinto donde se alojan
utilizando:
Contactos de aleaciones de plata en forma de cuerno.
Cámaras apaga chispas con placas seccionadoras (fijas o móviles) que
enfrían, fraccionan el arco y garantizan el aislamiento entre polos.
Bobinas de soplado magnético para “expulsar” el arco.
173
Los interruptores automáticos se fabrican en dos versiones:
Con unidad de disparo termomagnética
Con unidad de disparo electrónica
En los primeros se utiliza elementos bimetálicos para la protección de sobrecarga
y mecanismos de electroimán para la protección contra cortocircuito.
En los electrónicos se hace una medición directa de la corriente mediante
transformadores de corriente conectados a las barras internas del interruptor. La
unidad incorpora un microprocesador, el cual además de recibir las señales de
corriente y voltaje presentes en las barras, tiene programada la curva de
protección del interruptor. El uso del microprocesador en el dispositivo permite
hacer ajustes finos de tiempo y corriente, además de configurar la curva con
diferentes zonas de sobrecarga y cortocircuito.
De acuerdo con la programación que hace el fabricante, se ofrecen interruptores
con curvas de respuesta t vs i de gran ajustabilidad tanto en corriente como en
tiempo, como se ilustra en la Figura 81.
Con estas curvas pueden ajustarse diferentes zonas de sobrecarga, lo cual
resulta de gran importancia para la coordinación de las protecciones de la
fábrica.
También, y aprovechando las posibilidades que ofrece el microprocesador, los
fabricantes le adicionan al interruptor funciones de supervisión (medidas de
corriente y voltaje) y protección para apertura por:
Falla de aislamiento (fugas de corriente).
Sobre y/o bajo voltaje.
174
Figura 82. Curvas t vs i para interruptores automáticos con módulo de disparo
electrónico.
Los interruptores automáticos con módulo de disparo electrónico y funciones
complementarias resultan más costosos que los convencionales de tipo
electromagnético. Sin embargo, son los que hoy en día ofrecen las mejores
características de protección.
2.5.1 Especificaciones técnicas de los interruptores automáticos
Para especificar un interruptor automático se debe considerar lo siguiente:
Número de polos o vías de corriente (monopolar, bipolar, tripolar).
Corriente nominal o asignada de servicio.
Rango de ajuste para la corriente de sobrecarga (corriente térmica: Ir) y la
de cortocircuito (corriente magnética: Im).
175
Capacidad de ruptura (corriente disruptiva) y tensión de maniobra.
Naturaleza de la unidad de disparo.
Tipo de bornes de conexión para los conductores o cables.
Funciones complementarias.
Accesorios requeridos.
Tipo de encapsulado (frame) y dimensiones.
Ejemplo de selección (consideraciones mínimas):
Considérese la utilización de un interruptor automático para proteger en bornes un
generador trifásico de 500 kVA, 440 V, 60 Hz, 600 A, cos φ = 0.8.
Para ello se puede escoger por catálogo de fabricante un interruptor con las
siguientes características:
Termo magnético.
Tripolar.
Corriente nominal (ln): 800 A.
Ajustabilidad térmica: (0.5 a 1) ln.
Ajustabilidad magnética: (3 a 10) lr.
Capacidad de ruptura: 30 KA @ 480 V.
Accesorios:
o Bobina de disparo (shunt trip coil) para 24 VCD.
o Juego de contactos auxiliares (1 NO + 1 NC).
Nota: se supone conocida la corriente de cortocircuito en bornes del generador, la
cual se obtiene de datos del fabricante o mediante estudios de corto circuito
basados en las impedancias de la máquina y los demás datos de placa. El valor
calculado para la corriente de cortocircuito en bornes del generador debe ser
176
inferior al valor seleccionado para la capacidad de ruptura que se ha definido en el
ejemplo.
Para el ajuste del interruptor se procede de la siguiente manera:
In: corriente nominal del generador.
Un valor del 300% de la corriente nominal del generador es típico para el ajuste de
la corriente de cortocircuito. Sin embargo, debe considerarse las condiciones de
operación del generador y el tipo de carga que asocia para definir el mejor punto
de ajuste.
2.6 CONTACTORES
Un contactor es un interruptor de potencia de uno o varios contactos normalmente
abiertos accionado por un electroimán. Los contactos del interruptor están
previstos para conectar y desconectar las cargas eléctricas de un circuito de
potencia; por ello se dice que el contactor es un interruptor que tiene “capacidad
de maniobra”. Se diseñan para operar con corrientes nominales y moderadas
sobrecargas. En la Figura 83 se aprecia la presentación de algunos contactores de
uso comercial.
177
Figura 83. Presentación típica de contactores.
Fuente: http://hpindustrialperu.com/hp_industrial_por_categorias.php?c=2
La NEMA (Asociación de Fabricantes de Materiales Eléctricos de los Estados
Unidos), los clasifica en once tipos (00….9) dependiendo de su capacidad de
conducir corriente nominal por los contactos, durante ocho horas.
Tabla 2. Clasificación NEMA para contactores
Tamaño (NEMA) 00 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
In (Amperios) (1) 9 18 27 45 90 135 270 540 810 1215 2250
(1) Corriente para carga resistiva.
La Tabla 2 se ha especificado para ejecución abierta, suponiendo que los
contactores no se encuentran alojados dentro de un gabinete o cubierta. Para
ejecución cerrada, los valores nominales de corriente pueden alterarse. La
simbología normalizada de los contactores se indica en la Figura 84.
178
Figura 84. Simbología normalizada para contactores.
Su aplicación típica es la de maniobra sobre los motores eléctricos, permitiendo su
conexión o desconexión de la línea, o facilitando la realización de tareas
complementarias asociadas a los motores, como por ejemplo: aceleración,
frenado, pulsación e inversión de marcha, entre muchas otras.
También es usado como interruptor de la línea de alimentación asociada al circuito
de potencia de otras cargas industriales, como: bancos de condensadores,
resistencias de hornos y calentadores, cargadores de baterías, electroimanes de
carga, electroválvulas y bancos de lámparas, etc.
En todo contactor se distinguen tres elementos básicos que son:
Electroimán
Contactos
Estructura de extinción de arco
Como la tensión en la bobina del electroimán puede variar en su estado de
funcionamiento normal, éste se diseña de manera que pueda operar
correctamente con fluctuaciones entre el 85% y el 110% de la tensión nominal; y
179
estando energizado, ésta puede ser reducida sin originar desenganche a un valor
de 65% de la tensión nominal.
Puesto que la bobina de un contactor presenta efecto inductivo, la corriente por la
misma no llega inmediatamente a su valor nominal cuando se aplica la tensión de
operación. La corriente crece gradualmente y esto puede demorar el tiempo de
cierre del contactor. El tiempo de cierre (incluyendo el de apertura) está limitado a
unos pocos milisegundos (20 ms, típico), lo cual no representa un retardo
significativo que pueda afectar el correcto desempeño del circuito.
La NEMA también especifica las temperaturas máximas admisibles para diferentes
partes de los contactores.
Temperatura máxima de los contactos: 65ºC
Temperatura máxima de la bobina principal: 50ºC
Temperatura máxima de la bobina soplado: 90ºC
Para contactores de corriente alterna se manifiesta un fenómeno relacionado con
el cambio de reactancia que presenta la bobina del electroimán al conectarse.
Con el electroimán desenergizado, la armadura está separada del núcleo, lo cual
representa una baja reactancia para la bobina. En consecuencia, al conectar el
contactor se demandará una corriente de conexión muy superior a la que
normalmente circula por la bobina. Una vez la armadura es atraída por el núcleo
de electroimán, la reactancia de la bobina se incrementa y en consecuencia la
corriente por la misma se reduce hasta su valor de sostenimiento. Así pues, el
consumo (VA) de la bobina del contactor es mayor al momento de conectar que
mientras está en funcionamiento normal.
Los contactores se clasifican de la siguiente manera:
180
Con respecto al tipo de corriente por la bobina del electroimán:
o De corriente alterna (más usados)
o De corriente directa
Con respecto al número de contactos principales:
o Unipolar o monopolar
o Bipolar
o Tripolar (más usados)
o Tetrapolar
o Pentapolar (usado en aplicaciones especiales)
Con respecto a la disposición eléctrica de los contactos principales:
o NA: Normalmente abiertos (la más usada)
o NC: Normalmente cerrados
Con respecto a su naturaleza:
o Estándar (de uso corriente)
o Yuxtapuestos o enclavados mecánicamente
o Con retención o memoria
o Con bobina de bloqueo
o De estado sólido (electrónicos)
En la fabricación de los contactos se emplea la plata y diferentes aleaciones de
plata con cobre, níquel, oxido de cadmio, etc.; tal como se anotó para los
contactos de los relés. Los contactos de plata, o material sintetizado con plata son
muy utilizados por su gran resistencia al desgaste por efecto del arco y la
corrosión, y por su alta conductividad y su larga vida útil.
En general, los contactos principales de un contactor son normalmente abiertos,
ya que esta disposición es la que habilita la operación de maniobra para la
181
conexión o desconexión de una carga a la red. Sin embargo, para realizar algunas
funciones particulares sobre motores, se requiere el uso de contactos de potencia
normalmente cerrados. Para ello, y sobre pedido al fabricante, este se construye y
comercializa contactos con esta disponibilidad, pero debe aclararse que en
principio no son de uso comercial generalizado.
Los contactos deben presentar ciertas características eléctricas y mecánicas:
Eléctricas:
o Conducir la corriente nominal sin sobrecalentamiento.
o Garantizar la apertura del circuito y el aislamiento de la carga.
Mecánicas:
o Ser resistentes a la corrosión y al efecto nocivo del arco.
o Cerrar de golpe sin rebote ni vibración.
o Resistir los golpes de interrupción sin desgaste.
o Garantizar el cierre y la apertura simultánea de todos los contactos
en tiempos muy cortos.
o Permitir al momento de cerrar, un ligero deslizamiento del contacto
móvil sobre el fijo, para eliminar la capa de suciedad que pueda
presentarse sobre su superficie por efecto de condiciones
ambientales adversas.
o Garantizar, estando cerrados, una presión adecuada de los
contactos móviles sobre los fijos, para mantener la resistencia de
contacto en un mínimo valor.
En la Figura 85 se ilustra un contactor monopolar de corriente alterna para alta
corriente. La cámara apaga chispas crea un tiro natural (efecto chimenea) que
facilita la salida de los gases calientes ionizados por efecto del arco y mejora la
acción del soplado magnético cuando se usa. Además encierra los contactos para
182
evitar que el arco se extienda a otros lugares. Materiales cerámicos, resinas
epóxicas y en algunos casos el asbesto se emplean en su fabricación. Estas
sustancias son incombustibles y antihigroscópicas.
Los contactos tienen forma de cuerno, con lo cual se facilita la extinción del arco
por elongación. La bobina de soplado va conectada en serie con el contacto fijo y
se construye de alambre grueso y pocas espiras. Dicha bobina está dispuesta de
tal manera que el campo que produce atraviesa los contactos del contactor
perpendicularmente al plano de la figura.
El núcleo de hierro dulce sobre el cual va devanada la bobina principal es macizo
y de baja remanencia.
Cuando el electroimán atrae la armadura, el contacto móvil golpea sobre el fijo y
es comprimido por el resorte de presión para evitar el rebote. El contacto móvil
sufre una acción de deslizamiento sobre el contacto fijo, que elimina la capa de
suciedad y oxido que puedan tener los contactos. La presión del contacto móvil
sobre el fijo puede ajustarse en algunos casos con el tornillo de presión. La
armadura regresa a la posición original (cuando se desenergiza la bobina) por la
acción del resorte de armadura y la gravedad, dependiendo esta última de la
posición del contactor.
183
Figura 85. Contactor de CA de alta corriente.
La fuerza de atracción que sufre la armadura se mide en kilogramos-fuerza y es
directamente proporcional a:
NI: Amperios – vuelta de la bobina principal
A: Sección transversal del núcleo
L: Longitud del entrehierro
K: Constante de proporcionalidad
Para contactores multipolares de alta corriente (tamaño 5 en adelante, según
NEMA) una construcción común consiste en emplear un eje unido a la armadura;
sobre el cual se disponen los contactos móviles y a lo largo del mismo se colocan
los contra-contactos fijos. Cada contacto fijo lleva bobina de soplado y cámara
apaga chispas.
184
La mayoría de los contactores se fabrican con contactos auxiliares diseñados para
actuar en los circuitos de control; específicamente para el automantenimiento o
retención de la bobina principal y para iniciar acciones de control sobre las bobinas
de otros contactores y relés.
En la mayoría de los casos, los contactos auxiliares se diseñan como bloques de
contactos que puedan ser insertados a la estructura de la armadura para ser
accionados cuando el electroimán se energiza. Estos contactos pueden ser
instantáneos o retardados (usando bloques neumáticos temporizados).
Los contactores de corriente alterna poseen las mismas partes fundamentales del
contactor de corriente directa (electroimán, contactos y sistema de soplado) y se
clasifican de manera similar. La construcción multipolar es la más frecuente (con
tres o cuatro contactos principales) con el objeto de que puedan ser utilizados en
sistemas trifásicos y otras aplicaciones (ver Figura 86).
Figura 86. Estructura básica de un contactor de CA.
185
La diferencia del contactor de CA con el de CD radica en la estructura magnética
del electroimán.
Los de CA presentan dos diferencias:
Llevan núcleo laminado (chapas delgadas y aisladas) para reducir las
pérdidas de calor por corrientes parásitas.
Llevan polos o bobinas de sombra; que son espiras de cobre en
cortocircuito localizadas en la cara polar del electroimán; cerca del
entrehierro (ver Figura 87). Cuando se conecta la bobina a una fuente de
CA, la corriente magnetizante y el flujo pasan por cero dos veces en cada
ciclo. Esto tiende a soltar momentáneamente la armadura en cada inversión
del flujo produciendo vibración del electroimán, lo cual es audible y
envejece rápidamente el electroimán por los esfuerzos mecánicos a los
cuales queda sometido.
Figura 87. Efecto de retención por medio de la bobina de sombra.
La bobina de sombra está formada por una espira, cuya reactancia y resistencia
están proporcionadas de manera que la corriente inducida en ella por efecto de
186
transformador, establece un flujo secundario (φs) atrasado aproximadamente 60º
con respecto al flujo principal (φp).
En estas circunstancias, siempre que el flujo principal pase por cero, existirá un
flujo adicional los que mantiene cerrada la armadura. Este flujo de todas maneras
es mucho menor que el principal pero su efecto es suficiente para retener la
armadura y eliminar la vibración.
Existen dos diseños fundamentales para la construcción del circuito magnético en
los contactores de CA con respecto al movimiento de la armadura. Estos pueden
ser:
De desplazamiento angular.
De desplazamiento longitudinal (vertical u horizontal según posición de
montaje).
Los de desplazamiento angular se emplean en contactores de gran capacidad
de conducción de corriente y para altos voltajes de línea, ya que presentan buen
aislamiento entre polos. Los contactos móviles se montan sobre un eje que gira
cuando la armadura del electroimán es atraída. Los contra-contactos fijos se
encuentran dispuestos a lo largo del eje. Cada par de contactos lleva su cámara
apagachispas y está suficientemente separado de los otros, con lo cual se logra
un buen aislamiento entre circuitos que es lo buscado con este tipo de
construcción. El tipo de núcleo más empleado es el laminado en forma de U.
Los de desplazamiento longitudinal son los más usados. Se utilizan mucho en
los contactores de tamaño pequeño y mediano (por ejemplo, hasta tamaño 7, 8,
según NEMA). En éstos, la armadura se desplaza vertical u horizontalmente sobre
una guía y arrastra los contactos móviles permitiendo la actuación de los
interruptores del dispositivo.
187
El núcleo empleado para el electroimán es generalmente el de tipo acorazado
(forma de E), donde la armadura se introduce parcialmente en la bobina y esta va
devanada en la parte central.
Como ya se indicó, la bobina del electroimán demanda una mayor corriente en el
momento de su energización. Cuando la estructura magnética de la armadura se
va cerrando, el entrehierro se hace cada vez menor y la reactancia va aumentando
con la consiguiente disminución de la corriente. Para el momento en el cual la
armadura se cierra, la corriente cae a su valor magnetizante, corriente suficiente
para mantener el contactor operado.
Cuando se abren los contactos de un contactor se presenta un arco entre los
mismos que pueden ser sumamente perjudiciales, especialmente cuando se trata
de interrumpir cargas inductivas.
Los contactores son diseñados para operar con circuitos no inductivos (lámparas,
hornos de resistencia, etc.) o con circuitos altamente inductivos o capacitivos, o
moderadamente inductivos y preponderantemente resistivos, tales como circuitos
de control, maniobra sobre electroimanes, inducidos de motores de CD, motores
de CA, etc. Las cargas resistivas no acumulan energía y en el instante de la
interrupción de la corriente la tensión que aparece entre los contactos es igual a la
tensión de la fuente de alimentación. Sin embargo, en un circuito inductivo es
mucho mejor y se acumula energía y cuando se abre dicho circuito esa energía se
disipa en el arco (la mayor parte) que aparece a través de los contactos.
Si la corriente se interrumpe muy rápidamente, puede originarse una tensión muy
elevada (Ldi/dt) en la inductancia asociada (hasta de varios kV), la cual se
superpone con la de la línea y aparece a través de los contactos. En estas
circunstancias el arco se puede “cebar” (no se extingue) produciendo un agudo
188
desgaste o erosión en determinados puntos de los contactos o aún peor, logrando
que se suelden. Al final se llega a la destrucción de los contactos y del mismo
contactor.
Para obtener una buena extinción del arco, se emplea un sistema muy efectivo de
tipo magnético que se conoce con el nombre de “soplado magnético”. Con este
método el arco se extingue rápidamente, eliminando así la elevación excesiva de
la tensión en bornes de los contactos. Éstos, al irse separando van aumentando la
impedancia del arco y disminuyendo la corriente. Al final, la separación es tal que
la tensión a través de los contactos es insuficiente para mantener el arco y éste se
extingue.
Cualquier arco puede extinguirse por elongación, sin embargo, la separación
normal entre los contactos de un contactor puede no ser lo suficiente para
extinguir el arco, especialmente cuando se trata de cargas muy inductivas. El
soplado magnético es uno de los métodos más efectivos para solucionar este
problema.
La fabricación de los contactos en forma de cuerno es un medio eficaz para
acelerar la elongación del arco y facilitar su extinción. Esta técnica se aplica para
los grandes contactores.
El principio de funcionamiento del soplado magnético se ilustra en la Figura 88 y
se puede resumir así:
Cuando se forma un arco entre los contactos se ioniza el aire por efecto del
bombardeo de electrones sobre los átomos de los gases que lo conforman. El arco
(la chispa) es la manifestación del paso de la corriente a través del aire. El sentido
del movimiento de las cargas (q) es el mismo de la corriente (i) que va de un
contacto al otro. La bobina de soplado origina un campo magnético (B)
189
perpendicular al plano de desplazamiento de los contactos, y de la interacción de
ese campo y la corriente de arco resulta una fuerza mecánica de repulsión (F)
sobre las partículas cargadas, la cual es perpendicular a la dirección del campo y
a la dirección de desplazamiento de dichas partículas. Esta fuerza hace que el
arco se aleje de los contactos y se acerque a los extremos en forma de cuerno
donde el arco se extingue por elongación. Téngase presente que el aire ionizado
es un excelente conductor de la electricidad.
Figura 88. Principio de soplado magnético.
Después de la extinción, la fuerza de soplado desaparece puesto que ya no queda
circulando corriente por la bobina de soplado que está en serie con el contacto. En
algunos contactores esta bobina puede ser de alta impedancia e ir conectada en
derivación con la línea; en otros casos podrá sustituirse su efecto por medio de un
imán permanente (sólo en CD) localizado en el punto donde debería estar ubicada
la bobina de soplado.
Cuando se trata de interrumpir una corriente alterna, el efecto de soplado no se
altera puesto que la fuerza sigue actuando en la misma dirección en virtud de que
el campo y el sentido de circulación de las cargas se invierten simultáneamente.
190
Por lo demás, puede apreciarse que el efecto de soplado es mejor mientras mayor
sea la corriente a interrumpir.
2.6.1 Contactores enclavados (yuxtapuestos)
Se construyen también los denominados contactores enclavados mecánicamente
(interlocked) o yuxtapuestos (ver Figura 89). Son dos contactores estándar
montados sobre una base común y acoplados mecánicamente de tal manera que
la operación de uno de ellos inhibe el funcionamiento del otro y viceversa. Su
empleo es corriente en circuitos cambiadores de velocidad, arrancadores estrella -
triángulo, circuitos de frenado de contramarcha y en circuitos para inversión de
marcha de motores eléctricos, entre muchos otros.
El enclavamiento mecánico se complementa en la práctica con el denominado
“enclavamiento eléctrico” el cual evita que la bobina del contactor que no está en
operación pueda ser energizada, originando un recalentamiento de la misma,
debido a que su circuito magnético permanece abierto y en consecuencia la
impedancia de la bobina es baja.
Figura 89. Contactor enclavado y estructura básica de los “cuernos de
enclavamiento”.
Fuente: http://www.foroelectricidad.com/viewtopic.php?f=7&t=3894
191
2.6.2 Contactores con retención o memoria
Otro tipo de contactor es el denominado de retención o de memoria (latch
contactor). Está constituido con dos bobinas; una de ellas denominada de posición
(set) y la otra de reposición (reset). La energización momentánea de la bobina de
posición es suficiente para que los contactos se armen en forma permanente. La
energización momentánea de la bobina de reposición es suficiente para que los
contactos se rearmen quedando en la posición de reposo inicial. El mando de las
bobinas se realiza con simples pulsadores de contacto momentáneo y como
resulta evidente, con el empleo de este tipo de contactores se logra un ahorro
importante de energía.
En los contactores de retención o memoria, la retención de los contactos se logra
por medios mecánicos o magnéticos, impidiendo que la armadura regrese a la
posición de reposo cuando la bobina de set se desenergiza. En los mecánicos, la
bobina de reset libera el trinquete de fijación para que la armadura se suelte. En
los magnéticos, la fijación se logra por medio de un imán permanente que sostiene
la armadura cuando ésta alcanza la posición final del recorrido. En este caso, la
bobina de reset está bobinada sobre el núcleo del imán y cuando es energizada
reduce el flujo magnético de retención permitiendo la liberación de la armadura y
el rearme de los contactos.
Algunos contactores incorporan dispositivos de apertura por mínima tensión para
permitir el rearme de los contactos cuando se presenta una bajo nivel de voltaje o
un corte en el servicio de la energía eléctrica. Debe tenerse la precaución de no
energizar permanentemente las bobinas de este contactor ya que su diseño no se
hace para servicio continuo, sólo el mando por pulsos es el indicado. Este
contactor tiene una estructura similar a la de los relés con retención o memoria
indicados anteriormente en la Figura 88.
192
2.6.3 Contactores con bobina de bloqueo
Otros tipos de contactores se construyen de funcionamiento especial. Así por
ejemplo, se tiene el denominado contactor con bobina de bloqueo, en el cual se
tienen dos bobinas denominadas bobina principal o de cierre y bobina de bloqueo.
Están conformados por una estructura con doble circuito magnético, como se
ilustra en la Figura 90). El circuito magnético principal asocia la bobina de cierre y
el circuito magnético auxiliar asocia la bobina de bloqueo. Si la bobina de bloqueo
se energiza previamente a la de cierre, esta última queda inhibida para actuar
sobre los contactos. Si la bobina de cierre se energiza primero que la de bloqueo,
esta última queda inhabilitada para desactivar el contactor y los contactos se
mantienen cerrados de forma permanente.
Figura 90. Esquema de contactor con bobina con bloqueo.
Como se indicó, en este contactor el circuito magnético está diseñado para que la
energización previa de la bobina de bloqueo impida la operación de los contactos
193
del contactor cuando se conecte la bobina de cierre. Para lograrlo es
indispensable desenergizar nuevamente la bobina de bloqueo dejando conectada
la de cierre.
Sin embargo, si primero se energiza la bobina de cierre, la bobina de bloqueo ya
no realiza ninguna función y el dispositivo opera como un simple contactor. Se
utiliza con frecuencia para la aceleración por resistencias de motores de corriente
directa.
2.6.4 Contactores de estado sólido (SSC, abreviatura en inglés)
Los contactores de estado sólido se construyen con dispositivos semiconductores
de silicio, especialmente con los denominados Rectificadores Controlados de
Silicio (SCR) y los TRIAC.
Con los SCR se consiguen las mejores alternativas de conmutación estática ya
que pueden operar con corrientes y tensiones relativamente altas; hasta unos 80A,
600V.
En su aspecto constructivo no se diferencian notablemente de los relés de estado
sólido (SSR) ya explicados. De hecho, las ventajas y desventajas comparativas de
los SSC con relación a los contactores electromagnéticos son las mismas que se
han indicado para los SSR y los relés electromagnéticos. La diferencia
fundamental radica en una mayor corriente nominal permanente por los
“contactos” y en el número de polos que generalmente son tres para permitir el
uso del dispositivo con cargas trifásicas.
En la Figura 91 se ilustra un circuito básico de contactor de estado sólido
resaltando sólo uno de los “contactos” del mismo.
194
Figura 91. Contactor de estado sólido (SSC)
Aunque el voltaje de control es de corriente alterna, el módulo de entrada
incorpora un rectificador y algunos elementos de protección y limitación de
corriente para que los LED de los optoacopladores puedan funcionar
satisfactoriamente.
Con el enlace óptico entre la interfaz de entrada y el de salida se consigue un
excelente aislamiento eléctrico que puede llegar hasta unos 5 kV. De esta forma el
circuito de mando no se verá influenciado ni perturbado por los fenómenos
adversos que se presenten en la red debido a efectos secundarios de descargas
atmosféricas, desconexión de cargas inductivas o ruidos.
El “contacto” está formado por la conexión en paralelo inverso de dos SCR.
Esta conexión es típica para permitir la circulación de corriente en ambos
semiciclos. Se adiciona una red RC para mejorar la respuesta de los dispositivos
por velocidad de crecimiento de tensión y un circuito de acople que
emplea un optotriac y una resistencia RG para limitar la corriente de las
compuertas de manera que el disparo de los SCR se dé justo cuando se aplique la
señal de control o mando sobre los terminales A1 y A2 del relé (ver Figura 91).
195
Estos contactores tienen limitaciones que impiden su uso a cualquier tipo de
carga. Sólo funcionan satisfactoriamente con cargas resistivas o moderadamente
inductivas. Así mismo, para elevadas corrientes se incrementan las pérdidas
internas por calor y el dispositivo toma dimensiones que lo hacen no práctico para
ser utilizado en espacios reducidos, con poca ventilación. Todos los SSC
incorporan un disipador de calor en su estructura, el cual es voluminoso y a veces
debe ser refrigerado artificialmente con aire forzado.
Son ideales para aplicaciones donde se requiere elevada frecuencia de maniobras
como transporte de materiales, mando de lámparas intermitentes, conexión de
calefactores e instalaciones sometidas a vibraciones y sacudidas. En principio
pueden realizar hasta diez maniobras por segundo sin ningún problema de
conmutación.
También son ideales cuando se tienen instalaciones sometidas a vibraciones y
sacudidas, ya que prácticamente no hay exigencias especiales en estos
dispositivos y puede adoptarse cualquier posición de montaje en cualquier
ambiente de trabajo.
Se construyen para un grado de protección IP20 (típico) que otorga protección
contra contactos involuntarios con los dedos y contra contacto por cuerpos sólidos
de tamaño mediano.
Se pueden diferenciar dos tipos de contactores de estado sólido:
Con conexión en el cruce por cero.
Con conexión instantánea.
En los primeros, la carga no se conecta inmediatamente a la tensión de la red
cuando se aplica la tensión de control. Esto sucede justo cuando la tensión de la
196
red es menor que un valor límite cercano al cruce por cero. Este modo de operar
resulta muy apropiado para cargas resistivas (calefactores o lámparas) ya que se
limita la corriente de conexión, lo cual significa una carga reducida tanto para los
tiristores como para la red de alimentación puesto que después del cruce por cero
la corriente aumenta gradualmente en forma sinusoidal a medida que lo hace la
tensión.
En los SSC de conexión instantánea, los tiristores conducen inmediatamente se
aplica la señal de control, independientemente del valor que tenga la tensión de la
red. Esto conlleva a elevadas intensidades de corriente de conexión si la
conmutación se realiza con carga resistiva y justamente cuando la onda de tensión
tiene un valor cercano al máximo o de pico. Para esta situación, los tiristores
utilizados deben ser seleccionados con un alto di/dt.
Este modo de operación se prefiere para conectar cargas inductivas; por ejemplo
motores, transformadores, electroimanes; porque en estas cargas la variación de
la corriente en el tiempo es lenta, lo que implica un bajo di/dt, lo cual asegura que
está por debajo del valor asignado para el tiristor.
Los SSC se conectan como cualquier contactor convencional y su selección se
hace siguiendo las recomendaciones de norma para la clase de servicio y la
corriente nominal. Debe especificarse el voltaje de control y el tipo de corriente
tanto para la entrada como para la salida, además del número de polos que son
requeridos.
2.6.5 Verificaciones y pruebas en contactores
Los contactores se someten generalmente a pruebas muy rigurosas de calidad. La
mayoría de los fabricantes los construyen de manera que respondan a las
197
prescripciones de los principales organismos de control, en especial los de países
de alto desarrollo tecnológico y mayormente industrializado. Para ello, los
fabricantes deben tener equipo que permita probar lo siguiente:
Tensión de cierre.
Tensión de apertura.
Aislamiento entre polos.
Corriente permanente y de conexión/desconexión por los contactos
principales.
Consumo del electroimán en VA.
Tiempo de cierre y apertura.
Rebote entre contactos.
Funcionamiento silencioso.
Funcionamiento simultáneo de los contactos.
Fuerza de los resortes.
Resistencia al choque y al impacto.
Distancia entre contactos, etc.
Vida útil mecánica.
Vida útil eléctrica.
Otros.
A modo de ejemplo y como dato informativo sobre las especificaciones de un
contactor típico, consideremos los siguientes valores tomados de un contactor de
marca de 35 A con categoría de empleo AC3:
Vida media de los contactos para clase AC3: 1.2 millones de operaciones.
Vida mecánica del contactor (conectado sin carga): 15 millones de
operaciones.
Corriente asignada de servicio (le) para clase AC3:
198
o Ejecución abierta: 35 A.
o Ejecución cerrada: 27 A.
Bobina principal (sobre base vertical):
o Consumo en la atracción: 60 VA.
o Consumo en operación: 12 VA.
o Voltaje asignado de servicio (Ve): 220 V.
o Voltaje de sostenimiento: 0.85 Ve.
o Voltaje máximo permisible: 1.1 Ve.
o Tiempo de excitación: 10 - 25 ms.
o Tiempo de desexcitación: 10 - 20 ms.
Frecuencia máxima de operaciones bajo carga: 120 operaciones / hora.
Voltaje de aislamiento entre polos y masa: 2.5 kV.
Temperatura ambiente máxima para ejecución abierta o cerrada: 60ºC.
Los contactores se construyen generalmente de manera que tengan resistencia a
los efectos del clima, es decir, que puedan instalarse en sitios donde la
temperatura ambiente pueda tener variaciones extremas, la humedad del aire sea
superior al 80% y ocurran condensaciones frecuentes; esto se conoce bajo el
nombre de Ejecución Tropicalizada. Además, los contactores se hacen
insensibles a las diferencias de altura sobre el nivel del mar (hasta 2000 mt); y en
especial a las trepidaciones, por lo cual pueden emplearse por ejemplo, en
instalaciones de elevación o de laminación, entre otras.
La vida útil de los contactos está determinada fundamentalmente por la ausencia
de fenómenos de rebote durante el accionamiento y por la intensidad de corriente
de conexión y desconexión de los consumidores. En general, los contactos
pueden cambiarse fácilmente en la mayoría de los contactores, y durante la vida
útil mecánica es posible renovarlos hasta dos y más veces. Los contactos de un
199
contactor se pueden conectar en paralelo para aumentar la capacidad de
conducción de corriente. En caso de conexión en paralelo de dos vías de
corriente, puede hacerse circular (según normas internacionales IEC) una
intensidad de corriente igual a 1.8 veces la corriente asignada (le) de una vía.
En caso de conexión en paralelo de tres vías de corriente, puede hacerse circular
una intensidad de corriente asignada de 2,5 veces la de una vía. Esto debido a
que las dos o tres vías de corriente de un contactor no cierran y abren al mismo
tiempo y además las resistencias internas de los contacto, a pesar de ser de bajo
valor, no son exactamente iguales. Por ello, una de las vías de corriente debe
soportar inicialmente una mayor intensidad de corriente de conexión o
desconexión.
En consecuencia, la capacidad de conexión o desconexión del contactor no
aumenta a su valor máximo esperado por el hecho de realizarse una conexión en
paralelo. En la Tabla 3 se indican los valores de intensidad de corriente asignada
para conexiones en paralelo en dos o tres vías de corriente, especificando la
máxima capacidad de conducción de corriente durante la conexión y desconexión
de la carga.
En caso de conexión en serie de las vías de corriente, la capacidad de
desconexión aumenta debido a la ruptura múltiple del arco. Esto indica que el
contactor estará en capacidad de efectuar operaciones de desconexión a
tensiones mayores que las del servicio nominal. Sin embargo, la conexión serie
carece muchas veces de importancia, puesto que los contactos se construyen con
capacidad de conexión y desconexión muy superiores a las especificadas como
valores nominales máximos.
200
Tabla 3. Intensidades de corriente para esquemas de conexión de 2 y 3 vías.
El empleo de contactores tripolares para maniobra sobre cargas monofásicas o de
corriente directa se hace de forma convencional pero estableciendo la conexión
serie entre los contactos principales o vías de corriente de la carga, según se
indica en la Figura 92. De forma similar se conecta un relé térmico tripolar para
proteger motores de CD o monofásicos de CA.
Esta disposición resulta ventajosa porque hay un desgaste homogéneo de los
contactos y al mismo tiempo se obtiene una mayor capacidad de maniobra para la
desconexión de la carga.
201
Figura 92. Conexión de un motor de CD (o CA) a una red bifilar usando
contactores tripolares.
2.6.6 Especificaciones de corriente y voltaje para los contactores
La capacidad de un contactor para manejar una carga está dada por la intensidad
de la corriente que los contactos del dispositivo pueden conectar, bajo condiciones
definidas, sin que se suelden los contactos o se recalienten durante la conexión.
Así mismo, para condiciones definidas, la capacidad del contactor para manejar la
carga tiene en cuenta también la intensidad de la corriente que el aparato puede
desconectar sin que haya un desgaste excesivo por la erosión eléctrica que
origine el arco que se presente.
La vida útil eléctrica de los contactos del contactor está influenciada por el número
de maniobras de conexión y desconexión de éste para condiciones de operación
con carga. La vida útil de un contactor está determinada por un número máximo
202
de maniobras bajo carga que el contactor puede realizar sin que sea necesario
efectuar reparaciones o remplazos de piezas (esta información la ofrece el
fabricante).
Para precisar mejor el concepto de capacidad de manejo de carga de un
contactor, los fabricantes han definido lo que se conoce como la capacidad de
conexión asignada y capacidad de desconexión asignada.
Capacidad de conexión asignada es la máxima relación de corriente de
conexión con respecto a la corriente nominal o asignada de servicio que los
contactos del contactor pueden manejar bajo una categoría de empleo,
garantizando su vida útil.
Capacidad de desconexión asignada es la máxima relación de corriente de
desconexión con respecto a la corriente nominal o asignada de servicio que
los contactos del contactor pueden manejar bajo una categoría de empleo,
garantizando su vida útil.
La definición de estas corrientes es la siguiente:
Corriente de conexión (I)
Es la corriente que se establece inmediatamente después del cierre de los
contactos del contactor (o en general, de un interruptor) al conectar la carga. La
corriente de conexión, para la mayoría de las cargas, es varias veces superior a la
corriente que se define como nominal o la asignada de la carga.
Así por ejemplo:
o En las lámparas incandescentes, el pico de la intensidad de la
corriente de conexión alcanza un valor aproximado de 15 veces el
valor asignado para la lámpara.
203
o Con aparatos para calefacción eléctrica (hornos de resistencia,
planchas, estufas, calentadores de agua, etc.) la corriente de
conexión puede ser hasta 1,4 veces la corriente asignada.
o Cuando se conectan lámparas de descarga gaseosa, la corriente de
conexión está entre 10 y 20 veces la corriente asignada, según el
tipo de lámpara utilizada.
o Al conectar motores eléctricos, la corriente de conexión (corriente de
arranque) puede estar comprendida entre 3 y 8 veces la corriente
asignada, según sea el tipo de motor.
o En la conexión de transformadores de baja tensión, se pueden
esperar corrientes de conexión hasta de 30 veces la corriente
asignada.
Corriente de desconexión (lc)
Es la corriente que circula en el instante en que se abren los contactos del
contactor (o de un interruptor). Se incluyen las corrientes de sobrecarga o de
cortocircuito. Esta corriente depende de los efectos inductivos o capacitivos
asociados a la carga.
Corriente asignada de servicio (le)
Es la corriente (R.M.S) que el fabricante especifica en la placa del contactor (o de
un interruptor) para una clase de servicio determinada; y que el dispositivo puede
conducir en forma permanente bajo condiciones establecidas. La corriente
asignada de servicio, conocida también como la corriente nominal (In), tiene en
cuenta la tensión y la frecuencia asignadas, así como la vida útil del contactor. Un
aparato de maniobra puede tener asignadas diferentes intensidades de corriente
según la clase de servicio y la categoría de empleo.
204
Corriente térmica convencional (lth)
Es la máxima corriente permanente (R.M.S.) que pueden conducir al aire libre los
contactos de un contactor (o de un interruptor) sin que se supere la temperatura
límite o máxima prevista para la cual el dispositivo no funciona satisfactoriamente.
Tensión asignada (Ur)
Es la tensión a frecuencia industrial a la cual el fabricante se refiere al especificar
la capacidad de ruptura asignada del dispositivo de maniobra. Esta tensión es la
que se conoce como la tensión nominal (Vn) de los contactos del contactor y
representa el valor máximo por debajo del cual asegura el correcto funcionamiento
del circuito principal o de potencia para garantizar las exigencias que impone una
norma.
Tensión de servicio asignada (Ue)
Es el valor de la tensión a la cual se refieren los valores de la capacidad de cierre
(conexión) y de ruptura (desconexión) de los contactos de un contactor (o de un
interruptor). En circuitos de carga trifásicos, por lo general, se indica la tensión de
línea como la tensión de servicio asignada.
Tensión aplicada (U)
Es la tensión que se aplica en los bornes de los contactos del contactor (o de un
interruptor) justo antes de que se lleve a cabo la conexión de la carga. El concepto
de valor nominal solo se ha dejado para designar valores que define claramente
una norma o que se ha estandarizado en forma permanente y universal, como por
ejemplo las tensiones y frecuencias de las redes de alimentación.
Para aquellos dispositivos que se diseñan para determinadas magnitudes físicas.
El concepto de valor asignado es el que se debe seguir utilizando según
recomienda y establece la norma IEC 947-..., y las normas DIN / VDE 0660-....
205
En este libro sin embargo, no se ha querido romper totalmente con el concepto
tradicional del valor nominal utilizado para especificar dispositivos eléctricos. Por
ello se ha preferido denominar con la referencia de valor nominal o asignado
buscando que el lector se familiarice naturalmente con el nuevo concepto.
Con base en las definiciones de norma definidas anteriormente, puede darse una
indicación más clara y precisa sobre los conceptos de capacidad de conexión
asignada y capacidad de desconexión asignada.
Un dispositivo de maniobra como un contactor, por ejemplo, tendrá una mayor
capacidad de conexión asignada mientras mayores sean las relaciones: l/le y
U/Ue para el menor valor de cos Ø o L/R asociado a la carga al momento de hacer
la conexión de la misma.
Un dispositivo de maniobra para el mismo dispositivo, por ejemplo, tendrá una
mayor capacidad de desconexión asignada mientras más elevadas sean las
relaciones: lc/le y Ur/Ue para el menor de cos Ø o L/R asociado a la carga al
momento de hacer la desconexión de la misma.
2.6.7 Selección de contactores para maniobra sobre motores
De acuerdo con las normas NEMA, la selección de contactores se realiza según la
clase de servicio que el motor haya de prestar y sus correspondientes valores
nominales de potencia y tensión de alimentación. En el ANEXO A se especifican
los contactores a elegir para tres categorías de empleo de motor y de su tensión
nominal o tensión asignada de servicio.
Como es evidente, no deben emplearse para motores cuyas potencias nominales
rebasen los valores de la tabla.
206
Obsérvese en las tablas que para determinados tamaños de contactores, pueden
emplearse motores mayores a medida que aumenta la tensión. Ello se debe a que
los contactos de los contactores están proyectados para máximas intensidades de
corriente, las cuales disminuyen en proporción a las tensiones más elevadas del
motor. Puede verse también, que cuando el servicio es más exigente se utilizan
con los mismos contactores motores de menor potencia, porque las frecuentes
paradas con frenado a contra corriente, la inversión del sentido en marcha,
avances graduales intermitentes (a pasos), y en general, más de cinco aperturas
de contacto por minuto tienden a recalentar el contactor con el consiguiente
desgaste y las quemaduras de sus contactos.
Para selección de contactores que trabajen ocho horas al día, en ejecución
abierta, bajo condiciones medias de servicio, trabajo sin frenado a contracorriente
o sin avance gradual, se utiliza la tabla 12 del ANEXO A.
Para motores que deben parar y arrancar más de cinco veces por minuto (avance
gradual), con frenado a contracorriente o avance gradual, se utiliza la tabla 14 del
anexo.
Para motores de jaula de ardilla trifásicos, que deben operar a varias velocidades
y potencia constante, con frenado a contracorriente o avance gradual, se utiliza la
tabla 14 del ANEXO A.
Aunque la fabricación y selección de contactores se realiza con base en las
normas de cada país: Alemania (DIN/VDE), Francia (UTE), Inglaterra (BS),
Estados Unidos (ANSI /NEMA), etc.; el Comité Europeo para la Normalización en
el campo de la electrotecnia (CEN) ha conseguido la aceptación de la normativa a
través de documentos de armonización que responden en gran parte a las normas
internacionales publicadas por la IEC y al mismo tiempo satisfacen a las
instituciones de normalización y comités electrotécnicos de los diferentes países
207
europeos. Sin embargo, las normas y disposiciones de Estados Unidos y Canadá,
así como las normas australianas aún difieren considerablemente de las
publicaciones IEC. En dichos países, determinados dispositivos de maniobra de
baja tensión, solo pueden ser comercializados si con anterioridad han sido
aprobados por un laboratorio de homologación donde se realicen ensayos
autorizados.
En general, los contactores se seleccionan teniendo en cuenta la corriente
nominal de la carga, el tipo de carga y la clase de servicio, tratando de
alcanzar la mayor vida útil de los contactos principales.
Las cargas típicas industriales se pueden clasificar en:
Motores de baja tensión
Motores de alta tensión
Condensadores
Electroimanes de potencia (frenos, embragues, electroválvulas, etc.)
Aparatos de calefacción
Instalaciones para iluminación
Transformadores de baja tensión
Equipos de regulación electrónicos (inversores, variadores de velocidad,
convertidores CA. / CD. etc.)
La clase de servicio está relacionada con el tipo de carga y las condiciones de
operación a las que se puede someter dicha carga.
En principio, los aparatos de maniobra de baja tensión se diseñan y construyen
para servicio permanente con su potencia asignada. Sin embargo, muchas cargas
prestan servicio en condiciones diferentes, esto evidentemente altera las
condiciones normales de operación y repercute en la vida útil de los dispositivos
208
que hacen la maniobra sobre dichas cargas. Este es el caso típico de operación
para los contactores. Teniendo en cuenta esto, es necesario establecer
claramente cómo funciona la carga para definir correctamente el contactor que
pueda utilizarse.
2.6.8 Clases de servicio
Para el caso de motores, la CEN ha definido nueve clases de servicio principales:
S1: Servicio permanente: carga constante a potencia asignada,
funcionando continuamente durante un tiempo suficientemente largo para el
equilibrio térmico.
S2: Servicio de corta duración: servicio con carga constante en el cual la
conexión de la carga es solo de corta duración y no se alcanza el equilibrio
térmico.
S3: Servicio intermitente: Servicio de ciclos idénticos formados por un
periodo con carga constante y por una pausa; sin influencia de una
corriente notoria de conexión ni desconexión.
S4: Servicio intermitente: con carga constante y con notoria influencia de
la corriente durante el proceso de arranque, ciclo inicial largo y pausa.
S5: Servicio intermitente: con carga constante y con notoria influencia de
la corriente durante el proceso de arranque, y de frenado (eléctrico) Ciclo
inicial largo, ciclo de frenado corto y pausa.
S6. Servicio periódico ininterrumpido: formado por una secuencia de
ciclos idénticos formados por un tiempo con carga constante y un tiempo en
vacío. En este servicio no existe pausa.
S7: Servicio periódico ininterrumpido con arranque y frenado
eléctrico: En este servicio no existe pausa ni tiempo de vacío. El motor
209
funciona un tiempo con carga constante, presentando ciclo inicial largo y
tiempo de frenado corto.
S8: Servicio ininterrumpido con cambio periódico de la carga y de la
velocidad de rotación: Se trata de ciclos idénticos, con tiempo de carga
constante a una determinada velocidad y a continuación otro tiempo de
carga constante con otra carga a otra velocidad. Por lo demás, se
caracteriza de manera similar al S5 para cada una de las velocidades.
S9: Servicio ininterrumpido con cambio no periódico de la carga y de
la velocidad de rotación: Se caracteriza de manera similar al S8 pero con
ciclos no idénticos con tiempo de carga constante a una determinada
velocidad.
Una de las divergencias más frecuente en la práctica con respecto a las clases de
servicio parte de que la carga no permanece constante durante los tiempos en que
se aplica. En dichos casos se acepta considerar una carga promedio calculada
como el valor medio aritmético de las cargas individuales.
En general, los fabricantes suministran tablas con las cuales es posible
seleccionar el contactor que está en capacidad de garantizar una vida útil de
contactos determinada para la clase de servicio que se le tenga asignada a una
carga.
Según las normas DIN EN 60947 4 -1, 3, 5 – 1 y VDE 0660 partes 102, 107 y 200,
pueden seleccionarse los dispositivos de maniobra tales como contactores y
seccionadores con base en la tabla 15 del ANEXO A, que para categorías de
empleo definen dichas normas. La tabla 15 es la preferida entre los usuarios al
momento de seleccionar contactores para diferentes cargas.
La norma establece diferentes categorías de empleo según la clase de servicio
y el tipo de voltaje con que se alimente la carga. Para motores o cargas de
210
corriente alterna se utilizan las categorías AC y para corriente directa las
categorías DC.
Como puede apreciarse en la tabla 16 del ANEXO A, resulta muy sencillo definir la
categoría de empleo para el motor que se quiera utilizar y en consecuencia
escoger el tipo de contactor que se debe utilizar.
La categoría de empleo, así como la corriente asignada de servicio de los
contactos del contactor viene normalmente indicada en el cuerpo del mismo, lo
que agiliza la escogencia del dispositivo.
Las categorías más ampliamente utilizadas son la AC1 para cargas resistivas y la
categoría AC3 para motores de jaula de ardilla con arranque y desconexión
durante la marcha.
En la tabla 17 del ANEXO A se indican las capacidades de conexión que deben
brindar los contactores para las diferentes categorías de empleo.
Una mala escogencia del contactor repercute notablemente en la duración de sus
contactos y por ende su vida media podrá reducirse considerablemente.
2.6.9 Especificaciones técnicas de los contactores
Para especificar técnicamente un contactor debe indicarse básicamente lo
siguiente:
Voltaje nominal de la bobina principal y tipo de corriente (CA o CD).
Naturaleza y tipo de contactor.
Número de contactos principales y auxiliares, y su disposición eléctrica.
211
Tamaño (según NEMA o IEC) o corriente asignada de servicio (Ie o In) para
los contactos principales y tensión nominal de los mismos.
Categoría de empleo.
Tipo de ejecución (abierta – cerrada), etc.
En relación a las tensiones de alimentación industriales, la norma 38 de la IEC,
sexta edición de 1983, denominada Standard voltages define los valores
nominales que rigen actualmente en Europa y ciertos países de su influencia y que
recomiendan para su aplicación en el resto de países del mundo. La mencionada
norma es el resultado de los esfuerzos de armonización a nivel internacional,
encaminados a reducir la gran variedad de tensiones existentes en las redes de
abastecimiento de energía eléctrica industrial y domiciliaria, así como en las
instalaciones de centros de consumo y alimentación de aparatos.
Para redes trifásicas de CA (4 hilos, 50 Hz) se ha establecido:
o 400 V / 230 V, 480 V / 277 V, 690 V / 400 V, 1000 V.
Para redes monofásicas de CA (3 hilos, 50 Hz) se tiene:
o 240 V / 120 V.
Para redes de CD:
o 110 V / 120 V / 62,5 V / 125 V / 250 V / 500 V
Para bajo voltaje tanto en CA como en CD:
o 24 V, 48 V.
Estas tensiones, particularmente las de red trifásica de CA difieren con las que
rigen actualmente en los Estados Unidos y en casi todos los países de América,
cuya frecuencia es de 60 Hz. Bajo estas condiciones se tiene entonces que:
Para redes trifásicas de CA (4 hilos, 60 Hz) se ha establecido:
o 208 V / 120 V , 416 V / 240 V
o 220 V / 127 V, 440 V / 254 V
212
o 240 V / 139 V, 480 V /277 V
Para redes monofásicas de CA (3 hilos, 60 Hz) se tiene:
o 220 V / 110 V.
Finalmente, la norma DIN EN 60947 establece que los circuitos de mando con
todos sus componentes, deben funcionar satisfactoriamente mientras la tensión de
accionamiento se mantenga de los siguientes límites:
Para cerrar (energizar): 0.85 V a 1.1 V; donde V es la tensión nominal.
Para abrir (desenergizar, desenganchar): 0.65 V; donde V es la tensión
nominal.
2.7 GUARDAMOTORES
Un guardamotor es un disyuntor termo-magnético o térmico, este se ilustra en la
Figura 93, diseñado para el arranque manual y a plena tensión de motores
eléctricos pequeños (arranque directo), en el cual se incorpora una protección
térmica de sobrecarga y otra magnética de cortocircuito. El dispositivo está
previsto para usarse con motores que tienen un ciclo de trabajo reducido, como
podría ser el asociado a sistemas de ventilación y extracción de aire, sopladores,
agitadores, molinos, motosierras, cortadoras, etc. En principio es un dispositivo de
naturaleza electromecánica, que sustituye a los elementos básicos que conforman
un arrancador directo de motor (contactor, relé térmico, pulsadores de mando y
lámpara de señalización, entre otros). Su característica principal es su fácil
instalación y bajo costo comparado con el de un arrancador convencional.
Cuando es de naturaleza termo-magnética, proporciona una curva de disparo
integral similar a la que proporciona un relé térmico y un fusible. Internamente su
principio de funcionamiento es el mismo de un breaker, pero externamente
213
dispone de un interruptor de muletilla o de dos pulsadores (start-stop) para hacer
la conexión o desconexión del motor de la línea. También incorpora un ajuste
manual para la corriente térmica, la cual debe igualarse a la corriente nominal del
motor para garantizar su protección.
Figura 93. Tipos comerciales de Guardamotores.
Fuente: http://www.weg.net/co/Productos-y-Servicios/Control-y-Proteccion/Arrancadores-y-Proteccion-de-Motores/Guardamotor
El símbolo normalizado para un motor se puede ver en la Figura 94.
Figura 94. Símbolo normalizado IEC del guardamotor.
214
2.7.1 Especificaciones técnicas para los guardamotores
Para especificar este dispositivo se debe tener en cuenta lo siguiente:
Numero de polos.
Corriente nominal y rango de ajuste de la corriente térmica.
Tensión nominal de servicio.
Tipo de actuador (muletilla o pulsadores).
Disponibilidad de señalización luminosa.
Grado de protección.
Dimensiones físicas y tipo de fijación.
2.8 VÁLVULA SOLENOIDE
Es un dispositivo de los que en sistemas de control de procesos se conoce con el
nombre de Elementos finales de control. Son utilizados para el control de fluidos
en tuberías. Tiene como función principal permitir o restringir el paso de un fluido
(líquido o gaseoso tales como: aire, aceite, agua vapor, fuel oil, etc.) por una
tubería. En la Figura 95 se ilustran tres formas típicas que presentan las válvulas
solenoide, conocidas también con el nombre de electroválvulas, su
accionamiento puede hacerse mediante un interruptor manual o por medio de
dispositivos de mando digitales automáticos.
La válvula solenoide es una combinación de dos unidades básicas: un electroimán
con núcleo móvil que representa al actuador de la válvula y un cuerpo de válvula
con un orificio en el cual se coloca un disco o tapón para permitir o restringir el
paso del fluido. La válvula se abre o se cierra cuando se energiza el electroimán y
regresa a su posición original por la acción de un resorte, cuando se desenergiza.
215
En la Figura 96 se ilustra el mecanismo básico de una válvula normalmente
cerrada.
Figura 95. Válvulas solenoide.
Fuente: http://www.valveco.com.co/p/valvula-solenoide-uni-d----vapor_4398453/valvula-solenoide-
uni-d--vapor--modelo-us-_4398454
Figura 96. Estructura básica de una válvula solenoide.
216
El cuerpo de la válvula es usualmente de latón forjado, bronce o hierro
galvanizado, entre otros. La armadura es de acero inoxidable y los efectos del
magnetismo residual se eliminan mediante el resorte de reposición. Los de CA
llevan núcleo laminado y bobina de sombra en la cara polar para eliminar la
vibración y minimizar las pérdidas de calor.
Para asegurar el hermetismo de la válvula y una larga vida, deben utilizarse filtros
(cedazos) que impidan el paso de granos o suciedades presentes en el fluido. Si
esto ocurre, se obstruye el orificio de la válvula afectando su hermetismo y
provocando una fuga.
Las conexiones de entrada y descarga no deben invertirse, porque el hermetismo
depende, hasta cierto grado, de la presión que ejerce el fluido hacia abajo en la
aguja o tapón. El sentido del flujo se indica externamente por una flecha, para
asegurar una instalación correcta.
Se construyen también válvulas de dos y más vías, con las cuales es posible
traspasar el fluido de una tubería a otra. Esto es de gran importancia en muchos
procesos industriales.
Entre las aplicaciones típicas se pueden mencionar:
Para alimentación del flujo de aire presurizado en sistemas de control para
cilindros neumáticos.
Como válvula de admisión o descarga para el control de niveles máximos y
mínimos de líquidos en tanques.
Se utilizan para control “on-off” del sistema de alimentación de combustible
en motores de combustión interna, particularmente con motores diésel.
Se usan en sistemas dosificadores de líquido para llenado de recipientes en
procesos continuos.
217
Se usan como válvula de paso en la línea de alimentación de agua al
tanque de una caldera.
Existen muchos tipos de válvulas solenoide. Se pueden agrupar de acuerdo a su
aplicación, construcción o forma:
Según su disposición normal: normalmente abierta o normalmente
cerrada.
De acuerdo al número de vías: de dos o tres vías.
Según el tipo de corriente por la bobina del electroimán: de corriente
directa o de corriente alterna.
2.8.1 Especificaciones técnicas para las válvulas solenoide
En principio se deben considerar los siguientes aspectos:
Para el electroimán: voltaje nominal y el tipo de corriente.
Disposición normal de la válvula (abierta o cerrada).
Número de vías.
Diámetro y tipo de conector (rosca o brida).
Material del cuerpo de la válvula.
Tipo de fluido.
Máximas temperatura y presión del fluido a controlar por la válvula.
Grado de protección.
REGRESAR AL INICIO DEL DOCUMENTO…..
218
CAPÍTULO 3 SIMBOLOGÍA Y DESIGNACIÓN NORMALIZADA PARA LOS
ELEMENTOS DE CONTROL ELECTROMAGNÉTICOS
3.1 INTRODUCCIÓN
Los equipos de control se construyen para los usos más diversos. Un equipo de
control puede componerse de uno o varios dispositivos o incluso de cientos de
ellos. Además, en una misma instalación se puede tener equipos de diferentes
marcas.
Es de gran importancia disponer de un medio de representación para los equipos
y dispositivos de control, por medio de dibujos de aplicación universal que puedan
ser entendidos por cualquier persona con conocimientos eléctricos, sin que en ello
tenga que ver la marca de fábrica del equipo, ni la forma física, ni las dimensiones.
Los dibujos de los equipos de control se denominan diagramas o esquemas y
para que sean útiles a quien construye o adquiere los equipos, es de máxima
importancia, que dichos diagramas sean normalizados mediante el empleo de
símbolos que cualquier persona pueda reconocer y emplear fácilmente.
Anteriormente cada fabricante creaba sus propios símbolos, basado sobre todo,
en el aspecto físico de los dispositivos.
Sin embargo, estos símbolos eran complicados y difíciles de dibujar. Además,
quien los empleaba (usuarios del equipo) se encontraba con el inconveniente de
tener que identificar diferentes símbolos para un mismo elemento, lo cual
originaba gran confusión en las personas encargadas de mantener en
funcionamiento los equipos.
En la actualidad, se ha progresado mucho en lo que se refiere a proveer a la
219
industria eléctrica de un sistema de símbolos normalizados que toda persona, con
conocimiento modesto de electricidad, puede entender.
El inconveniente final ha radicado en los símbolos empleados por la industria de
los controles eléctricos de una parte, y los empleados por la industria de los
sistemas de radiocomunicaciones por otra. El desarrollado independientemente de
los mencionados símbolos ha ocasionado serios problemas en la industria
eléctrica que cada vez utiliza más dispositivos eléctricos en la implementación de
sus controles. De ahí que, tanto los ingenieros como los técnicos, han tenido que
irse acostumbrando a distintos sistemas de símbolos. Además, debe considerarse
el antagonismo político e industrial que se inició entre varios países a partir de la
primera Guerra Mundial hasta la segunda, época donde en esos países se
desarrollaron los centros industriales más poderosos del mundo; donde se
desarrolló la tecnología en alto grado y donde muchos descubrimientos fueron
realizados. Como consecuencia de su influencia política y su poder económico, a
los países “dependientes” se les “impuso” la aceptación de las máquinas y equipos
producidos por ellos y por consiguiente la “aceptación” de sus propias normas y
especificaciones técnicas.
Es por esto que en lo referente a la simbología normalizada se impusieron y
siguen vigentes los símbolos de procedencia alemana y norteamericana, con
ciertas variantes en algunos países industrializados, como Francia, Inglaterra e
Italia. No obstante, en la actualidad, la mayoría de países industrializados del
mundo tienen sus propias entidades de normalización y han estandarizado sus
propios equipos y sistemas para adaptarlos a las condiciones del mercado
internacional, del cual ningún país puede desligarse. Bajo este aspecto se han
creado entidades internacionales de reglamentación y normalización que pueden
consultarse en el aprendizaje de este libro.
220
En este capítulo, en forma resumida, se hacen precisiones y aclaraciones sobre
los aspectos más relevantes que deben tenerse presentes, para que los sistemas
de control que se diseñan y se implementan físicamente, se acomoden a las
disposiciones y a las normas internacionales, que sobre el particular, tienen
establecidas las principales entidades de normalización, particularmente aquellas
entidades reguladoras de los países más industrializados del mundo.
3.2 DISPOSICIONES Y NORMAS INTERNACIONALES
En la Tabla 4 se tienen consignadas las principales entidades que tienen
reconocimiento a nivel mundial.
Tabla 4. Entidades principales de normalización para simbología eléctrica
ABREVIATURA SIGNIFICADO
CEN Comité Europeo de Normalización.
BS British Standard: Prescripciones Inglesas.
DIN Deutsche Ingenier Normen:
Prescripciones alemanas
UTE Unión Technique de L`Électricité:
Asociación Electrotécnica Francesa.
VDE Verband Deutscher: Asociación Alemana de
Ingeniería Eléctrica.
ANSI
American Nacional Standards Institute: Instituto
Nacional de Normalización de USA
(Anteriormente ASA). De ella dependen otros
organismos encargados de normalización de
equipo eléctrico, tales como NEMA y UL.
221
ABREVIATURA SIGNIFICADO
CEMA
Canadian Electrical Manufacturers Association:
Asociación canadiense de fabricantes de
artículos electrotécnicos.
CSA
Canadian Standards Association: Asociación
Canadiense de Determinaciones, la cual otorga
aprobaciones y publica determinaciones.
EEMAC
Electrical and Electronic Manufacterers
Association of Canada: Asociación Canadiense
de Fabricantes de Artículos Electrotécnicos y
Electrónicos.
IEC
International Electrotechnical Comisión: En la
Comisión Electrotécnica Internacional colaboran
las principales naciones industriales. Las
recomendaciones IEC allí elaboradas son, en
parte, directamente tomadas por
determinaciones nacionales, o bien,
determinaciones nacionales son equiparadas a
las recomendaciones IEC.
JIS Japanese Industrial Standard:
Determinaciones Japonesas.
NEMA
Nacional Electrical Manufactures Association:
Asociación Nacional de Fabricantes de Artículos
Electrotécnicos de USA.
UL
Underwriters Laboratorios Inc: Entidad de USA,
la cual otorga aprobaciones y emite
determinaciones.
222
El objetivo fundamental de las entidades u organizaciones de normalización es en
términos generales:
Definir dimensiones y tolerancias para dispositivos eléctricos.
Definir y aclarar términos relacionados con los parámetros y la
especificación de los productos.
Armonizar la relación entre fabricantes y usuarios estableciendo normas
que garanticen la calidad de los productos y que eviten malos entendidos
entre ellos.
Establecer características de operación y condiciones de seguridad para los
usuarios y el equipo.
Definir y establecer la simbología y la nomenclatura para designación de los
dispositivos, bornes, terminales, conductores, etc.
Definir y establecer los diagramas eléctricos y su forma de representación.
Definir aspectos relativos a los grados de protección que ofrecen los recintos y la
calidad de los productos (dispositivos y materiales), con base en normas a cumplir
y pruebas que deban realizar los fabricantes.
Un buen conjunto de normas genera condiciones favorables para que la industria
manufacturera se expanda y atienda los desafíos de competitividad que hay en el
medio.
En el campo de la ingeniería eléctrica a nivel internacional se destacan entidades
como IEC, ANSI/NEMA y DIN (VDE).
En Colombia se ha creado al Instituto Colombiano de Normas Técnicas ICONTEC.
El objetivo fundamental de estas organizaciones es, en general, el de normalizar
todo lo concerniente a:
223
Definición de nomenclatura para designación de dispositivos, bornes,
terminales, símbolos, etc.
Dimensiones y tolerancias de productos fabricados.
Características de operación y condiciones de seguridad.
Aspectos relativos a la calidad de los productos con base en normas a
cumplir y pruebas que deban realizar los fabricantes.
Se busca con ello eliminar malentendidos entre manufactureros y usuarios, ayudar
al comprador en la selección correcta de los equipos, proteger las industrias
nacionales ante otros competidores, etc.
En la tabla 18 del ANEXO A se hace referencia a publicaciones y prescripciones
importantes para aparatos de maniobra de baja tensión según normas IEC, EN,
DIN / VDE, NEMA, CSA, JIS.
3.3 HOMOLOGACIONES
En algunos países la aceptación de un componente eléctrico está sujeta al
cumplimiento de normas legales. La aceptación se obtiene verificando la
conformidad con la norma en un laboratorio oficial o en presencia de un perito
delegado.
Cuando un aparato es homologado lleva impuesto el sello de homologación o de
conformidad, que corresponde a un sello que se fija o se graba sobre el dispositivo
en cuestión. La presencia de siglas de homologación en un dispositivo busca
inducir al comprador para que lo acepte, puesto que ellas le aseguran un producto
de calidad.
224
Existe obligación legal por parte de los fabricantes de homologar los aparatos y
hacer la inscripción de los mismos en los libros correspondientes de los
laboratorios. Ello asegura al usuario que el aparato satisface plenamente las
normas nacionales y que es adecuado para el uso requerido.
Los laboratorios con carácter oficial tienen peritos que inspeccionan regularmente
los productos siguiendo un programa de pruebas definido.
En la Figura 97 se muestran algunos de los sellos de homologación más utilizados
y de mayor aceptación a nivel internacional.
Figura 97. Algunos sellos de homologación reconocidos internacionalmente.
225
3.4 SÍMBOLOS ELECTRICOS NORMALIZADOS DE MAYOR UTILIZACION
INDUSTRIAL
Para que una simbología sea verdaderamente útil, por lo menos ha de cumplir
estos requisitos:
Los símbolos deben ser simples y fáciles de entender no solo por los
ingenieros sino también por los instaladores, operadores, etc.
Deben ser concisos. Cada símbolo debe representar uno y solo un
elemento.
Los símbolos han de ser flexibles. Para cada elemento debe fijarse un
símbolo básico; que permita, sin modificar su esencia, ilustrar las variantes
que pueda tener ese elemento. Así por ejemplo, un dispositivo que se
convierta de fijo en variable no debe exigir un símbolo diferente.
Deben ser fáciles de dibujar. De lo contrario, el costo de elaboración del
diafragma sería importante. En general, deben eliminarse detalles
innecesarios que permitan elaborarlos mecánicamente y que faculten su
apreciación a simple vista con comodidad.
El conjunto de símbolos americanos para equipo eléctrico industrial fue
establecido durante la Segunda Guerra Mundial bajo los auspicios del ASA
(American Standard Association); hoy ANSI. Estos símbolos se fueron
extendiendo y reformando hasta construirse en la primera norma oficial, conocida
como la norma Y 32.2 Graphical Symbols for Electrical Diagrams (1975).
Hoy en día se tienen normas complementarias como la norma NEMA ICS-1 (1983)
o EEMAC 14-2 (1983).
226
Los símbolos alemanes fueron establecidos por las normas DIN 40700 a 40717 y
posteriormente complementados con otras normas como DIN 40173 (1972), DIN
40900 (partes 1...., 13), DIN 40719 (parte 2, 1978).
Las normas alemanas han tenido una gran influencia en Europa, muchos países
las han tomado como modelo de referencia para establecer sus propias normas;
adaptándolas a sus respectivas exigencias y necesidades.
En la actualidad, con base en las políticas de unificación que se han venido
armonizando entre los diferentes países, particularmente los más desarrollados,
se han logrado acuerdos significativos para la homologación de productos con
base en una normalización de reconocimiento internacional, la cual ha sido
establecida por la IEC (Comisión Electrotécnica Internacional) y la ISO
(Organización Internacional de Estándares).
Hoy en día, las normas IEC (1971), IEC 617 (partes 1,...., 13; 1983) IEC 750
(1983) e IEC 111-3. Son reconocidas y aceptadas por casi todos los países del
mundo en lo referente a simbología eléctrica y designación de dispositivos,
bornes, terminales y conductores.
En el ANEXO A (tablas 19-27) se tiene una información muy completa sobre este
tema; la cual debe ser analizada en detalle para facilitar la comprensión de los
muchos circuitos que se presentan en este libro.
3.5 DESIGNACIÓN NORMALIZADA DE LOS DISPOSITIVOS DE CONTROL
No basta con representar un dispositivo eléctrico mediante un símbolo. En un
circuito muchos dispositivos se repiten y cumplen tareas diferentes. En
consecuencia, se hace necesario asignarles algún código de identificación que
227
permita reconocerlos no sólo por su naturaleza sino también por la función que
realizan en el circuito.
De acuerdo con la normalización internacional de la IEC; ampliamente reconocida
y aceptada en Europa, y en general por la mayoría de los países industrializados,
los dispositivos se deben representar por un código alfanumérico formado por dos
letras mayúsculas y un número de orden; tal como se indica a continuación:
Primera letra significativa- Número de orden – Segunda letra significativa.
Ejemplo: K1T (Relé temporizado número uno).
La primera letra significativa define la naturaleza del dispositivo.
La segunda letra significativa define la función general que desempeña el
dispositivo en el circuito.
El número central establece un orden según la cantidad de dispositivos de la
misma naturaleza presentes en el circuito. En general, el orden se asigna
siguiendo la secuencia de operación de los dispositivos.
Las tablas 31 y 32 del ANEXO A contienen las letras de identificación según IEC.
Debe aclararse que en algunos países aún prevalecen sus propias definiciones de
norma porque todavía no se ha logrado fijar una normatividad unitaria que
comprenda a todos los comités internacionales. Es el caso por ejemplo de las
disposiciones ANSI / NEMA y UL en Estados Unidos, así como las CSA / EEMAC
en Canadá, que aún difieren considerablemente de las publicaciones IEC y de las
DIN-EN, a pesar de que mucho se ha progresado en la armonización de criterios
que hoy ya son de aceptación general.
228
Una de las características negativas que presentan las letras de código IEC para
identificación de los dispositivos, radica en que las funciones que se han definido
son muy genéricas y en muchos casos se presenta redundancia de información al
asignar el código. A modo de ejemplo aclaratorio tenemos:
F (como primera letra significativa) está asignada a dispositivos de
protección (relés térmicos, fusibles, etc.).
F (como segunda letra significativa) está asignada a un dispositivo que
tiene como función la de dar protección.
En consecuencia, al representar un fusible como F1F se estará indicando que se
trata del fusible número uno que tiene como función la protección de cortocircuito.
Ante esta redundancia, la IEC acepta que en lugar de codificar el dispositivo como
F1F se pueda usar también la representación F1 o 1F.
La misma redundancia se presentaría con la letra H que se utiliza para representar
los dispositivos de señalización.
Por lo anterior, y teniendo en cuenta que la normatividad americana es muy
precisa para designar los dispositivos y definir la función de los mismos en el
circuito, no se ha llegado a un acuerdo formal en este aspecto y en consecuencia
la designación americana (Estados Unidos y Canadá) es la mostrada en las tabla
33 del ANEXO A.
Puede apreciarse que muchos dispositivos se identifican por su naturaleza,
empleando algunas letras que son una abreviatura o la primera letra de la palabra
con que se llama al dispositivo en inglés. En otros casos se hace énfasis directo
en la función del dispositivo y no en su naturaleza. Cuando el dispositivo se repite,
se le asigna un prefijo numérico de orden como se indica a continuación:
229
1PB, 2PB, ...., etc. (número de pulsadores)
1A, 2A, ....., etc. (número de contactores de aceleración)
3.6 DESIGNACIÓN DE BORNES, REGLETAS Y TERMINALES
Para facilitar el conexionado físico entre los diferentes elementos de un circuito, es
necesario que todos los dispositivos que conforman el circuito tengan claramente
marcados sus bornes y terminales.
Uno de los grandes logros de la IEC ha sido el de armonizar con casi todos los
países industrializados del mundo la normatividad sobre este tema.
Al respecto y a pesar de que en los Estados Unidos ya se acepta y es utilizada la
designación IEC, algunos fabricantes siguen utilizando las normas antiguas
particularmente para la designación de terminales de motor y transformadores,
bornes de contactores y relés. Otros, realizan una doble marcación de bornes y
terminales siguiendo las indicaciones de la norma IEC y de las normas
ANSI/NEMA.
En las tablas 29 y 34 del ANEXO A se ilustran claramente la forma como se
identifican (según IEC) los bornes de los motores y de los más importantes
dispositivos eléctricos que se utilizan en el control eléctrico.
3.7 DESIGNACIÓN DE CONDUCTORES Y CABLES
No existe una reglamentación específica para la marcación de cables y
conductores. En general se aceptan y aplican recomendaciones que son bastante
antiguas pero que tienen validez por su lógica y simplicidad.
230
En general, los conductores principales de línea o de la carga se identifican con
los mismos números o letras que tienen los bornes o terminales principales de los
dispositivos.
Para el resto de los conductores se sigue una numeración en secuencia
asignando el mismo número a todos los conductores que forman un nodo o punto
común.
Esta forma de marcación se ilustra en la Figura 98.Obsérvese que la marcación se
hace desde arriba hacia abajo (o de izquierda a derecha) siguiendo el orden o la
secuencia de interpretación del funcionamiento del circuito.
Para la marcación de los conductores se utilizan cintas adhesivas o anillos
plásticos que tienen marcados números, letras o “blancos” (espaciadores o
separadores).
Todo conductor debe estar marcado en un extremo con el mismo código del borne
que conecta además de su número de identificación. Sólo así, podrán reducirse
los tiempos de reparación y de mantenimiento del equipo, ya que esta práctica
facilita el seguimiento y verificación del correcto conexionado de los elementos del
circuito. Si los conductores son largos y hacen un recorrido por el tablero
conectando bornes distantes, se recomienda hacer la marcación por tramos cortos
utilizando el mismo número de identificación que se le asignó al conductor.
Con alguna frecuencia se acostumbra asignar códigos de colores a los
conductores como método complementario de identificación.
231
Figura 98. Designación de conductores y cables.
3.8 DIAGRAMAS DE LOS SISTEMAS DE CONTROL ELECTROMAGNÉTICO
La información que se requiere de un sistema o equipo de control industrialmente
se encuentra contenida en los denominados planos esquemas o diagramas del
equipo o la máquina.
232
Los diagramas se preparan teniendo en cuenta finalidades específicas
relacionadas con:
Mostrar los circuitos, elementos o las etapas principales que conforman el
sistema.
Indicar claramente cómo interactúan las diferentes etapas o componentes
para lograr la realización de una tarea específica.
Mostrar e indicar la forma correcta de conectar o interconectar los
diferentes elementos o partes de circuito o de un sistema.
Informar en detalle la forma como se instalan las diferentes partes del
sistema o cómo se ensamblan tanto interna como externamente las
unidades de control.
En el estudio de los sistemas eléctricos de control se involucran muchas personas
entre ingenieros, técnicos y electricistas de instalación y montaje. En general, cada
una de estas tiene intereses diferentes sobre el equipo o la máquina. Así, para el
ingeniero es fundamental conocer en detalle lo relacionado con aspectos de
diseño y funcionalidad; al técnico que ensambla o construye tableros le compete
solo el cableado interno de tableros, más no la operación del conjunto; al
instalador le corresponde la interconexión eléctrica entre los tableros y la
maquinaria, pero no la conexión entre los componentes internos ni la compresión
del funcionamiento del equipo; al operario le incumbe solo la puesta en marcha y
el tener conocimiento general de las principales partes o etapas para facilitar la
operación de la máquina, etc.
Por tales razones se preparan para un mismo equipo varios diagramas, cada uno
con datos e información diferente sobre aspectos y características de importancia
específica.
233
Los diagramas más utilizados son los siguientes:
De bloques
Unifilar
Elemental o de principio
De conexiones
De interconexión
De instalación y montaje
Se dispone también de otros diagramas relacionados con la identificación de
bornes externos, diagramas de ensamble, etc.
Los fabricantes incorporan los diagramas en un documento en el cual se da
información tanto general como detallada sobre las características,
especificaciones del equipo, listado de partes y repuestos, indicaciones para
realizar ajustes, la puesta en marcha y la operación normal, una guía de
instalación y montaje y en general, información sobre el servicio de mantenimiento
así como datos generales sobre el fabricante y sus representantes comerciales.
Así pues, este documento conocido como Manual de instrucciones es de suma
importancia para iniciar cualquier intervención que sea necesaria realizar sobre la
máquina.
Cuando no se dispone del manual de instrucciones o, este se encuentra
incompleto, o está elaborado en un idioma que no es el nativo de las personas que
interviene el equipo, resulta muy difícil dar solución eficaz a los problemas que
eventualmente se puedan presentar en la máquina. Por consiguiente es una
buena práctica exigirlos con todos los requisitos necesarios y suficientes al
momento de efectuar la compra de los equipos y conservarlos en sitos seguros y
bien administrados.
234
3.8.1 Diagrama de Bloques
Es un diagrama de tipo funcional que representa por medio de símbolos
geométricos (líneas, círculos, rectángulos, triángulos, etc.) las diferentes etapas o
partes componentes de un sistema o equipo de control, y la interacción de unas
con otras; mostrando el sentido de flujo de energía o información.
En este diagrama no se muestran los detalles de los dispositivos internos que
conforman cada bloque sino que se hace énfasis en el comportamiento del
sistema como un todo o un solo bloque; con base en la relación entrada – salida.
En la Figura 99 se ilustran dos diagramas en bloque, uno para representar el
sistema de arranque de un motor de rotor devanado y otro, el de un motor jaula de
ardilla con arranque a plena tensión.
Para el motor de rotor devanado por ejemplo, se aprecia que el mando es
realizado desde una caja de pulsadores que opera sobre el arrancador magnético.
Además, se permite la regulación de velocidad mediante un combinador de mando
manual que conmuta las resistencias rotóricas.
Figura 99. Diagramas de bloques
235
3.8.2 Diagrama Unifilar
Es la representación simplificada de un circuito eléctrico sin líneas auxiliares y en
la que sólo se tiene en cuenta las partes esenciales del mismo como son los
dispositivos de carga y los elementos de medida, protección y maniobra.
Este diagrama se dibuja utilizando simbología normalizada, siendo en
consecuencia muy ilustrativo y fácil de interpretar.
En los diagramas unifilares se permite, y es costumbre, dar información
complementaria sobre características y especificaciones técnicas resumidas de los
aparatos o dispositivos que integran el equipo relacionado con el diagrama en
cuestión.
En la Figura 100 se ilustran dos diagramas unifilares que muestran la conexión
simplificada de tres motores eléctricos con indicación del tipo de dispositivos de
protección y maniobra asociados a dichos motores.
Figura 100. Diagramas unifilares.
236
3.8.3 Diagrama Elemental
Denominado también diagrama o esquema de principio. En este diagrama se
muestran todos los dispositivos y elementos asociados a un circuito que pertenece
a una maquina o equipo, y en general a un sistema eléctrico de control.
Este diagrama hace énfasis en la relación funcional que existe entre los
diferentes componentes eléctricos que conforman el circuito, prescindiendo del
arreglo físico de los conductores, de la forma física de los componentes y de su
disposición geométrica o localización física dentro del recinto que los aloja.
Este diagrama se realiza con base en símbolos normalizados, unidos mediante
líneas rectas verticales u horizontales que representan los conductores.
Al diagrama elemental se acostumbra “partirlo” en dos diagramas separados (con
excepción de circuitos que tienen alimentación de CD) denominados: Diagrama
de Control o Mando y Diagrama de Potencia o Fuerza.
El diagrama de control tiene forma de “escalera” (ladder) y su alimentación es
con CA, monofásica (bifilar) o con CD (bifilar). Las dos líneas de alimentación de
los componentes del circuito se representan siempre paralelas en posición vertical
u horizontal, según indicaciones de norma.
El diagrama de potencia muestra todas las cargas asociadas al circuito, asi como
todos los elementos de maniobra, protección y medida de dichas cargas.
El diagrama elemental se configura enfatizando en la relación funcional que existe
entre los diferentes componentes del circuito, lo cual permite analizar y entender la
tarea de control que se realiza sobre las cargas asociadas y conectadas al
sistema de control. Esta característica es muy importante para el personal de
237
mantenimiento y en general para los técnicos e ingenieros que realizan tareas de
diseño, instalación y montaje de equipos y maquinaria industrial.
La acción o tarea de control que realiza una maquina o equipo industrial está
definida por ecuaciones de la lógica matemática o por ecuaciones integro-
diferenciales; según el tipo de proceso, ya sea de manufactura o de tipo físico-
químico. Estas ecuaciones y su solución se configuran en el diagrama o circuito
de control mediante la interconexión apropiada entre los diferentes elementos que
conforman el circuito. Actualmente se tienen dos opciones de uso generalizado
para estructurar la tarea de control: mediante “lógica cableada”, o por medio de
controladores programables, lo cual se conoce con el nombre de “lógica
programada”. En general, puede afirmarse que el diagrama elemental es el más
importante de todos los que se con una maquina o equipo industrial. De hecho, a
partir de este diagrama, que es diseñado por ingenieros electricistas y
electrónicos, es posible entender el funcionamiento de la maquina; facilitar las
tareas de instalación, montaje, puesta en servicio, ajustes, calibraciones e
interconexión con otros equipos, y sobre todo, las tareas de mantenimiento y
reparación que se deben ejecutar periódicamente sobre el equipo.
Para implementar el diagrama de control en el sistema americano
(especificaciones ANSI/NEMA), la interconexión de los elementos se realiza sobre
líneas horizontales cuyos extremos se unen a un par de líneas verticales que
representan la fuente de alimentación. La interpretación del mismo se realiza de
arriba hacia abajo; los órganos receptores se ubican a la derecha conectados a un
punto común y los órganos de mando se ubican a la izquierda conectados en una
lógica que define el comportamiento del circuito.
Como ya se indicó, el circuito de mando también se conoce como circuito de
escalera o ladder.
238
Para localizar rápidamente un órgano de mando (contacto) perteneciente a uno
cualquier de los órganos receptores (relé o contactor), se establece una
numeración en secuencia de acuerdo con las diferentes posiciones de maniobra
establecidas en el diagrama. Así, el contactor 1M por ejemplo, en la Figura 98,
tiene un contacto abierto en la posición 3, y un contacto de reserva normalmente
cerrado. El relé CRM en la misma figura tiene dos contactos abiertos en la
posición 4 y dos cerrados de reserva.
Para facilitar la interpretación de un circuito de control, especialmente cuando
estos involucran muchos dispositivos, se recurre generalmente a la especificación
de la función o tarea realizada por cada dispositivo, escribiéndola al lado donde
este aparece en el diagrama. Lo anterior puede observarse claramente en Figura
98.
El empleo de transformador y el interruptor con fusibles (o minibreaker) para la
línea de alimentación del circuito de control es de uso corriente, puesto que con
ello se aísla la instalación y se adecúa el voltaje de la línea principal a un nivel
más seguro y ajustado a los requisitos de suministro impuestos por los elementos
de control. Véase la Figura 101.
Para la selección del tamaño en VA del transformador de aislamiento o
transformador reductor que eventualmente se utiliza para alimentar el circuito de
control, se puede aplicar el siguiente criterio:
VA mínimo del transformador = 1.25 [suma del total de VA de estado estable de
cada uno de los receptores del circuito de control], estos receptores están
representados por: bobinas de relés y contadores, lámparas de señalización,
solenoides, unidades electrónicas, etc.
239
Figura 101. Diagrama elemental para CA simbología americana. Alimentación del
circuito de control mediante el empleo de transformador y fusibles.
Sin embargo, no siempre se utiliza transformador de aislamiento ya que los
órganos receptores están diseñados para operar a la misma tensión de la carga.
En ese caso, el circuito de control se alimenta directamente a través de dos líneas
de la red, y es protegida la derivación con dos fusibles, como se indica en la
Figura 102.
240
Figura 102. Diagrama elemental para CA en simbología americana con
alimentación directa del circuito de control y protección con fusibles.
El circuito de potencia, donde van conectados los elementos finales de control o
los dispositivos de carga, se realiza por medio de líneas gruesas (para indicar las
líneas que llevan la corriente principal) dispuestas horizontal y verticalmente.
Para el caso de operación con CA, el circuito de potencia se dispone unido o
separado del circuito de control como se ilustra en la Figura 102.
Para CD, el circuito es único; y los elementos de potencia se localizan
generalmente en la parte superior como se ilustra en la Figura 103.
241
Figura 103. Diagrama elemental para CD en simbología americana
Al implementar un circuito de control se deben evitar conexiones como las
indicadas en la Figura 104.
Dichas conexiones no se acomodan a ninguna disposición de la norma y si se
realizan se pueden presentar daños, mal funcionamiento y dificultad para realizar
pruebas y verificaciones de campo al interior de los recintos que alojan los
componentes del sistema.
242
Figura 104. Conexiones erradas en un circuito de control
Algunas de estas conexiones generan cortocircuito, o producen energización
permanente del órgano receptor, o inhiben la conexión, o simplemente crean
desorden topológico que dificulta el análisis del circuito y confunde a las personas
que deben interpretar el diagrama.
En el sistema europeo (especificaciones DIN/EN/IEC), la interconexión de los
elementos del circuito de mando se realiza sobre líneas verticales cuyos extremos
se unen a un par de líneas horizontales que representan la fuente de alimentación.
La interpretación del circuito se realiza de izquierda a derecha y para la
localización rápida de los contactos de un contacto o relé, se dispone de una tabla
243
indicativa de la posición y de la condición eléctrica de los contactos asociados a
dichos elementos.
La tabla descrita se localiza en la parte inferior, debajo del símbolo que representa
la bobina principal del dispositivo tal como se aprecia en la Figura 105.
Y1: Electroválvula de admisión (NC)
Y2: Electroválvula de descarga (NC)
Figura 105. Control para el vaciado de líquido de un tanque a otro en una misma
cantidad.
En ella se observa, por ejemplo, que el contactor K1 tiene dos contactos
normalmente abiertos en las posiciones 5 y 6, y uno normalmente cerrado en la
posición 8.
Según normas de la DIN/EN, el dibujo del diagrama elemental debe realizarse
sobre un plano dimensionado como el indicado en la Figura 105. Este plano viene
numerado de izquierda a derecha, y debajo de cada número deben disponerse los
diferentes elementos de control, para así facilitar su rápida localización. Cuando el
diagrama requiere un ancho mayor, se recomienda una marcación vertical
244
adicional por medio de letras. Con ello puede establecerse fácilmente un área o
zona de localización para cualquier dispositivo.
En el diagrama también se acostumbra identificar el tipo de dispositivo escribiendo
debajo su nombre, o indicando de qué unidad se trata dentro del conjunto de
dispositivos que conforman el equipo o la máquina.
Cuando el conjunto de circuitos es bastante numeroso; en especial porque se trate
de una máquina sumamente grande o compleja, se hace necesario partir o dividir
los dibujos que representan los diagramas. Esta situación no es la más deseable,
puesto que se pierde la visión del conjunto y se dificulta el análisis. Sin embargo,
cuando se realiza con base en consideraciones de desempeño lógico, el problema
se vuelve de menor importancia. Mediante códigos de identificación alfanuméricos
asignados ordenadamente a los diferentes diagramas en que se ha dividido el
diagrama principal, se tiene la manera de identificar o reconocer un diagrama del
conjunto. Se recomienda que la partición se realice con base en el criterio de
planos principales y planos secundarios; y en general, tratando que los diagramas
sean lo menos relacionados entre sí, para facilitar su análisis y comprensión.
El diagrama de potencia se realiza generalmente con líneas gruesas y los
elementos de carga se localizan en la parte inferior. Las líneas de alimentación se
dibujan paralelas y se disponen horizontalmente. Generalmente el circuito de
control viene relacionado aparte y con líneas delgadas.
Es recomendable la numeración de bornes; terminales y conductores para facilitar
las labores de mantenimiento que se le debe hacer a la máquina; para ello, es
conveniente hacerlos sobre una copia del diagrama original para conservarlo sin
modificaciones. En caso de que el equipo incluya instrumentos de medida, estos
deben identificarse en el diagrama mediante símbolos normalizados.
245
Con el fin de familiarizar al lector con la interpretación y el análisis de un circuito
de control, puede referirse al circuito de la Figura 105.
Al presionar el pulsador de marcha S1 (para SO en posición de manual) se
energiza K1 y se automantiene. Simultáneamente se energiza la válvula Y1 de
admisión y el tanque empieza a llenar. Al llegar al nivel hmin se actúa S2 y se
energiza K2, el cual no hace nada aún. Al actuar S3 se energiza K3 y se
desconecta K1 cortando la admisión del líquido al tanque. Al mismo tiempo se
abre la válvula Y2 hasta que se alcance nuevamente el nivel mínimo donde se
cierra y se reinicia el llenado si el selector SO estuviese en la posición de auto (A).
Para la posición H (Hand), el circuito solo realiza un circuito de trabajo.
3.8.4 Diagrama de Conexiones
Es denominado también esquema de conexionado. Dicho diagrama proporciona
la información suficiente y necesaria para realizar correctamente las conexiones
internas de todos los dispositivos que se encuentran alojados en un recinto y que
conforman un circuito, ya sea en forma total o parcial.
Usualmente, los dispositivos eléctricos y demás componentes asociados
(borneras, bandejas o bastidores, canaletas plásticas, bornas de cobre y
conductores, entre otras) se instalan se instalan y se fijan sólidamente a la
estructura que conforma el recinto, teniendo en cuenta una disposición especial
(posición física) que minimice y facilite el cableado, la interconexión, la inspección,
las verificaciones y el mantenimiento, además de aspectos relacionados con el
peso y la ventilación; particularmente cuando se tienen dispositivos que generan
calor o son sensibles a la temperatura.
246
El diagrama de conexiones se realiza a partir del diagrama elemental (circuito de
control y potencia) asociado al sistema eléctrico que se desea implementar
físicamente. Dicho diagrama debe redibujarse marcando sobre el mismo todos los
bornes y terminales de los dispositivos, asi como todos los conductores que
conforman los diferentes nodos o puentes comunes de conexión que tome el
circuito. Igualmente todo los componentes deben estar claramente identificados de
acuerdo a la designación de la norma utilizada.
En este diagrama, todos los elementos que forman parte de la unidad se ven en el
interior de una línea a trazos que esquematiza el recinto donde se encuentran
alojados.
La Figura 106 muestra el diagrama ilustrativo de conexiones para un arrancador
de motor trifásico con inversión de marcha, protección térmica de sobrecarga y
mando por pulsadores.
Como puede observarse, en el tablero de contactores se ilustra la localización
física relativa de los conductores, de las bobinas y contactos de los contactores,
del relé de sobrecarga, y de las borneras que facilitan la conexión del tablero con
la caja de pulsadores. Téngase presente que en la práctica, se da información
complementaria sobre la ubicación espacial de las canaletas portacables y sobre
el conexionado de los elementos ubicados en el recinto que aloja los contactos.
Nótese la fácil realización del diagrama de conexiones a partir del diagrama
elemental o esquemático, si en este se han marcado e identificado
adecuadamente todos los terminales de los elementos y los cables de
conexionado.
Como ya se indicó, puede verificarse que el diagrama de conexiones se ha
estructurado a partir del diagrama elemental del circuito asociado al motor, el cual
247
se modificó, asignándole a los cables, bornes y terminales un código de
identificación normalizado a partir del cual se facilita el cableado e identificación de
partes y componentes.
El diagrama de conexiones debe mostrar el sistema tal como lo encuentra el
instalador en la realidad; si la conexión es trasera, será una vista posterior; si se
trata de una conexión delantera, la vista será la anterior. Al igual, se distinguirá
siempre entre el circuito de potencia (línea gruesa) y el circuito de control (línea
delgada). Debe tenerse presente que los elementos se han de disponer en forma
tal, que el cableado sea tan sencillo, directo y mínimo como sea posible.
En la Figura 107, se ilustran dos diagramas de conexionado para un arrancador
estrella – triangulo, mediante mando por combinador de tambor (Master Switch); y
para un conmutador de voltímetro de cuatro posiciones, según indicaciones IEC.
Obsérvese que el diagrama de conexiones no es apropiado para interpretar el
funcionamiento de un circuito; para ello, debe recurrirse siempre al diagrama
elemental o esquema de principio.
248
Figura 106. Diagrama ilustrativo de conexiones.
249
Figura 107. Diagrama de conexiones (de cableado) para un motor trifásico y un
conmutador de voltímetro.
Existe un caso especial del diagrama de conexión, llamado Diagrama de
Conexión sin hilos, derivado de la situación en la que el sistema es muy
complejo, pudiendo surgir la pregunta de si se justifica la representación física de
todas las conexiones. Un diagrama de conexión sin hilos muestra la disposición
física general de los dispositivos en un equipo de control, sus bornes de conexión
y los terminales de los tableros para el conexionado externo.
Tales conexiones se muestran en forma tabulada y no por medio de líneas. Debe
ser acompañado de un diagrama elemental que facilite la realización y verificación
del conexionado. Normalmente cada conductor se enumera y los dispositivos que
conecta se muestran en una tabla. El diagrama se complementa, en muchos
casos, con especificación de un código de colores y otras convenciones.
250
Otra forma simplificada es el denominado Esquema de bornes, el cual es una
figura que indica los bornes sin hacer énfasis en el cableado interno del tablero.
Se acompaña generalmente del diagrama elemental, pues este sirve para verificar
las conexiones. Lo indicado anteriormente se muestra en la Figura 108.
Figura 108. Esquema de bornes
3.8.5 Diagrama de Interconexión
Es una forma especial del diagrama de conexión que muestra solamente las
conexiones externas entre las unidades de control y la maquinaria asociada, el
equipo y los demás componentes externos.
La Figura 109 ilustra el diagrama de interconexión para las partes de un
arrancador de motor trifásico de jaula de ardilla con inversión de marcha; de
acuerdo con el esquema indicado en la Figura 106.
El diagrama se denomina también Diagrama de conexiones externas y como
podrá observarse, resulta de gran importancia para el técnico encargado de la
instalación eléctrica de los equipos y sus partes componentes. Su utilización, sin
embargo, está restringida a sistemas de control complejos.
Diagrama elemental
251
Figura 109. Diagrama de interconexión (esquema de bordes y conductores)
3.8.6 Diagrama de Construcción
Es un diagrama que indica la forma de instalar los elementos y demás partes
componentes de un equipo de control o una máquina con base en una disposición
física establecida. Se elabora de acuerdo a una guía de ensamble que debe
seguirse en orden y paso por paso. El propósito de este diagrama es netamente
constructivo y su objetivo fundamental es mostrar la manera como se construye o
ensambla un equipo en forma ordenada, simplificada y en el menor tiempo
posible.
Un diagrama de construcción se complementa generalmente con dibujos
ilustrativos y fotografías. También, en dicho diagrama se tienen en cuenta la forma
252
y tamaño (dimensiones) de los elementos, incluyendo todo lo relacionado con
cables y herrajes.
3.8.7 Diagrama de Instalación
Es aquel donde se ilustra la forma de hacer la instalación física (el montaje) de los
equipos, y el tendido de los conductores o cables de acometida eléctrica para la
alimentación de potencia a dichos equipos.
Este diagrama se confecciona exactamente con arreglo a las posiciones en un
plano arquitectónico del edificio o construcción y emplea símbolos normalizados
para instalaciones eléctricas que son diferentes a los símbolos para los circuitos
asociados a los diagramas elementales.
En un diagrama de instalación se enfatiza en la localización de los tomas de
energía, las bandejas portacables, el diámetro de las tuberías para los
conductores eléctricos, el calibre de los conductores, el número de los
conductores por tubería y en general, en la forma de hacer la instalación y el
montaje de los equipos y sus partes componentes, incluyendo la instalación de los
circuitos de alumbrado y tomas corrientes para las áreas de trabajo en el sitio
donde se va a ubicar la maquinaria o los equipos.
3.8.8 Bases y recintos para la ubicación de elementos
Las partes eléctricas que forman el circuito de control y de potencia de un equipo o
de una máquina de uso industrial se instalan e interconectan sobre una base
común o soporte que tiene usualmente forma de bandeja o de bastidor (rack).
253
Después de esta fase, la bandeja con el conjunto de componentes se encierra en
un recinto que según la forma y tamaño recibe el nombre de:
Caja
Tablero o gabinete
Consola
Todas estas estructuras se construyen generalmente usando lámina de hierro
(cold rolled). En ciertos casos se utilizan diferentes materiales tales como plástico,
aluminio y acero, entre otros.
Figura 110. Tablero de control, con dispositivos de señalización luminosa,
pulsadores, conmutadores y medidores.
Fuente: http://www.tecnolok.com.ar/archivos/espanol/cor-rebo_spa.php
Todo recinto incorpora en su parte frontal una cubierta o tapa removible, o una
puerta embisagrada, que facilita las tareas de reparación, inspección y
mantenimiento.
254
La función principal de los recintos es:
Dar protección (en especial a las personas) contra contactos fortuitos del
cuerpo humano con partes energizadas.
Dar protección a los componentes contra agua en sus diferentes
manifestaciones: lluvia, goteo, salpicaduras, condensación, chorro,
inmersión, granizo y hielo.
Dar protección a los componentes contra la acción del medio ambiente
clima, temperatura, humedad, óxido, corrosión, humos, polvo, fibras,
arenilla, atmósfera inflamable, gases explosivos, vibraciones, oscilaciones e
impactos; además de insectos y animales rastreros.
Dar una visión de conjunto que armonice con el entorno y que sea
agradable a la vista.
Facilitar las tareas de maniobrabilidad y monitoreo por parte del operario y
las labores de inspección, mantenimiento y reparaciones por parte del
personal técnico encargado para este fin.
Las Cajas son recintos pequeños o medianos diseñados para alojar un número
reducido de componentes. Se instalan directamente sobre la máquina o en un
muro; y en casos especiales son colgantes.
En su parte delantera o “panel frontal” se encuentran generalmente dispositivos de
mando manual como pulsadores, dispositivos de señalización y eventualmente
elementos con posibilidad de ajuste. Las denominadas cajas de pulsadores,
guardamotores y programadores de ciclo etc.; son ejemplo de este tipo de
recintos, los cuales por su tamaño y costo reducido se construyen con mucha
frecuencia de materiales termoplásticos o duroplásticos de alta resistencia al
impacto, a la llama y a los efectos del clima.
255
Los Tableros eléctricos, denominados a veces gabinetes o armarios son recintos
de mayor tamaño que alojan muchos dispositivos.
Los de tamaño menor generalmente se instalan sobre muro en posición vertical o
inclinada para facilitar la observabilidad y maniobrabilidad por parte del operario.
Este tipo de montaje se conoce con el nombre de Sobreponer.
Los de gran tamaño se colocan sobre el suelo y se conocen como estructuras
Autosoportadas. Estas deben realzarse del piso para evitar el contacto directo
con el agua en caso de inundación.
Los tableros autosoportados se construyen utilizando un soporte estructural en el
cual se utilizan ángulos y perfiles metálicos que facilitan la instalación de puertas
de acceso y de tapas fijas o removibles en cualquiera de las caras de la
estructura.
Al interior se le pueden dejar espacios o compartimientos en los cuales se deben
instalar partes pre-ensambladas sobre bandejas o ciertos módulos funcionales
construidos directamente en fábrica, como placas de circuito impreso o equipo
electrónico especial.
En general, la distribución y ubicación de los elementos en un tablero se realiza de
la manera siguiente:
Elementos como relés, contactores, fusibles, relés térmicos,
transformadores, controladores, electrónicos, etc., se instalan en el interior
sobre bandejas.
Pulsadores, dispositivos de mando como interruptores de muletilla o
palanca, dispositivos de señalización, instrumentos de medida,
controladores de panel, dispositivos de ajuste y reposición, entre otros, se
instalan en la parte delantera o “panel frontal” del tablero; teniendo en
256
cuenta las alturas que permitan la observabilidad y maniobrabilidad con
comodidad y seguridad para los operarios. En general, los tableros deben
ser ergonómicos y en su instalación se debe garantizar su conexión efectiva
a tierra para minimizar el riesgo eléctrico para las personas
Figura 111. Tableros de control.
Fuente: http://tienda.insumosdecontrol.com/index.php?cPath=37
Por lo demás, las puertas deben emplear cerradura de llave para restringir el
acceso al interior a personas no autorizadas.
También es frecuente que al interior se utilicen interruptores límite o de posición
que al abrir la puerta activen una lámpara interna para facilitar las tareas de
inspección y mantenimiento o simplemente que desconecten la energía del
equipo.
En instalaciones especiales y con el fin de facilitar la supervisión de un proceso
complejo, delicado o peligroso, se acostumbra localizar en un mismo sitio, o mejor,
en una misma sala denominada Centro de control o Sala de control, cierto
número de tableros o gabinetes dispuestos en forma ordenada.
257
Esta disposición a pesar de su costo elevado y del riesgo intrínseco que conlleva
centralizar el cableado de campo, es muy utilizada en procesos continuos de
fundición, en subestaciones y centrales eléctricas, y en general, donde las
condiciones ambientales no son las mejores para que el personal pueda
desplazarse con seguridad por el sitio donde se encuentran las máquinas.
En los centros de control y aun directamente instaladas al lado de las máquinas se
utilizan frecuentemente las denominadas consolas de mando, desde donde el
operario; ya sea de pie o sentado, supervisa y maniobra con comodidad toda la
máquina o el proceso.
El nombre que se le da a este tablero autosoportado de construcción especial se
debe a que es una combinación de tablero y escritorio con panel frontal, donde se
encuentran instalados los dispositivos de mando, ajuste, medición y señalización.
En los centros de control modernos se ha introducido el concepto de Centro de
control modular y el de Estructura normalizada, donde todas las conexiones
internas se efectúan en la fábrica. Como resultado de ello, se ha bajado el costo
de instalación y montaje, se ha facilitado el mantenimiento y sobretodo, se le ha
dado más flexibilidad al equipo para futuras modificaciones o ampliaciones.
Pueden anotarse las siguientes ventajas y desventajas de tener el equipo
centralizado:
Protección de todos los elementos contra la acciones del medio ambiente,
ya que estos se encuentran dentro de un ambiente “confortable”.
Facilidad de supervisión, maniobra y mantenimiento, ya que el equipo no
está disperso.
Flexibilidad ante futuras ampliaciones.
Mejoramiento del aspecto estético, presentándolo agradable a la vista del
observador.
258
Mayor seguridad y comodidad a los operarios por estar alejados del
proceso y en ambiente confortable.
Debido a la alta concentración de cables de potencia y señal, el sistema se
vuelve muy vulnerable ante posibles incendios y atentados.
El sistema se torna ruidoso por fenómenos de inducción electromagnética.
Deberán elaborarse planos con identificación clara y precisa de todos los
conductores, pues de lo contrario, se corre el riesgo de perder mucho
tiempo en las reparaciones y en el seguimiento de las señales.
3.9 GRADOS DE PROTECCION PARA APARATOS ELÉCTRICOS
Los fabricantes de equipo eléctrico están obligados a realizar los diseños de los
recintos siguiendo disposiciones de norma que buscan salvaguardar la integridad
física de las personas y al mismo tiempo dar protección a los equipos contra la
acción del medio ambiente donde se van a instalar con el propósito de lograr una
vida útil en operación confiable y duradera.
Así pues, antes de comenzar un diseño es necesario aclarar que disposiciones y
normas se deberán tener en cuenta, con base en las condiciones ambientales del
sitio de instalación de las máquinas y equipos, para saber a cuales se verán
sometidos. Las normas de fabricación se encuentran separadas en diferentes
categorías:
Normas fundamentales: generales, pero de estricto cumplimiento.
Normas constructivas: materiales, presentación física y acabados.
Normas sobre equipamiento: según el tipo de dispositivos a utilizar.
Normas de montaje: ubicación de partes, cableados y conexiones de tierra,
entre otros.
Normas de verificación: para realizar pruebas y ensayos.
259
Dentro de las normas fundamentales se establece que todos los equipos eléctricos
deben estar convenientemente instalados y acondicionados para dar protección a
las personas y a los animales contra contactos directos e indirectos. Para ello el
fabricante tendrá que definir en el diseño algunos de los siguientes aspectos:
La tensión de funcionamiento.
El aislamiento entre partes activas.
La protección con tapas o envolventes.
La protección con obstáculos.
La protección por distancia.
La protección mediante la desconexión o señalización.
La protección mediante aislamiento total.
Otros.
En general, la protección debe quedar garantizada por el equipamiento en sí
mismo y/o la aplicación de medidas de protección realizadas durante o después
de la instalación y montaje del equipo.
Para que todo funcione bien, como lo definen y exigen las normas, los fabricantes
e ingenieros de diseño, instalación y montaje necesitan información precisa y
confiable en relación con las condiciones de servicio de los equipos.
3.10 GRADOS DE PROTECCION POR MEDIO DE CUBIERTAS (CODIGO IP)
Los grados de protección por medio de carcasas, cubiertas o envolventes,
conocidas como Grados de protección IP ya han sido normalizados de manera
uniforme en casi todo el mundo desde el año 1992. Esta norma ha sido publicada
como la norma IEC 529 la cual fue también adoptada sin modificaciones por la
260
norma europea EN 60529 a partir del mismo año, y por el instituto de
Normalización Alemana como la norma DIN/VDE 0470 – 1 de 1992.
Tabla 5. Tabla de Código IP.
261
En la tabla 5 se muestra la disposición y el significado del código internacional IP
como hoy se aplica.
Ejemplos:
IP23CM: (2) protección a las personas y contra la penetración de elementos
de >12,5 mm de diámetro, (3) protege al equipo en el interior contra el agua
proyectada de cualquier dirección, agua rociada, máximo 60°, (C) Protege a
las personas contra el acceso a herramientas, alambres etc., con diámetro
o espesor superior a 2,5 mm, (M) se ensaya , para garantizar la protección
contra los efectos perjudiciales causados por la penetración de agua,
estando sus partes móviles en movimiento.
IPX5: (X) la protección contra cuerpos extraños no se considera, (5)
protección contra chorros de agua.
En la Figura 112 se ilustran varias formas constructivas donde se muestran
diferentes tipos de encerramiento para lograr diferentes grados de protección IP.
Las normas americanas (Estados Unidos y Canadá) difieren apreciablemente de
las normas de protección internacional y en general no es posible efectuar una
comparación exacta ya que el ensayo de protección y los criterios de análisis son
diferentes.
La NEMA ha clasificado las cubiertas o recintos en trece tipos, los cuales a su vez
pueden asociar una letra para designar grupos con variantes constructivas
significativas.
En la tabla 35 del ANEXO A se presenta información de tipo comparativo sobre la
normatividad americana e internacional en este aspecto.
262
Para uso general en interiores se utilizan normalmente cajas o recintos del tipo
NEMA 1 que tienen cierto grado de equivalencia con la protección IP20.
Para uso industrial se usa el recinto NEMA 4 y NEMA 4X, para dar protección
contra el polvo y agua; estos recintos tienen una equivalencia internacional IP65.
Para atmósferas explosivas o inflamables se utilizan normas complementarias del
NEC y la NFPA americana, las cuales clasifican las atmósferas en grupos según el
grado de peligrosidad; aspectos importantísimos que deben considerarse antes de
iniciar la construcción de cualquier recinto.
Figura 112. Ilustración de tipos de encerramiento para diferentes grados de
protección IP
263
En Figura 113 se ilustran tomacorrientes construidos con alto grado de protección.
En ella se visualizan cierres herméticos con empaquetaduras de caucho que
impiden la entrada de agua y el contacto con partes energizadas.
Figura 113. Dispositivos con protección IP55.
Fuente: http://www.avecolombiana.com.co/?opt=store&sub=699&cat=12
3.11 INDICACIONES PARA EL ENSAMBLAJE DE EQUIPOS DE CONTROL
Los elementos principalmente utilizados para la construcción de las bases o
soportes donde se disponen elementos de potencia y control son: una lámina de
hierro estirada en frío (cold rolled), lamina de aluminio o acero, y tejidos prensados
con base de resinas fenólicas. La lámina de hierro es el material más usado,
básicamente por su costo moderado, su alta resistencia mecánica y por el hecho
de poder conectarse a tierra.
Para el alambrado de control se utiliza cable multifilar #12, #14 y #16 AWG,
normalmente con aislamiento termoplástico para 600 V.
Frecuentemente se usa el siguiente código de colores:
Negro o gris: Para el cableado de circuitos de potencia y control en
corriente alterna.
264
Rojo (+) y negro (-): Para la alimentación de circuitos de corriente directa.
Blanco y azul. Ordinariamente para circuitos de distribución o conexión de
instrumentos de medida.
Verde: Para conexión de tierra.
Las conexiones del circuito de potencia se efectúan mediante barraje de cobre o
por cable aislado, según la conveniencia.
Aunque no existen normas generales, habrá de tenerse en cuenta como
orientación al efectuar el diseño del panel o tablero, las siguientes
consideraciones:
El tamaño: Lógicamente, mientras más pequeño sea el panel o el tablero,
será más económico y ocupara menos espacio, pero siempre han de
considerarse distancias mínimas.
El aspecto: Aunque no se pretende que el panel o el tablero sea una obra
de arte, la disposición simétrica y ordenada de los componentes es útil para
facilitar verificaciones de campo y el mantenimiento.
Las conexiones internas: Han de ser tan cortas y tan rectas como sea
posible. Se recomienda el empleo de canalizaciones plásticas de
distribución por las cuales se llevan los conductores que se derivan
fácilmente a los puntos de conexión.
Las conexiones externas: Han de realizarse en puntos de fácil acceso y
empleando borneras terminales.
Bornes, terminales y conductores deben marcarse de acuerdo con las
normas, según se indicó anteriormente.
En la Figura 114 se ilustran dos presentaciones físicas de tableros construidos
siguiendo indicaciones o recomendaciones de norma y en la Figura 115 se ilustra
265
un tablero de uso industrial antiguo. De igual manera existen tableros que no
cumplen con las normas como se muestra en la Figura 116.
Figura 114. Tableros eléctricos de uso industrial
Fuente: http://www.sistelat.com/emsanbledetableroselectronicos.html
Figura 115. Tablero eléctrico de uso industrial antiguo (sin consideraciones de
riesgo, según normas actuales).
Fuente: http://electrocomercialcastro.blogspot.com/
266
Figura 116. Tableros eléctricos de uso industrial sin cumplimiento de normas
Fuente: http://www.afinidadelectrica.com.ar/articulo.php?IdArticulo=32
La disposición de los elementos en el recinto se efectúa de acuerdo con las
normas adecuadas y utilitarias para el caso en particular, así:
Los dispositivos de mayor peso se colocaron en la parte inferior.
Los dispositivos con fluido líquido se dispondrán en la parte inferior para
que en caso de presentarse goteras no afecten otros componentes.
Los elementos que requieren ajuste se han de situar a una altura tal que
este se facilite.
Los interruptores de palanca han de abrir hacia abajo, a una altura tal que
sea apropiada para su accionamiento. Los fusibles siempre han de ir en el
lado de la carga para permitir su reposición con seguridad.
Los instrumentos de medida se colocarán a la altura de la vista.
Los elementos sensibles al calor o cambios de temperatura, se situarán en
la parte inferior del recinto para evitar que el calor generado por otros
dispositivos los afecte.
Los contactores que generen arco se dispondrán en la parte superior para
impedir que este se propague hacia otros componentes.
267
Figura 117. Montaje de elementos sobre bastidor siguiendo indicaciones de
norma.
Fuente: http://www.elmundo.es/elmundo/2012/05/14/paisvasco/1336980408.html
Se recomienda para el diseño de los paneles el uso de plantillas para definir
previamente la correcta posición y fijación de los componentes. En la Figura 117
se ilustra un tablero de control móvil (tipo bastidor) para realizar pruebas de campo
a motores en el sitio de instalación, sin necesidad de desmontarlos.
3.12 INSTALACIONES ELÉCTRICAS INDUSTRIALES
La energía eléctrica llega a una industria a través de un alimentador principal y
generalmente a un nivel de tensión elevado que no es el indicado para la
alimentación de las cargas.
Allí, en el sitio conocido como una subestación, se acondicionan los niveles de
tensión de la red para la distribución a los diferentes puntos de aprovechamiento.
268
En toda subestación industrial se encuentran, entre otros, los siguientes elementos
básicos:
Transformadores reductores de tensión de gran capacidad.
Dispositivos de protección (fusibles, pararrayos, etc.), como el ilustrado en
la Figura 118.
Dispositivos de maniobra (seccionadores, interruptores, etc.), como el
ilustrado en la Figura 118.
Dispositivos de medida (voltímetros, amperímetros, contadores de energía,
kilovatímetros, medidores de factor de potencia, etc.), o instrumentos
universales como el indicado en la Figura 119.
Dispositivos de señalización y alarmas, como el ilustrado en la Figura 120
Figura 118. Dispositivos de protección y maniobra.
Fuente: http://medellin.olx.com.co/dps-suprexor-protector-contra-efectos-del-rayo-iid-222448043
269
Figura 119. Dispositivo de medida digital tipo UDI.
Fuente: http://n-tel.com.ua/doc/sum/SML_SMM_and_SMN33-Manual-v4-eng.pdf
Figura 120. Panel anunciador de alarmas.
Fuente: http://www.boherdi.com/boherdi/detalle.php?id=31
3.12.1 Cargas industriales
Estas se clasifican en:
Cargas no esenciales
Cargas esenciales (denominadas también como cargas de emergencia)
Las cargas esenciales se clasifican en dos categorías:
Cargas de reservas legal
Cargas de reserva opcional
270
3.12.1.1 Cargas no esenciales
Estas cargas son aquellas que no intervienen directamente en el proceso
productivo y su conexión o desconexión no afecta el desarrollo de las actividades
importantes de la empresa ni la seguridad e integridad física de las personas.
Algunas cargas no esenciales son: el alumbrado de exteriores, escaleras
eléctricas, algunos ascensores, algunos sistemas de aire acondicionado, etc.
Las cargas no esenciales pueden permanecer sin servicio de energía por tiempos
prolongados, como los originados por racionamiento, reparaciones en la red y en
general cualquier anomalía que implique la suspensión del servicio de energía.
3.12.1.2 Cargas esenciales
Éstas son conocidas también como cargas de emergencia, las cuales son cargas
que por su naturaleza requieren la disponibilidad permanente de un suministro
ininterrumpido de energía, o en casos especiales, con interrupciones de muy corta
duración (pocos segundos o minutos).
3.12.1.2.1 Cargas esenciales de reserva opcional
Son cargas que define el usuario o propietario de la instalación, y representan
cargas asociadas directamente al proceso productivo, para las cuales debe
garantizarse un servicio continuo de energía, con el propósito de minimizar
perdida de materia prima o de productos terminados, y en general daños en
maquinaria o incumplimiento de entregas.
271
Son cargas esenciales de reserva opcional, por ejemplo: Equipos de refrigeración
para la conservación de alimentos como carnes, productos congelados, etc.
procesos de calentamiento y fusión de materiales termoplásticos; centros de
cómputo, etc. Se consideran también cargas esenciales de reserva opcional
aquellas que sin estar conectadas deben tener la disponibilidad inmediata de
energía, como por ejemplo bombas de agua, extractores de humo y olores,
compresores de aire, etc.
Algunas cargas de reserva opcional, asociadas a cajeros electrónicos, centros de
cómputo y sistemas de alarma (en bancos, centros comerciales, supermercados,
etc.), son críticas y requieren también la disponibilidad permanente de energía.
3.12.1.2.2 Cargas de reserva legal
Son aquellas que por ley o reglamentación oficial deben tener disponibilidad
inmediata de una fuente de energía con el propósito de salvaguardar la integridad
física de las personas y animales, y la preservación del medio ambiente. Ejemplos
de estas cargas son: sistemas de alumbrado de emergencia para facilitar la
evacuación de personas, sistemas de alarma contra incendio, máquinas
elevadoras de personal en minas de profundidad, quirófanos, unidades de
cuidados intensivos y especiales, salas de neonatos, pistas de aterrizajes y torres
de control de aeropuertos. etc.
Dentro de las cargas de reserva legal, algunas designadas con el nombre de
carga críticas, no admiten la interrupción del servicio de energía; como es el caso
de los quirófanos y unidades de cuidados intensivos y especiales, incluida la sala
de neonatos. En la práctica, estos casos son atendidos por fuentes
ininterrumpidas de potencia, conocidas comúnmente con el nombre de UPS’s.
272
Igual situación se presenta con algunas cargas, especialmente en minas de
profundidad y en instalaciones de alumbrado y radiocomunicación en aeropuertos.
Para atender la solicitud de energía que demandan las cargas esenciales y en
particular las cargas críticas se recurre generalmente al empleo de un segundo
alimentador o de un grupo electrógeno, el cual se ilustra en la Figura 121, estos
últimos pueden atender la carga mediante el empleo de un interruptor de
transferencia de carga de operación manual o automática, como se indica en la
Figura 122 a y b.
Figura 121. Grupo electrógeno (con cabina insonorizada) para respaldo de energía
(tipo stand-by).
Fuente: http://www.directindustry.es/prod/gesan/grupos-electrogenos-diesel-capo-e-insonorizados-
18701-695907.html
273
274
Figura 122. a) Sistema de distribución de energía con respaldo para la totalidad de
la carga. b) Sistema de distribución de energía con respaldo para cargas
esenciales únicamente.
275
Existe una diferencia fundamental entre los dos sistemas de alimentación de carga
mostrados anteriormente.
De acuerdo con la Figura 122 a, toda la carga de la empresa industrial tiene
asegurada la disponibilidad de energía; no importa si dichas cargas son esenciales
o no. Esta disposición es costosa ya que el grupo electrógeno y los equipos de
maniobra sobre la carga resultan de gran capacidad y tamaño y se demanda más
cantidad de combustible.
Esta situación se presenta generalmente en industrias en las cuales no se tuvo en
cuenta el empleo de un segundo alimentador al diseñar la instalación eléctrica de
la planta. Aquí la reforma de las instalaciones para separar las cargas no
esenciales y esenciales resulta prácticamente imposible, dado lo exagerado del
costo; de tal forma que deben desconectarse manualmente las cargas no
esenciales si ha de recurrirse al empleo de un grupo electrógeno con capacidad
para atender únicamente las cargas esenciales.
3.12.2 Tableros eléctricos
El interruptor de transferencia, instalado en un recinto conocido como TTC:
Tablero de Transferencia de Carga, conecta la carga sólo a uno de los
alimentadores ya sea la red normal o el grupo electrógeno. Los circuitos de carga
se conectan de un barraje general ubicado en el tablero de distribución
principal (TD) desde el cual salen las acometidas eléctricas con las respectivas
protecciones de sobrecarga y cortocircuito que proveen los breakers o
interruptores automáticos totalizadores (CB). De la Figura 122 se aprecia
claramente que el grupo electrógeno solo maneja las cargas esenciales cuya
alimentación principal viene de un interruptor totalizador instalado en el tablero de
distribución principal. Para cargas críticas que no admiten interrupción del servicio
276
de energía; estas se deben conectar a través de una UPS con suficiente respaldo
o autonomía en tiempo.
Figura 123. Tableros de distribución principal.
Fuente: http://www.editores-srl.com.ar/taxonomy/term/1183
En los tableros de distribución, como se ilustra en la Figura 123, pueden
incorporarse además de los interruptores de protección los siguientes dispositivos:
Transformadores de corriente y de potencial para medida.
Amperímetros, voltímetros, cosenofimetros e incluso kilovatímetros y
contadores de energía.
Conmutadores o selectores de amperímetro y/o voltímetro.
Dispositivos de señalización y alarma.
Las cargas esenciales o de emergencia se podrán alimentar de un segundo
tablero de distribución de área o de zona que incorpora un interruptor totalizador
(opcional) y los respectivos interruptores automáticos para cada carga o circuito.
277
En una instalación industrial se dispone de muchos otros tableros diferentes de los
de distribución o de transferencia para llevar la energía a las cargas. Los más
utilizados son:
Tablero de fuerza motriz (TFM)
Tablero arrancador de motor (TAM)
Tablero centralizado para control de motores (CCM)
Tablero de control (TC)
Tablero multibreaker (TMB)
Tablero de medida (TM)
Consola de mando (CM)
Tablero de señalización y alarmas (TSA)
Los Tableros de fuerza motriz tienen una estructura interna similar a la de los
tableros de distribución.
De ellos se derivan las acometidas a las máquinas y los equipos de una zona o
área de producción de la empresa. Además del interruptor totalizador de la
máquina, puede incorporar dispositivos de señalización y medida, incluidos
contadores de energía para cada máquina o grupo de estas.
Se alimentan de una acometida proveniente de un tablero de distribución.
3.12.2.1 Tableros Arrancadores de Motor
Son unidades de tipo electromagnético o electrónico que incorporan dispositivos
de protección, de mando y de maniobra o regulación; incluidos elementos de
señalización y medida, para operar directamente sobre un motor aislado. Se
278
utilizan para la maniobra sobre bombas, compresores, extractores de gases,
molinos, entre otros.
La alimentación se obtiene de una acometida eléctrica que se deriva del barraje de
un tablero de distribución de área o también de un tablero de fuerza motriz.
3.12.2.2 Tableros de Control Centralizado de Motores
son estructuras de gran tamaño en las cuales se tienen compartimientos donde se
alojan arrancadores de motor independientes que utilizan los mismos
componentes que incorpora un TAM, los cuales se conectan a un alimentador de
red común que incorpora un interruptor totalizador.
Esta disposición es muy conveniente cuando se tienen grupos de motores
concentrados en un área de proceso y se requiere de una buena supervisión y
fácil maniobrabilidad por parte de los operarios. La alimentación proviene del
tablero de distribución de área o zona más cercano.
3.12.2.3 Tableros de control
Son aquellos desde los cuales se hace el mando y la supervisión de una maquina
o equipo por parte de un operario. La mayoría son de sobreponer y en algunos
casos tienen forma de consola de mando, tipo pupitre o escritorio. Generalmente
estos tableros son construidos de fábrica y vienen incorporados directamente con
la máquina.
279
3.12.2.4 Tableros multibreaker
Éstos se reparten por todas las áreas con el propósito de alimentar los diferentes
circuitos de alumbrado y tomacorrientes en áreas comunes, oficinas, centros de
cómputo, talleres, etc. La alimentación proviene del tablero de distribución de zona
más cercano. Generalmente son del tipo de sobreponer.
3.13 ACOMETIDAS ELÉCTRICAS
Se denominan acometidas eléctricas al tendido de conductores principales que
llevan la energía eléctrica desde un tablero alimentador hasta un equipo, máquina
o en general una carga.
Las acometidas eléctricas se llevan generalmente por:
Tuberías
Bandejas portacables
Cárcamos
Canaletas con tapa
Blindobarras
Figura 124. Acometidas eléctricas por tubería y bandeja portacables.
Fuente: http://bugalagrande.olx.com.co/bandeja-portacable-tipo-malla-iid-153870009
280
3.13.1 Tubería
El tendido de la tubería se hace expuesto sobre techo o muro con el propósito de
facilitar el mantenimiento de la red y posibilitar futuras ampliaciones como se
ilustra en la Figura 124.
El empleo de tuberías rígidas o flexibles se realiza para acometidas menores, en
las cuales el número de cables es reducido. Se emplea usualmente tubería
plástica (PVC), tubería metálica de acero (EMT) o tubería galvanizada (IMC). Esta
tubería se conoce como tipo conduit.
El tendido de la tubería se hace expuesto sobre techo o muro con el propósito de
facilitar el mantenimiento de la red y posibilitar futuras ampliaciones.
3.13.2 Bandejas portacables
Estas son ampliamente utilizadas, son estructuras en forma de escalera que se
ensamblan por tramos y se llevan por todos los puntos de la fábrica donde sea
necesario (ver Figura 124); soportándolas sobre muro o techo con herrajes
esenciales que se diseñan para esa aplicación, las hay de dos tipos
principalmente como se ilustra en la Figura 125.
Las bandejas no solo se usan para guiar las acometidas principales, también son
el medio ideal para soportar conductores que llevan señales de mando y la
energía a las cargas directamente desde el tablero de control. Con este tipo de
montaje resulta fácil inspeccionar la instalación y hacer modificaciones y
ampliaciones cuando sea necesario.
281
Figura 125. Tipos de bandeja portacables.
Fuente: http://www.brasil.cablofil.com/content.aspx?page=64§ion=2&language=3
3.13.3 Cárcamos
Los cárcamos son construcciones en el piso en forma de pequeños “canales” que
sirven para llevar las acometidas entre los tableros o entre un tablero y una
máquina. Se utilizan para tramos cortos y en general cuando el espacio disponible
no permite el empleo de bandejas portacables.
Los conductores se soportan sobre varillas metálicas como muestra la Figura 126,
con el propósito de evitar el contacto directo de los mismos con agua u otros
líquidos que puedan correr por el piso en caso de inundaciones o derrames. El
acceso se hace levantando la tapa que cubre el cárcamo. La utilización de
cárcamos tiene una ventaja, no se requieren herrajes ni estructuras especiales de
montaje.
282
Figura 126. Tendido de conductores por cárcamo.
3.13.4 Canaletas con tapa
Son utilizadas generalmente para llevar conductores de señal o control que son
sensibles a los efectos de inducción electromagnética y a los fenómenos de
conmutación de las cargas eléctricas de la empresa. Se construyen de materiales
termoplásticos, como se ilustra en Figura 127, o de lámina de hierro. Al tapar la
canaleta se consigue un efecto de blindaje electrostático y electromagnético que
evita la inducción de cargas eléctricas y campos magnéticos en los conductores
que llevan las señales de bajo nivel.
Figura 127. Canaleta termoplástica con tapa.
Fuente: http://www.sergiozuniga.cl/02/como_puedo/indice.htm
283
3.13.5 Blindobarras
El sistema de Blindobarras (ver Figura 129) es definido por NEMA como un
“Sistema de distribución eléctrica mediante elementos prefabricados compuesto
por ramales de barras recubiertos de una carcasa protectora, incluyendo tramos
rectos, ángulos, dispositivos y accesorios". Normalmente las Blindobarras se
conectan a uno o varios transformadores.
Los barrajes pueden ser de aluminio o cobre, estos son envueltos en una cinta
dieléctrica que los mantiene unidos, posteriormente se instalan dentro de un
cerramiento que les brinda protección y soporte, como se ilustra en la Figura 128.
Figura 128. Barrajes de un sistema de Blindobarras.
Fuente: http://www.electroingenieria.com/productos/baja_tension/main_bajatension.html
284
Figura 129. Sistema de distribución de energía con Blindobarras.
Fuente: http://www.blindobarras.com/
Las Blindobarras pueden ser categorizadas en dos tipos:
Blindobarras de Distribución: Son las más utilizadas para distribuir
potencia a un área determinada. Éstas pueden ser verticales, horizontales o
combinación de las anteriores.
Blindobarras de Potencia: Se utilizan para la interconexión entre tableros
conmutadores o entre conmutador y transformador. Los sistemas de
Blindobarras son más económicos usarlos especialmente para altas
corrientes, donde se necesitan múltiples conductores para transportar la
corriente nominal y cumplir con los requerimientos de regulación de tensión.
285
Las ventajas de este sistema son:
• Seguridad: Cuando se utilizan las barras apropiadas para su diseño
eléctrico, las posibilidades de fallas, incluyendo incendios, se reducen a
menos de un 10% en comparación con los sistemas tradicionales.
• Versatilidad: Las derivaciones, incluyendo circuitos ramales, se pueden
realizar en cualquier momento, a una fracción de lo que costarían con
sistemas tradicionales y en muy corto tiempo. Su simplicidad lo hace
comparable con conectar y desconectar un tomacorriente pero con la
capacidad eléctrica de un sistema industrial.
• Inversión: Las instalaciones con blindobarras, también conocidas como
electrobarras pueden ser mucho más económicas que los sistemas
tradicionales, pueden ser desmanteladas y reubicadas aprovechando 100%
el material. Este hecho convierte a la instalación eléctrica en un activo fijo
100% reutilizable.
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286
CAPÍTULO 4 CONTROL DE MOTORES ELÉCTRICOS Y DE OTRAS
CARGAS INDUSTRIALES
4.1 INTRODUCIÓN
Parece difícil ante la cantidad de soluciones existentes para problemas
específicos, establecer un método ordenado de estudio para este tema. El asunto
es de mayor gravedad, ante el comportamiento dinámico de los sistemas de
control puesto que los problemas son cada día más críticos y las soluciones más
variadas.
Un posible método es estudiar independientemente el circuito de control de un
motor asociado a una máquina; pero esto nos lleva, en último término, a
particularizar la solución del problema.
Lo correcto para abordar el estudio de los circuitos con motores es adoptar un
método general que gradualmente nos lleve a una familiarización completa con la
máquina o el equipo, y nos permita asumir la intervención que se requiera. Para
ello es necesario:
Conocer las funciones básicas a realizar sobre la máquina y su ciclo de
trabajo. Estos aspectos definen la clase de servicio para la selección de
los de los contactores que manejan las cargas de la máquina.
Familiarizarse con las formas de realizar tales funciones.
Conocer los dispositivos y los elementos de carga de la máquina.
Para abordar los diseños debe tenerse conciencia del papel que debe
desempeñar el ingeniero.
287
La ingeniería de control maneja el uso de los conceptos y técnicas requeridas para
ensamblar un grupo de dispositivos e interconectarlos de modo que el sistema
resultante realice una función dada en forma aceptable.
El principio de acción de la ingeniería de control puede resumirse en tres
preguntas que ha de formularse siempre el ingeniero de control:
¿Cuáles son las funciones a realizar?
¿Con cuales dispositivos se han de efectuar?
¿Cómo operan estas funciones y componentes en el sistema: Control-Motor-
Máquina?
Resueltas estas cuestiones, se pasa a la síntesis y diseño. A la habilidad de dirigir
un problema de control según estas directrices, va unida la necesidad de usar los
componentes disponibles en la mejor forma, ya que generalmente no es posible
utilizar nuevos componentes para cada instalación.
Esto es cierto en los aspectos relativos a la máquina, que desafortunadamente no
siempre se construye desde el punto de vista de la controlabilidad.
En este capítulo se enfatiza en los factores que deben considerarse para que la
maquinaria industrial y sus cargas asociadas puedan realizar la tarea de control
que de ellas se tiene prevista, teniendo en cuenta los dispositivos, el operador, la
carga y la máquina.
También se hace énfasis en las funciones básicas de control de los motores, en el
diseño circuital y en los criterios técnicos de selección para todos los dispositivos
asociados al sistema de control.
288
4.2 FACTORES A CONSIDERAR EN EL DISEÑO DE UNA INSTALACIÓN
Teniendo presente que un equipo industrial es un conjunto que se encuentra
integrado en términos generales por Máquina-Motor-Control (ver Figura 130)), la
operación del sistema dependerá de la interrelación adecuada entre los
componentes indicados.
Figura 130. Máquina, control, motor.
Fuente: http://buenos-aires.all.biz/fideeras-russo-srl-e10033
Así, los principales factores a considerar en el estudio de la elección de un sistema
de control industrial dado son, en orden más o menos lógico:
289
La máquina o equipo (Ver Figura 131)
Figura 131. Máquina.
Fuente: http://www.solostocks.com/venta-productos/maquinas-herramienta-metal/tornos/torno-
reconstruido-amutio-cazeneuve-hb575x3000-con-ce-6176428
La fuente de energía disponible (tensión de alimentación), tipo de
corriente, número de fases y capacidad en KVA (Ver Figura 132)
Figura 132. Fuente de energía disponible por medio de transformador
acondicionador.
Fuente: http://www.directindustry.es/prod/chint-electric-co-ltd/transformadores-distribucion-
inmersos-aceite-69106-583754.html
290
El motor u otra carga asociada (Ver Figura 133)
Figura 133. Motor.
Fuente: http://www.energiaycontrol.com.mx/index.php?option=com_
content&view=article&id=49&Itemid=66
El operador y el dispositivo de control (Ver Figura 134)
Figura 134. Operador y dispositivo de control.
Fuente: http://www.emb.cl/electroindustria/articulo.mvc?xid=2020
291
Asociado a toda máquina o equipo existe un documento conocido con el nombre
de manual de instrucciones. Este documento lo suministra el fabricante al
comprador y en él se tiene consignada información técnica muy importante y
necesaria para que el “usuario” (operadores, personal técnico de mantenimiento y
personal administrativo) pueda abordar con propiedad todos los aspectos
relacionados con la instalación y el montaje, la puesta en servicio y ajustes, la
operación y el mantenimiento y la comunicación efectiva con el fabricante o
empresas representantes del mismo, con el propósito de adquirir suministros y
repuestos, o aclarar aspectos varios asociados a la maquina o equipo, incluido el
soporte técnico y garantías.
En principio, todo manual incluye y debe incluir información relativa a:
Identificación de la maquina: fabricante, nombre, tipo, modelo,
características y especificaciones.
Esquemas ilustrativos y fotografías de la máquina y sus partes.
Diagramas de tipo eléctrico (de bloques, unifilar, elemental o de principio,
conexiones, interconexión e instalación y montaje).
Diagramas de tipo mecánico, instrumentación e instalación y montaje.
Explicación completa y detallada de la operación, ajustes y puesta en
servicio.
Indicaciones precisas para dar solución a los problemas más comunes que
pueda presentar la máquina.
Indicaciones sobre el mantenimiento (guías y rutinas).
Referencias comerciales sobre los insumos o repuestos de la máquina.
Direcciones, teléfonos, correos electrónicos y páginas web para servicio al
cliente.
En cuanto al motor, habrán de considerarse todos los factores relacionados con
la fuente de alimentación y el grado de controlabilidad y regulabilidad que ofrece el
292
motor, asociados estos aspectos a las funciones de: arranque, paro, inversión de
marcha, aceleración, frenado y regulación de velocidad, incluidos los dispositivos
de protección y seguridad. Así mismo, debe considerarse para los contactores que
hacen la maniobra de conexión-desconexión del motor la clase de servicio,
asociada ésta a las funciones o tareas que debe ejecutar el motor sobre la
maquina o el equipo.
El tipo de corriente está íntimamente ligado con el motor. Puede quedar impuesto
por la necesidad de usar una clase dada de motor o viceversa. Normalmente, para
cada caso, es posible encontrar el tipo de motor adecuado. En caso contrario, es
necesario efectuar una conversión: rectificación, inversión o cambio de frecuencia.
También es necesario el conocimiento de sus especificaciones y características
con el objeto de obtener su máximo rendimiento.
Los motores de inducción de CA son de diseño simple, confiables y económicos y
adicionalmente la casi universal disponibilidad de potencia trifásica, los hace de
uso muy frecuente, pero solo para aplicaciones básicas dadas sus características
limitadas de poca regulabilidad.
Los motores de CD no son de uso generalizado debido a su costo y
mantenimiento. Se emplean para propósitos especiales donde se requiere amplia
regulabilidad y controlabilidad.
La asignación de funciones al operador está asociada a la máquina y su grado
de complejidad. En principio dependen de la responsabilidad que se le quiera
conferir. Vienen dictadas por la seguridad requerida, la importancia de los posibles
daños, de un nivel mínimo de capacitación, de su formación académica y
experiencia, y del número de otras instalaciones que debe supervisar y manejar.
293
Conocidos los factores anteriores, se elige el control, el cual, si es sencillo, puede
escogerse directamente de catálogo. Si es especial, habrá de diseñarse utilizando
los dispositivos con los cuales se dispone comercialmente.
4.3 REQUISITOS DE UN SISTEMA DE CONTROL
Sea un sistema simple o complejo, su diseño debe llenar los siguientes requisitos:
Buen diseño; en el sentido de cumplir las especificaciones descritas.
Sencillez: deben tener excelente acabado, con un número mínimo de
componentes y un cableado ordenado.
Fácil mantenimiento: sus partes y componentes deben ser fácilmente
ajustables, separables y reemplazables.
De fácil operación y puesta en servicio.
Su seguridad operativa debe ser razonable y continua en condiciones
normales y deben “fallar con seguridad” en condiciones anormales. Se
aplica este concepto, por ejemplo, cuando un fusible se quema ante un
evento de cortocircuito, sin que se destruya al mismo tiempo el portafusible
que lo contiene. Ello se consigue, si el fusible se definió correctamente al
especificar su capacidad disruptiva.
4.4 TIPOS DE SISTEMAS DE CONTROL DE MOTORES
Según la demanda de energía, el sitio de la instalación, el tipo de procesos
a realizar y las condiciones de seguridad que se exigen en la instalación, el
sistema de control puede ser: Centralizado o Distribuido.
294
Según la función a realizar y el grado de complejidad del sistema de control
este puede ser: Manual, Semiautomático o Automático.
4.4.1 Control manual
En este tipo de control todas las funciones básicas son realizadas por dispositivos
operados a mano, (ver Figura 135).
El más simple será un interruptor de cuchilla con fusible; el más popular será el
arrancador manual a pleno voltaje para motores pequeños. Uno de apariencia más
complicada, será un arrancador manual estrella-delta que emplee combinador de
tambor, etc.
Figura 135. Interruptor sencillo de cuchilla con portafusible incorporado.
Fuente: industria.siemens.com.mx/Construcci%C3%B3n/html/interruptores%20de%20seguridad
295
4.4.2 Control semiautomático
En éste control las funciones son realizadas automáticamente. En general,
incorporan un arrancador magnético y uno o varios dispositivos de mando
manuales; siendo los más comunes los pulsadores. De esta manera, se
incrementa la flexibilidad en la posición del control, ya que el operador inicia el
mando del proceso desde una localización remota con respecto al sitio de
funcionamiento. Como ejemplo, puede citarse el circuito de control para inversión
de marcha de un motor de jaula de ardilla; el cual se estudia más adelante en este
capítulo.
4.4.3 Control automático
En éste tipo de control el arrancador eléctrico está actuado por uno o varios
dispositivos de mando automáticos, pudiendo ser el arranque inicial, automático o
manual. El circuito de control de nivel, mostrado en la Figura 98, es un ejemplo
ilustrativo de este tipo de control.
Resumiendo: en el control manual el operador debe ir hasta la localización física
para iniciar la operación de la máquina y controlarla directamente para que ejecute
las tareas que deben realizarse; en el control semiautomático, parte de las
acciones de control las realiza el operario y el resto son de actuación automática.
En el sistema automático se elimina el operador y este solo inicia la puesta en
servicio y supervisa.
296
4.5 FUNCIONES DE UN SISTEMA DE CONTROL DE MOTORES
Básicamente, un sistema de control de motores ha de tener las siguientes
características:
Arrancar y detener el motor conectándolo y desconectándolo
directamente de la línea, mediante el empleo de contactores y dispositivos
de mando manuales o automáticos.
Ofrecer protección de cortocircuito y sobrecorriente para asegurar el
correcto funcionamiento del motor, de los circuitos asociados y del
operador. Pueden incluirse también otras protecciones para bajo y alto
voltaje, inversión de secuencia, etc.
Además, debe ofrecer la posibilidad de que el motor realice cualquiera de las
tareas que sean necesarias para la máquina, como:
Funcionamiento a pasos o pulsación: Con el propósito de obtener a
criterio del operario pequeños movimientos del sistema que es arrastrado.
Inversión de marcha: Para cambiar el sentido de giro o rotación del motor
cuando sea necesario.
Frenar el motor: Al efectuar la desconexión, al final de su recorrido o en un
punto determinado, de acuerdo con requisitos impuestos por el sistema.
Variación y rregulación de la velocidad del motor; ya sea por encima o
por debajo de la nominal, en forma continua o escalonada.
Aceleración del motor, con el propósito de limitar la corriente de arranque,
limitar el torque y limitar la caída de tensión en la línea.
297
4.6 CIRCUITOS BÁSICOS DE CONTROL DE MOTORES
4.6.1 Circuitos para conexión y desconexión (arranque-paro) de cargas
motor a la red
En la Figura 136, se ilustran dos circuitos de potencia para la maniobra de
conexión-desconexión de uno y de dos motores eléctricos.
Figura 136. Circuitos básicos de potencia para la operación de arranque-paro con
motores eléctricos.
En la Figura 137 se ilustran varios circuitos de control (1-14), utilizando simbología
ANSI, que permiten la maniobra a plena tensión sobre uno o dos motores
trifásicos de jaula de ardilla, tal como lo muestra la Figura 136.
Cada motor incorpora la protección básica de sobrecarga por medio de un relé
térmico o electrónico (1OL, 1OL – 2OL). La actuación de dicho relé abre el
contacto 1OL (o 2OL) que se encuentra al lado de la bobina del contactor de línea
1M (o 2M), o del relé auxiliar CR. Esto hace que en algunos de los circuitos se
pierda la retención, y el motor se desconecte.
La maniobra la realizan los contactores de línea (1M, 1M-2M), los cuales deben
estar dimensionados teniendo en cuenta el tamaño del motor que conectan y la
298
clase de servicio a la cual se somete. Lo anterior permite definir la categoría de
empleo para los contactos del contactor a usar.
Los circuitos del 1 al 10 solo incorporan al contactor de línea 1M y en
consecuencia están previstos para la maniobra sobre el motor M presentado. Los
circuitos del 11 al 14 llevan dos contactores de línea; uno para la maniobra del
motor M1 y otro para la del motor M2.
En los circuitos de potencia no se hace énfasis en otras posibles protecciones que
podrían implementarse para una operación más segura y confiable.
El objetivo del siguiente análisis es mostrar diferentes alternativas de mando
mediante conexiones simples con interruptores manuales y automáticos.
299
Figura 137. Circuitos básicos de control para arranque y paro de motores
eléctricos.
300
En el circuito de la Figura 137.1 se ilustra la forma de energizar el contactor 1M
mediante un simple interruptor de mando que puede ser del tipo de palanca o
muletilla. El motor M funciona mientras el interruptor SW se mantenga cerrado.
En el circuito de la Figura 137.2, el contactor 1M se puede energizar o
desenergizar maniobrando cualquiera de los interruptores 1SW o 2SW, los cuales
se encuentran ubicados en posiciones diferentes. Esto permite al operario la
comodidad de maniobrar al motor M desde dos puntos.
En el circuito de la Figura 137.3, se incorpora un interruptor 1SW de tres
posiciones; con el cual es posible manejar las siguientes opciones:
Manual (MAN) – apagado (OFF) – automático (AUTO).
Se establece el funcionamiento automático cuando el interruptor de nivel 1LS se
cierra y el interruptor 1SW se encuentra conmutado en la posición AUTO. Con
esta disposición lógica, el funcionamiento del motor M queda condicionado por las
variaciones de nivel con respecto al punto de control del nivóstato. Así mismo, el
operario queda desligado de la maniobra sobre el motor y su función será
únicamente la de supervisar el correcto funcionamiento del mismo.
En el circuito de la Figura 137.4 se incorpora un pulsador retenido de doble
apertura para la actuación sobre la bobina 1M del contactor. Al presionar el botón
pulsador de marcha se cierran los contactos del pulsador y el contactor 1M se
energiza conectando el motor M a la línea. Si después de esta maniobra se
presiona el botón pulsador de paro, los contactos del pulsador se abren y la
bobina del contactor 1M se desenergiza desconectando el motor de la línea.
En el circuito de la Figura 137.5 circuito se utilizan dos pulsadores de contacto
momentáneo. Al presionar el pulsador de marcha se energiza 1M y de inmediato
301
queda retenido a través de su contacto conectado en paralelo con dicho pulsador.
De esta forma, puede soltarse el botón del pulsador en cuestión y el motor
permanece conectado a la línea. Al presionar el pulsador de paro se interrumpe la
corriente por la bobina del contactor perdiéndose la retención; en consecuencia se
desenergiza el contactor 1M y el motor se desconecta de la línea.
El circuito de la Figura 137.6 es una variante del circuito anterior. La única
diferencia funcional se origina si los dos pulsadores son presionados
simultáneamente. En este caso, el circuito anterior proporciona una condición de
mayor seguridad, ya que el motor no se conecta a la línea, como si ocurre con el
empleo de este.
El circuito de la Figura 137.7 es una variante circuital de los circuitos con
pulsadores vistos anteriormente. Se utiliza cuando se quiere efectuar la maniobra
del motor desde dos puntos diferentes. En este caso los pulsadores de MARCHA
1 y PARO 1 estarán alojados en una caja, separada de la primera y solo se
requiere de tres cables por caja para hacer el conexionado.
En el circuito de la Figura 137.8 la conexión del motor se retarda con el propósito
de dar prioridad a otras tareas que previamente debe iniciar el relé de control CR.
Para el retardo se utiliza un relé temporizador al trabajo. El mando se realiza por
medio de pulsadores como ya se ha indicado.
En el circuito de la Figura 137.9 se retarda la desconexión del motor con respecto
al momento de realizar la maniobra con el pulsador de paro. De esta manera, el
motor podrá continuar en funcionamiento durante el tiempo que se haya definido
para el relé temporizado al reposo, TR.
En el circuito de la Figura 137.10 se ilustra la forma de desconectar un motor
cuando este quede sometido a condición de embalamiento o sobre velocidad.
302
Para ello se utiliza un interruptor de velocidad OSS (Over Speed Switch) que abre
el circuito de autorretención para la bobina del contactor 1M.
En el circuito de la Figura 137.11 se utiliza un relé de retención o memoria CR
(Latch Coil Relay o set-reset relay) que incorpora dos bobinas (set y reset) para
actuar sobre un único juego de contactos; uno de los cuales se utiliza para actuar
sobre la bobina del contactor 1M que hace la maniobra del motor M sobre la línea.
Al presionar el pulsador de marcha se energiza la bobina set del relé CR,
permitiendo que los contactos del relé se conmuten y se retenga, aún después de
que el pulsador se suelte y la bobina no reciba energía.
Al presionar el pulsador de paro o por la actuación del relé de sobrecarga, la
bobina de reset del relé se conecta a la línea y hace que los contactos retenidos
se liberen y regresen a la posición original, desenergizándose 1M y
desconectando el motor M de la línea.
Puesto que las bobinas de los relés con retención o memoria solo se diseñan para
energización transitoria y no permanente; es necesario garantizar que esta última
situación no se presente. Ello ocurre, por ejemplo, si el contacto auxiliar del relé
térmico, 1OL, permanece cerrado cuando se da la condición de sobrecarga; o si
ocurre que los pulsadores se mantengan presionados durante un tiempo
prolongado. Estos inconvenientes se solucionan colocando contactos del mismo
relé en serie con las bobinas set y reset como se indica en la Figura 137.11.
En el circuito de la Figura 137.12 se adiciona el contactor 2M con el propósito de
maniobrar sobre dos motores; M1 y M2. Con este circuito se consigue un arranque
forzado con retardo a la conexión, ya que el motor M2 no puede conectarse a la
línea si previamente no se energiza el contactor 1M que conecta al motor M1 y
transcurre el tiempo de retardo que impone el relé temporizador TR. Las lámparas
303
de señalización 1L y 2L permiten al operario determinar si los motores están en
uso.
El circuito de la Figura 137.13 presenta características similares al descrito
anteriormente; la diferencia radica en que el contactor 2M se energiza cuando se
alcance la presión de actuación para la cual se opera el presóstato PS o en
general, cualquier otro dispositivo de mando automático que responda al cambio
en una variable de interés. La actuación por sobrecarga para cualquiera de los
relés térmicos desconecta simultáneamente los dos motores.
Con el circuito de la Figura 137.14 se consigue también un arranque forzado ya
que el motor M2 solo puede conectarse a la red si primero se ha conectado el
motor M1. Puede observarse que al presionar el pulsador de MARCHA 2 el
contactor 2M no puede energizar si previamente no se ha energizado el contactor
1M y éste se encuentre retenido a través de su contacto en paralelo con el
pulsador de MARCHA 1.
4.6.2 Protección del motor y de los circuitos auxiliares
Todas las entidades de normalización establecen condiciones mínimas de norma
para dar protección a las cargas, a los circuitos y a las personas. Para los motores
se indica lo siguiente:
Todo motor debe ir provisto de un elemento de protección contra
sobrecarga con relé térmico o electrónico que debe incorporar un elemento
sensible en cada línea “viva” de la red de alimentación y estar conectado
directamente a los bornes del motor. La actuación del relé de sobrecarga
debe desconectar al motor de la línea; lo cual se logra abriendo el circuito
de retención que sostiene energizado el contactor de línea del motor.
304
La carcasa del motor debe conectarse sólidamente a tierra (ver Figura 138)
mediante un conductor de tierra (PE) y al mismo tiempo debe incorporar
protección internacional IP21 (o mejor) contra contacto accidental con
partes activas peligrosas, contacto con partes en movimiento y contra
penetración de agua por goteo.
Figura 138. Carcasa del motor conectada a tierra.
Fuente: http://articulo.mercadolibre.co.cr/MCR-418217683-motor-electrico-trifasico-14hp-_JM
Para los circuitos de potencia se indica lo siguiente:
Todo circuito de potencia debe incorporar un desconectador totalizador que
aísle completamente las cargas (todos los consumidores) y demás
elementos del circuito de las líneas de alimentación, con el propósito de
permitir operaciones de inspección, reparación y mantenimiento con
seguridad plena para las personas encargadas de estas labores.
El circuito de potencia debe estar acondicionado con una protección global
de corto circuito utilizando un elemento sensible en cada línea “viva” de la
red de alimentación esta protección puede estar incorporada en el mismo
dispositivo desconectador principal o separada de este. Para ello se puede
recurrir al empleo de fusibles, breakers termo-magnéticos; interruptores
305
automáticos con acondicionamientos especiales según las cargas a
proteger y su importancia.
El empleo de breakers o interruptores automáticos garantiza la protección integral
contra sobrecarga y cortocircuito; particularmente para los conductores de la
acometida principal. El neutro nunca se protege ni se interrumpe salvo casos muy
especiales.
Para la selección de un fusible totalizador (tripolar) en una instalación donde las
cargas son motores trifásicos puede aplicarse la aplicación de norma del Código
Eléctrico Nacional de los Estados Unidos (NEC 430-53 C).
Tamaño máximo del fusible = 1.75 (La corriente nominal del motor de
mayor tamaño) + suma de la corriente nominal de cada uno de los motores
restantes.
Para la selección de un interruptor automático o breaker totalizador en una
instalación donde las cargas son motores trifásicos puede aplicarse la
recomendación de norma del Código Eléctrico Nacional de los Estados Unidos.
Tamaño mínimo (NEC 430-110) del interruptor automático = 1.15 (Suma de
la corriente nominal de todos los motores).
Tamaño máximo (NEC 430-53C) del interruptor automático = 2.5 (Corriente
nominal del motor de mayor capacidad) + Suma de la corriente nominal de
cada uno de los motores restantes.
Téngase presente que los conductores de acometida para la alimentación de las
cargas asociadas al circuito que protege el interruptor automático, deben
seleccionarse de un calibre cuya corriente nominal este dentro del rango de ajuste
de la corriente térmica del breaker.
306
El conductor se escoge con un calibre de alambre (de referencia comercial) cuya
corriente nominal se encuentra entre el mínimo y el máximo que se indicó por las
normas anteriores.
Para los circuitos auxiliares o de control se establece lo siguiente:
Todo circuito de control debe llevar protección de cortocircuito en las líneas
“vivas” mediante fusibles o aún mejor con disparadores rápidos de
cortocircuito, cuyo símbolo se ilustra en la Figura 139. Estos son
interruptores de naturaleza electrónica o electromagnética que sensan la
corriente que pasa a través de sus elementos sensibles y reaccionan
rápidamente abriendo el circuito cuando dicha corriente sobrepasa un
umbral que define condiciones inadmisibles para el circuito. Con ello se
elimina la necesidad de reponer fusibles fallados y se asegura una
reposición más rápida del servicio después de una falla seguida del disparo
de la protección.
Figura 139. Símbolo IEC para un desconectador rápido
En los disparadores rápidos la apertura rápida se logra por desconectadores de
tipo magnético o mediante un mecanismo interno que aprovecha las grandes
fuerzas de repulsión entre conductores que llevan una corriente; tal como la que
se presenta en una situación de cortocircuito.
307
Si el circuito de control se alimenta a través de un transformador de
aislamiento, deben instalarse fusibles o un disparador rápido en el lado del
devanado primario del mismo, sin importar el hecho de que se tengan
fusibles para la protección del circuito de control en el lado del secundario.
El circuito de control se debe derivar de las líneas principales después del
interruptor totalizador y antes de los contactos de los dispositivos que
maniobran las cargas.
En la Figura 140 se ilustra la disposición de los elementos de protección para un
circuito cuya carga es un motor eléctrico. La norma estipula que los bornes de
marcación impares deben ir conectados siempre hacia el lado de las líneas y los
pares hacia el lado de las cargas. Con este ordenamiento se facilita la verificación
del cableado y se da seguridad al efectuar pruebas y mediciones de campo.
Muchas otras protecciones pueden implementarse en los motores industriales,
dependiendo no solo del tamaño del motor sino también de la importancia de la
función que este realice en el proceso productivo.
Figura 140. Conexión de relé de sobre y bajo voltaje o de relé inversión de
secuencia
308
En la tabla 34 del ANEXO A se indican algunas de las protecciones del código
NEMA que pueden incorporarse al circuito del motor. Entre las más comunes
están:
La protección contra elevación de temperatura en los devanados del
motor. Esta protección es la NEMA 49 y se consigue utilizando sondas
térmicas (con termistores) ubicadas en las ranuras del núcleo que aloja los
devanados de la máquina.
La protección de bajo voltaje, sobrevoltaje o ambas. Un relé NEMA
27/59 conectado como indica la Figura 141 y cuyo contacto de alarma se
conecta en serie con la bobina del contactor 1M como muestra la Figura
141.a, permite la desconexión del motor si la tensión de la red se sale de
los límites mínimos y máximos que previamente han sido ajustados en el
relé. Estos relés adicionan un efecto de retardo en la actuación para ignorar
variaciones transitorias de la tensión de la red.
309
Figura 141. Circuitos para protección de motor contra la variación de tensión
La protección contra inversión de secuencia de fase. Esta condición
origina un cambio en el sentido de rotación del motor (solo para motores
trifásicos) que puede comprometer el funcionamiento normal de la carga
acoplada al mismo.
El empleo del relé NEMA 47N, conectado en forma similar al relé NEMA
27/59, da la protección requerida, impidiendo que el motor se pueda
arrancar si la secuencia de fase es incorrecta.
Otros circuitos de diseño simple y bajo costo que con frecuencia se utilizan para
proteger motores contra el efecto de las caídas de tensión en la red (bajo voltaje),
se ilustra en la Figura 141 b y Figura 141 c.
310
El circuito de la Figura 141 b incorpora una resistencia limitadora de corriente en
serie con el contacto de retención de la bobina del relé de control UV (Under
Voltage) que energiza al contactor de línea 1M que a su vez conecta al motor.
Dicha resistencia se calcula para que la corriente por la bobina de dicho relé tenga
un valor ligeramente mayor que el de mantenimiento, para que el circuito se haga
sensible a las caídas de tensión en la red y el motor se desconecte de la línea.
Si se diseña la resistencia para que la corriente circulante sea ligeramente mayor
a la de mantenimiento (IH) del relé UV; este queda muy sensible a la reducción de
tensión en la red, dejando que ante una eventualidad su armadura se suelte y
rearme los contactos desconectando a continuación el motor. Puede observarse
del circuito que al momento de la conexión del relé UV, a este se le aplica plena
tensión ya que el pulsador de marcha da paso directo de corriente sin que la
resistencia tenga efecto alguno. Esto es necesario para garantizar el enganche del
relé.
El circuito de la Figura 141.c utiliza un condensador de gran capacidad que se
carga a través del diodo D a una tensión cercana a la de pico de la línea. Ante una
caída de tensión en la red, el diodo se bloquea y el condensador se descarga
lentamente a través de la bobina del relé UV, impidiendo que su contacto abierto
conectado a la bobina del contactor 1M se abra rápidamente, evitando que el
motor se desconecte de la línea.
Lógicamente, esta situación no se podrá sostener por mucho tiempo, y en
consecuencia, si la tensión no alcanza a normalizarse en un tiempo previsto, el
motor debe desconectarse definitivamente de la red.
Para que el circuito funcione como se desea es necesario que el contactor de
línea del motor y los relés de control 1CR y el de corriente directa UV (de alta
impedancia), tengan voltajes de desenganche relativamente bajos para permitir
que sus contactos se retengan cuando se presente la caída de tensión. El
311
funcionamiento del circuito es simple. El presionar el pulsador de marcha se
energiza inmediatamente el relé UV, el cual a su vez energiza al relé 1CR que
permite la conexión del motor a la línea a través del contactor 1M. El relé UV se
alimenta con corriente directa obtenida de una rectificación simple de media onda
con filtro capacitivo.
Si se presenta una caída de tensión, el voltaje de la red se hace menor que el del
condensador, y en consecuencia, el diodo D se abre, dejando que el voltaje del
condensador siga alimentando al relé UV, ignorando el problema que se está
presentando en la red.
Si la tensión se normaliza, todo regresa a las condiciones iniciales y el motor
continua funcionando. Si la caída de tensión se hace sostenida, llega un momento
en que el voltaje aplicado a la bobina del relé UV es insignificante (menor que el
de desenganche) y los contactos del relé se rearman desconectando a 1CR y en
consecuencia al motor.
4.6.3 Circuitos de control para el funcionamiento “a pasos”
Con este servicio se pretende obtener pequeños desplazamientos o movimientos
del motor que impulsa la máquina. La operación se hace manualmente y los
intervalos de tiempo se toman a criterio del operario.
El funcionamiento “a pasos” se conoce también como la función pulsación (o
Jog) y representa un modo de servicio intermitente para el motor.
Para algunas máquinas, cuando los desplazamientos que origina el motor son
muy pequeños es costumbre denominar a esta función inch.
312
El funcionamiento a pasos implica conectar el motor por corto tiempo una o más
veces; por tanto, los dispositivos de maniobra tienen que interrumpir la corriente
en la fase transitoria donde la corriente del motor todavía no se ha estabilizado y
aún tiene un valor elevado. Esto trae como consecuencia un fuerte desgaste de
los contactos debido al arco de desconexión, de ahí que para la selección del
contactor, que hace la maniobra sobre el motor, es de gran importancia usar la
categoría de empleo como indica la tabla 15 del ANEXO A.
El servicio intermitente para funcionamiento a pasos se presenta por ejemplo en
máquinas-herramienta, elevadores de carga, en bandas transportadoras,
máquinas enrolladoras y en general en aquellas maniobras donde el operario debe
realizar operaciones de empalme o de “pesca” de ciertos materiales (telas, hilos,
alambres, etc.) en máquinas de proceso continuo.
Figura 142. Bandas transportadoras accionadas por motores eléctricos.
Fuente: http://predictivo-industrial.com/spm/products/online/mg4apps/bandastrans.htm
El motor preferido para realizar la función a pasos es el motor de corriente directa
debido a sus excelentes características de regulabilidad tanto en velocidad como
en torque. Con los motores de corriente alterna de jaula de ardilla, realizar esta
función se dificulta un poco ya que para ellos resulta costoso la utilización de
equipos que permitan la maniobra a baja velocidad.
313
Téngase presente que si el operario debe efectuar la maniobra del funcionamiento
a pasos es conveniente que el motor funcione a baja velocidad; y para cargas
inerciales, adicionalmente implementar también la función frenado. De esta
manera el operario podrá realizar pequeños movimientos y ajustar con precisión la
posición deseada de la máquina, de forma que le facilite las tareas que debe
cumplir.
Actualmente, todos los variadores electrónicos de velocidad para motores del CD
y CA incorporan la función Jog lo cual hace que estos equipos sean más
versátiles y de mayor utilidad para el usuario final.
En la Figura 143, se ilustra un circuito para el mando de un motor de corriente
directa en el cual se incluye el funcionamiento a pasos a baja velocidad mediante
una resistencia en serie con la armadura del motor. Esta resistencia se conecta al
circuito cada vez que el contactor j (jog) se energiza, reduciendo la tensión en
bornes de la armadura del motor, logrando de esta manera que la velocidad de la
maquina se reduzca en un valor de fácil maniobrabilidad para el operario.
Figura 143. Circuito para el mando de un motor de corriente directa que incorpora
la función jog.
314
En este circuito el pulsador de marcha cumple una doble función: a pasos y de
marcha. Sin embargo, el funcionamiento a pasos solo se consigue en la fase
inicial, antes que el interruptor límite LS, que es actuado por la máquina en
movimiento, alcance cierta posición de referencia. A partir de ese momento el
contactor J no se vuelve a energizar y el motor queda conectado a la línea
directamente a través del contactor 1M. Obsérvese que el relé de control 1CR, que
maneja a 1M, queda automantenido una vez que el interruptor LS actúa.
Con el circuito de la Figura 144 se consigue la función jog con independencia de la
posición que tenga la máquina. En este circuito se incorporan el frenado dinámico
y el funcionamiento a baja velocidad. El frenado se consigue mediante la
resistencia R2 que se conecta en paralelo con la armadura del motor al momento
de presionar el pulsador de paro. Para el efecto de frenado se requiere que el
campo de motor permanezca conectado después de desconectar el motor de la
línea. El efecto de la resistencia R1 sobre la velocidad del motor es el mismo que
se indicó para el circuito anterior que utiliza un interruptor límite o de posición.
Obsérvese que se utilizan pulsadores separados para la MARCHA y el
funcionamiento A PASOS.
315
Figura 144. Circuito con función Jog
Al presionar el pulsador de marcha se energiza 1M, se automantiene y conecta el
motor a la línea a plena tensión.
Al presionar el pulsador de funcionamiento a pasos se desenergiza 1M (si
previamente estaba conectado) y se pierde la posibilidad de la retención o auto
mantenimiento. Al mismo tiempo se energiza el contactor J, que comanda
directamente a 1M y el motor se conecta a la línea con la resistencia R1 incluida,
permitiendo que pueda funcionar a baja velocidad. Como no hay retención del
contactor de línea, es evidente que el motor se conecta y se desconecta a
voluntad del operario. La operación del relé térmico por sobrecarga hace que se
desenergice el contactor de línea y el motor se desconecte de la alimentación.
316
4.6.4 Circuitos para inversión de marcha
Se requiere con frecuencia invertir el sentido de giro de los motores. Esta función
se hace necesaria en monta cargas y ascensores, máquinas elevadoras de
personal, máquinas herramientas juegos mecánicos, lavadoras, enrolladoras,
bandas transportadoras y puertas automáticas, entre otras (ver Figura 145).
Figura 145. Esquema ilustrativo de un elevador de personal o de carga.
Fuente: http://www.arquigrafico.com/tipos-de-ascensores-para-las-edificaciones/
Para la inversión de marcha en motores trifásicos se requiere simplemente invertir
la secuencia de fase (para cambiar el sentido del flujo giratorio), lo cual se
consigue intercambiando dos cualesquiera de las líneas de alimentación del motor
317
(sin importar cuales de ellas se cambien). Para ello puede utilizarse el circuito de
potencia de la Figura 146, que utiliza dos contactores de línea F y R. Puede
apreciarse que si está energizado el contactor F, los bornes del motor quedan
conectados así: L1-T1, L2-T2, y L3-T3. En cambio, si esta energizado el contactor
R, los bornes quedan conectados así: L1-T3, L2-T2 y L3- T1. Con ello se garantiza
la inversión del flujo giratorio y la inversión de marcha.
Para el cambio de sentido de giro en motores de corriente directa, se debe
invertir la conexión de uno de los devanados del mismo, ya sea la armadura o el
campo de excitación. Sin embargo, debido a que este último es muy inductivo se
prefiere la conmutación de la armadura; que es más resistiva que inductiva. Con
esto, a pesar de que implica conmutar una corriente mayor, se evitan problemas
como:
Un fuerte arco (con efecto destructivo) sobre los contactos del contactor
que se utiliza para la conmutación del campo excitador.
Reducción notoria del torque de arranque, debido a la “lentitud” con que
crece la corriente de excitación, lo cual conlleva generalmente a que actúen
las protecciones de sobrecarga o de cortocircuito asociados al motor.
Figura 146. Circuitos para inversión de marcha de un motor de CD.
318
En la Figura 146, se muestra el circuito de potencia con la conexión de la
armadura del motor a través de un puente formado por los contactos F y R. El
devanado de campo se conecta directamente a la línea (lógicamente debe
disponerse de un interruptor totalizador a la entrada de las líneas de alimentación
con lo cual se garantiza que el arranque del motor se hará a pleno campo sin
limitar el torque inicial).
En los motores de corriente directa, la inversión de polaridad en los terminales del
inducido o del campo excitador origina un contratorque que hace girar el motor en
sentido contrario. En los motores de CD, el torque del motor es directamente
proporcional al producto de las corrientes de la armadura y del devanado de
campo; por consiguiente, la inversión del sentido de circulación de la corriente, ya
sea por el devanado de armadura o del de campo origina la rotación del motor en
sentido contrario.
De los circuitos de potencia puede deducirse fácilmente que por ningún motivo
pueden energizarse simultáneamente los dos contactores principales F y R, ya
que esta situación originaria un corto circuito entre líneas. Por ello, como lo indican
los circuitos anteriores, se hace necesario disponer de ciertas seguridades como:
Enclavamientos eléctricos
Enclavamientos mecánicos
NOTA: Los circuitos con paro previo se recomiendan para frenado con cargas
inerciales. Los circuitos sin paro previo se recomiendan para cargas friccionales.
Estos enclavamientos se pueden apreciar en los circuitos de mando de la Figura
146. Cualquiera de estos circuitos puede operar en los circuitos de potencia
descritos anteriormente para realizar la función
319
Ambos circuitos llevan los respectivos pulsadores de “Avance” y “Retroceso” así
como los contactos auxiliares de la sobrecarga, retención y enclavamiento.
Observe que si uno de los contactores se encuentra energizado; al otro le es
imposible hacerlo, ya que el contacto de enclavamiento se encuentra abierto y el
bloqueo de enclavamiento está activado para impedir la simultaneidad.
La diferencia fundamental entre los dos circuitos se manifiesta en el momento de
iniciar la maniobra de inversión, si el motor se encuentra previamente energizado.
Con el circuito de la Figura 146 es necesario presionar previamente el pulsador de
paro para habilitar la maniobra. Si se emplean pulsadores de doble contacto, no es
necesario detener el motor; la maniobra de inversión la puede efectuar libremente
el operario sin necesidades de operar el pulsador del paso.
El empleo de uno u otro circuito lo define el tipo de carga que debe manejar el
motor. Si la carga es friccional, cualquiera de los circuitos puede emplearse sin
restricciones. Sin embargo, con cargas inerciales (por ejemplo máquinas
centrifugadoras), la inversión se debe iniciar con el motor desconectado y
detenido, ya que de no hacerlo así, se originan fuertes contra torques, con
elevados picos de corriente de conexión. Esto da origen a fuertes perturbaciones
en la red y más grave aún, puede originar daños de tipo mecánico en el acople
motor-carga, debido a los enormes esfuerzos de cizalladura a los cuales se
somete.
En los motores de corriente alterna monofásicos (de fase partida o con dos
devanados) la inversión de marcha se logra intercambiando la conexión de los
terminales del devanado principal.
320
4.6.5 Circuitos para frenado de motores eléctricos
Con la función Frenado, se consigue detener rápidamente el motor a partir del
momento que se presiona el pulsador de paro y que este se desconecte de la red.
Al presionar el pulsador de paro para desconectar un motor de la línea, este no se
detiene en forma inmediata ya que hay energía almacenada debido la inercia de la
carga. Cuando se trata de cargas inerciales (gran momento de inercia y bajo
coeficiente de fricción) la energía cinética asociada al motor resulta demasiado
elevada y en consecuencia el motor demora un tiempo considerable para
detenerse. Una vez haya transformado toda esa energía, ya sea en calor por
efecto de la fricción, o en mover aire al interior del motor por efecto del ventilador
que todo motor tiene incorporado; el motor se detiene.
El tiempo de detención de un motor que no incorpora la función frenado puede
llegar a ser del orden varios minutos; particularmente cuando la carga es una
máquina centrifugadora o un ventilador, por ejemplo, para cargas que se
encuentran sometidas a la acción de la fuerza de gravedad, el proceso de frenado
es más complejo, ya que debe incorporarse un mecanismo de bloqueo para
impedir que la carga se mueva una vez que se frene y se detenga.
Para cargas friccionales (con elevado coeficiente de fricción y baja inercia, como
un molino de piedras, por ejemplo) el tiempo de detención del motor es de pocos
segundos, ya que la energía cinética que tiene asociada el motor se transforma
muy rápidamente. Para estos casos se deja que el motor se detenga
naturalmente.
El objetivo de la función frenado es la de detener rápidamente el motor y la carga
asociada a partir del instante en que dicho motor es desconectado de la línea. En
la práctica, se dispone de varios métodos de frenado, como son:
321
Frenado dinámico
Frenado de contra marcha
Frenado electromagnético o por inyección de corriente directa
Frenado electromecánico
Otros
4.6.5.1 Frenado dinámico
Éste solo es aplicable a motores de corriente directa y a motores de corriente
alterna sincrónicos. En la Figura 147 se muestra el circuito típico para llevar a
cabo esta función en un motor de CD.
Figura 147. Circuito típico para frenado dinámico de un motor de CD.
322
Consiste en lograr que el motor trabaje como generador una vez se desconecte de
la línea. Para ello se debe garantizar que el devanado de campo de excitación
permanezca energizado hasta que el motor de haya detenido.
El circuito emplea un contactor de línea M que tiene dos contactos principales
1NO + 1NC. El contacto cerrado se conecta a través de la resistencia R, colocada
en paralelo con la armadura del motor. De esta manera, cuando el motor se
desconecta de la línea, la máquina (que entra a funcionar como generador ya que
tiene el campo conectado y está girando por inercia), transforma la energía
cinética asociada a su eje en energía eléctrica y esta a su vez en calor en la
resistencia R que tiene conectada, acelerando el proceso de frenado. Obsérvese
que la resistencia de frenado permanece desconectada mientras el motor se
encuentra en funcionamiento normalmente.
Para el cálculo de la resistencia R es necesario conocer el valor de la fuerza
contraelectromotriz que tiene el motor al momento de la desconexión. Esto se
calcula por la expresión:
aCD RIVV
Donde I es la corriente que pasa por el motor antes de desconectarlo
(posiblemente es la corriente nominal del motor si este opera a plena carga), la
resistencia Ra es la resistencia óhmica de la armadura; valor que se supone
conocido o se puede calcular muy fácilmente.
Después de determinar el valor de V es necesario definir qué valor máximo de
corriente Id debe hacerse circular por la resistencia. En general se acostumbra
tomar valores de corriente entre 1.5 y 3 veces el valor de la corriente nominal o de
placa del motor
323
Si deseamos calcular R para nd II 3 , puede aplicarse la siguiente ecuación
a
aCD
ndRR
RIVVII
3
Con el valor de R despejado de la ecuación anterior, debe verificarse que el
tiempo de frenado sea satisfactorio para los propósitos del usuario.
Finalmente, la expresión para Id podrá tener algunas restricciones de diseño si el
motor incorpora un variador de velocidad y al momento de desconectarlo está
girando a baja velocidad.
El funcionamiento de circuito de mando no requiere comentarios adicionales,
puesto que es similar a los que han sido analizados anteriormente.
4.6.5.2 Frenado de contramarcha
Este método es aplicable tanto a motores de corriente directa como de corriente
alterna. En este método, el frenado se logra invirtiendo dos fases (en motores de
CA) o intercambiando la conexión del devanado de armadura (en motores de CD).
Dicha operación origina un contra torque en el motor, el cual reduce
inmediatamente su velocidad y trata de invertir el sentido de marcha. Sin embargo,
justo antes que el motor haya alcanzado una velocidad cercana a cero, este se
desconecta definitivamente de la línea y termina por detenerse naturalmente, sin
permitirle la inversión del giro.
Los circuitos que se utilizan para realizar esta función incorporan enclavamientos
tanto eléctricos como mecánicos para evitar condiciones de cortocircuito en la
línea. Así mismo, utilizan comúnmente un interruptor de velocidad que se acopla al
324
eje del motor y es el encargado de dar la orden de desconexión general cuando ya
el motor está girando a muy bajas revoluciones y su energía cinética asociada no
es de valor importante.
El circuito de control utilizado para manejar el motor de CD es el mismo que para
el motor de CA, alimentándolo con CA.
El empleo de un interruptor de velocidad (Speed Switch: SS) es fundamental para
impedir que el motor gire en sentido contrario. No se recomienda obviar este
dispositivo y hacer la maniobra en forma manual o por límite de tiempo; ya que las
condiciones de la carga pueden ser variables y la maniobra no asegura que el
motor no pueda invertir la marcha, originando serios problemas en la máquina o
en las tareas que se ejecutan.
En los circuitos de potencia de la Figura 148 a y b se muestra la conexión
respectiva para un motor de CA y otro de CD.
325
Figura 148. Circuitos para frenado de contramarcha en motores de CA y CD.
(a) Circuito de potencia. (b) Circuito de control.
El circuito de corriente alterna es idéntico al de inversión de marcha; sin embargo,
obsérvese que los contactores no se denominan con la misma nomenclatura. En
este caso M es el contactor de línea para la operación del motor en un solo
sentido de giro, y B (Brake) es el contactor de freno que cumple una función, muy
diferente a la de inversión.
El circuito de corriente directa tampoco difiere apreciablemente del circuito
correspondiente utilizado para la inversión de marcha visto anteriormente. La
resistencia R, conectada en serie con uno de los contactos del contactor de freno
(B), es utilizada con frecuencia para limitar la contracorriente originada por la
reconexión del motor, cuando se quiere detener dicho motor. Esta corriente puede
tomar valores sustancialmente elevados debido a que al momento del paro, la
fuerza contraelectromotriz se suma a la tensión de la línea y el motor solo puede
326
limitar la corriente por la resistencia que presenta la armadura; la cual es muy
pequeña.
Puede usarse el circuito de control que muestra la Figura 148.b para el frenado de
ambos motores tanto el de CD como el de CA. Obsérvese que el contactor B tiene
enclavamientos eléctrico y mecánico con el contactor M para inhabilitar la
operación simultánea. Al presionar el pulsador de marcha se energiza el contactor
M, se automantiene, inhibe a B y el motor se conecta a la línea. Cuando esto
ocurre, el interruptor de velocidad se cierra (aproximadamente a una velocidad
menor de 100 RPM), pero ya está inhibida la operación de B.
Al presionar el pulsador de paro, se desenergiza el contactor M, pierde su
retención y habilita el circuito del contactor B. Este se energiza y automantiene,
puesto que el interruptor de velocidad permanece cerrado debido a que el motor
aún se encuentra girando por inercia. En ese momento se hace la inversión de las
conexiones del motor y este reduce rápidamente la velocidad debido al
contratorque que origina la circulación de corriente en sentido contrario al
establecido originalmente para la marcha normal.
Sin embargo, antes de que el motor pueda girar en sentido contrario, y cuando su
velocidad es ya cercana a cero, el interruptor de velocidad se abre nuevamente y
hace que el contactor B se desenergice y pierda retención. Esto trae como
consecuencia la desconexión definitiva del motor y su detención en forma
inmediata.
El circuito de la Figura 149 a y b es una variante utilizada para frenar por
contracorriente o contramarcha un motor de corriente alterna, incluyendo la
posibilidad de la inversión de marcha. En este caso el circuito de potencia no se
diferencia del utilizado para la inversión ya que los contactores F y R tienen una
función principal. Sin embargo, los mismos contactores pueden utilizarse para
327
ejecutar la tarea que hace el contactor de freno B empleado en los circuitos para
operación en un solo sentido de giro.
Figura 149. Inversión de marcha con frenado de contramarcha.
(a) Circuito de potencia. (b) Circuito de control.
Como puede apreciarse en el circuito de control que se muestra en la Figura 149.b
se trata de un circuito típico de inversión al cual se le ha adicionado la conexión
del interruptor de velocidad SS. Este debe tener contactos de un polo dos
posiciones donde cada contacto se cierre dependiendo del sentido de giro que se
le dé al motor, según indica la figura. Si se presiona el pulsador de “AVANCE”, se
energiza el contactor F y se automantiene, inhibe a R y el motor arranca en la
dirección hacia adelante (forward), y el interruptor de velocidad se cierra hacia el
lado marcado como F.
Al presionar el pulsador de PARO (y dejándolo sostenido hasta que el motor se
detenga) se desenergiza F, pierde su retención y habilita la bobina del contactor R
para que se energice a través del contacto del interruptor de velocidad. Puesto
que el pulsador de paro permanece presionado, no hay manera de que R se auto
mantenga, en consecuencia; cuando el interruptor de velocidad SS se abre y R se
desenergiza en forma definitiva, dejando al motor desconectado de la línea y
detenido. Obsérvese que si el pulsador de paro se suelta antes de tiempo, el
motor iniciará la marcha en sentido opuesto al que tenía inicialmente. Esta
328
situación se debe evitar, y si es del caso inhibirse mediante un contacto
temporizado que desligue al operario de la maniobra con el pulsador de paro
presionado. De todas formas, téngase presente que este frenado es muy rápido y
la maniobra solo requiere de muy pocos segundos.
El análisis del funcionamiento para la operación de frenado del motor, cuando esté
en marcha hacia atrás o en retroceso, es similar a la descrita anteriormente y
podrá entenderse sin dificultad.
4.6.5.3 Frenado electromagnético o por inyección de corriente
Este es un método muy efectivo para frenar motores de corriente alterna. Además
es ampliamente utilizado en máquinas centrifugadoras en particular en máquinas
secadoras de ropa industriales que aplican el principio de la fuerza centrífuga para
sacar el agua de la ropa lavada. También se utiliza como medio de frenado para
reducir la velocidad de “caída” en cargas que están sometidas al efecto de la
gravedad. Es el caso, por ejemplo de los elevadores de personal en minas de
profundidad, montacargas y grúas.
El método consiste en aplicar corriente directa a dos cualesquiera de las
terminales de motor que cierren circuito, justamente después de desconectarlo de
la línea principal. Cuando se aplica corriente directa a los terminales del motor se
establece un flujo magnético estacionario que corta los conductores que forman
las bobinas del rotor. Como dicho rotor está en movimiento debido a la inercia de
la carga, en él se inducirán corrientes parásitas que generan flujos de reacción y
tratarán de impedir el movimiento, por lo que el motor se detendrá rápidamente.
Con este método mientras mayor sea la velocidad, más alto será el contratorque y
más efectivo será el frenado. Cuando el motor se detiene, las fuerzas de reacción
desaparecerán porque ya no se inducen corrientes rotóricas, por lo que es el
329
momento justo para retirar la alimentación de corriente directa, ya que de no
hacerlo se corre el riesgo de recalentar los devanados del motor, debido a que no
presentan la resistencia suficiente para limitar la corriente a un valor de seguridad.
Téngase en cuenta que con CD no cuenta el efecto reactivo de los devanados
para limitar la corriente.
En los circuitos de la Figura 150.a y b se indica la forma de conseguir el frenado
electromagnético.
Al presionar el pulsador de marcha S1 se energiza el contactor de línea K1; se
automantiene, inhibe la actuación de K2 y conecta el motor a la línea. Al presionar
el pulsador S0, se desenergiza K1, y a continuación se energiza K2 y K3T; los
cuales se retienen; el motor se desconecta de la línea de corriente alterna y es
reconectado por los contactos principales de K2 a la línea de corriente directa a
través de dos sus terminales. Esto origina la rápida detención del motor.
Después de un corto tiempo (muy pocos segundos) y justo al momento de la
detención del motor, es el instante indicado para que el relé temporizado K3T
desconecte definitivamente el motor de la línea de corriente directa.
La actuación del relé térmico desconectará sin frenado el motor de las líneas
independientemente de que esté conectado en CA o CD
330
Figura 150. Frenado de motor por inyección de corriente directa
(a) Circuito de potencia. (b) Circuito de control.
4.6.5.4 Frenado electromecánico
Es bastante utilizado no solo para detener rápidamente el motor sino para
bloquear el rotor e impedir su movimiento.
Esta característica es muy importante para cargas que están sometidas a la
acción de gravedad y deban mantenerse estacionarias en una posición
determinada. Este es el caso, por ejemplo de grúas, ascensores, montacargas y
vagonetas que trasportan pasajeros o materiales.
Para el bloqueo se utiliza un freno de banda o “zapata” similar al utilizado en el
sistema de freno de los automotores. Estas bandas son construidas con un
material que presenta un elevado coeficiente de fricción y su accionamiento se
logra por medio de un electroimán de freno que mantiene firmemente asentados
331
dichas bandas sobre un disco especial que se encuentra acoplado al eje del
motor.
De esta manera, la carga asociada al motor queda impedida de movimiento y se
garantiza la condición necesaria de la retención o el bloqueo.
Como indica la Figura 151.a, el electroimán de freno (tipo serie) se conecta
directamente a los bornes de los contactores de línea (up y down) que hacen la
maniobra sobre el motor, como se observa en la figura. De esta forma, se
garantiza que el freno queda conectado en serie y va a actuar simultáneamente
con el motor cuando este se conecta a la línea. La energización del freno separa
las bandas del disco y libera al rotor para que este pueda girar libremente.
Tenga en cuenta que si el freno no actúa al conectar el motor a la línea, el rotor
quedará bloqueado y en consecuencia solo la protección que da el relé térmico
podrá evitar que este pueda sobrecargarse. También, para reducir los tiempos de
accionamiento del freno, no se recomienda que este se conecte a través de un
contactor independiente manejado sobre el circuito de control (ver Figura 151.b).
Esta situación puede originar recalentamiento de los devanados del motor
particularmente si este tiene un ciclo de trabajo intermitente. Las demoras en
liberar el freno serán las causantes de recalentamiento. Un circuito de motor que
utiliza freno electromagnético de corriente directa como el mostrado en la Figura
151.a y b es el que usan con frecuencia algunas grúas o montacargas.
332
Figura 151. Empleo de freno electromagnético de CD para un motor de CA.
(a) Circuito de potencia. (b) Circuito de control.
Nótese que el electroimán del freno tiene una bobina de corriente con derivación
central de pocas espiras y alambre grueso usando dos diodos rectificadores
conectados como la figura. Con ellos se logra hacer una rectificación de la
corriente de línea para permitir la actuación del electroimán, esta conexión de
freno en serie no genera una caída de tensión importante para la fase del motor
donde está instalado; y en cambio, tiene la ventaja que tiene una constante de
tiempo muy pequeña y su actuación será inmediata; sin retardos que puedan
originar el recalentamiento de los devanados del motor y eventualmente la
actuación del relé térmico.
El circuito de potencia se diseña para permitir la actuación del motor en dos
sentidos de giro con el propósito de que pueda subir (Up) o bajar (Down) la carga.
Como se requiere que el operario tenga un control directo de los movimientos que
se hacen con el motor, en el circuito de control no se tiene previsto el
automantenimiento o la retención de los contactores D y U que hacen la maniobra
sobre el motor. Esta forma de operación ya fue analizada y es la que
denominamos: funcionamiento a pasos.
333
Generalmente, los pulsadores de mando y el interruptor SW se instalan dentro de
una caja colgante que el operario pueda desplazar fácilmente de un sitio a otro
dentro del área donde se encuentra la grúa. RP
4.6.6 Circuitos para variación y cambio de velocidad en motores eléctricos
La variación o cambio de velocidad de los motores, es una de las maniobras más
requeridas a nivel industrial.
La manera de variar o cambiar velocidad de un motor es una característica propia
de cada motor. Se entiende por variación de velocidad a la operación que
permite ajustar manualmente y en forma continua la velocidad del motor. A los
equipos que permiten realizar esta función se les conoce con el nombre de
variadores de velocidad (ver Figura 152). Se entiende por cambio de velocidad
la operación que permite cambiar en forma discreta, entre valores definidos, la
velocidad de un motor. A los circuitos utilizados para llevar a cabo esta función se
les conoce con el nombre de cambiadores de velocidad.
No debe confundirse un variador o un cambiador de velocidad con un regulador
de velocidad. Los cambiadores o variadores no necesariamente mantienen
constante la velocidad del motor ante las variaciones de la carga; simplemente son
los que modifican algún parámetro del motor cuya dependencia con la velocidad
está definida por una relación física que puede establecerse matemáticamente.
Con un empleo de un variador o un cambiador, las variaciones de carga del motor
no mantienen su velocidad constante, como si lo hace el regulador, ya que esta es
su función principal. En un regulador de velocidad, el operario ajusta la velocidad
de trabajo del motor; y una vez realizada esta operación, el motor mantiene
constante esta velocidad independientemente de las variaciones que experimente
la carga asociada.
334
Figura 152. Variadores de velocidad.
Fuente: http://www.directindustry.es/prod/yaskawa-europe/variadores-ac-sistemas-elevacion-
14471-856779.html
Lo anterior nos indica que los reguladores de velocidad son dispositivos
automáticos y no manuales, como muchas veces así se piensa.
Para variar la velocidad de los motores de CD, se pueden hacer cambios en la
corriente de excitación del devanado del campo o simplemente variar el voltaje
aplicado a la armadura. Por variación de la corriente de excitación solo es posible
ajustar la velocidad por encima de la nominal. Por el contrario, si se varía la
tensión de la armadura, la velocidad podrá cambiarse ampliamente entre cero y la
nominal. Esto en principio es lo deseado y lo que más se aplica.
Existen varios métodos que se utilizan para la variación de velocidad de los
motores de corriente directa:
Por medio de resistencias variables (reóstatos), (ver Figura 153).
Por medio de “variacs” de corriente directa (ver Figura 153).
Por medios electrónicos, efectuando regulación de fase (PPM o PWM) con
la ayuda de rectificadores controlados.
Mediante un circuito variador tipo “Ward- Leonard”
335
Figura 153. Dispositivos de regulación usados con motores de CD.
Fuente: http://www.eletele.com/Reostatos_e.htm y http://www.temcotransformer.com/variac.html
Figura 154. Circuitos para variación de velocidad de motores de CD.
En la Figura 154.a, se muestra la forma de conectar un reóstato de campo para
reajustar la velocidad del motor por encima de la nominal. En los motores de CD,
la velocidad varía inversamente con el valor de la corriente de excitación. El
contacto cerrado FF debe colocarse en paralelo con el reóstato para garantizar
336
pleno campo durante la maniobra de arranque. Después de ello, el contacto debe
abrirse en forma retardada, o en su defecto deberá ser un contacto del último
contactor de aceleración, usado cuando el motor se conecta a la línea por medio
de resistencias limitadas de la corriente de arranque.
El circuito de la Figura 154.b, muestra la manera de conectar el reóstato Rv en el
lado de la armadura de un motor de excitación independiente. Para el circuito de la
figura indicada, la velocidad se puede variar manualmente por debajo de la
velocidad de diseño; conocida también como la velocidad nominal. A través de la
resistencia del reóstato se presenta una caída de tensión que reduce el valor
efectivo de la misma sobre la armadura. Esto trae como consecuencia la
disminución de la velocidad del motor.
El circuito de la Figura 154.c, se ilustra la forma de conectar el reóstato Rv cuando
se trata de un motor serie de corriente directa. En este caso la variación del
reóstato afecta en mayor o menor grado la corriente que circula por el campo serie
del motor (y muy poco la de armadura); la cual podrá verse aumentada en la
medida en que el reóstato disminuye su resistencia. Con esta conexión es
disminuir la velocidad del motor a partir de la máxima o nominal. Con la resistencia
RF se evita que la armadura del motor se ponga en corto cuando .
Con motores de mediana y baja potencia es posible utilizar también un variac
(transformador de tensión de salida ajustable) acoplado a dos circuitos
rectificadores en puente, como indica la Figura 155. En la conexión mostrada, el
campo se alimenta en forma independiente a la tensión del rectificador U2. La
armadura se conecta en forma separada al rectificador U1. Sin embargo, la
conexión del puente rectificador U1 se hace a través del cursor del
autotransformador, lo cual permite variar manualmente la tensión de salida
aplicada a la armadura. Con ello, podrá variarse en forma manual y continua la
velocidad del motor desde cero hasta la asignada o nominal.
337
Figura 155. Empleo de una variac para variación manual de la velocidad de un
motor de CD
Para el caso de los motores de corriente alterna la situación es diferente. En
principio, si se trata de motores de inducción de jaula de ardilla; no es posible
modificarle la velocidad con variaciones de tensión sobre sus devanados
principales. Los motores de jaula son por naturaleza motores de velocidad
constante; y esta depende básicamente de la frecuencia de la línea y del número
de polos. Solo los motores de inducción de rotor devanado permiten la variación
de velocidad mediante el empleo de resistencias rotóricas externas e idénticas en
cada fase, como muestra la Figura 156. La introducción de las resistencias
externas modifican la relación X/R de rotor; haciéndola más pequeña, logrando
inclinar más las curvas de Velocidad vs Torque de la máquina.
338
Figura 156. Variación de velocidad por medio de resistencias rotóricas ajustables,
para un motor de rotor devanado (motor de anillos rozantes)
Para mayor resistencia externa y con carga constante, la velocidad del motor se
reduce e incluso pude llegar a cero. Este método resulta muy efectivo ya que con
las resistencias externas no solo se puede variar la velocidad del motor, sino que
también se puede limitar la corriente de conexión y al mismo tiempo garantizar un
torque de arranque elevado.
La variación de velocidad por variación de frecuencia de la red es algo que hoy en
día se hace por medios electrónicos utilizando tiristores (SCR). Con estos equipos
es posible ajustar con precisión la frecuencia de la tensión aplicada al motor
dentro de rangos muy amplios; desde valores relativamente bajos hasta valores
muy por encima de la nominal.
Prácticamente, todos los variadores electrónicos de velocidad incorporan la
regulación automática de la velocidad. Con ello el operario simplemente ajusta la
velocidad de trabajo en el valor deseado y el equipo la mantiene sustancialmente
contante a pesar de las variaciones de carga.
339
La relación entre la velocidad del motor y la frecuencia de la tensión aplicada es:
Donde;
ω: velocidad en revoluciones por minuto (rpm)
f: frecuencia de la línea (Hz)
P: número de polos del motor
Obsérvese que existe una relación lineal entre ω y f que asegura una variación
uniforme de la velocidad del motor dentro de todo el rango de variación de la
frecuencia que permita el equipo utilizado para tal fin.
Finalmente, puesto que la reducción de la frecuencia disminuye la reactancia de
los devanados del motor, se hace necesario reducir en la misma proporción la
tensión de alimentación del motor con el propósito de limitar el incremento de la
corriente de funcionamiento.
La utilización de variadores electrónicos de velocidad con regulación automática
se ha venido incrementando. Cada vez son más los motores de corriente alterna
que la usan, tanto en número como en mayor capacidad (HP).
El uso de cambiadores de velocidad es otra alternativa muy utilizada en la
industria. Con su empleo es posible operar el motor a diferentes y definidas
velocidades (2 o 3 usualmente).
En los motores trifásicos de jaula de ardilla se puede cambiar la velocidad
conmutando el número de polos. Para hacer esto se requiere que el motor haya
sido construido de fábrica con esta posibilidad.
340
Existen diferentes formas constructivas para obtener diferente número de polos en
un motor trifásico:
Construcción con 2 devanados separados (independientes): 2 velocidades.
Construcción con un devanado en conexión Dahlander (relación de 1:2).
Construcción con un devanado conmutable (para conexión Dahlander) y un
devanado independiente: 3 velocidades.
Construcción con dos devanados conmutables (para conexión Dahlander):
4 velocidades.
Las diversas posibilidades de la conexión Dahlander dan potencias diferentes con
par o torque constante para las diferentes velocidades.
Los motores con devanados independientes permiten teóricamente cualquier
relación entera de velocidad; aunque se construyen corrientemente para
conmutación de polos a potencia constante. En consecuencia, una disminución de
la velocidad conlleva a un aumento del torque y viceversa.
Para la frecuencia de 60 Hz las velocidades normalizadas son las siguientes:
Tabla 6. Velocidades normalizadas para frecuencia de 60 Hz
Cuando se conmutan polos para dos velocidades, estas se denominan
simplemente “Alta” y “Baja” (lenta), independientemente de la magnitud de la
341
velocidad. Para tres velocidades se denominan “Alta” (rápida) “Media” y “Baja”
(lenta).
El circuito de la Figura 157.a y b ilustra la conexión Dahlander en un motor trifásico
de jaula para dos velocidades y un sentido de giro.
Puede apreciarse del circuito de potencia que el motor se conecta en triángulo
(∆) para la velocidad baja y en doble estrella (YY) para la velocidad alta.
Para la velocidad baja debe estar energizado el contactor K1 y permanecer
desenergizados K2 y K3. Para velocidad alta están energizados K2 y K3 y K1
desenergizado. El contactor K2 hace la conexión del neutro de la doble estrella
uniendo los bornes 1V–1U–1W y el contactor K3 hace la conexión del motor a la
línea a través de los bornes 2V–2U–2W. Cada conexión de motor define un
número determinado de los polos manteniendo siempre la relación de 1:2 a par
constante.
El circuito de control para la conexión Dahlander funciona de la siguiente manera:
Al presionar el pulsador de marcha de velocidad baja S1; se energiza K1, se
automantiene, inhibe a K2 y K3 y conecta el motor a la línea en baja velocidad.
Si en lugar de S1 se presiona el pulsador de “Alta S2; se energiza K2, conecta el
neutro de la doble estrella, energiza a K3, se automantiene, hay inhibición de K1 y
el motor gira a la velocidad mayor.
Al presionar el pulsador de paro S0 o si actúa uno cualquiera de los relés de
sobrecarga (según la conexión de trabajo); se corta la alimentación de corriente
para los contactores que estén energizados, se pierde la retención, y el motor se
desconecta de la línea.
342
Puede observarse que el circuito de control permite arrancar el motor en cualquier
velocidad (control selectivo), pero el cambio de una velocidad a la otra solo es
posible con la desconexión previa del motor mediante la actuación del pulsador de
paro.
Los fusibles F1 y F2, y los relés térmicos F3 y F4 se seleccionan en conformidad
con las corrientes asignadas del motor para ambas velocidades. Cuando la
diferencia de las corrientes asignadas para las dos velocidades es pequeña y
pueden utilizarse relés de sobrecarga con el mismo rango de ajuste, se admite la
protección de cortocircuito con un sólo juego de fusibles (F1).
343
Figura 157. Circuito de Cambiador de dos velocidades en un motor trifásico en
conexión Dahlander ∆-YY. (a) Circuito de potencia. (b) Circuito de control.
La utilización de motores en conexión Dahlander ofrece un mayor rendimiento que
la conmutación de polos para motor con devanados separados porque para cada
velocidad se usan todos los devanados.
Como se indicó anteriormente, existen diferentes conexiones Dahlander que
posibilitan cambios de velocidad con buena adaptación al par antagónico o de
carga. Las más usadas son:
Conexión triángulo / estrella–estrella; ∆ / Y-Y (2 velocidades, par variable)
Conexión estrella–estrella / estrella; YY / Y (2 velocidades, par constante)
344
Pueden consultarse las referencias bibliográficas para ampliar la información
sobre los circuitos de motor para todas estas conexiones, con o sin inversión de
marcha, así como las relaciones de potencia y características de par ofrecidas.
Finalmente, en la Figura 158 se ilustra un circuito alternativo de control en el cual
se utiliza un interruptor de mando de muletilla con retención en lugar de
pulsadores, para el arranque del motor en conexión Dahlander.
Figura 158. Mando con interruptor de muletilla con retención (Sistema Dahlander)
El interruptor S1, según sea su posición, conecta o desconecta los contactores K1
o K2 y K3, en los cuales se incorporan los respectivos enclavamientos eléctricos.
Los circuitos de potencia y de mando o control para la maniobra sobre un motor
trifásico de jaula de polos conmutables, con dos bobinados separados (conexión
típica YY), dos velocidades y un sentido de giro, se muestran en la Figura 159 a y
b.
345
Este método se conoce también como método de cambio de velocidad por
devanados parciales. Obsérvese que el motor incorpora doble protección
térmica, doble contactor de línea y doble protección de cortocircuito. Esto es
necesario porque en principio, por el hecho de ser construido con dos devanados
estatóricos independientes, se trata de una doble máquina que puede
representarse como si se tratará de dos motores en uno. Por consiguiente, los
contactores K1 y K2 no pueden actuar simultáneamente y los elementos de
protección y maniobra deberán dimensionarse para las corrientes originales de
“cada motor”.
346
Figura 159. Circuitos para cambiador de dos velocidades en un motor trifásico por
devanados parciales. (a) Circuito de potencia. (b) Circuitos de control.
Al presionar el pulsador de paro S0 se desenergiza y pierde la retención el
contactor que esté en funcionamiento; esto hace que el motor se desconecte de la
línea y se detenga. La actuación de los relés de sobrecarga hace la misma función
del pulsador de paro.
Aunque en los circuitos analizados anteriormente no se utilizan señalizaciones, es
necesario emplear lámparas indicadoras con el propósito de que el operario pueda
reconocer fácilmente la velocidad a la cual opera la máquina.
Los circuitos de mando para cambio de velocidad pueden realizar la tarea de
conmutación de los polos en el motor de varias maneras:
347
Conmutación selectiva
Conmutación forzada
Conmutación progresiva
El control selectivo permite al operario conectar el motor a la velocidad que
desee partiendo de cero. También es posible pasar de la velocidad lenta a la
rápida o viceversa y a cero (desconexión) desde cualquiera. Algunos circuitos de
este tipo incorporan restricciones de cambio de alta a baja; debiendo previamente
desconectarse el motor o retornar a velocidad cero.
El control forzado obliga al operario a arrancar el motor en baja velocidad y solo
cuando el motor está girando en esta, es posible la conmutación a la velocidad
mayor. De ahí en adelante puede cambiarse de alta a baja o viceversa, y cero sin
restricciones.
El control progresivo permite al operario conectar el motor a cualquier velocidad
de las disponibles. Sin embargo el arranque del motor se da inicialmente a baja
velocidad y un tiempo después se cambia automáticamente a la velocidad mayor
seleccionada. De ahí en adelante puede cambiarse de alta a baja o viceversa, y a
cero sin restricciones.
Para velocidades intermedias con motores de 3 y 4 velocidades (media, media alta
o media baja) pueden definirse las mismas acciones de control descritas
anteriormente, incorporando las restricciones que imponga la máquina para
realizar convenientemente la tarea asignada.
En la Figura 161 a y b se ilustra el circuito de potencia y control para la maniobra
(control selectivo) de velocidad sobre un motor de rotor bobinado (o de anillos
rozantes) a dos velocidades y en un solo sentido de giro. El cambio de velocidad
se consigue mediante las resistencias externas (R) conectadas al circuito del rotor.
348
El motor gira a baja velocidad si las resistencias no están cortocircuitadas por los
contactos del contactor H. En caso contrario, velocidad del motor es alta. El valor
de las resistencias R está definido por el tipo de carga, y evidentemente por el
tamaño del motor.
Al presionar el pulsador de “Baja” se energiza el contactor L, se automantiene e
inhibe a H y conecta el motor con las resistencias rotóricas incluidas permitiendo
que el motor gire a baja velocidad. Si se presiona a continuación el pulsador de
“Alta”; se desenergiza L, el motor se desconecta de la línea, e inmediatamente se
reconecta nuevamente debido a la energización del contactor H, el cual se
automantiene y a su vez inhibe la actuación de L.
Al presionar el pulsador de paro o presentarse la actuación del relé de sobrecarga;
se desenergiza el contactor que esté en servicio, pierde la retención, y el motor se
desconecta de la línea. El funcionamiento es análogo para el arranque inicial a la
velocidad mayor.
Si se desea un control selectivo con la restricción del paro previo para un cambio
de velocidad, con el propósito de evitar los picos de corriente que se originan en el
circuito del motor justo al cambiar de velocidad, pueden eliminarse los contactos
cerrados que tienen los pulsadores de mando para alta y baja velocidad. Las
lámparas de señalización conectadas en paralelo con las bobinas de los
contactores dan indicación al operario de la rapidez con que gira la máquina.
En la Figura 161 c y d se ilustran los circuitos de potencia y control para cambiar la
velocidad de un motor de rotor bobinado mediante el empleo de resistencias
rotóricas R. Con el circuito de mando es posible realizar la maniobra de control
forzado.
349
Obsérvese que al pretender arrancar la máquina en “Alta” no es posible la
energización del contactor H que conecta las resistencias R, puesto que para ello
se requiere que el contactor L se haya energizado previamente y se encuentre
retenido. En consecuencia, el operario solo podrá arrancar la máquina a baja
velocidad, y solo después de ello tendrán la posibilidad de pasar de alta o de alta a
baja y viceversa, y a cero, esto implica que se trate de un control forzado de
velocidad. Del circuito de potencia se ve claramente que es el contactor L el que
conecta el motor de la línea y que el contactor H sólo tiene la función de conectar
o desconectar las resistencias R para permitir el cambio de velocidad. Con las
lámparas 1L y 2L se puede visualizar la rapidez de giro del motor.
Figura 160. Control selectivo de velocidad para un motor de rotor devanado.
(a) Circuito de potencia. (b) Circuito de control.
350
Figura 161. Control forzado de velocidad para motor de rotor devanado.
(c) Circuito de potencia. (d) Circuito de control.
En la Figura 162, se ilustra un circuito de potencia para la maniobra sobre un
motor serie de corriente directa, en el cual es posible variar en forma escalonada
su velocidad mediante un combinador de mando que conmuta las derivaciones de
una resistencia limitadora de corriente que reduce la tensión en bornes del motor.
Con esta disposición pueden seleccionarse cinco velocidades de trabajo además
de la desconexión del motor. Dependiendo del valor que tenga la resistencia con
derivaciones, el circuito puede emplearse también para el arranque o aceleración
del motor con el propósito de limitar la corriente de conexión.
351
Figura 162. Cambiador manual de velocidad para un motor de CD mediante
combinador de mando.
4.6.7 Circuitos para arranque de motores con limitación de la corriente de
conexión (función aceleración)
4.6.7.1 Introducción
La conexión de un motor a la línea demanda una cantidad extra de energía para
que este pueda desarrollar el torque acelerador que conduce a la máquina a su
velocidad de estado estable.
Al momento de arrancar, la carga le impone al motor dos torques: El torque
acelerador y el torque de fricción. El primero depende de la inercia (J) de la carga
y el segundo del coeficiente de fricción o de rozamiento (B) asociado también a la
carga. En condiciones de equilibrio dinámico se debe cumplir la relación:
352
Dónde:
TM: Torque Motor
TL: Torque de carga
: Aceleración angular
: Torque acelerador
ω: Velocidad angular
Bω: Torque de fricción
Cuando un motor se conecta a la línea, experimenta un cambio de velocidad
desde cero hasta su velocidad final de trabajo para condiciones estacionarias.
Mientras se presenta el cambio de velocidad, se demanda de la línea gran
cantidad de energía, manifestada por medio de un aumento exagerado de la
corriente que toma el motor. Esta corriente puede estar comprendida entre 3 y 8
veces el valor de su corriente nominal o asignada. Una vez el motor estabiliza la
velocidad, desaparece el torque acelerador y la maquina solo toma de la línea la
energía necesaria para vencer la fricción; la cual demanda una corriente que es
igual o menor a su valor nominal asignado, según la carga que tenga conectada.
Varios efectos se manifiestan por el súbito de corriente durante la conexión del
motor:
353
Caída de tensión en la línea; lo cual perjudica notoriamente el
funcionamiento normal de otras cargas conectadas.
Elevado torque de carga; lo cual puede originar daños en materiales que
están en proceso de producción y esfuerzos de cizalladura muy elevados
que pueden dañar los sistemas de acople motor – carga.
Sobrecarga térmica en los devanados del motor; si este funciona con un
ciclo de trabajo intermitente.
La solución a estos inconvenientes se consigue dejando que el motor se acelere
gradualmente limitando la corriente de arranque a valores inferiores muy por
debajo del valor máximo que toma el motor cuando se conecta directamente a la
línea a plena tensión. Con valores limitados, comprendidos entre 1.5 y 3 veces la
corriente nominal o asignada del motor, se conseguiría una solución satisfactoria.
Sin embargo, no siempre es posible reducir la corriente de arranque a dichos
valores, debido a que ello depende del tipo de motor y el método de arranque o
aceleración utilizado. Debe tenerse presente que la magnitud de la máxima
corriente de arranque de un motor es un valor constante que está definido
directamente por los parámetros internos de la máquina. Así pues, por el hecho de
que un motor se conecte en vació o a plena carga, no implica que va a tomar de la
línea una menor o mayor corriente; lo único que se consigue es disminuir o
aumentar el tiempo que dura la perturbación mientras la corriente pasa de su valor
máximo de conexión hasta su valor de estado estable. Ese tiempo, denominado
tiempo de aceleración o tiempo de establecimiento, es del orden de cuatro veces
la constante de tiempo (J/B) de la carga asociada al motor. En la práctica, puede
ser tan pequeño como dos o tres segundos para carga de vacío, y de algunos
minutos para plena carga. De todas maneras, es el tipo de carga que mueve al
motor el que define e impone en última instancia la forma como debe acelerarse la
máquina y en consecuencia la duración del estado transitorio perturbador.
354
Se dispone de varios métodos para limitar la corriente de arranque de los motores
industriales, tal como se indica a continuación.
Para motores de corriente alterna:
o Arranque a voltaje reducido:
Por resistencias estatóricas
Por reactancias estatóricas
Por autotransformador
Estrella – Triángulo (Y-∆)
Por medios electrónicos
o Arranque a potencia reducida:
Por devanados parciales
Por resistencias rotóricas (para motores de rotor bobinado)
Para motores de corriente directa:
o Por resistencias en el circuito de la armadura
o Mediante transformadores de tensión ajustable (variac) o conmutable
(con derivaciones) que incorporan un circuito rectificador de corriente
o Por medios electrónicos
El arranque con limitación de la corriente de un motor se puede hacer en forma
manual o automática. En la operación manual debe permitirse que el motor siga
los pasos de aceleración en forma gradual y se respeten los tiempos de
conmutación que impone el proceso o la máquina. Para ello deben darse
instrucciones precisas al operario que va a ejecutar la maniobra.
En la práctica, se prefieren los arranques automáticos ya que proporcionan una
mayor seguridad y confiabilidad de maniobra.
355
4.6.7.2 Arranque de motores de corriente alterna a plena tensión (sin
limitación de corriente)
El arranque directo de motores solo debe realizarse con máquinas de potencia
reducida para no perturbar el sistema. En general, para motores monofásicos, que
por sus limitaciones y características son de baja potencia, no es necesario aplicar
métodos de arranque especiales, y lo usual es conectarlos directamente a la línea
a través de un guardamotor.
Para motores trifásicos de inducción de jaula de ardilla de baja potencia (hasta 10
HP) que operan en líneas industriales de 220 V y 440 V es permisible el arranque
directo sin consideraciones especiales.
En la Figura 163 se ilustra el circuito de potencia y el de control para la conexión
directa o a plena tensión de un motor trifásico, mediante mando por pulsadores.
Figura 163. Arranque directo (a plena tensión) de un motor trifásico.
(a) Circuito de potencia. (b) Circuito de control.
356
Obsérvese que el motor tiene las protecciones de sobrecarga y cortocircuito, y la
maniobra de conexión-desconexión la ejecuta el contactor K1. Si se presiona el
pulsador de marcha; se energiza el contactor K1, se automantiene, y conecta el
motor a la línea. Si se presiona el pulsador de paro o actúa el relé de sobrecarga;
se desenergiza el contactor K1, pierde la retención, y el motor se desconecta de la
línea. Esta es la forma más simple y segura de conectar un motor a la línea.
Para motores de tamaño reducido (baja potencia), la mayoría de los fabricantes de
dispositivos eléctricos industriales han desarrollado unidades compactas que
incorporan en una caja de tamaño reducido todos los elementos de protección,
maniobra y mando que lleva un arrancador electromagnético de motor de
construcción en tablero. Estas unidades, conocidas con el nombre de
Guardamotores, son muy económicas y de fácil instalación. Se construyen
generalmente en caja moldeada de material termoplástico, y son de peso y
tamaño reducido. Disponen de los pulsadores de mando para arranque y paro y
del medio de ajuste para la corriente de sobrecarga. Algunos incorporan un
dispositivo de señalización y en otros se puede adicionar una bobina de disparo
para desconexión por mando remoto o a distancia.
Se utilizan con mucha frecuencia para motores aislados; particularmente en
bombas, molinos, ventiladores, etc.
4.6.7.3 Arranque a voltaje reducido por medio de resistencias y
reactancias estatóricas
El arranque de motores trifásicos con limitación de la corriente por medio de
resistencias o reactancias estatóricas y aceleración por límite de tiempo, se utiliza
con motores de tamaño mediano que no han de conectarse inicialmente a la línea
a plena carga, y en funcionamiento no intermitente.
357
Se pueden diseñar las resistencias o las reactancias para las tensiones de
conexión que recomienda la NEMA, las cuales son: 50%, 65% y 80% del voltaje
asignado o nominal de diseño.
50% Vn: para cargas ligeras o en vacío
65% Vn: para cargas medianas
80% Vn: para plena carga
La corriente de arranque del motor origina una caída de tensión variable en las
resistencias o reactancias. Por lo tanto, el motor arranca con una tensión reducida
que se incrementa a medida que este gana velocidad.
Para el cálculo de las resistencias se puede recurrir a los siguientes diagramas
fasoriales, indicados en la Figura 164.
358
Figura 164. Diagramas fasoriales del circuito del motor para el cálculo de las
resistencias o reactancias limitadoras.
Utilizando el circuito equivalente por fase del motor se tiene que:
VM: Voltaje de conexión del motor (para = 0). El valor asignado lo define el grado
de cargabilidad que tenga el motor al arrancar, y se puede escoger de
acuerdo con las recomendaciones de la NEMA. En el mismo porcentaje se
verá reducida la corriente de conexión con respecto al valor máximo o de
arranque a plena tensión. Este valor se puede determinar a partir de los KVA
de arranque (Start KVA o SKVA) del motor; el cual se supone conocido.
VRM: Es la caída de tensión en la parte resistiva del devanado del motor.
VXM: Es la caída de tensión en la parte reactiva del devanado del motor.
o: Ángulo del factor de potencia del motor con el rotor bloqueado o al momento
de conectar ( = 0). Se supone conocido o puede calcularse fácilmente
mediante una prueba de laboratorio.
359
VR: Caída de tensión en la resistencia limitadora.
VX: Caída de tensión en la reactancia limitadora.
VF: Tensión de fase de la línea de alimentación del motor.
: Ángulo del factor de potencia del circuito.
Ia: Corriente de arranque de valor limitado.
Puesto que son conocidos todos los valores de interés que son necesarios para el
cálculo, y ellos están indicados en los diagramas fasoriales; resulta simple
determinar mediante sencillas operaciones algebraicas y trigonométricas, los
valores para VR y VX. Con estos valores, puede calcularse la resistencia o la
reactancia limitadora aplicando las siguientes expresiones:
Donde es la corriente de la conexión a la tensión reducida.
Para el cálculo de la potencia de las resistencias limitadoras, puede escogerse el
criterio del 10% (aproximado) de la potencia máxima o de pico (la2 R), ya que
dichas resistencias se conectan a la línea por muy corto tiempo y en intervalos
relativamente espaciados.
En caso de usar reactancias, estas tienen la característica y ventaja que no
disipan potencia importante, ya que se trata de elementos reactivos. Las pérdidas
de calor asociadas a estos elementos se reducen a un mínimo si es utilizado el
calibre de alambre apropiado para la corriente de conexión del motor. Para
360
funcionamiento del motor en forma intermitente, resulta económica y eficiente la
limitación de corriente por medio de reactancias en vez de resistencias.
Los circuitos de la Figura 165 a y b ilustran la forma de conectar las resistencias o
reactancias al motor. Obsérvese que se utiliza un elemento por línea “viva”. Todos
ellos deben ser de igual valor e idénticas características.
La conexión del motor a corriente limitada se hace inicialmente a través de los
contactos de potencia del contactor K1. Después de un tiempo, cuando el motor
haya ganado velocidad y esta se encuentre en un valor cercano a la de trabajo
para condiciones estacionarias, se procede a energizar al contactor K2; el cual
cortocircuita las resistencias, dejando conectado el motor a plena tensión. A
continuación, el motor acelera a su velocidad de trabajo estacionario y en ella
permanece.
Puesto que el contactor K1 ya cumplió su función en el circuito, se impone
desconectarlo para ahorrar energía. Esta tarea la realiza el circuito de control de la
Figura 165 c.
Al presionar el pulsador de marcha, se energiza K1, se automantiene, y conecta el
motor a la línea con los dispositivos limitadores incluidos. Al mismo tiempo, se
energiza el relé temporizado al trabajo K3T, el cual después de cierto tiempo,
cuando ya el motor este girando a una velocidad cercana a la de régimen
estacionario, iniciará la energización del contactor K2, el cual se automantiene,
desenergiza a K1, conecta la lámpara de señalización y cortocircuita las
resistencias o reactancias limitadoras permitiendo que el motor funcione a plena
tensión.
La actuación del pulsador de paro o del relé de sobrecarga, desconecta los
elementos del circuito de mando y hace que el motor se detenga.
361
Figura 165. Circuito acelerador en transición cerrada, para maniobra sobre un
motor trifásico. (a) y (b) Circuitos de potencia. (c) Circuito de control.
Obsérvese que la conmutación de las R o X limitadoras se hace en transición
cerrada, esto es deseable para evitar los picos de corriente al momento de la
reconexión a la plena tensión. La transición cerrada no desconecta el motor de la
362
red al momento de cortocircuitar las resistencias de aceleración para que este
opere a plena tensión.
La conmutación en transición abierta origina fuertes perturbaciones en la red y
es la causa número uno por la cual se deterioran y se reduce la vida útil de los
contactos del contactor de marcha K2. En la transición abierta, se desconecta el
motor momentáneamente para luego hacerle la conexión a plena tensión.
El contactor de arranque K1 se selecciona para el 100% de la potencia del motor
en la categoría de empleo que esté definida para las condiciones de operación
que impone la carga. El contactor de marcha K2 podrá seleccionarse para
categoría de empleo AC1 para la corriente asignada o nominal del motor.
Algunos diseñadores utilizan una sola resistencia limitadora en una de las líneas
del motor. El circuito de potencia es el mismo que se ha analizado previamente
pero eliminando dos de las resistencias. La conexión es conocida como conexión
KUSA y aunque el motor funciona transitoriamente con desbalance de corrientes
que pueden ser elevadas, resulta bastante económica y fácil de implementar.
4.6.7.4 Arranque a voltaje reducido mediante transformador
En este método, el motor se conecta durante el arranque a una de las
derivaciones de un autotransformador dispuesto en conexión estrella. Las
recomendaciones de la NEMA para diferentes grados de cargabilidad del motor
señalan valores de tensión del 50%, 65% y 80% con relación al de la línea de
alimentación. Las recomendaciones de los diseñadores europeos sugieren un
valor del 70% de la tensión nominal de la línea, en cuyo caso el par de arranque,
que es proporcional al cuadrado de la tensión del motor, se ve reducido a un 49%
del valor que se tendría si el motor arrancara a plena tensión en conexión directa.
363
La selección de tensión del 50%, 65% y 80% se hacen con base en las mismas
recomendaciones para los arrancadores por resistencia o reactancia.
El arranque por autotransformador tiene la ventaja de ser un arranque suave, de
corrientes de línea balanceadas, y que solo requiere de motores con tres
terminales y no de seis como lo exige por ejemplo el arranque estrella – triángulo.
Se utiliza para motores medianos y grandes que pueden tener asociada su carga
nominal al momento de la conexión.
Para el arranque por autotransformador en transición cerrada y por límite de
tiempo se pueden utilizar los circuitos de potencia y control que ilustra la Figura
166 a y b.
Figura 166. Arranque de un motor trifásico a tensión reducida mediante
autotransformador. (a) Circuito de potencia. (b) Circuito de control, en transición
cerrada.
364
De acuerdo con el funcionamiento del circuito del control; si se presiona el
pulsador de marcha S1; se energizan K5 y K4, se automantienen, y se energiza a
continuación K1. La operación de K1 permite que los bobinados del
autotransformador se conecten en estrella, y a continuación, una vez K2 se
energice y automantenga, se conecten a la línea. En estas circunstancias, el motor
arranca a la tensión que tenga indicada la derivación del autotransformador. Una
vez haya transcurrido cierto tiempo (definido por el ajuste sobre K4) y el motor se
encuentre a una velocidad cercana a la de régimen estacionario, el contactor K1,
se desenergiza, retira la inhibición sobre K3, desconecta la estrella del
autotransformador y permite la energización de K3. Con ello el motor se conecta a
plena tensión sin desconectarse de la línea, ya que la conmutación de los
contactos principales de K3 se ha hecho sobre las bobinas de la parte superior del
autotransformador. A continuación se desenergiza K2 y el autotransformador
queda por fuera y disponible para próximas maniobras.
Cuando se presiona el pulsador de paro o se da una condición de sobrecarga; K5
se desenergiza pierde la retención y el motor se desconecta de la línea
deteniéndose.
Para el circuito, los contactores de estrella K1 y de arranque K2 se eligen para el
49% de la potencia del motor (si se utilizó una derivación del 70%). Para otras
derivaciones debe establecerse previamente el porcentaje de reducción de la
potencia del motor. El contactor K3 se elige para el 100% de la potencia del motor,
para categoría de empleo AC1, si K1 y K2 se han de elegir para categoría AC3.
365
4.6.7.5 Arranque a voltaje reducido mediante conexión estrella – triángulo
En todas las conexiones de arranque a tensión reducida, en los devanados del
motor, el par de arranque decrece en función del cuadrado de la reducción de
tensión, mientras que la corriente disminuye linealmente.
En el arranque estrella–triángulo de motores asincrónicos, la intensidad de la
corriente por el motor se reduce a la tercera parte del valor que tendría en el caso
de un arranque directo. Esta es una de las ventajas más interesantes que ofrece
este tipo de arranque. Este resultado puede determinarse fácilmente teniendo en
cuenta que al arrancar en estrella la tensión de los devanados del motor es
veces más pequeña que la conexión directa a la línea. En la misma proporción lo
es también la corriente de fase con respecto a la de línea, si el motor se conecta
en triangulo o delta.
Sin embargo, este arranque solo puede utilizarse en motores cuya tensión
asignada para los devanados del motor en conexión triángulo (o delta) coincida
con la tensión nominal de la red. Así mismo, se requiere que los bornes terminales
de sus tres devanados se lleven por separado a la caja de conexiones del motor.
De igual manera, la reducción de la tensión aplicada inicialmente a los devanados
del motor (57%Vn) en un factor de , hace que el par de arranque se reduzca a
un valor del orden de una tercera parte del que tendría en arranque directo. Con
esto se asegura una aceleración suave que no es sometida a esfuerzos bruscos
que reducen la vida útil de la máquina. En la Figura 167 se ilustran las curvas
típicas de velocidad vs torque de un motor trifásico de jaula cuando se hace la
conexión estrella – triángulo.
366
Figura 167. Curvas de aceleración del motor trifásico de jaula de ardilla en
arranque estrella–triángulo.
El área bajo la curva asocia la potencia mecánica del motor; s es la velocidad
sincrónica y Ta es el torque de arranque a (rotor bloqueado).
Inicialmente se conecta el motor al 57% del voltaje nominal. Para que el arranque
sea exitoso se requiere que el torque de arranque (Ta1) sea mayor que el torque
de oposición (To) al momento de la conexión ( ). Si esto se cumple, el motor
se acelera por su propia curva y se estabiliza en el punto Q1 a la velocidad ω1. Es
justo en ese momento, cuando la velocidad que ha alcanzado el motor es cercana
a la de régimen que impone la carga (2), que debe efectuarse la maniobra de
conmutación para permitir que el motor se conecte en triángulo a plena tensión
(100%).
A partir de ese momento, operando en el punto Q2, podrá atender sin dificultades
las variaciones de carga hasta valores limitados únicamente por la corriente
asignada o de diseño del motor.
367
Téngase presente que el arranque estrella–triángulo solo puede usarse cuando el
par resistente (o de oposición de la carga) aplicado al motor es reducido al
momento de arrancar. Si esto no se cumple, el motor no logra alcanzar una
velocidad cercana a la de régimen; que es la recomendada para hacer la
conmutación a conexión en triángulo y que debe llegar como mínimo al 90% de la
de régimen estacionario. Esto origina fuertes picos de corriente de reconexión que
muchas veces sobrepasan la capacidad de conexión de los contactores y cuya
consecuencia puede ser la soldadura de los contactos. En general, el arranque Y-
∆ se recomienda para motores que al arrancar lo hagan en vacío o a media carga.
El arranque estrella–triángulo se puede implementar para conmutación en
transición abierta o en transición cerrada. La primera es la forma más utilizada por
ser la más simple y económica. Para el arranque en transición cerrada se requiere
el uso de tres resistencias adicionales y de un cuarto contactor. En la Figura 168
a, se ilustra el circuito de potencia para la conexión de un motor trifásico de jaula
de ardilla en conexión estrella – triángulo. Para ello es necesario efectuar
correctamente el conexionado de los devanados del motor siguiendo las
indicaciones del fabricante, las cuales generalmente están consignadas en su caja
de bornes.
La secuencia de conmutación de los conectores debe ser la siguiente: al presionar
el pulsador de marcha S1; debe actuar primero K2 para conectar los devanados
del motor en estrella, a continuación debe energizarse K3 para hacer la conexión
del motor a la línea en estrella. Después de un tiempo de retardo (ajustable)
proporcionado por el relé temporizado al trabajo (K4T) el contactor K2 se debe
desenergizar seguido de la energización del contactor K1, que reconecta el motor
a la línea en triángulo.
El circuito de control de mando por pulsadores, indicado en la Figura 168 b, realiza
las tareas descritas anteriormente.
368
Figura 168. Arranque de un motor trifásico de jaula de ardilla en conexión estrella–
triángulo. (a) Circuito de potencia. (b) Circuito de control.
369
Al presionar el pulsador de paro S0 o si se actúa el relé de sobrecarga los
contactores de línea K4 y K3 se deben desenergizar; perdiendo la retención y al
mismo tiempo desconectando el motor de la línea.
El contacto K2 en serie con la bobina del contactor K1 se usa como enclavamiento
eléctrico para impedir la actuación de K1 mientras K2 se encuentra energizado.
Los contactores del circuito (incluido el relé térmico de sobrecarga F1) se deben
seleccionar de acuerdo con los siguientes valores: el contactor de red K1 se
selecciona para el 58 % de la corriente asignada de servicio del motor; el contactor
K3 se selecciona con el mismo criterio.
El contactor K2 que hace la estrella inicial y que solo se energiza durante un corto
tiempo mientras dura la fase transitoria del arranque, puede dimensionarse para
una tercera parte (33 %) de la corriente asignada de servicio de motor. Sin
embargo, para motores que operan con una elevada frecuencia de maniobras, es
conveniente seleccionar el contactor K2 para el 58% de la corriente asignada de
servicio de motor; de esta manera se satisfacen los requisitos impuestos por la
carga sin menoscabar la vida útil de los contactos del contactor.
4.6.7.6 Arranque de motores trifásicos con limitación de corriente por
reducción de potencia
Algunos motores se diseñan de fábrica para operar a dos tensiones nominales
como son, por ejemplo 220 V y 440V. Esta interesante alternativa resulta muy
ventajosa para los usuarios que disponen de la doble tensión en las instalaciones
de la planta. Para el efecto, los fabricantes construyen los motores con una doble
bobina de igual voltaje por fase. En consecuencia, el motor podrá tener doce
terminales al exterior; aunque por lo general, estos vienen preconectados de
370
fábrica de tal forma que con 6 o 9 terminales es posible hacer la conexión a la
tensión que sea requerida.
Lo anterior nos permite implementar con este tipo de motores muchas alternativas
de arranque con limitación de corriente a la tensión de trabajo que se elija. Una de
esas alternativas se presentan para la conexión en baja tensión cuando se
separan las bobinas del motor en dos grupos de tres y con ellas, ya sea
conectadas en estrella o en triángulo (según la tensión que pueda soportar sus
devanados), es posible hacer lo que se conoce con el nombre de arranque por
devanados parciales.
En este método, el motor se conecta primero a la línea con un solo grupo de
bobinas; lo que corresponde al arranque de “medio motor”. Por consiguiente, esta
conexión solo demandará un 50% de la potencia asignada o de placa de la
máquina. A continuación, y después de un tiempo de retardo que proporciona un
relé temporizado al trabajo, y cuando ya la velocidad del motor es cercana a la de
régimen estacionario, se conecta el segundo grupo de bobinas en paralelo con las
primeras, para permitir que la máquina asuma su plena potencia y pueda atender
las exigencias de la carga.
Obsérvese que aquí no se hace ninguna reducción de la tensión del motor y sus
devanados operan a la tensión de régimen; además, no le altera la velocidad de
régimen estacionario, solo el torque del motor que se ve reducido a la mitad, y lo
mismo sucede con la corriente que toma el motor de la línea.
En la Figura 169 a y b ilustran los circuitos de potencia y de control para la
conexión de un motor trifásico con limitación, aplicándole método de arranque por
devanados parciales.
371
El sistema de marcación de bornes del motor se muestra en la Figura 169.c.
Obsérvese que cada fase tiene dos devanados iguales que se pueden conectar en
serie para operar a una tensión mayor (440V) o en paralelo para la operación a
tensión menor (220V). Si el motor ha de operar a baja tensión (220V), se pueden
hacer conexiones doble estrella o doble delta paralelo (de uso normal).
Si el motor se va a operar a doble tensión, se pueden hacer conexiones sencillas
en estrella o en triángulo (de uso normal); conectando previamente las dos
bobinas de fase en serie aditiva.
Para el arranque por devanados parciales que muestra la Figura 169, tanto las
tres bobinas exteriores como las tres interiores se conectan generalmente en
delta, y lo que hace el circuito de control es ponerlas en paralelo para que así el
motor pueda entregar su máxima potencia.
NOTA: los devanados del motor se diseñan para 220V. Si se conectan los dos
devanados de una fase en serie, se puede operar la maquina a 440V. Si se
conectan los dos devanados de una fase en paralelo, se puede conectar la
maquina a 220V. La conexión típica es en delta.
372
Figura 169. Motor trifásico de jaula de ardilla con arranque por devanados
parciales. (a) Circuito de potencia. (b) Circuito de control. (c) Esquema de bornes.
Para el circuito de control, al presionar el pulsador de marcha (ver Figura 169.b);
se energiza el contactor de línea 1M, se auto mantiene, y el motor arranca en
conexión delta, a media potencia. En estas circunstancias la corriente de conexión
será la mitad de la misma para plena tensión, cuando las dos deltas (∆) se
conecten en paralelo. De igual forma, el torque del motor se reduce a la mitad
puesto que la velocidad no cambia.
Un tiempo después de que el motor esté funcionando a una velocidad cercana a la
nominal, con la conexión en delta, el contacto de acción retardada del contactor de
373
línea 1M se cierra y el contactor 2M se energiza actuando sus contactos de
potencia y permitiendo que las dos deltas queden conectadas en paralelo y el
motor pueda asumir la carga plena.
Para la protección completa del motor se requiere el empleo de los relés de
sobrecarga separados; uno para cada “medio” motor. Sin embargo, la actuación
de uno cualquiera debe hacer la desconexión completa del motor. También debe
evitarse la conexión con la fase invertida al momento de energizar 2M, ya que el
motor se bloquearía y dispararía la protección térmica. La actuación del pulsador
de paro desenergiza los contactores 1M y 2M y el motor se desconecta de la línea.
Esta conexión tiene la ventaja de que no demanda dispositivos externos para la
limitación de corriente, y la conexión es bastante simple y económica. Se puede
aplicar a cualquier tipo motores que al arrancar lo hagan en vacío o media carga.
4.6.7.7 Arranque suave de motores trifásicos por medios electrónicos
Una forma de regular la tensión aplicada a un motor es mediante el uso de seis
rectificadores controlados de silicio (SCR) dos en cada línea, conectados en
paralelo inverso como muestra la Figura 170.
374
Figura 170. Conexión reguladora de tensión para motores trifásicos mediante SCR
El circuito de control para generar la señal de mando de las compuertas de los
tiristores se realiza en la práctica por medio de un procesador, el cual tiene su
programa grabado de una memoria EPROM. En este circuito se hace un control
de regulación de fase ajustando el ángulo de disparo de los SCR. Si éste se ubica
inicialmente en un valor elevado, los pulsos de compuerta se aplican tardíamente,
y el valor eficaz de la corriente de conexión se ve reducido, obteniendo el efecto
deseado. Es evidente que la disminución de la corriente solo podrá llevarse hasta
el mínimo necesario que asegure el arranque del motor.
A partir de ese momento, el pulso de disparo empieza a desplazarse
gradualmente hacia cero grados a una rata de aceleración que puede ser definida
y ajustada por el usuario; con ello es posible establecer el tiempo que demore el
motor en cambiar su velocidad desde cero hasta la de régimen. Para este
momento, el motor tiene en bornes la plena tensión de la línea, ya que el ángulo
de disparo está localizado muy próximo a cero grados. Justo en ese instante,
cuando ya el motor ha alcanzado una velocidad cercana a la del régimen, el
microprocesador da la orden para que actúen los contactos del contactor K y
375
saquen de servicio a los tiristores, dejando conectado el motor a la línea a través
de dichos contactos.
Con ello se limita el tamaño físico de los semiconductores y la unidad electrónica
puede construirse de bajo costo, y de tamaño y peso reducidos.
El contactor K está incorporado en la unidad electrónica; y es también de tamaño
pequeño, ya que sus contactos no realizan maniobras de conmutación bajo
tensión.
En la Figura 171 a se ilustra un circuito de arranque suave de motor con unidad
electrónica.
376
Figura 171. Arranque de motores trifásicos de jaula de ardilla mediante
arrancadores suaves electrónicos. (a) Circuito de potencia. (b) Circuito de control.
En general, todo arrancador suave incorpora fusibles para dar protección de
cortocircuito a los tiristores. Se trata de fusibles especiales seleccionados con
base en la capacidad l2 t de los SCR. El interruptor automático Q1 da la protección
integral de sobrecarga y cortocircuito para los conductores y cables de la
instalación.
El contactor K1 es el contactor de línea del motor, y la maniobra de conexión –
desconexión se puede ejecutar mediante un circuito estándar de mando por
pulsadores, como indica la Figura 171.b.
377
En una unidad electrónica estándar es posible ajustar manualmente:
El tiempo de rampa o tiempo de aceleración del motor.
La magnitud de la corriente limitadora dentro de rangos muy amplios.
La tensión inicial que se aplicará a los bornes del motor; expresada como
un porcentaje de la tensión nominal de la línea.
El tiempo de parada. Una opción bastante interesante que permite detener
suavemente el motor una vez que se presiona el pulsador de paro S0.
En adición, aprovechando las ventajas que ofrecen los microprocesadores, los
fabricantes de arrancadores suaves electrónicos incorporan (no siempre) en estas
unidades numerosas funciones de protección y mando, entre las cuales se pueden
mencionar las siguientes:
Protección electrónica contra sobrecarga del motor.
Supervisión del tiempo de arranque con limitación de corriente. En este
caso, el proceso de arranque se interrumpe cuando el motor no alcanza la
velocidad de régimen estacionario en el tiempo asignado.
Supervisión de la temperatura del disipador de los SCR’s mediante el uso
de una sonda de termistor. Cuando la temperatura sobrepasa un umbral
prefijado, se bloquea cualquier intento de arranque hasta que el disipador
se enfríe.
Capacidad de sobrecarga hasta de un 15% una vez que el motor esté
funcionando en régimen permanente.
Detección de pérdida de fase.
Interfaz de comunicación tipo serial (RS232) para comunicaciones con PC.
Para seleccionar los arrancadores suaves de tipo electrónico es necesario tener
datos precisos sobre el motor en cuanto a: potencia, velocidad, corriente y par
asignados, momento de inercia, variación del torque motor e intensidad de la
378
corriente en función de la velocidad. Además, la máxima frecuencia de arranques
por hora, y datos de la red en cuanto a tensión y frecuencia, y temperatura
ambiental.
En principio, los arrancadores suaves pueden arrancar cualquier motor trifásico
siempre y cuando se den unas protecciones circuitales mínimas y se garantice que
la corriente asignada del motor a controlar es superior en más de un 20% a la
corriente asignada o nominal de la unidad electrónica. Téngase presente que un
arrancador suave electrónico no es un elemento de conmutación, de protección ni
de regulación para servicio continuo. Estos equipos se diseñan para
funcionamiento solo con motores durante cortos periodos. En caso de existir
condensadores de compensación para mejorar la regulación de la tensión en la
red durante la conexión del motor, estos se deben conectar antes de la unidad ya
que el arrancador no admite carga capacitiva en su salida, solo el motor.
Finalmente, debe destacarse que también se construyen arrancadores suaves
colocando únicamente tiristores en dos de las fases de la red de alimentación
trifásica; la tercera línea se conecta sin interrupción directamente al motor. Esta
variante tiene características similares a la analizada anteriormente y al igual que
en ella, una vez finalizado el arranque se “puentean” los semiconductores con un
contactor interno (K) manejado por el microprocesador.
Deben leerse con detalle las especificaciones de catálogo que ofrecen los
fabricantes de estos equipos con el propósito de facilitar la correcta selección de la
unidad que requiere el motor. No debe olvidarse que los arrancadores suaves
introducen distorsión de las ondas de corriente que circulan por el motor y la línea;
en consecuencia, será necesario la utilización de filtros especiales para evitar
ruidos e interferencias; particularmente en los sistemas de radiocomunicación.
379
4.6.7.8 Arranque con limitación de corriente para motores de rotor
devanado o de anillos rozantes
Un motor de rotor devanado o de anillos rozantes, con los terminales rotóricos en
cortocircuito puede ser conectado en principio como cualquier motor de jaula de
ardilla. Sin embargo esta opción nunca se realiza en la práctica ya que el motor
desarrolla un torque de arranque muy reducido que impide el arrastre de la carga.
Solo con la inclusión de resistencias externas en el circuito del rotor se puede
conseguir un aumento significativo del torque de arranque para permitir la
maniobra de la carga, tal como ilustra la gráfica de la Figura 172.
Figura 172. Curvas de aceleración del motor trifásico de jaula de anillos rozantes o
de rotor devanado, a tensión de línea constante con resistencia rotórica.
380
Puesto que al motor no se le cambia el voltaje en los terminales principales del
estator, el torque máximo no varía y para todas las curvas se tiene el mismo valor.
Sin embargo, la inclusión de una mayor resistencia rotórica genera una reducción
del área efectiva bajo la curva velocidad vs torque, y en consecuencia la potencia
que demanda el motor de la línea para manejar la carga es menor. Esto trae como
consecuencia, una reducción importante de la corriente estatórica, y aunque
parezca paradójico, un incremento notorio del torque motor a expensas de una
disminución de la velocidad.
La forma de variación del torque de arranque (Ta) con la resistencia externa que
se instala en el rotor, se muestra en la Figura 173.
Figura 173. Variación del torque de arranque con la resistencia rotórica externa
para un motor de anillos rozantes o rotor devanado.
381
Para resistencia cero el torque es mínimo; a medida que aumenta la resistencia
externa el torque empieza a crecer, y para un valor critico de resistencia igual a
R3, este alcanza su valor máximo. A partir de ahí, aumentos posteriores de la
resistencia generan nuevamente la reducción del torque de arranque. Todo lo
anterior se puede visualizar observando nuevamente la Figura 172.
Los motores de rotor devanado tienen la particularidad de que la relación
Tamax/Tamin es extremadamente elevada y muy superior a la misma relación que
tiene un motor trifásico de inducción de jaula de ardilla de la misma potencia e
igual tensión asignada. Esto implica que un motor de rotor devanado puede, en
principio, funcionar para arrancar cargas muy elevadas, para las cuales un motor
de jaula común, y de igual potencia, no está en capacidad de operar.
Para conseguir este efecto basta conectar el motor con una resistencia rotórica de
valor igual o aproximado al crítico, y el motor desarrollará un torque bastante
elevado que permite arrastrar la carga (a baja velocidad) con la ventaja inherente
de que demandara una corriente reducida de conexión.
Por supuesto, lo deseable es lograr que el motor pueda funcionar con la carga a
una velocidad mayor, lo cual se logra utilizando los circuitos de la Figura 174 a y b.
382
383
Figura 174. Circuitos para el arranque de un motor de rotor devanado. (a) Circuito
de potencia. (b) Circuito de control.
Del circuito de potencia puede apreciarse que el motor se conecta a la línea por el
lado de los devanados estatóricas en la forma convencional, mediante el empleo
de un contactor de línea K1M y las respectivas protecciones térmicas y de
cortocircuito F2F y F1F. El relé térmico debe ajustarse para la corriente nominal
del motor: del motor.
En el circuito del rotor se utiliza una resistencia con derivaciones cuyo valor total
debe ser igual al crítico ( ) para garantizar el arranque a
torque máximo, puesto que se pretende arrancar el motor a plena carga, como se
muestra en las Figura 172 y Figura 173.
Cuando el contactor de aceleración K11A cortocircuita el primer paso de
resistencia, el valor resultante (de acuerdo con las curvas de la Figura 172) debe
ser . De forma similar, cuando opere el contactor de aceleración
384
K12A, la resistencia resultante debe ser: R1= R3A. Con ello, el motor podrá
acelerarse gradualmente hasta la velocidad deseada de régimen estacionario
correspondiente a ω4.
Para el punto Q4, ya el contactor de aceleración K13A ha cortocircuitado la
totalidad de las resistencias rotóricas y el motor queda operando a régimen de
carga normal. Este método de aceleración se conoce en la práctica como
aceleración por límite de tiempo.
El funcionamiento de circuito de control se entiende fácilmente observando la
Figura 172 y es el siguiente:
Al presionar el pulsador de marcha S1; se energiza K1M se automantiene y
conecta el motor a la línea con todas las resistencias incluidas. Esto permite que el
motor se acelere por la curva de R3 y gane velocidad hasta alcanzar el punto Q1
donde se estabiliza.
A continuación, y justo después del tiempo de aceleración actúan los contactos
retardados del relé temporizado K2T, permitiendo la energización y el
automantenimiento de K11A; con ello se cortocircuita el primer paso de resistencia
y el motor sale de Q1 gana velocidad por curva de R2 hasta alcanzar el punto Q2
donde se estabiliza. Justo en ese instante, se actuará el contacto del relé
temporizado K3T; permitiendo que se energice el contactor K12A y cortocircuite el
segundo paso de resistencia quedando solo R3A en el circuito del rotor. Esto hace
que el motor gane velocidad y se acelere por la curva R1 hasta llegar al punto Q3
donde se estabiliza. El procedimiento se repite en forma similar para la actuación
K4T y K13A entonces al final el motor quedará conectado a la línea a plena
tensión y sin resistencia rotórica trabajando a una velocidad de régimen
estacionario elevada y plena carga (punto Q4).
385
Obsérvese en el circuito de control que la actuación en secuencia de los
contactores de aceleración hace que se vayan desconectando gradualmente los
relés temporizados y los contactores de aceleración que van cumpliendo la tarea
de conmutar la resistencia retórica. Al final solo el contactor de aceleración K13A
permanecerá energizado junto con K1M y todos los demás elementos del circuito
quedarán desconectados; con ello se consigue un ahorro significativo de energía.
Para el motor de rotor devanado se pueden utilizar formas alternas de eliminar las
resistencias rotóricas durante el proceso de aceleración. Existen tres métodos:
Aceleración por límite de tiempo (el más usado)
Aceleración por límite de frecuencia
Aceleración por comparación de tensión
El segundo método utiliza relés sensibles a las variaciones de frecuencia que
experimenta la tensión de la salida en bornes del rotor. Estos relés comparan la
frecuencia de la salida rotórica con un valor de frecuencia previamente ajustado.
Así, a medida que la frecuencia de la señal va disminuyendo debido al incremento
de velocidad que experimenta el motor, se van actuando los relés y al mismo
tiempo se van eliminando las resistencias hasta quedar el rotor en cortocircuito.
El método por comparación de tensión mide y compara la tensión inducida en los
devanados rotóricos del motor. A medida que el motor se acelera, la tensión
rotórica, al igual que la frecuencia, disminuye proporcionalmente con la velocidad,
hasta anularse cuando este gire a la velocidad de sincronismo. Esta variación
gradual de la tensión comparada en un valor de referencia, es la utilizada para
activar por etapas los relés de tensión, de manera que vayan eliminando en
secuencia (por medio de los contactores) las resistencias de aceleración
incorporadas en el circuito del rotor.
386
Finalmente, puede observarse que las curvas de velocidad vs torque del motor de
rotor devanado se hacen tanto más inclinados cuanto mayor es la resistencia que
se inserta. Esto significa que habrá mayor cambio de velocidad con los cambios
de la carga, pero al mismo tiempo se tendrá la posibilidad de efectuar variaciones
o regulación de la velocidad de la máquina muy fácilmente, mediante el empleo de
resistencias ajustables, como se ilustró anteriormente.
La conexión de la resistencia rotórica puede efectuarse en 2, 3 o más escalones
de arranque o pasos de aceleración, variando para las mismas condiciones el
valor de paso de la resistencia que se debe conmutar, y sin alterar el valor critico
que garantiza el máximo torque al arrancar. El resultado de esta operación es un
arranque mucho más suave y gradual. En general, es de uso corriente arrancar el
motor de rotor devanado en cuatro pasos de aceleración utilizando tres
contactores, como se analizó anteriormente a partir del circuito de la Figura 174.a
Las características del motor de rotor devanado lo hacen muy aconsejable en
accionamientos en los que el par motor debe ser elevado, con picos de corriente
de conexión reducidos. Tal es el caso, por ejemplo, de bandas transportadoras,
ascensores, grúas, montacargas, máquinas elevadoras, molinos etc.
4.6.7.9 Arranque del motor sincrónico
Los motores sincrónicos son máquinas reversibles ya que pueden operar también
como generadores sincrónicos.
Estos motores disponen de dos tipos de devanados. Uno de ellos se conoce como
inducido (usualmente devanado en el estator) y debe ser alimentado con CA; y el
otro denominado de campo o de excitación (devanado en el rotor, generalmente)
el cual debe ser conectado a un suministro de CD. También tiene un tercer
387
devanado que normalmente se encuentra cortocircuitado y tiene la finalidad de
proporcionar el par de arranque; además de asegurar que los cambios
momentáneos de carga no saquen la máquina de sincronismo. Este devanado se
construye alrededor de los polos de excitación y es conocido con el nombre de
devanado compensador o amortiguador.
La construcción típica del motor sincrónico de uso industrial es la de inducido fijo o
estacionario y campo giratorio.
Las tensiones típicas para la alimentación del campo son 115V o 230V de
corriente directa. Las tensiones de inducido son las industriales (220V/440V) pero
pueden llegar a ser tan altas como 13.2KV
Mecánicamente es ventajoso tener estacionario el devanado del inducido pues
resulta más fácil de aislar y proteger; además de que no tiene la limitación que por
intensidad de corriente presentan los anillos rozantes cuando el motor es de gran
tamaño. El devanado de excitación puede ser de rotor liso o de polos salientes. La
gran mayoría de motores sincrónicos son de este último tipo.
La velocidad de un motor sincrónico viene determinada por el número de polos de
la máquina y por la frecuencia de la tensión de suministro. La fórmula para la
velocidad es:
Son velocidades típicas: 1.800,1200, 900, 720, 600 rpm.
El motor solo funciona a esta velocidad, conocida también como velocidad
sincrónica, y si hay un cambio brusco en la carga, habrá un cambio transitorio de
388
muy corta duración en dicha velocidad y la velocidad media será la misma. Es
decir, el motor sincrónico es una máquina de velocidad constante con
independencia de las variaciones de carga, tal como lo indica la curva de la
velocidad vs torque (ω= f(t)) que muestra la Figura 175.
Figura 175. Curva característica de velocidad vs torque del motor sincrónico.
Como puede apreciarse, el motor sincrónico no tiene en sí (no desarrolla) par de
arranque; de ahí la necesidad ayudarlo en el arranque por medio de un motor
impulsor o construirlo acondicionando con un devanado amortiguador.
Para llevar el motor a la velocidad sincrónica se utiliza a veces un pequeño motor
de inducción que tenga menos polos que los del motor principal para garantizar
que si puede alcanzar la velocidad necesaria. Evidentemente, el motor sincrónico
debe arrancarse en vacío, pues en caso contrario el motor impulsor se bloquearía,
ya que por su tamaño no está diseñado para suministrar un par de arranque
elevado.
389
De otra manera, un motor equipado con devanado amortiguador y con el circuito
de excitación desenergizado, arranca por inducción como si fuera un motor de
jaula de ardilla y alcanza una velocidad ligeramente por debajo de la de sincrónica;
esto puede apreciarse en la Figura 175 indicada anteriormente. Sin embargo, para
el arranque como motor de inducción solo se le puede conectar una carga ligera y
nunca a plena carga.
Si la resistencia del devanado amortiguador es relativamente baja, el par de
arranque (Ta) será alto y el motor se aproximará más fácilmente a la velocidad de
sincronismo. El devanado de baja resistencia es el más efectivo para asegurar la
sincronización de la máquina.
Si el par requerido por la carga excede el valor máximo, el motor se saldrá de
sincronismo. Cuando esto sucede el par promedio se anula y el motor queda en
reposo. En estas circunstancias deben actuar las protecciones que incorpora el
circuito del motor.
La subexcitación del devanado de campo, hace que el motor tome corriente en
atraso. La sobreexcitación da lugar a que el motor tome corriente en adelantado.
La excitación necesaria para mantener un factor de potencia dado con la carga
conectada, varía en aumento a medida que se incrementa la carga.
La posibilidad de funcionar el motor con factor de potencia en adelanto es una
gran ventaja, ya que la máquina, además de estar cumpliendo su tarea de
impulsar la carga, está mejorando el factor de potencia de la instalación.
Los motores sincrónicos son de construcción robusta tanto eléctrica como
mecánica y su eficiencia para operar sobre cargas ligeras es mayor que la de un
motor de inducción en igualdad de condiciones. Además la velocidad constante
puede ser una ventaja si conviene para la aplicación.
390
Los motores sincrónicos son ideales para velocidades constantes en servicio
continuo en las que el par de arranque que impone la carga al arrancar sea bajo.
Aplicaciones típicas son: Comprensores de aire y amoniaco, bombas centrífugas,
sopladores, machacadores y en general muchas máquinas de proceso continuo.
Cuando el torque de arranque requerido es demasiado grande para el motor
puede instalarse un embrague entre el motor y su carga. Se lleva entonces el
motor a la velocidad sincrónica en vacío y después se aplica la carga por medio
del embrague.
Para arrancar un motor sincrónico debe llevarse a la velocidad sincrónica o muy
cerca de ella, sin excitación de corriente directa, debiendo aplicarse la excitación
justo a la velocidad de sincronismo o a una muy próxima, para poner el motor a
régimen.
En la práctica, la mayoría de los motores sincrónicos son polifásicos y van
provistos del devanado amortiguador, y lo usual es arrancarlo como motor de jaula
de ardilla y no con un motor impulsor, siendo suministrado el par de arranque por
la corriente inducida en dicho devanado. Al igual que los motores de jaula de
ardilla, la máquina sincrónica puede ser conectada directamente a la línea o
arrancada con tensión reducida ya sea por autotransformador, o por medio de
resistencia o reactancias estatóricas como se ha analizado anteriormente. Sin
embargo, estos métodos de aceleración no se aplican generalmente. La aplicación
de la excitación de corriente directa se hace justo cuando se haya terminado todo
el ciclo de arranque y el motor se encuentre conectado a plena tensión, girando a
una velocidad superior al 95% de la sincrónica. Solo en estas circunstancias, el
motor será capaz por sí mismo de sincronizarse y funcionar como máquina
sincrónica.
391
Como el devanado de excitación de corriente directa tiene muchas espiras, deben
tomarse precauciones especiales para asegurarlo contra la elevada tensión que se
induce en él durante el arranque. La práctica general consiste en cortocircuitar la
excitación a través de una resistencia de descarga durante el arranque. El valor de
la resistencia es determinado por el fabricante del motor, ya que tiene un marcado
efecto sobre el par de sincronización.
Para sincronizar un motor a la línea, o mejor para conectar adecuadamente el
devanado de campo excitador, se pueden utilizar varios métodos a saber
Por límite de tiempo; mediante el empleo de relés temporizados (es el
más utilizado).
Por la variación de frecuencia que experimenta la tensión inducida en el
devanado del campo excitador a medida que el motor se acelera.
Por límite de corriente; sensando la magnitud de la corriente de línea que
toma el motor al arranque y esperando a que ésta se fije en un valor
predeterminado para iniciar la maniobra de sincronización.
De todos los métodos, el más utilizado por su sencillez y bajo costo, es el de
sincronización por límite de tiempo.
En la Figura 176 a y b se ilustran los circuitos de potencia y control para llevar a
cabo la maniobra de conexión y sincronización de un motor sincrónico por límite
de tiempo.
392
Figura 176. Arranque del motor sincrónico con sincronización por límite de tiempo.
(a) Circuito de potencia. (b) Circuito de control.
Al presionar el pulsador de marcha S1, el motor se conecta directamente a la línea
a través de los contactos del contactor K1 y arranca como una máquina de
inducción con un torque Ta. La aceleración se hace por la curva a trazos que se
muestra la Figura 175. Después de un breve tiempo, y justo cuando el motor se
encuentra girando a una velocidad cercana a la de sincronismo, el relé
temporizado K3T cierra su contacto sobre la bobina del contactor K2 permitiendo
que el campo se conecte a línea de corriente directa. Esto hace que la máquina se
enganche y alcance el sincronismo. A partir de ese momento desaparecen las
corrientes inducidas en el devanado amortiguador, y el motor se moverá a
velocidad constante, independientemente de las variaciones de carga.
393
Obsérvese que al operar el contactor de sincronismo K2 también saca de servicio
la resistencia R de descarga del campo cuyo efecto protector contra
sobretensiones ya se analizó anteriormente.
A los motores sincrónicos también se les puede invertir la marcha de la misma
manera que a un motor de inducción. En general, son muy pocas las aplicaciones
donde se requiere realizar esta maniobra. Más bien se emplea el frenado de
contramarcha para obtener un paro rápido. El método es el mismo que para un
motor de inducción de jaula de ardilla.
Los motores sincrónicos pueden ser llevados rápidamente al reposo por medio del
frenado dinámico, aplicando el mismo principio analizado con los motores de
corriente directa. La única diferencia importante es que se requiere el empleo de
tres resistencias iguales; una por cada fase.
Estas resistencias se conectan en estrella o delta y sus extremos libres se llevan a
los contactos principales del contactor de frenado que a su vez está conectado a
los bornes del motor.
El frenado se consigue si al desconectar el motor de la línea, este conserva el
campo de excitación y las resistencias se reconectan inmediatamente después a
los bornes del motor. En estas circunstancias la máquina funciona como
generador y podrá transformar rápidamente la energía cinética asociada a la carga
en energía calorífica, por medio de las resistencias de frenado del motor.
Finalmente, una vez se detenga el motor, un relé temporizado abre el contacto de
la excitación y a su vez desconecta el contactor del freno, dejando el motor
disponible para la próxima maniobra.
394
4.6.7.10 Aspectos a considerar para la escogencia de un método de
aceleración con limitación de corriente
La escogencia del método de aceleración para un motor está definida en principio
por lo siguiente:
El tipo de carga a conectar
El par resistente que impone la carga al momento de la conexión
El tamaño de motor
El tipo de motor
El tipo de instalación
Si la red de la instalación no tiene una buena regulación de voltaje, no es permitido
el arranque directo de ningún motor de tamaño mediano o mayor. Incluso, hasta
con motores pequeños se podrán presentar serios inconvenientes. En este caso,
será necesario recurrir al empleo de arrancadores con limitación de corriente.
En principio todo arrancador con limitación de corriente debe proyectarse de forma
que de valores adecuados del par que se necesita para garantizar el arranque de
la carga, y de la corriente que se toma de la línea.
Así mismo debe tenerse en cuenta los tipos de conexión de los devanados del
motor y de la conmutación que impone el arrancador tanto para el motor como
para los dispositivos de maniobra.
Así por ejemplo, el método de arranque estrella- triángulo exige del motor que sus
devanados tengan todos los terminales al exterior. Esto será una limitante para
muchos motores que de fábrica se construyen únicamente con tres terminales de
salida.
395
Por otro lado, aunque en el método de arranque estrella – triángulo la corriente de
conexión está limitada a una tercera parte de la que tomaría en conexión directa;
el par de arranque, que es del 33% resulta ser muy reducido, y en consecuencia,
el método no podrá aplicarse a cargas que demanden torques importantes al
momento de la conexión. También, el arranque estrella – triángulo es poco flexible
en cuanto que permite la conexión a solo una tensión reducida; y además, tiene el
inconveniente de que la conmutación de estrella – triángulo se hace a transición
abierta, lo que puede originar un serio deterioro de los contactos del contactor que
efectúa la conexión final en triángulo; sobre todo, si el relé temporizado no se
calibra bien o el motor no alcanza con la carga conectada velocidades por encima
de 85 % de la velocidad de régimen permanente. Sin embargo, éste es un
arranque ampliamente utilizado en la industria, particularmente por su fácil
implementación y bajo costo, teniendo en cuenta que no asocia elementos que
disipan energía como pérdidas para realizar la tarea de limitación de la corriente
del motor.
El arranque por autotransformador es el procedimiento que mejor satisface las
condiciones de arranque de un motor y de su carga asociada; y por tanto, el
sistema de arranque más conveniente.
En efecto presenta la particularidad de poder modificar el par de arranque inicial
según la toma o derivación del autotransformador que se elija, cosa que no es
posible realizar en el arrancador estrella – triángulo. Además con respecto al
arrancador mediante resistencias estatóricas presenta la ventaja de no ocasionar
pérdidas de potencia exteriores durante el arranque.
Téngase presente que, la corriente que circula por la línea en el instante del
arranque, se reduce en la misma proporción que tiene definida el tap del
autotransformador al cual se conecta el motor; y puesto que éste se construye con
diferentes tomas, será posible fijar con comodidad la corriente de enganche y el
396
par de arranque más adecuado para la máquina accionada. En la práctica, se
utilizan tomas o derivaciones al 50%, 65%, y 80% de la tensión nominal de la
línea. Esto permite, inclusive, el arranque del motor conmutado en varias etapas,
con dos o más derivaciones.
La única desventaja que puede anotársele al método de arranque por
autotransformador es que demanda un costo relativamente elevado, teniendo en
cuenta que el autotransformador es un elemento extra y su diseño es especial y
particular para el motor con el cual debe trabajar.
En los motores de rotor devanando se podría pensar también en el uso de
arrancadores como los empleados con los motores de inducción de jaula de
ardilla. Sin embargo, para el motor de rotor devanado se tienen opciones
diferentes muy ventajosas, cuando se emplean resistencias rotóricas para realizar
esta función.
Otra consideración con respecto al arrancador mediante reactancias estatóricas,
es que presenta la ventaja de no ocasionar pérdidas de potencia exteriores
durante el arranque.
Con los arrancadores suaves de estado sólido (soft starters), se consiguen
importantes ventajas comparativas. Son muy diferentes de cualquier otro tipo
tradicional de arrancadores a potencia reducida debido a que:
No requieren de resistencia, reactancias o autotransformadores externos y
tampoco de construcción o alambrado especial del motor.
No incorporan dispositivos electromecánicos de maniobra para la conexión
o desconexión del motor a la línea. El control de las desconexiones tiene
lugar en un circuito electrónico de baja potencia en el cual los “contactos”
397
son de estado sólido garantizando la ausencia de arco y mínimo
mantenimiento.
Operan sólo durante el arranque del motor (y algunas veces en el paro) y
luego se aíslan sin desconexión evitando fenómenos de conmutación como
los originados en los arrancadores de motor que operan en transición
abierta y en transición cerrada.
Son compactos, de fácil instalación y montaje, y sobre todo de tamaño
reducido y poco peso; características ideales para un buen arrancador.
Tienen como ventaja la posibilidad de aportar a voluntad y en forma
continua la corriente de arranque dentro de rangos relativamente amplio; de
150% a 450% de la corriente a plena carga del motor.
Para estar seguros de que el motor arranca, algunos arrancadores suaves
proporcionan una rampa de corriente en el tiempo entre dos tipos de ajuste,
con rangos de tiempo típicos de uno a treinta segundos.
Algunos arrancadores con rampa de corriente proporcionan al motor un
breve pulso inicial de corriente a su valor más elevado; esto permite,
arrancar cargas con alta fricción estática en forma inmediata. Después del
pulso la corriente se salta a la variación de rampa desde el límite inferior.
Algunos arrancadores monitorean, además de controlar el voltaje del motor.
Con esto un voltaje reducido produce corriente reducida y también un par
reducido. A cualquier velocidad la reducción de corriente es proporcional a
la reducción de voltaje; y el porcentaje de reducción del par es proporcional
al cuadrado de la reducción del voltaje.
La rampa de tiempo es generalmente ajustable. Si el motor tiene que
arrancar con una carga de alta inercia, la corriente debe ser alta si la rampa
es breve. Una rampa más larga da al motor más tiempo para acelerar carga
y en consecuencia la corriente podrá ser reducida.
Como se puede deducir, se tiene en los arrancadores electrónicos para motores
de corriente alterna, la alternativa de un dispositivo que incorpora funciones muy
398
importantes para la aceleración y desaceleración de los motores; funciones que
los arrancadores de tipo convencional no están en capacidad de proporcionar.
Puede asegurarse que en poco tiempo, y a pesar de su mayor costo comparativo,
estas unidades estarán sustituyendo muchos de los arrancadores que hoy en día y
desde hace muchos años se han venido utilizando regularmente en la industria.
4.6.7.11 Métodos de aceleración para motores de corriente directa
Los motores de corriente directa se construyen de muchos tipos y con muchas
formas de devanados, pero todos ellos encajan dentro de dos clases generales.
Cuando el devanado principal de excitación se diseña para conexión en paralelo
con la armadura o inducido, la máquina se conoce como motor de derivación, o
motor shunt. Cuando el devanado principal de excitación se diseña para ser
alimentado independientemente de la tensión que se le aplica a la armadura, al
motor se le conoce con el nombre de motor de corriente directa de excitación
independiente.
Cuando el devanado de excitación se proyecta para conexión en serie con la
armadura o inducido, la máquina se conoce como motor serie.
Para un motor en serie la corriente del inducido pasa también por el devanado de
excitación y por tanto la intensidad del campo y la velocidad varían ampliamente
con la carga.
La máquina en derivación no se ve afectada por los cambios de corriente del
inducido, y la velocidad del motor es relativamente constante para diferentes
cargas. Para un motor en serie la corriente del inducido pasa también por el
399
devanado de excitación y por tanto la intensidad del campo y la velocidad varían
ampliamente con la carga.
Muchos motores son construidos a la vez en derivación y en serie, y su
comportamiento cae siempre en el de la máquina en derivación o en el de la
máquina en serie; dependiendo de la intensidad relativa de la corriente que circula
por los dos campos. Esta máquina se conoce con el nombre de motor
compuesto o compound. Este es el motor de corriente directa típico de la
industria. Se construye en general con una excitación en derivación predominante
y una excitación relativamente menor en serie. El ligero campo en serie se añade
para aumentar el par de arranque y hacer que la velocidad caiga un poco para las
cargas fuertes.
El campo de excitación en derivación se construye de alta impedancia y es
fuertemente inductivo. El campo de excitación serie se construye de baja
impedancia y es más resistivo. El Par de giro o Torque motor desarrollado (T)
para cualquier motor de CD es proporcional al producto de las corrientes del
inducido o armadura (Ia) y del campo de excitación (Ic).
Al recibir la tensión el inducido del motor, el único factor que limita la corriente (I)
en éste es la resistencia óhmica (Ra) del inducido. Tan pronto como comienza a
girar, sus conductores empiezan a cortar el campo de excitación y se induce en
los conductores del inducido una tensión opuesta a la de la línea aplicada. Esta
tensión, conocida como fuerza contraelectromotriz (V) es proporcional a la
velocidad del inducido (ω) y a la intensidad de la corriente del campo (Ic).
La velocidad final del motor no puede alcanzar nunca completamente la velocidad
necesaria para producir una tensión igual a la de la línea, porque entonces no
habría ni corriente por el inducido ni par motor. La velocidad final alcanzada está
exactamente por debajo de este valor para que la diferencia entre la tensión de la
400
línea y la opuesta generada por la máquina, haga pasar corriente a través del
inducido para proporcionar el par motor necesario que hace girar el rotor y arrastra
la máquina. El par motor dependerá de la carga acoplada a la máquina.
De lo analizado anteriormente pueden escribirse dos ecuaciones simples para el
par motor y la velocidad o la fuerza contraelectromotriz del motor:
(1)
(2)
Una tercera expresión es la ecuación del circuito del motor, cuando este se
encuentra conectado a la línea a la tensión Vcd:
(3)
Combinando las ecuaciones anteriores puede deducirse fácilmente que:
Utilizando convenientemente todas estas ecuaciones pueden determinarse los
datos necesarios para dimensionar los elementos limitadores al momento de
arrancar el motor.
En principio, es satisfactorio el arranque de algunos pequeños motores de CD
conectándolos directamente a la línea. Sin embargo, con motores grandes, la
mayoría de las instalaciones necesitan la limitación de la corriente de arranque
para reducir todos los efectos negativos que se producen al demandar grandes
picos de corriente de conexión.
401
Para el efecto se utiliza usualmente una resistencia en serie con el inducido, que
luego se cortocircuita en una o más etapas. Otra alternativa es utilizar
arrancadores electrónicos suaves que rectifican la corriente alterna que proviene
de la línea, y en forma gradual, mediante el método de regulación de fase, van
aplicando al inducido del motor una tensión en aumento que permite llevar la
máquina a la velocidad de régimen establecida. Estos dispositivos funcionan de
manera similar a los utilizados con motores de corriente alterna, con la diferencia
de que se regula como una corriente rectificada; pues así lo exige la máquina.
En muchas instalaciones se necesita una aceleración suave como por ejemplo, en
ascensores, elevadoras de personal, y en máquinas jaladoras y enrolladoras de
papel, hilo, telas, etc.
El motor de corriente directa resulta ser la máquina ideal para estas aplicaciones,
por las excelentes características de regulabilidad que ofrece. Naturalmente estos
requisitos van en importancia de acuerdo con la aplicación y las exigencias del
proceso o de la máquina que arrastra el motor.
Cuando un motor de CD inicia la marcha, no ha desarrollado aún su fuerza
contraelectromotriz; puesto que ésta depende de la velocidad del motor. Como ya
se ha dicho, la fuerza contraelectromotriz (f.c.e.m) se opone a la tensión de la
línea, y en consecuencia, la corriente que circula por el circuito del motor se verá
limitada.
Téngase presente que si un motor se arranca a plena tensión (sobre todo si es de
gran capacidad), puede causar serios trastornos en el propio motor, en la red de
alimentación y en la carga misma.
En el arranque directo o a plena tensión de un motor de CD, la corriente inicial es
muy elevada en virtud de que solo está limitada por la resistencia interna del
402
inducido. En consecuencia, durante el tiempo que dura el arranque hasta que se
alcanza la velocidad nominal, y sobre todo si éste es repetido, los devanados del
motor pueden sufrir una fuerte elevación de temperatura que si bien no produce
daños visibles, sí reduce su vida media útil.
Así mismo, la gran corriente de arranque origina una gran caída en la tensión de la
línea, por efecto de su impedancia interna asociada. Esto puede causar
oscilaciones en los sistemas de alumbrado u originar la desconexión de otros
equipos conectados a la misma línea.
También, la maquinaria acoplada al motor podrá sufrir graves fallas mecánicas u
originar daños de consideración en el proceso, en virtud del elevado torque de
arranque con el cual inicia su movimiento.
Con el control de aceleración se busca reducir al mínimo estos inconvenientes y
proporcionar un arranque suave hasta que el motor alcance su velocidad nominal;
donde su aceleración será nula.
El método regular que se sigue en la práctica para el control de la aceleración,
consiste en conectar una o varias resistencias limitadoras de corriente en serie
con el inducido del motor. Estas resistencias se irán cortocircuitando, ya sea
manual o automáticamente, a medida que el motor gana velocidad.
Un método de aceleración manual por conmutación de resistencias, para un motor
de CD puede emplear también un combinador de mando como el utilizado en el
circuito de la Figura 13, capítulo 2 o el de la Figura 162, capítulo 4. Sin embargo,
los métodos de uso corriente para aceleración son automáticos, como los que se
analizan a continuación.
403
El circuito básico para control automático de la aceleración de un motor de CD se
ilustra en la Figura 177. En este circuito, las resistencias de arranque se van
cortocircuitando a medida que operan los contactores de aceleración 1A, 2A, 3A;
cuyas bobinas no están representadas en la figura. Cuando se presiona el
pulsador de marcha; se energiza el contactor de línea 1M, se automantiene, y
conecta el motor a la línea con todas las resistencias incluidas; al final del proceso
de aceleración el motor quedará conectado a la línea directamente. Por lo demás,
puesto que el campo excitador es muy inductivo, éste se conecta previamente
para que la corriente Ic tenga un valor elevado al momento de conectar la
armadura, y el torque de arranque no se ha disminuido inicialmente, y el tiempo de
estabilización del motor no se incremente, generando actuaciones
comprometedoras de los dispositivos de protección asociados al motor y la red.
Figura 177. Circuito acelerador por etapas para un motor de CD shunt mediante la
conexión en serie de resistencias limitadoras en el inducido o armadura.
El proceso de aceleración se podrá entender fácilmente a partir de las curvas
indicadas en la Figura 178:
404
Figura 178. (a) Proceso de aceleración gradual de un motor de CD por cambio de
las resistencias en el circuito del inducido. (b) Variación de la corriente del motor
por efecto de la conmutación, en función del tiempo. (c) Variación de la velocidad
del motor por efecto de la conmutación, en función del tiempo.
405
De acuerdo con la curva velocidad vs torque (Figura 178.a), el motor arranca con
una corriente limitada (Ia) y se acelera por la curva característica para Vcd1 (para
R1+R2+R3) incluidas.
Cuando se llega al punto a, el par motor (o torque motor) se iguala al par
resistente (o torque de carga T1) y el par acelerador desaparece, dejando que el
motor gire con velocidad constante. Sin embargo, si en el momento en que se
llega al punto a (podría ser un poco antes o un poco después) opera el contactor
1A, la resistencia R1 se cortocircuita y queda aplicada al motor una mayor tensión;
correspondiente a Vcd2 (para R1+R2) incluidas. En consecuencia, el motor se
acelera nuevamente (par acelerador > par resistente) y gana velocidad. Al llegar al
punto b, el par acelerador desaparece y el par motor se iguala al par resistente
(TM = TL), girando de nuevo el motor con velocidad constante. Si en este punto se
cortocircuita el segundo paso de resistencia (R2), el motor gana nuevamente
velocidad hasta ωc, y el proceso se repetirá una y otra vez hasta que al final el
motor queda conectado directamente a la línea.
Como puede observarse de las curvas de velocidad vs tiempo y corriente vs
tiempo, la velocidad ha aumentado gradualmente en cuatro etapas, hasta alcanzar
la de régimen. Además, la corriente de arranque (la) y la de conmutación (Im) se
ha restringido, en cada etapa, a un valor de seguridad que en la práctica se toma
generalmente entre 1.5 y 3 veces la corriente asignada de servicio del motor (le o
In).
Obsérvese también en la Figura 178.b como la corriente se incrementa
súbitamente en el momento de la conmutación de un paso de resistencia, y como
se va reduciendo gradualmente a medida que el motor gana velocidad. La
derivada o pendiente de la curva velocidad vs tiempo mostrada en la Figura 178.c,
representa la magnitud de la aceleración del motor.
406
Puede entenderse fácilmente que con un mayor número de resistencias el grado
de aceleración será menor y la velocidad crecerá más lentamente, es decir;
tendremos lo que se busca, un arranque suave.
Los valores para las velocidades a las cuales se conmutan las resistencias de
aceleración (ωa, ωs, etc.) pueden definirse cuando se termina el diseño para el
cálculo de las resistencias limitadoras. El número de resistencias empleadas para
el control de la aceleración puede ser tan alto como 12. Sin embargo los valores
típicos están comprendidos entre 2 y 4. El número de etapas de aceleración (n)
es R+1, siendo R el número de resistencias conectadas al motor.
Básicamente, la aceleración de un motor de CD se puede efectuar por tres
métodos: por límite de tiempo, por fuerza electromotriz o límite de velocidad, y
por límite de torque o de corriente; empleando relés serie o contactores con
bobina e bloqueo.
A continuación se ilustran algunos circuitos prácticos que se utilizan en estos
métodos.
Aceleración por fuerza contraelectromotriz o límite de velocidad
Este método utiliza relés de tensión, de enganche ajustable, que operen a las
tensiones indicadas que recomienda la NEMA.
De acuerdo con la Figura 179; los relés van conectados en paralelo con el
inducido del motor; calibrándolos para que cada uno cierre al alcanzar la tensión
un valor determinado proporcional al de la fuerza contraelectromotriz V. Así, por
ejemplo, el primero cerrará al llegar hasta el 50% de la tensión nominal; el
segundo al alcanzar el 65%; y el tercero el 80%.
407
Al presionar el pulsador de marcha; la bobina 1M se energiza, cerrando el
contacto 1M de línea, y conectando el motor con todas las resistencias incluidas.
También cierra el contacto 1M auxiliar en paralelo con el pulsador de marcha,
produciendo el automantenimiento del contactor. El motor se acelera
desarrollando gradualmente tensión, hasta alcanzar el valor determinado para el
cual cada contactor auxiliar (1Ax, 2AX, etc.) cierra su contacto, energiza el
respectivo contactor principal, y cortocircuita la correspondiente resistencia de
aceleración.
Figura 179. Circuito de aceleración por fuerza contraelectromotriz o límite de
velocidad, para un motor de CD tipo shunt.
Aceleración por límite de corriente
De acuerdo con el circuito de la Figura 180; los relés de corriente conectados en el
408
circuito del inducido del motor, tienen sus contactos de control normalmente
cerrados, en serie con las bobinas de los contactores de aceleración 1A, 2A y 3A.
Estos relés se han dimensionado y calibrado de modo que si la corriente a través
de sus bobinas es superior a la nominal o asignada del motor, sus contactos
actuarán.
Así, al dar marcha, el pico inicial de corriente que circula por 1S hace que se abra
su contacto en serie con la bobina 1A, y justo después se cierre el contacto 1M
que es ligeramente retardado respecto a la actuación de su contacto principal. Al
disminuir la corriente del motor hasta el valor nominal o asignado; el contacto 1S
cierra, permitiendo la energización de la bobina del primer contactor de
aceleración 1A. Esto hace el cortocircuito de la primera resistencia y del primer
relé serie, circulando la siguiente irrupción por 2S, el cual abre su contacto antes
de que el contacto temporizado 1A se cierre.
Al disminuir nuevamente la corriente, 2S cierra y 2A se energiza; el mismo ciclo se
cumple para el tercer paso hasta llevar el motor a la velocidad de régimen.
Un método alterno utilizado con frecuencia para acelerar motores de corriente
directa es el que emplea contactores con bobina de bloqueo; dispositivos
considerados dentro del tema de los contactores, ya visto en el capítulo 2.
409
Figura 180. Circuito de aceleración por límite de corriente con relés serie, para un
motor de CD tipo shunt.
De acuerdo con el circuito de la Figura 181, las bobinas de bloqueo están
conectadas en paralelo con las resistencias de aceleración. Para las bobinas de
cierre, su energización tendrá un ligero retraso debido a la inclusión del contacto
1M –TC perteneciente al contactor de línea y conectado en serie con ellas.
410
Figura 181. Circuito de aceleración por límite de corriente, empleando contactores
con bobina de bloqueo, para un motor de CD tipo shunt.
Al presionar el pulsador de marcha; se energiza el contactor de línea 1M, se auto
mantiene, y conecta el motor a la línea con todas las resistencias incluidas. Justo
en ese instante, y debido a la magnitud que tiene la corriente de conexión, las
bobinas de bloqueo tendrán un voltaje relativamente elevado entre bornes, el cual
está definido por el valor de la resistencia que tienen conectadas a sus terminales
dichas bobinas. De esta manera, las bobinas de bloqueo están impidiendo la
actuación de las de cierre, ya que fueron energizadas primero que estas. Solo
cuando la corriente del motor se reduce lo suficiente, después de que pase cierto
tiempo y ya el motor esté girando a cierta velocidad, la tensión en bornes de la
411
bobina 1AB será insuficiente para mantener inhibida la bobina 1AC, y el contacto
1A se puede cerrar cortocircuitando la primera resistencia.
En otras palabras, la bobina de cierre tendrá predominio para permitir la actuación
del contactor y cortocircuitar el primer paso de resistencia R1. Con esto, el motor
se vuelve a acelerar, y el pico previo de la corriente de conmutación hace que las
bobinas 2AB y 3AB mantengan retenidos los contactores y no puedan actuar. Solo
cuando la corriente baja lo suficiente, la bobina 2AB no tendrá ya la fuerza que
necesita para seguir reteniendo y entonces la bobina de cierre 2AC, que está
conectada a plena tensión, puede predominar sobre la de bloqueo y hacer que se
actúe el contacto de potencia de los propios contactores.
Aceleración por límite de tiempo
De acuerdo con el circuito de la Figura 182, al presionar el pulsador de marcha se
energiza el contactor 1M, se auto mantiene y conecta el motor a la línea con todas
las resistencias incluidas. Después de un corto tiempo, cuando el motor haya
ganado cierta velocidad, se cerrará el contacto 1M-TC, y energizará el contactor
de aceleración 1A, cuyo contacto de potencia pondrá en corto la resistencia R1;
permitiendo que el motor se acelere e incremente su velocidad. A continuación, y
después de cierto tiempo, se cerrará el contacto 1A-TC, permitiendo que el
contactor 2A se energice y cortocircuite la resistencia 2A a través de su contacto
de potencia en el circuito del motor. El proceso de aceleración continúa hasta que
finalmente energiza 3A, éste se automantiene, y cortocircuita la última resistencia
R3, dejando conectado el motor a plena tensión y girando a su velocidad de
régimen. A su vez desconecta los contactores previos de aceleración puesto que
ya han cumplido su tarea en las etapas de aceleración. Con ello se consigue un
ahorro de energía pues sólo quedan funcionando el contactor de línea 1M y el
último contactor de aceleración 3A.
412
Lo anterior sólo es posible si se disponen los contactos de potencia sobre las
resistencias de aceleración en la forma como indica la Figura 182.
Figura 182. Circuito de aceleración por límite de tiempo empleando bloques de
contactos con retardo neumático, para un motor de CD tipo shunt
El circuito de la Figura 183 es una variante de la Figura 181Figura 182, en el cual
se emplea un relé temporizado de tipo electromecánico de accionamiento por
motor. Al presionar el pulsador de marcha se energiza al contactor de línea 1M, se
auto mantiene y conecta el motor en la línea con todas las resistencias incluidas.
Al mismo tiempo, se energiza y se pone en funcionamiento el relé temporizado
TR, el cual, en forma gradual (secuencial) va cerrando los contactos TR-TC1, TR-
TC2 y TR –TC3 permitiendo que los contactores de aceleración 1A, 2A, y 3A
vayan entrando en secuencia retardada y de esta manera sus contactos de
potencia puedan cortocircuitar las resistencias de aceleración en forma
413
escalonada, lo que permite que el motor gane la velocidad lentamente hasta
alcanzar la de régimen permanente.
El circuito acelerador por límite de tiempo tiene la ventaja de que si el motor no
puede arrancar con una carga fuerte en el primer paso o quizás tampoco en el
segundo, el circuito acelerador seguirá conmutando resistencias hasta que el
motor arranca. Esto no ocurre en los otros circuitos, si la carga es elevada y el
motor no se mueve cuando se conecta a la línea con todas las resistencias de
aceleración.
Figura 183. Circuito de aceleración por límite de tiempo, empleando un relé
temporizado por motor con contactos de retardo secuencial, para un motor de CD
tupo shunt.
414
4.6.7.12 Cálculo de las resistencias de aceleración para un motor de
corriente eléctrica
Para el cálculo de las resistencias limitadoras se parte del circuito acelerador que
ilustra la Figura 177, definiendo previamente el número de etapas de aceleración
que se desee. Tomemos en consideración el circuito que muestra la Figura 177;
con tres resistencias y cuatro etapas de aceleración.
Para el cálculo suponemos un motor con los siguientes datos de placa:
Voltaje nominal o asignado:
Potencia nominal o asignada:
Corriente nominal o asignada:
Resistencia de inducido:
Operación: a plena carga
A continuación, asúmase un valor de corriente de conexión limitado a 1.5 veces la
corriente nominal o asignada de servicio. Con este criterio de diseño el pico de
corriente en la conexión quedará limitado a:
Obsérvese que si el motor se conectara directamente a línea tomaría una corriente
máxima de valor:
Esto representa una corriente de 5,8 veces mayor que la asignada del motor, en
consecuencia, el valor asumido como criterio de diseño resulta razonable para
415
garantizar un arranque suave sin perturbar apreciablemente la instalación. Sin
embargo, téngase en cuenta que no siempre el valor asumido podrá dar la
solución correcta y el problema deberá ser replanteado. A esta situación se desea
llegar para cuestionar alternativas de solución.
El valor de la resistencia total de aceleración ( ) puede determinarse
de la expresión:
Sin embargo:
, ya que al momento de arrancar no existe fuerza contraelectromotriz ya que
.
De esta expresión:
Este valor está repartido entre las tres resistencias de aceleración. Una vez
conectado el motor de éste, se acelera como muestra la Figura 178 c. Al llegar el
motor a la velocidad ωa, la f.c.e.m (fuerza contra electromotriz) inducida tiene el
valor V1 y es justo en ese instante que se debe hacer la conmutación de la primera
resistencia (R1), pues para el punto indicado, suponemos que la corriente por el
motor ya se ha estabilizado en el valor In=180A (ver Figura 178 b).
Por consiguiente:
416
De donde
Nuevamente, al cortocircuitar la resistencia R1 por la actuación del contactor de
aceleración 1A (en el tiempo t1), la corriente de conexión toma el valor (la) y para
esta situación:
Por consiguiente:
Y el valor de la primera resistencia será
Como al quitar R1 el motor se vuelve a acelerar, la corriente de conexión empieza
a disminuir. Cuando el motor alcanza la velocidad ωb, ya la corriente se ha
reducido hasta el valor In y la f.c.e.m inducida tiene el valor V2, que puede
calcularse así:
De donde;
417
De nuevo cuando la f.c.e.m. inducida tiene el valor de V2 calculado para ωb, con
Im=180, es el momento de cortocircuitar la segunda resistencia de aceleración R2,
y al hacerlo (en el tiempo t2) se cumple que:
De donde, , lo que implica que
Aparentemente el problema de cálculo ha finalizado, pues ya se conocen los
valores de las resistencias del circuito. No obstante, debe verificarse que el último
pico de corriente de conexión que se presenta al cortocircuitar R3 no sobrepase
en exceso el valor de corriente límite (la) asumida para el cálculo.
Cuando se cortocircuita R2, el motor vuelve a acelerarse hasta llegar a ωc; valor
para el cual la corriente se estabiliza nuevamente en In y la f.c.e.m inducida es V3.
Este valor se puede determinar a partir de la siguiente expresión:
158.022.0
3230180
VVAI n
De donde: VV 96.1613
Al cortocircuitar la resistencia R3 por medio de contactor 3A, justo en ese punto, al
tiempo t3, el pico de corriente de conexión será:
AVV
I a 27.30922.0
96.161230
418
Como este valor sobrepasa en exceso (mayor de 10%) el valor asumido para la
limitación de la corriente en 270A, resulta claro que con tres resistencias de
aceleración no se puede conseguir este objetivo. En principio, se acepta como
criterio de diseño que el último pico de corriente de conexión no debe sobrepasar
un 10% del valor asumido previamente. Sin embargo, este valor puede
modificarse si el diseñador lo considera pertinente.
De todas maneras, y con base en lo indicado, lo mejor es replantear el problema y
reiniciar los cálculos asumiendo una o dos resistencias más, o mejor simplemente
aumentar el valor de la constante de limitación; con lo cual no será necesario
hacer modificaciones circuitales ni emplear más contactores de aceleración que
resulta costoso. Se deja como ejercicio al lector replantear y solucionar el
problema de diseño para las dos opciones siguientes:
Asúmase na II 2
Adiciónese una resistencia (R4) en el circuito de aceleración.
Para ambos casos saque conclusiones de tipo funcional e indique en forma
comparativa las ventajas y desventajas que aporta cada solución.
4.6.7.13 Empleo de contactores para la conexión de cargas industriales no
motores
Las cargas industriales podrían clasificarse en tres grandes grupos:
Cargas representada por motores
Cargas representadas por no motores
Carga mixta concentrada
419
Entre las cargas no motores pueden destacarse:
Aparatos para calefacción eléctrica
Bancos de lámparas en instalaciones de iluminación
Bancos de condensadores para corrección del factor de potencia
Electroimanes de potencia para frenos, embargues, y de levantamiento de
carga (por ejemplo, chatarra de hierro), etc.
Para la maniobra de conexión –desconexión de todas estas cargas, es posible
emplear contactores. Sin embargo, se hace necesario conocer claramente las
características y especificaciones de cada tipo de carga para asegurar la correcta
selección de los contactores que se han de utilizar en la instalación.
Los calefactores eléctricos se utilizan, por ejemplo, para la calefacción de
ambientes, en los hornos de resistencia, en calentadores de agua, en máquinas
extrusoras de plástico, y en instalaciones de aire acondicionado, entre otras.
En caso de resistencias de alambre, la corriente de conexión puede ser del orden
de 1.4 veces la corriente asignada. Si se tienen en cuenta variaciones (en exceso)
de la tensión de la red del 10% (valor típico) se debe prever el aumento de
corriente de servicio que tendrán los elementos de resistencia por este concepto.
Para la maniobra de la carga mediante contactores se toma como categoría de
empleo la AC1 en el caso de corriente alterna y la DC1 en el caso de corriente
directa.
Con frecuencia, los circuitos de calefacción son monofásicos a 220V o 440V de
CA. En estos casos, dos vías de corriente de los contactos se conectan en serie
para manejar la corriente de carga, con el propósito de hacer uso de todos los
contactos principales; suponiendo que se trata de un contactor tripolar.
420
En las instalaciones de iluminación (conexión de lámparas en grupo) los contactos
de los contactores pueden ser sometidos a elevadas corrientes de conexión al
cerrar el circuito.
Para lámparas incandescentes el valor de estas corrientes alcanza niveles
superiores hasta del 15% de su valor nominal asignado. Se recomiendan
contactores seleccionados como mínimo para categoría de servicio AC5b.
Si los contactores se utilizan para la conexión de condensadores como es el caso
en equipos correctores de factor de potencia, debe tenerse en cuenta que
estos últimos se cargan a su valor estacionario acompañados de fenómenos
transitorios. Mientras ocurren estos fenómenos pueden producirse picos muy
elevados de la corriente, con señales transitorias de frecuencias que van desde
algunos cientos hasta varios miles de Hertz. Esto impone requisitos especiales a
los contactores que hacen la maniobra de conexión-desconexión de los
condensadores, para evitar que los contactos del contactor se vean fuertemente
exigidos, con el riesgo que se presenten efectos de soldadura, originando serios
problemas en el funcionamiento del equipo.
Cuando un condensador se conecta a un banco de condensadores, como por
ejemplo, de un equipo corrector automático de factor de potencia, se producen
fenómenos muy adversos para los aparatos de maniobra, dado que los
condensadores ya conectados a la red hacen las veces de fuente adicional de
energía. En estas circunstancias, pueden producirse picos de corriente de
conexión de más de dos veces los que producen los condensadores si están
descargados. Esto hace que los contactos del contactor se vean fuertemente
exigidos, con el riesgo de que se presenten efectos de soldadura originando serios
problemas para el funcionamiento del equipo y el contactor.
421
Una solución parcial a este problema se consigue intercalando inductancias
adicionales en la línea de alimentación del equipo. Sin embargo, hoy en día
muchos fabricantes de contactores han desarrollado una versión constructiva de
este contactor con miras a esa aplicación, la cual proporciona la mejor alternativa
para la conexión confiable de condensadores en bancos correctores de factor
potencia. Estos contactores, conocidos como contactores con contactos de
actuación adelantada, son dispositivos de ocho contactos; tres principales, tres
auxiliares de pre conexión y dos auxiliares para retención y señalización.
En la Figura 184 se ilustra el circuito para la conexión de condensadores utilizando
contactores con contactos de actuación adelantada.
Las resistencias Rd (ver Figura 184) conectadas en paralelo con cada
condensador, permite la descarga de los mismos cuando se desconectan de la
línea. Estos garantizan la conexión sin energía almacenada, lo cual favorece la
conmutación ya que se reducen los picos de corriente de conexión.
Se supone que al energizar la bobina del contactor de línea K1, actúan primero los
contactos de conexión adelantada (posición inferior) que están en serie con las
resistencias limitadoras de carga (Rv) de los condensadores. A continuación,
varios milisegundos después, se cierran los contactos principales (posición
superior) cortocircuitando las resistencias de precarga, y prácticamente sin hacer
ninguna perturbación a la red.
Estas unidades de contactores incorporan muchas veces los fusibles de
protección y las resistencias. Un valor típico para estas resistencias se indica en la
Figura 184. Cuando se utiliza este método, se puede prescindir de las
inductancias, mínimas que en condiciones normales es necesario incorporar en
los bancos de condensadores
422
Figura 184. Empleo de contactores con contactos de conexión adelantada para
maniobra de bancos de condensadores.
REGRESAR AL INICIO DEL DOCUMENTO….
423
CAPÍTULO 5 INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS ELÉCTRICOS DE
CONTROL EMPLEANDO LAS TÉCNICAS DE COMPUTADOR
5.1 INTRODUCCIÓN.
En este capítulo se hace énfasis en La sustitución de la tecnología
electromagnética y electrónica convencional por la tecnología digital, representada
en los denominados Controladores lógicos programables (PLC) o Autómatas
programables; dispositivos que fueron introducidos en la década de los 70’s, y
hoy ya perfeccionados, tienen gran relevancia e importancia en el control de los
procesos de manufactura, procesos físico – químicos y en la solución de
automatismos lógicos.
Los PLC (ver Figura 185) se analizan a partir de una estructura interna general,
prevista para resolver tareas de control que pueden ser programadas; donde los
cambios se pueden introducir fácilmente y donde se requieren menores tiempos
para ejecutar las acciones, así como una mano de obra más ligada a tareas de
supervisión y de puesta en servicio.
Para el estudio formal de los PLC, se hace necesario conocer su estructura interna
y funcionamiento básico, estudiar los lenguajes básicos de programación, las
estructuras de control soportadas con PLC con base en las tareas que realizan,
establecer los criterios de selección técnica y conocer las instalaciones de la
empresa, enfatizando en las redes de comunicación que interconectan diferentes
controladores y en los periféricos que se utilizan corrientemente para supervisar el
funcionamiento de la máquina y para documentar el proceso.
424
Figura 185. Presentación física típica de un tablero eléctrico industrial con empleo
de un PLC.
Fuente: http://www.plccontrolsystems.com/plc-pc-based-control.html
En el ANEXO B se resuelven problemas típicos y en el ANEXO C hay un
cuestionario para que el estudiante asimile claramente los conceptos que sobre
programación de PLC se plantean.
5.2 AUTOMATIZACIÓN
La automatización es la realización de tareas y funciones mediante máquinas de
funcionamiento autónomo, sin la intervención directa del hombre. La automática
estudia los métodos y procedimientos que permiten la sustitución del operador
humano por un operador artificial en la ejecución de una tarea física o mental,
previamente programada.
La importancia de la automatización proviene del hecho de asumir las máquinas la
parte más dura del trabajo, la menos inteligente, y por tanto, la menos humana,
originada esta por el esfuerzo, el desgaste físico y la repetición sin variaciones.
PLC
425
Con la automatización el hombre se reserva para sí la actividad creadora y el
empleo de la inteligencia.
La automatización industrial no es un fenómeno reciente, el proceso se ha visto
acelerado por el advenimiento de la electrónica de los semiconductores y las
nuevas teorías del control automático. Con los primeros computadores se inicia
una nueva revolución industrial: el desarrollo de la electrónica digital.
La expansión de la informática y la aparición de los microcomputadores permiten
la aplicación de la automatización a nuevas tareas e impulsan la creación de
máquinas tales como: los PLC (Controladores Lógicos Programables), los
reguladores PID procesados digitalmente y los robots, entre otros.
Las ventajas más significativas de la automatización son:
Asume la parte más dura del trabajo y por consiguiente la menos
inteligente.
Aumenta la homogeneidad y calidad de los productos
Disminuye los tiempos muertos y los costos de producción. El trabajo se
realiza en forma contínua y en serie, y se racionalizan los recursos y las
materias primas.
Se obtiene como resultado una industria más productiva y competitiva.
5.2.1 Sustitución de la tecnología electrónica convencional (analógica) por
la digital
La creciente complejidad de los procesos y la necesidad de controladores más
potentes y con mayor número de funciones, obligaron a sustituir la tecnología
426
convencional analógica, por la tecnología digital, como se indica en la Figura 186,
para mejorar así los métodos de diseño de los sistemas de control.
Tradicionalmente, los automatismos a base de relés han sido diseñados con base
en métodos de ensayo y error; sin embargo, la disponibilidad de estos y de otros
sistemas digitales más potentes, con bloques funcionales más complejos que un
simple relé, como comparadores, contadores, registros de desplazamiento;
obligan al empleo de métodos de diseño más globales y sistemáticos.
Figura 186. Tecnología electrónica análoga y digital.
Fuente: http://lewistecheng.com/PLC.htm
La tecnología digital ha permitido el empleo de los microprocesadores y los
computadores, el desarrollo de mejores sensores y dispositivos para la adquisición
y transmisión de datos; como también el desarrollo de técnicas de regulación más
eficaces.
Cuando el elemento controlador o regulador de un proceso involucra en su
construcción un computador o un microprocesador, los algoritmos de control se
plasman en los denominados programas, quedando los parámetros almacenados
como constantes que pueden modificarse fácilmente, ya que se puede alterar la
427
forma de la ecuación matemática que define la acción de control, o sus
parámetros.
En los controladores con microprocesadores se incluyen algoritmos que tienen
como finalidad resolver el problema de saturación del controlador y el paso de
manual a automático. Además es posible desarrollar algoritmos de control PID con
no linealidades e incluso implementarlos como bloques funcionales.
Cuando es preciso controlar más de una variable de salida es posible recurrir con
facilidad a diferentes técnicas de control: control en cascada, control anticipatorio
(feed forward), control de proporción (o fracción o ratio), control override (para
manejar dos o más variables con un solo controlador).
Además, es importante mencionar que en los procesos actuales, en un mismo
automatismo coexisten elementos de tipo electromecánico, neumático, hidráulico,
electrónico, etc. Esto hace necesario utilizar modelos y herramientas de diseño
que permitan un tratamiento y análisis común de todos ellos para poder hacer un
estudio global del sistema de control y la planta.
5.2.2 Planeación y supervisión global del control de la fábrica
Con el sistema de control por computador o con microprocesadores es posible:
Garantizar un funcionamiento continuo de la fábrica manteniendo las
condiciones fijadas y facilitando la supervisión o manejo de cualquier
emergencia (incluso previniéndola).
Realizar correcciones, paros y puestas en servicio automático
Cambiar las condiciones operacionales en función de: el mercado, las
características de los productos y criterios económicos.
428
Además se consigue:
Una alta flexibilidad de adaptación al proceso
Un hardware estándar para distintas aplicaciones
Altas posibilidades de ampliación
Poca interconexión y cableado exterior.
Facilidad de modificaciones.
Fácil estructuración en bloques independientes.
5.3 CONTROL DE PROCESOS MEDIANTE COMPUTADOR
Desde que se dispone de los computadores se ha intentado utilizarlos para el
control de equipos y máquinas industriales.
Algunos procesos complejos requieren sistemas de control con una gran
capacidad de cálculo, conexión a estaciones gráficas, múltiples canales de
comunicación, capacidad de multiproceso, facilidad de adaptación, etc. Para ello,
a nivel industrial, se han venido utilizando miniordenadores a los que se han
adaptado interfaces específicas para la planta a controlar.
Actualmente, esta solución, no está descartada, pero resulta económicamente
cara y poco estándar, sobre todo por el hecho que el ordenador no suele disponer
de interfaces adecuadas para recoger y enviar las señales a la planta. Así pues, la
tendencia actual en el control de procesos complejos es utilizar un computador
central y como periféricos los PLC en red, con lo cual, se combina la potencia de
cálculo del computador y la facilidad de interfaces estándar que ofrece el PLC para
la óptima utilización de los recursos disponibles por la empresa con el máximo
rendimiento.
429
5.3.1 Ventajas del empleo del computador y los microprocesadores en los
sistemas de control
La automatización de un proceso por computador o microprocesador proporciona:
Gran velocidad de procedimiento de la Información.
Gran capacidad de almacenamiento de la Información.
Posibilidad de establecer un diálogo directo hombre –máquina a través de
consolas HMI.
Posibilidad de la toma automática de decisiones.
Posibilidad de efectuar un control centralizado donde sea posible la
supervisión general y el control del programa.
Racionalización en el consumo de materia prima y recursos
Optimización de la Instalación.
Gran Cantidad de software estándar para manipulación de datos y gestión
de la producción.
Sistemas de comunicación estándar LAN (red de área local) o WAN (red de
área ampliada).
Fácil mantenimiento por secciones.
Posibilidad de visualizar el proceso en tiempo real.
5.4 TIPOS DE CONTROL DE PROCESOS
Existen diferentes tipos de control según:
La tarea de control
o Local
o Supervisorio
430
o Digital Directo
Las instalaciones físicas de la Fábrica
o Centralizado
o Distribuido
o Jerarquizado
5.4.1 Según la tarea de control
5.4.1.1 Control local o de vigilancia
Es la forma más simple del uso del computador. Este se emplea como elemento
controlador o regulador, en cuyo caso da la solución en tiempo real a ecuaciones
booleanas o maneja algoritmos P, PI, PID etc. Tiene además a su cargo la
adquisición y acondicionamiento de los datos de los sensores, comparándolos
con los límites o valores de referencia y determinando la señal a enviar a los
actuadores que manejan la carga y también elaboran informes de la evolución del
proceso.
Cada máquina del proceso tiene un computador independiente instalado sobre
ella, pero este actúa como un elemento “ciego” es decir; no genera informes ni da
visualización o indicaciones del estado de las variables y sus desviaciones. El
diagrama de bloques de este control se ilustra en la Figura 187.
Figura 187. Diagrama de bloques de un control local o de vigilancia.
431
5.4.1.2 Control supervisorio
Es un control similar al anterior en el cual el computador además comprueba los
valores de las variaciones y sus tendencias, generando las alarmas oportunas si
se sobrepasan de los valores fijados y tomando las acciones correctivas
necesarias para eliminar las tendencias anómalas.
En este control el computador puede sacar todo tipo de informes acerca del
proceso, especialmente informes sobre producción, paros, materia prima y otros.
El diagrama de bloques de este control se ilustra en la Figura 188.
Figura 188. Diagrama de bloques para un sistema de control supervisorio.
5.4.1.3 Control digital directo
El computador se hace cargo directamente de la adquisición de datos, de la
elaboración de órdenes de control y de su envío a los actuadores, y del
acondicionamiento de las señales de entrada y salida. El computador ejecuta los
algoritmos y estrategias establecidas, incluyendo la toma de decisiones lógicas y
las correcciones complejas. Los convertidores son generalmente de tipo
análogo/digital (A/D). El empleo de multiplexores (selectores de datos de entrada o
432
salida) permiten al computador repartir su potencia y tiempo entre varios loops de
control que tenga la máquina, conectándolos secuencialmente.
En este tipo de control el computador elabora mímicos, gráficos, informes, permite
salida por impresora y puede comunicarse con otros computadores. En principio
el computador se aprovecha al 100%, pero es un control muy costoso y
vulnerable.
5.4.2 Según las instalaciones físicas de la Fábrica
5.4.2.1 Control centralizado
Este control se presenta cuando el computador supervisor, junto con todos los
componentes auxiliares (convertidores, multiplexores, controladores analógicos
y/o digitales, consolas indicadoras etc.), se encuentran situados no junto al
proceso sino en una sala central de control, como se muestra en la Figura 189.
Todo este sistema se encuentra comunicado individualmente con cada sensor y
actuador situados en el campo.
Es una forma de conexión donde el computador reparte su velocidad (memoria) y
su tiempo en manejar varios procesos o máquinas simultáneamente, actuando
sobre cada proceso como un computador local o supervisorio. El computador debe
poseer mucha capacidad de memoria.
433
Figura 189. Sala de control de un sistema de control centralizado.
Fuente: https://www.emasa.es/?page_id=220
El control centralizado se emplea cuando:
Cada loop del proceso depende de los demás y es preciso que el operador
tenga una visión global, con la posibilidad de actuar sobre cada uno de ellos
individualmente, supervisando el comportamiento de los demás.
Se deben operar los equipos en un local que ofrezca mejores condiciones
ambientales (temperatura, humedad, etc.) o de seguridad para los
operarios.
Este tipo de control presenta ciertas desventajas que lo hace poco utilizable:
Se debe tener una red de datos y de comunicación muy costosa y
compleja.
Las concentraciones de líneas (cables o conductores) y redes de datos en
un solo punto, a distancia del proceso lo hacen muy vulnerable a ruidos y a
daños pudiéndose paralizar la fábrica.
Es poco utilizado actualmente debido a su vulnerabilidad y dificultad de
supervisión. El diagrama de bloques de este control se ilustra en la Figura 190.
434
Figura 190. Diagrama de bloques de un sistema de control digital directo
centralizado.
5.4.2.2 Control distribuido
El control distribuido consiste en repartir los recursos de cálculo y control por toda
la fábrica, aproximándolos a los lugares donde se necesitan (control local). Sin
embargo, se sigue teniendo un lugar de mando individual del proceso donde se
tiene, se resuelve y se envía la información que permite la supervisión y
coordinación general de todas las secciones de fábrica. Existe un computador
supervisorio al que van conectados los computadores locales y el cual
eventualmente pueden sustituir a un computador local. Está en capacidad de
transferir información, enviar reportes, monitorear estados, hacer programación
remota y en general administración de la producción y de los recursos.
Adicionalmente, es posible hacer la comprobación del funcionamiento, el
monitoreo de las variables del sistema, arranque y paro de los PLC locales y
programación de secuencias particulares.
En el sistema de control es fundamental una red de comunicaciones entre los
distintos computadores locales y la sala central. Dicha red puede tener una
435
conexión radial o en anillo. El diagrama de bloques de este sistema de control
se ilustra en la Figura 191.
El control distribuido es muy confiable y se puede realizar en forma modular,
donde cada módulo es normalizado para ajustarse a diferentes necesidades
funcionales.
En este tipo de control es fácil la puesta en marcha, la instalación y el
mantenimiento. Se usa con bastante frecuencia por su elevada flexibilidad.
En casos particulares, se tiene la posibilidad de que el computador central puede
intervenir directamente sobre el computador o controlador de campo o proceso,
incluyendo la posibilidad de reemplazo ocasional.
Figura 191. Diagrama de bloques de un sistema de control distribuido empleando
una red de comunicación radial.
436
5.4.2.3 Control jerarquizado o control integral jerarquizado
Es el resultado de un sistema control global de todas las actividades de una
empresa, empleando una estructura con diversos tipos de controladores,
microcontroladores, reguladores, computadores, etc., conectados todos ellos por
una red de comunicación de datos y organizados por niveles de control con una
estructura jerarquizada o piramidal, como se ilustra en la Figura 192.
Primer nivel: de Control local
Es el nivel más bajo; tiene como objetivo el control por realimentación o la solución
de automatismos lógicos. El computador que lo realiza tiene las funciones del
control local o de vigilancia: Utiliza comandos individualizados, uno por cada
máquina o proceso.
Segundo Nivel: de Supervisión
En este nivel el computador comprueba los valores de las variables generando
alarmas oportunas si se sobrepasan los valores fijados, tomando acciones
correctoras necesarias para eliminar las tendencias anómalas. Hace también el
papel de coordinación de los controladores o reguladores locales de nivel inferior
(se comunican con los computadores locales). Los computadores de este nivel
forman parte de la estructura de control distribuido.
Tercer nivel: de Coordinación de área
El computador que lo realiza esta comunicado con los computadores del nivel
anterior. Su finalidad es la de controlar la producción de toda el área mediante un
balance de materiales, insumos, mano de obra y energía que se encarga de
optimizar.
Según esto, el computador establece las condiciones de operación de cada uno
de los procesos del área, enviándolas a los computadores de los niveles
437
supervisores. En este el computador también programa el mantenimiento de las
máquinas y puede utilizar comandos generalizados para las máquinas o procesos.
Cuarto nivel: de Gestión de materiales y producción
El computador integra todas las áreas y planifica la producción del conjunto, con la
secuencia adecuada para las distintas secciones. Hace también el papel de
coordinador entre todas las secciones. Elabora diversos informes como: Archivo
de datos, reportes de fallas de producción, estadísticas del proceso, gráficas de la
planta (empleando editores gráficos) , análisis de datos, documentación de la
planta, comunicaciones, manejo de temas de trabajo, etc.
Quinto nivel: de Gestión empresarial o superior
En este nivel, con base en una información económica y técnica, el computador
establece los planes de producción y la política a seguir por la empresa (manejo
de personal, materias primas, órdenes de compra, etc.).
En este nivel hay una planificación global de la gestión empresarial. Los
programas se diseñan de acuerdo con la necesidad específica de cada proceso y
con las características administrativas de la empresa. En general se incluyen las
siguientes capacidades: Bases de datos con reporte de los procesos de
producción, de inventarios y de fallas. Es de anotar que a medida que se asciende
de nivel se requiere un computador de mayor capacidad y potencia.
438
Figura 192. Estructura del sistema de control integral jerarquizado asistido por
computador
5.5 ANÁLISIS COMPARATIVO DEL EMPLEO DEL COMPUTADOR EN EL
CONTROL DE PROCESOS Y EN PROCESAMIENTO DE DATOS
En general en los niveles cuatro y cinco de gestión empresarial se manejan
lenguajes informáticos, a diferencia de los niveles 1, 2 y 3 donde se utilizan
lenguajes específicos.
Lo anterior establece en principio diferencias notables y características
particulares para los computadores empleados en dichos niveles.
En la Tabla 7 se hace un análisis comparativo de lo que es el empleo del
computador en el control de procesos y en el procesamiento de datos.
439
Tabla 7. Análisis comparativo del empleo del computador en el control de
procesos y en el procesamiento de datos
CONTROL DE PROCESOS PROCESAMIENTO DE DATOS
Los programas se ejecutan continuamente
mientras dure el proceso.
Los programas se ejecutan bajo petición
del usuario.
Los tiempos de ejecución son cortos. Los tiempos de ejecución son largos.
En el plan de tiempos de ejecución de los
programas es esencial la rapidez de
respuesta a los sucesos exteriores y/o
interiores, y la ejecución debe realizarse
en períodos fijos de tiempo.
En el plan de tiempos de ejecución de los
programas, la rapidez de respuestas a los
sucesos exteriores y/o interiores no es
crítica y admite retrasos (tiempo absoluto).
Se tiene poca salida por impresora. Son
más comunes los mímicos de proceso por
pantalla.
Se produce gran cantidad de salida por
impresora.
Se emplean computadores medianos o
pequeños Se emplean grandes computadores
El computador va conectado directamente
a la planta.
El computador no tiene conexión directa a
la planta
Se analizan datos actuales para controlar
y supervisar el proceso.
Se analizan datos históricos para informar
lo que sucede.
Los datos se procesan tan pronto como se
puede y necesitan (en tiempo real).
Los datos se acumulan en ficheros hasta
que puedan usarse y se pueda correr el
programa (tiempo de computador).
Se emplean varios computadores (control
distribuido).
Generalmente se emplea un solo
computador.
Se manejan lenguajes específicos. Se utilizan lenguajes informáticos.
440
5.6 FUNCIONES EN UN SISTEMA DE CONTROL DE PROCESOS
INTEGRAL ASISTIDO POR COMPUTADOR
Un sistema de control de procesos integral de cualquier tipo debe realizar, en
principio, tres acciones sobre el sistema en forma automática.
Debe estar dirigido hacia un funcionamiento continuo de la fábrica,
manteniendo unas condiciones fijadas de antemano y la función
supervisora para garantizar el manejo adecuado de las condiciones de
emergencia.
Debe ser capaz de generar pre-alarmas y alarmas en los diferentes niveles,
permitir la puesta en marcha y el paro en forma manual y automática. Y en
casos de emergencia debe tener la posibilidad de realizar acciones
correctivas.
Debe estar en capacidad de permitir el cambio de condiciones
operacionales en función del mercado, de las características y
especificaciones de los productos y de criterios económicos.
Las dos primeras acciones se deben implementar en los niveles inferiores (primero
y segundo) del sistema del control jerarquizado. La tercera corresponde a tareas
de los niveles inmediatamente superiores.
Las funciones que se deben realizar en los niveles inferiores en un control de
procesos por computación son:
Adquisición y acondicionamiento de datos
Control de las variables del proceso
Comunicación con el operador
Supervisión
Documentación
441
Con estas funciones el computador hace la toma de datos, su tratamiento, el
análisis para la generación de acciones correctivas y de alarmas, la ejecución de
algoritmos de control y el envío de señales a los actuadores. Además permite la
obtención de informes sobre producción, materia prima procesada y tiempo de
paro de la máquina.
5.6.1 Adquisición y acondicionamiento de datos
Las señales de los sensores rara vez pueden ser utilizadas directamente por el
sistema de control y por ello deben someterse a diversas transformaciones. Si son
señales analógicas deben muestrearse y digitalizarse de manera periódica. Si son
señales digitales pueden ser utilizadas directamente por el sistema de control.
Aunque algunas veces este tipo de señales es necesario acondicionarlas y
normalizarlas previamente si se trata de señales generadas por interruptores.
En general las señales se someten a un pre tratamiento que comprende:
nivelación de tensión o corriente, filtrado (ruidos, antirrobote, etc.), comprensión de
datos con miras a un almacenamiento, agrupación de valores y parámetros para el
caso que deba reproducirse la señal original, transmisión de la señal a distancia si
es necesario y multiplexaje de la misma.
En este punto la señal se puede introducir al sistema de control para su
tratamiento y análisis.
5.6.2 Control de las variables del proceso
Es el aspecto más importante de todo el sistema de control. Involucra el
tratamiento de la información obtenida en el proceso de adquisición de datos, el
cual se hace mediante un conjunto de algoritmos que definen el tratamiento que
442
debe dársele a la información para lograr un comportamiento satisfactorio del
sistema que está controlándose. Todo algoritmo debe disponer de una base de
datos que tenga la información de los parámetros que necesita para funcionar.
Estos datos pueden darse de antemano o ser obtenidos mediante otros programas
a partir de medidas realizadas. Hoy en día se dispone de algoritmos PID y de
muchos otros sofisticados.
5.6.3 Comunicación con el operador
Se hace mediante terminales de pantalla con teclado situados en la sala de
control. Estos dispositivos suministran información oportuna después de un
tratamiento conveniente. El sistema de comunicación presenta la información
necesaria y requerida, con excepción de las salvaguardadas. El operador puede,
además, inicializar o alterar los valores de consigna, modificar los parámetros de
los algoritmos de control (constantes PID), modificar los algoritmos de adquisición
o control y cambiar las supervisiones de control.
5.6.4 Supervisión y documentación
En general, cuando se tiene una estructura jerarquizada, las funciones
supervisoras más rápidas y más críticas en el tiempo se encomiendan a los
niveles más bajos, mientras que las más complejas pero menos críticas en el
tiempo quedan en los niveles superiores como ya se indicó. La supervisión y la
documentación del proceso son quizás las tareas más relevantes que pueda
realizar un computador. Es precisamente esto lo que hace que cada vez se
imponga y se utilice más esta máquina electrónica que no tiene su equivalente en
el campo mecánico, neumático o hidráulico.
443
5.7 SOPORTE LÓGICO PARA EL CONTROL DE PROCESOS POR
COMPUTADOR
El soporte lógico para el control de procesos se conoce como el software de
procesos (programas de computador para el funcionamiento de procesos),
mientras que los equipos se conocen como el hardware.
El software ha evolucionado muchísimo en los últimos años; el desarrollo y el
diseño de programas ha experimentado un cambio radical en cuanto a su filosofía
y en cuanto a la solución de problemas de funcionamiento, potencia y seguridad.
Los programas permiten que los equipos instalados puedan operar en forma
satisfactoria y correcta. Desde el punto de vista de su función, y con respecto a los
equipos, el software lo podemos clasificar así:
5.7.1 Normalizado
Se refiere a programas para resolver los algoritmos internos de control, el
tratamiento de señales y datos, y el programa de sistema operativo. Hacen
funcionar los equipos de cómputo independientemente de la aplicación que se les
dé. No son programados por el usuario.
5.7.2 Particular
Se relaciona con programas de aplicación específica para el funcionamiento
correcto del conjunto proceso-control. Pueden ser programados o no por el
usuario.
444
5.8 ANOTACIONES SOBRE LOS LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN PARA
EL CONTROL DE PROCESOS
Los lenguajes de programación para control de procesos tienen como misión,
definido el problema que se quiere resolver, el control de un proceso
estableciendo su forma de actuar (la tarea de control) para todas actividades y
cálculos.
Los lenguajes representan el “Idioma” con el cual el usuario puede comunicarse
con la máquina. Según el grado de interpretabilidad por la máquina se clasifican
en tres niveles:
Lenguajes de bajo nivel: Es el denominado “lenguaje de máquina”, el cual
es un lenguaje binario de interpretación directa por la máquina.
Lenguajes de medio nivel: Es el assambler, el cual se realiza con
palabras simbólicas, es decir, instrucciones en forma de palabras cortas
que tienen un significado muy completo de lo que puede hacer el
computador. Es poco usado actualmente.
Lenguajes de alto nivel: En los lenguajes de alto nivel el computador
recibe instrucciones más detalladas que el mismo se encarga de pasar al
lenguaje de máquina. Con ello el operario realiza más fácilmente las tareas
de programación.
No todos los lenguajes de alto nivel son iguales, algunos son de mayor nivel y se
clasifican en:
Clásicos: Fortran (no usado actualmente)
Específicos: Grafcet, Booleano, Ladder.
445
Multitarea: Modula, Pascal concurrente.
Avanzados: Basic, Pascal, Cobol.
De simulación: Se apoyan mucho en herramientas gráficas, tales como
ACSL, CSSL, DARE, etc.
5.8.1 Clásicos
Son de tipo secuencial en los que las acciones tienen un estricto orden en el
tiempo, como el Fortran, por ejemplo.
5.8.2 Específicos
Son orientados a problemas concretos como la adquisición de datos, el
acondicionamiento de señales, la linealización, la comprobación de alarmas, el
manejo de los algoritmos de regulación, el control en cascada y el control
secuencial: Grafcet, Booleano, Escalera ( Ladder) etc.
5.8.3 Multitarea
Donde coexisten diferentes programas con relaciones de cooperación o de
competencia: Modula, Pascal, Concurrente.
5.8.4 Avanzados
Caracterizados por ser de tipo estructural con procedimientos abstractos: Basic,
Pascal, Cobol.
446
5.8.5 De simulación
Sirven para la realización de pruebas, verificaciones y entrenamientos que no
siempre se pueden realizar sobre los equipos por el riesgo que esto significa. . Se
apoyan mucho en herramientas gráficas: ACSL, CSSL, DARE, etc.
Hoy en día los lenguajes para PLC son lenguajes específicos de alto nivel que se
manejan bajo ambiente Windows; por lo cual resultan amigables y de muy fácil
comprensión por parte de ingenieros y técnicos.
5.9 CONTROL SECUENCIAL
5.9.1 Introducción
Como ha ocurrido con la regulación, aplicada al control de procesos físico-
químicos; el desarrollo de los sistemas de control secuencial (aplicable a los
procesos de manufactura) ha sufrido una gran evolución desde sus comienzos.
Esta evolución se manifiesta en la mejor comprensión de sus fundamentos
teóricos (tablas de verdad, manejo de ecuaciones booleanas, diagramas de
secuencia y de tiempo, mapas de Karnaugh, redes grafcet, etc.) y en desarrollo
acelerado de equipos y dispositivos, mediante los cuales se pueden implementar
sistemas óptimos para el control de los procesos industriales.
En un control secuencial, no interesa tanto que las variables mantengan un valor
fijo frente a las alteraciones externas o sigan una evolución prefijada, sino que el
conjunto de acciones posibles, se ejecute de acuerdo con una lógica o una
secuencia dada, teniendo en cuenta a la vez estados internos y situaciones
externas.
447
La técnica del control secuencial es la utilizada para definir los problemas de
automatismos lógicos.
Un sistema secuencial puede considerarse como un conjunto de sistemas
combinacionales unidos por retardos temporales.
En el control secuencial las variables son todas binarias (solo pueden tomar uno
de dos posibles estados) y sobre ellas, se pueden aplicar toda la teoría del álgebra
de Boole, la que permite manejar dos tipos de problemas:
Problemas combinacionales:
Son aquellos donde se da una relación estática entre las entradas y las salidas,
independientemente del tiempo. Los valores que toman las salidas dependen
exclusivamente de los estados de las entradas en ese momento, sin incluir para
nada los estados anteriores (sin memoria).
Problemas secuenciales:
Son aquellos donde el estado de las salidas depende no solo de las entradas
actuales sino también de las entradas y de los estados internos anteriores. Esto
implica que el sistema tiene memoria; o mejor, recuerda estados anteriores en los
que interviene el tiempo.
5.9.2 Definiciones
5.9.2.1 Entrada
Es una señal de estímulo al sistema, el cual en respuesta origina una salida. Con
las entradas se buscan salidas o comportamientos determinados. Sin embargo,
existen entradas perturbadoras que originan salidas no deseadas y pueden afectar
el sistema adversamente.
448
En general toda señal de entrada debe ser acondicionada previamente para
garantizar el correcto funcionamiento del sistema.
A las entradas también se les conoce como las señales de mando, y son
producidos por los denominados órganos de mando o sensores.
5.9.2.2 Salida
Salida es la respuesta de un sistema a un estímulo dado, la cual está en
concordancia con la entrada aplicada.
5.9.2.3 Órganos receptores
Los órganos receptores son elementos que consumen energía cuando los
dispositivos de mando que generan las señales de entrada así lo disponen. Los
órganos receptores representan las salidas del sistema y pueden ser:
Externos
Lámparas
Válvulas
Motores
Resistencias de hornos y calentadores
Otros
NOTA: Los órganos receptores externos representan las verdaderas salidas
(outputs) del sistema.
449
Internos
Bobinas de relés
Relés temporizados
Contadores
Otros
5.9.2.4 Convertidores de señal
Las señales de entrada a un sistema pueden tener dos categorías:
Análogas
Digitales
Las señales análogas presentan una variación continua en el tiempo. Para poder
aplicarlas a un sistema de control secuencial debe hacerse a través de una
interface conversora análoga/digital (A/D).
Las señales digitales presentan variación discontinua en el tiempo, con dos
estados normalizados definidos. Para poder aplicarlas a un sistema de control
continuo y debe emplearse una interface conversora digital/análoga (D/A).
5.9.2.5 Selectores de datos
Los selectores de datos son circuitos empleados para seleccionar una señal de
entrada o salida de un puerto determinado donde están presentes varias señales
del proceso. Se utilizan frecuentemente en instalaciones de control industrial.
450
5.10 ESTRUCTURA DEL CONTROL SECUENCIAL
La estructura de un control secuencial moderno (automatizado) se muestra en la
Figura 193
Figura 193. Estructura de un control secuencial.
La parte más importante es la unidad de procesamiento lógico donde se
resuelven las ecuaciones que definen el comportamiento del sistema. Las
entradas están representadas por las órdenes del operador y la información que
envían los sensores instalados en la máquina.
La salida del procesador son las órdenes que reciben los actuadores (elementos
finales de control) u órganos receptores, una de cuyas funciones es la de
modificar las condiciones lógicas del proceso para dar una salida deseada. Con
los periféricos se puede supervisar el sistema.
451
5.10.1 Diseño de un sistema de control secuencial
El diseño de un sistema de control secuencial debe realizarse teniendo en cuenta
dos aspectos:
La definición del funcionamiento normal del proceso
El estudio y la definición de las etapas de arranque y parada, en
condiciones normales y anormales (interrupciones y reconexiones de la
fuente de energía).
Para conseguir una descripción correcta es preciso descomponer el problema
general en subproblemas y abordarlos uno tras otro.
5.10.2 Solución de un problema de control secuencial
La solución de un problema de control secuencial se realiza por niveles.
Nivel 1: Especificaciones funcionales
Consiste en describir el comportamiento de la parte de control operativa. Con ello
el diseñador comprende claramente lo que ha de hacer el automatismo frente a las
distintas situaciones que puedan presentarse. También incluye el aspecto de las
seguridades de funcionamiento.
Nivel 2: Especificaciones tecnológicas
Consiste en determinar las condiciones de funcionamiento de los dispositivos y de
los materiales. En este nivel debe considerarse: la naturaleza de los sensores y de
los actuadores, las características y limitaciones de los mismos, las
especificaciones técnicas de los dispositivos a escoger y las condiciones
ambientales (temperatura, humedad, suministro de energía, etc.).
452
Nivel 3: Especificaciones operacionales
Consiste en determinar el comportamiento del automatismo a lo largo de su
existencia, considerando ausencia de fallas destructoras para el controlador o para
el proceso, disponibilidad de los materiales, posibilidades de modificación (ante
cambios en la parte operativa), facilidad de mantenimiento, comunicación hombre-
máquina, etc.
Nivel 4: Desarrollo del automatismo
Se puede realizar mediante tratamiento matemático (ecuaciones) o gráficos
(diagramas de estado, diagramas de tiempo, tablas de verdad, esquemas de
contactos, logigramas, etc.).
Nivel 5: Implementación del automatismo
Desarrollo de un prototipo efectuando verificaciones y pruebas a través de un
simulador.
5.11 CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMABLES (PLC)
5.11.1 Generalidades
En los sistemas de control secuencial el progreso se ha sentido particularmente a
nivel de la unidad de procesamiento lógico hoy conocida y denominada Unidad de
Procesamiento Central (CPU).
Inicialmente la unidad de procesamiento central se construyó mediante relés. Los
equipos resultantes de esta tecnología son relativamente lentos, grandes, pesados
y difíciles de ensamblar y mantener. Emplean lo que se denomina una lógica
cableada, caracterizada por el empleo de elementos independientes conectados
entre sí mediante cables, exigiendo mucha mano de obra en su construcción y en
453
las modificaciones posteriores. Actualmente se emplea cuando los automatismos
son muy sencillos.
En los últimos años se ha recurrido al empleo de los semiconductores
(transistores, tiristores, y diodos) como una excelente alternativa para los relés. Al
principio se aplicaron como simples sustitutos (interruptores estáticos), por las
ventajas de alta velocidad de conmutación, la ausencia de arco y de ruido, el
menor consumo de energía, elevada vida media, etc. Esta técnica se conoce
como técnica del control estático, y emplea también la lógica cableada.
Posteriormente aparecieron los circuitos integrados que permitieron la realización
de funciones lógicas a mayor velocidad, ocupando menor espacio y con menor
consumo. Con ellos aparecen también dispositivos de registro, conteo,
temporización, memorias, etc., con los cuales se puede abordar muy fácilmente la
realización de automatismos secuenciales más complejos, a bajo costo, livianos,
pequeños, libres de mantenimiento y confiables. Se comienza a abandonar los
esquemas de relés como elementos descriptivos y se usan en su lugar, las
ecuaciones lógicas.
Se desarrollan sistemas de control con los denominados PLA (Arreglos Lógicos
Programables), que consisten en una reunión de compuertas organizadas en
forma matricial y contenidas en un “chip”, en las que se implementa la ecuación
booleana deseada.
Con el empleo de los circuitos integrados se reduce considerablemente el
cableado de los elementos internos.
En la Figura 194.a se ilustra el circuito básico para el mando de un compresor de
aire. Un arreglo con compuertas lógicas básicas como alternativa de diseño para
454
el circuito de control electromagnético que maneja el motor- compresor es el que
muestra la Figura 194 b.
Figura 194. Circuito de control electromagnético que maneja un compresor de aire,
para ser implementado con un arreglo utilizando circuitos integrados con
compuertas lógicas.
455
Del circuito electromagnético puede deducirse fácilmente lo siguiente:
Órganos receptores: 4
o Internos: Relés de control k2 y k3
o Externos o salidas: k1; contactor de línea del motor compresor y H1;
lámpara de señalización.
Órganos de mando o entradas:
o S0: Pulsador de paro (entrada manual)
o S1: Pulsador de marcha (entrada manual)
o F2: Contacto auxiliar relé de sobrecarga (entrada automática)
o S2: Presóstato de mínima presión (entrada automática)
o S3: Presóstato de máxima presión (entrada automática)
Ecuaciones booleanas una por cada órgano receptor
o K1= k2.k3 (salida)
o K2= (S1+K2).S0.F2
o K3= K2. (S2.k3+S3)
o H1= K2.k3.K1
De estas ecuaciones puede deducirse que la salida H1 es idéntica a la salida k1
puesto que H1= (k2.k3).k1.k1= k1. Esto implica que la interface de salida para la
señal H1 puede omitirse y es posible conectar directamente la lámpara a la línea
usando un contacto auxiliar de contactor k1. Sin embargo, considérese el circuito
electrónico con compuertas como un esquema ilustrativo que muestra
simplemente las posibilidades que ofrece la electrónica de sustituir la unidad lógica
construida con relés convencionales con otros dispositivos más económicos, de
bajo consumo, de vida media muy elevada, libres de mantenimiento y sobretodo,
de tamaño y peso muy reducidos, como son los circuitos integrados.
Debe aclararse también que en los circuitos prácticos que eventualmente se
construyen con compuertas lógicas, temporizadores, contadores, etc.; se utilizan
456
comúnmente temporizadores y compuertas de un solo tipo (NAND o NOR) y
temporizadores al trabajo. Esto permite simplificar notoriamente cualquier circuito
electrónico que represente al “procesador lógico”.
La llegada de los microprocesadores aparece como una alternativa mejor a la
lógica cableada existente y a la lógica de los semiconductores y circuitos
integrados convencionales.
Con los microprocesadores se configura la lógica programada. Con ella, el
automatismo no está implementado por una interconexión de componentes
básicos mediante cables sino mediante una sucesión de instrucciones que se
almacenan en la memoria interna de la máquina, y que generalmente se
introducen por un teclado.
La lógica programada está ligada íntimamente con el secuenciador, llamado
también ordenador, que asocia al automatismo la noción de ejecución paso a paso
en un orden previsto.
Comercialmente hay dos tipos de máquinas que realizan el automatismo mediante
lógica programada:
Los computadores.
Los Controladores Lógicos Programables (PLC), o simplemente
controladores programables.
La diferencia radica en que el computador emplea lenguajes informáticos;
mientras que el PLC emplea lenguajes específicos. En general, el computador es
empleado para campos de acción más diversos y no solo para aplicaciones
industriales. La arquitectura de ambos es similar.
457
El lenguaje utilizado en la programación del PLC depende del problema que se
esté considerando, y puede ser, entre otros: booleano, de contactos (ladder o
escalera), Grafcet, literal, etc. Actualmente, los fabricantes de PLC han
incorporado lenguajes de programación que permiten programar los PLC bajo
ambiente Windows utilizando un computador y el teclado convencional usado con
el mismo.
5.11.2 Definición
Un controlador lógico programable (PLC) es una máquina electrónica
programable, por personal no informático, destinada a cumplir funciones de
automatismos lógicos y control de procesos de manufactura, en ambiente
industrial y tiempo real, tanto automatismos de tipo combinacional como
secuencial. Con un PLC se pueden implementar funciones específicas tales como:
funciones lógicas, funciones secuenciales, temporizaciones, conteo y aritméticas;
para el control de máquinas o procesos por medio de módulos de entradas o
salidas digitales o análogas.
Esta definición no debe interpretarse en forma rigorosa ya que los controladores
lógicos programables modernos tienden a incorporar funciones especiales no solo
de tratamiento lógico sino también de cálculo numérico (función aritmética: suma,
resta, multiplicación, logaritmos, exponencial, trigonometría, etc.), de regulación
PID y de monitoreo, diagnóstico de máquina, manejo de materiales y de
comunicación con otros PLC, entre otras. Incluso muchas funciones matemáticas
se aplican para tratamientos estadísticos y manipulación de datos.
458
5.11.3 Ventajas de su empleo
Utiliza la lógica programada y no la cableada.
Permite introducir cambios fácilmente, según sea el desarrollo (evolución)
de la máquina o del proceso.
Emplea menor tiempo de realización y menor mano de obra.
Facilita la implementación de sistemas de control distribuido o de control
jerarquizado.
Tanto los costos, como el peso, el tamaño, el volumen de los
componentes, el mantenimiento y la mano de obra, son menores.
Aumenta la confiabilidad.
Se puede instalar en cualquier tipo de ambiente. EL PLC es diseñado para
aplicación industrial y puede estar sometido a influencias físicas, eléctricas
y químicas (temperatura, humedad, vibración), ruidos, cortes de energía,
contaminantes ambientales como el polvo, etc.
Permite la simulación de procesos, alarmas y fallas, sin influir en forma
directa sobre las máquinas.
5.11.4 Estructura interna básica
La estructura interna básica de un controlador lógico programable se puede
representar mediante el diagrama de bloques que se muestra en la Figura 195.
459
Figura 195. Estructura interna básica de un PLC mediante una representación en
diagrama de bloques.
5.11.5 Aspecto físico y presentación
Existen dos formas constructivas típicas para los controladores programables:
Compacta: La forma compacta (ver Figura 196) se utiliza generalmente en
automatismos lógicos con equipos pequeños y donde se tiene un número
fijo de entradas y salidas (I/O).
460
Figura 196. PLC en presentación compacta.
Fuente: http://apuntes-ibf.blogspot.com/p/plc.html
Modular: La forma modular se emplea más frecuentemente en aplicaciones
industriales. Los módulos son desmontables tal y como se ilustra en la
Figura 197, y el sistema tiene la posibilidad de expandirse en entradas y
salidas (I/O) tanto digitales como análogas.
Figura 197. PLC en presentación modular.
Fuente: http://www.rocatek.com/forum_plc1.php
461
5.11.6 Aplicaciones generales
Los PLC tienen infinidad de aplicaciones en la industria, entre ellas se pueden
destacar las siguientes:
Control de movimientos en máquinas–herramienta (avanzar, retroceder,
girar, doblar, plegar).
En prensas, estampadoras, trefiladoras, embutidoras, máquinas de
soldadura.
En procesos de manufactura como: embotellado, embalaje, etiquetado,
pesaje, dosificación.
En diferentes aplicaciones donde se requiere el control de automatismos
lógicos, tales como: ascensores, bombas, compresores, hornos
industriales, señalización (semáforos), grupos electrógenos, manejo de
materiales (metalurgia, siderurgia), calderas, programación de energía,
lavadoras, control de motores, etc.
En subestaciones eléctricas para la operación de actuadores,
seccionadores, interruptores y en coordinación de protecciones en fallas de
alta tensión.
Para regulación, en procesos fisicoquímicos, cuando el controlador
programable está configurado con bloques funcionales PID.
5.11.7 Componentes básicos
5.11.7.1 Secuenciador
El secuenciador realiza operaciones de tiempo (retardo y temporización), de
secuencia, de combinación, de auto mantenimiento o retención, etc.; en forma
análoga a como lo hacen los sistemas convencionales de relés. El secuenciador
emplea códigos binarios para actuar. Al interior del secuenciador encontramos las
462
interfaces I/O, las memorias los acumuladores y registros, los medios de
comunicación interna (bus de control, de datos, de dirección, de comunicación.) y
la unidad de procesamiento central (CPU).
5.11.7.2 Interfases I/O
Las interfases de entrada /salida I/O (input / output), son circuitos mediante los
cuales el controlador puede comunicarse con el mundo exterior. Una interfase
adecua las señales de entrada y salida, de tal modo que estas se puedan
acomodar a los circuitos o dispositivos que conecta. Todas se implementan con
señalización por led.
Las interfaces de entrada permiten adecuar a la lógica interna las señales que
provienen de los sensores (análogos o digitales) del proceso. Evitan el rebote de
contactos, normalizan los niveles de tensión, y acondicionan la señal para reducir
el efecto de señales de ruido e interferencia.
Las interfaces de salida permiten adecuar las señales de salida del PLC para el
funcionamiento correcto de los actuadores, que son los que manejan las cargas
que van a modificar las condiciones del proceso de acuerdo con una acción de
control predeterminada.
Las interfaces de salida R aíslan el mundo de la lógica interna con el de la carga.
Acoplan una salida de bajo nivel a una de alto nivel y generalmente, son
optoacopladas (con separación galvánica). Más adelante se analizan diversos
circuitos típicos empleados en la implementación física de interfaces para
controladores programables.
463
5.11.7.3 Memorias
Las memorias son dispositivos electrónicos integrados que contienen en forma
binaria las instrucciones que constituyen el programa y los datos que deberán
utilizarse durante la ejecución del mismo.
Existen muchos tipos de memorias:
Memorias de solo lectura (Read Only Memory ROM)
Estas memorias sólo pueden ser leídas. El usuario tiene acceso a la información
de la memoria pero no la puede alterar. Se fabrican con los datos ya escritos. Son
memorias no volátiles (no se borran ante un corte de energía). Hacen que el PLC
actúe de la forma para la que ha sido diseñado y que ejecute correctamente lo
contenido en la memoria. Son programadas por los fabricantes y definen las
capacidades y posibilidades del equipo.
Memoria de lectura y escritura (Random Acces Memory RAM)
Se conocen como memorias de usuario, es donde el programador almacena o
deposita su programa, son memorias de acceso aleatorio, más complicadas que
las ROM. En ellas se puede tanto leer como escribir, se puede entrar y/o sacar y/o
modificar datos. Son memorias volátiles; es por esto que se deben sostener con
baterías cuando no se quieren correr riegos por posibles interrupciones del fluido
eléctrico. Una batería proporciones respaldo por períodos de cuatro a cinco años y
es usual que se implemente con una alarma de preaviso.
Memorias PROM (Programmable Read Only Memory)
Son memorias ROM programables por el usuario pero no borrables por este. Una
vez el usuario introduce los datos solo puede leerlas.
464
Memorias EPROM (Erasable Programable Read Only Memory)
Son memorias PROM borrables y reprogramables. Su borrado se hace con rayos
ultravioleta.
Memorias EAPROM (E2PROM)
Son memorias PROM borrables electricamente y reprogramables.
Memorias EAPROM
Este tipo de memorias son alterables electricamente, y pueden borrarse por
sectores o secciones y no en su totalidad como la EPROM.
5.11.7.4 Acumuladores y registros
En los acumuladores y registros se memorizan y guardan por un momento los
datos antes y después del tratamiento.
Los datos que se van a procesar se extraen de la memoria central o principal y se
llevan a los acumuladores y a los registros, los cuales van proporcionando los
datos que necesita la unidad de procesamiento central (CPU). Estos datos se van
entregando en forma ordenada. Para lograr un almacenamiento prolongado se
emplea la memoria central.
5.11.7.5 Medios de comunicación interna
Los medios de comunicación interna están conformados por:
El bus de control
El bus de datos
465
El bus de dirección
El bus de comunicación
El bus de control es la conexión mediante la cual la unidad de procesamiento
central (CPU) envía las instrucciones (órdenes) a los demás componentes y recibe
de ellos las señales de respuesta.
El bus de datos es la conexión física mediante la cual se transmiten los datos
entre el procesador, la memoria, las interfaces I/O y el programador.
El bus de dirección es la conexión por donde van las señales que constituyen la
dirección, es decir, la localización en la memoria o el puerto I/O en el que deben
ser escritos o leídos los datos.
El bus de comunicación es el bus que sirve para la comunicación con otros
periféricos o sistemas computarizados.
5.11.7.6 Unidad de procesamiento central (CPU)
Es el elemento más complejo del controlador programable; está construida
alrededor de un sistema microprocesador y es la encargada de ejecutar el
programa de usuario y de ordenar las transferencias de información en el sistema
de entradas/salidas. Adicionalmente, puede también establecer comunicación con
periféricos externos, como son la unidad de programación, otros PLC u
ordenadores, etc.
Se divide en dos partes principales; cada una con funciones diferentes (ver Figura
198):
466
Unidad de comando
Rige el comportamiento de todos los demás componentes, da las órdenes y los
comandos que implican la ejecución de operaciones, e interpreta (decodifica) y
ejecuta las instrucciones.
Unidad de tratamiento
Efectúa los cálculos y las operaciones lógicas y aritméticas.
Figura 198. Conformación de la CPU.
Al interior de la CPU se hacen las operaciones lógicas, y matemáticas, como
también todos los cálculos, se procesa la información, y se reciben y envían los
datos.
La CPU contiene gran cantidad de registros, contadores, y acumuladores.
Si la CPU está contenida en un solo circuito integrado, se le llama
microprocesador. El primer microprocesador desarrollado fue en 1971 por la
INTEL Co.
Dentro de las funciones que en un controlador programable realiza la CPU están:
Operaciones lógicas y matemáticas entre dos datos.
Comparación entre dos datos y consiguiente elección.
467
Transferencia y memorización de datos.
Tratamiento de palabra y manejo de texto, en los equipos más avanzados.
5.11.7.7 Programador (PG)
El programador es el dispositivo mediante el cual es posible programar y controlar
la operación del secuenciador. Es el medio que tiene el usuario para comunicarse
con el procesador. Contiene un teclado con comandos lógicos y de servicio,
además de un display o pantalla de cristal líquido. Desde el programador también
es posible monitorear los estados y el funcionamiento de todos los dispositivos de
entrada y salida.
La operación del programador es de tipo instruccional y se efectúa por lo que se
denomina pasos de programación. Una vez se tiene todo el sistema configurado,
se puede desmontar el programador.
5.11.7.8 Periféricos
Los periféricos sirven para documentar los programas o para hacer supervisión del
proceso. Son todos los dispositivos que no forman parte de los circuitos internos,
tales como:
Cinta magnética (casette)
Impresora
Pantalla monitor (video)
Graficadores (plotters)
Unidad de disco
Pantallas alfanuméricas (LCD)
468
Leds
Teclados o interfaces Hombre-Máquina (HMI)
Puerto de salida para comunicación con otros equipos
Otros sistemas
5.11.8 Ciclo de tratamiento de un controlador programable
El ciclo de tratamiento del programa del PLC, el cual es establecido por el
fabricante, tiene como función básica la solución de la función aritmética o de la
ecuación booleana que define la tarea de control, tomando en cuenta los valores
lógicos que tengan las variables en un instante determinado (ver Figura 199).
Para hacer un ciclo, desde la primera hasta la última instrucción, el PLC se gasta
un tiempo (scan time) del orden de microsegundos a milisegundos.
La memoria del programa (la que contiene las instrucciones) se lee en forma
secuencial (paso a paso), a una velocidad determinada, recurriendo a un contador
de programa y a unos registros y acumuladores que van entregando la
información a la CPU.
Debe tenerse presente que el PLC ejecuta siempre una tarea a la vez y no realiza
eventos simultáneos. El ciclo de tratamiento se repite continuamente.
469
Figura 199. Ciclo de tratamiento de un controlador programable.
5.11.9 Manejo de la información
La información (señales) que se procesa en un programa está caracterizada por
tres aspectos:
Instrucción
Expresa la acción a realizar. Se maneja a través del bus de control.
Dato
Contenido de información con base en la cual se realiza la acción; manejado a
través del bus de datos.
470
Dirección
Localización o punto a donde puede o debe enviarse la información; manejada a
través del bus de dirección.
Los códigos de instrucción, datos y direcciones se escriben en las memorias del
sistema.
En el momento de conectar la máquina o cuando se inicia una tarea, la CPU toma
la primera instrucción, la ejecuta, pasa a la segunda, y así sucesivamente.
Las instrucciones tienen lugar de acuerdo con una secuencia de operaciones
denominada ciclo. Todo ciclo se gasta un cierto tiempo (scan time) para realizar la
orden (menor a 20 ms).
5.11.10 Selección de un Controlador Lógico Programable (PLC)
5.11.10.1 Criterios de selección
Existen diferentes criterios generales para la escogencia de un controlador lógico
programable (PLC):
Criterios funcionales: Según sea la tarea a realizar.
Criterios tecnológicos: Permiten adecuar correctamente el equipo con el
entorno.
Criterios operacionales: Dependen de las limitaciones del equipo
(espacio, evolución, producción, mantenimiento).
471
Para seleccionar correctamente un PLC se deben comparar diferentes modelos y
considerar los siguientes aspectos:
5.11.10.2 Ficha de identidad
Documento donde incluye la marca, el modelo, el tipo, el fabricante, el
representante en el respectivo país, el año de aparición en el mercado y la
documentación técnica disponible.
5.11.10.3 Tecnología empleada
Se debe considerar el tipo y el tamaño de la memoria que se posee, la extensión
de la palabra que maneja la memoria (número de bits), la naturaleza de los
circuitos Integrados (TTL o CMOS) que utiliza, el tipo de alimentación que
requiere, su consumo de energía, las condiciones ambientales para las cuales
está fabricado, el tamaño de sus tarjetas o módulos y su forma física de
presentación (compacta o modular).
5.11.10.4 Órganos de comunicación externa
Se deben tener en cuenta las especificaciones de las entradas y de las salidas
(I/O) del PLC, es decir; el número mínimo y máximo que posee, las características
de éstas (optoacopladas, por relé, por SCR o TRIAC, etc.) , la rapidez con que
responden, el tipo de acopladores con que cuentan (con o sin aislamiento), si
tienen o no entradas y salidas análogas normalizadas (0-20mA, 4-20mA, 0-10V,
etc.) las I/0 especiales con que cuenta (conexión a periféricos, conexión con otros
PLC o con un computador determinado, etc.).
472
5.11.10.5 Lenguajes de Programación
Se debe saber que lenguaje de programación emplea el PLC, lógico, booleano,
literal, escalera, Grafcet, de flujo, de etapas (step), etc.
5.11.10.6 Tipo de programador
Es importante considerar el tipo de instrucciones que reciben y la forma en que
ejecuta el programa, el ciclo de tratamiento que emplea, el juego de instrucciones
básicas y especiales que acepta, las funciones lógicas, aritméticas de salto que
puede hacer, el manejo de palabra (texto), el tipo de comandos (teclado) que
posee, el manejo de bloques funcionales o algoritmos PID, el manejo de códigos
de error de acceso y de borrado que puede tener, la posibilidad de alteración,
búsqueda, monitoreo, chequeo de errores y forzado de datos, etc.
Hoy en día, muchos PLC se programan directamente bajo ambiente Windows
empleando un computador y su teclado.
5.11.10.7 Soporte lógico
El soporte lógico es de suma importancia puesto que permite conocer el número
de elementos que puede configurarse en el PLC , a saber: relés auxiliares
comunes (retenidos o no), relés especiales, temporizadores, timers, contadores
ascendentes, descendentes y de conteo diferencial, registros de desplazamiento y
de datos, bloques funcionales PID, secuenciadores, comparadores, conversores
de código, funciones aritméticas, trigonométricas, logarítmicas, etiquetas (label)
para identificación de tareas, etc.
473
5.11.10.8 Medios de diálogo con el operador (Periféricos)
Es importante analizar los periféricos que permiten interconectar: unidad de disco,
impresora, consola de diálogo, monitor de video, plotter, fax, display, modem, etc.
También los puertos para comunicación con otros PCL o computadores y la
unidad de comprobación y de puesta a punto que dispone.
5.11.10.9 Consideraciones económicas
Son de gran relevancia y ellas influyen varios factores: el precio del equipo
incluyendo los periféricos, el costo de la capacitación del personal, del
mantenimiento y de la mano de obra necesaria, el extra costo por reserva para
futuras ampliaciones.
5.11.10.10 Diseño con controladores lógicos programables
Para hacer un diseño que permita obtener la solución óptima de un problema con
controladores lógicos programables, se requiere además de escribir una serie de
instrucciones, seguir una serie de pasos.
Las siguientes sugerencias resultan de gran ayuda a pesar de que cada persona
tiene su propia manera de diseñar.
5.11.10.11 Definición del problema
Lo primero que se debe hacer para empezar a solucionar un proceso de
automatización es definir el objetivo de control y fijar el alcance del trabajo.
474
La definición de la tarea del control la deben realizar las personas que están
familiarizadas con la operación de la máquina o el proceso. Si el proceso ya se
está realizando, lo primero que se debe hacer es revisar posibles mejoras que se
puedan implementar.
Los controladores lógicos programables son de gran utilidad siempre y cuando se
utilicen de manera organizada y se haga una correcta planeación.
5.11.10.12 Análisis del sistema
El análisis del sistema consiste en hacer un estudio profundo que permita:
Conocer globalmente el sistema
Dividir el sistema en subprocesos
Para poder comprender la operación global del sistema es necesario conocer los
sistemas que se interrelacionan con él, las personas que lo operan y el medio
ambiente donde funciona. Se debe hacer una descripción general del sistema para
obtener una idea del funcionamiento del proceso a controlar, teniendo en cuenta:
uso, ciclo de trabajo, medios de obtener la información, tiempos respuesta, sitios
donde se genera la información y sitios a donde se envía, rapidez, etc. Se deben
identificar todos los equipos que intervienen en la operación del sistema, las
condiciones que lo caracterizan y la información que necesitan para operar
adecuadamente. Se deben conocer los datos de producción, los formatos que
utilizan para su almacenamiento, la frecuencia con que se toman y las formas de
mantenimiento y actualización de los archivos.
Para lograr un mejor conocimiento del proceso es necesario dividirlo en
subprocesos como lo ilustra la Figura 200, y a cada subproceso se le hace el
475
tratamiento descrito. Si existen subsistemas muy grandes se debe continuar
subdividiendo hasta donde se considere necesario, mientras más se subdivida es
mejor. La descripción del sistema se hará incluyendo los estados de falla y las
acciones correctivas que han de tomar cuando éstas se presenten.
Figura 200. División del proceso en subprocesos.
5.11.10.13 Pre-diseño
En esta etapa se plantean alternativas de solución, siendo el resultado más
importante la definición de los subprocesos que serán controlados por el
controlador lógico programable.
Algunos criterios para que un proceso no sea involucrado en el control por el PCL
son:
Procesos que no tienen relación directa con el objeto de control (por
ejemplo la iluminación).
Variables analógicas para regulación especial
Variables digitales que generen alarmas o pre alarmas de ocurrencia poco
frecuente.
Esta fase del proceso depende en gran parte de la habilidad y de la
experiencia del diseñador.
476
5.11.10.14 Diseño
Esta etapa del proceso depende en gran parte de la habilidad y de la experiencia
del diseñador.
Los puntos a considerar en esta actividad son:
Representación del proceso
Asignación de direcciones
Definición de circuitos independientes del controlador
Documentación
Representación del proceso
Las técnicas más comunes para representar un proceso son los diagramas de
flujo y los lenguajes de programación.
Los diagramas de flujo se usan para describir de una manera secuencial el
proceso y para ayudar a recordar, analizar y tener rápida información del
problema. Es conveniente realizarlos antes de elaborar la programación.
Después de tener el diagrama de flujo se emplea el lenguaje de programación
disponible en el controlador (booleano, Grafcet, escalera, etc.)
5.11.10.15 Asignación de direcciones
La asignación de direcciones, tanto para los dispositivos de entrada y de salida,
como para los dispositivos internos, es muy importante para la documentación del
diseño. Dicha información servirá para el cableado, el mantenimiento y para
ampliaciones futuras.
477
5.11.10.16 Conexionado del PLC
La conexión típica de un PLC se muestra en la Figura 201. El equipo se instala
como un elemento más de los que son de uso corriente para la implementación de
los circuitos de control, tipo escalera o ladder. Tanto los dispositivos de
señalización como los de protección y de mando manual (pulsadores), incluidos
también relés auxiliares, aseguran que el proceso se pueda parar sin el
controlador (por si este falla).
Figura 201. Circuito básico para conexionado de un PLC.
En resumen, para la selección de un PCL se requiere:
478
Conocer con detalle el proceso.
Tener en cuenta futuras ampliaciones.
Decidir cuáles funciones del PCL son necesarias.
Determinar el número y el tipo de dispositivos de campo a utilizar.
Definir el número de entradas y salidas.
Definir si se requieren módulos de propósito especial (módulos para conteo
de alta velocidad, contadores de paso módulos para RTD y termocuplas,
etc.
Determinar requerimientos de memoria.
Determinar la disposición del PLC en el sistema de acuerdo con la tarea de
control y las instalaciones de la empresa.
Conocer el ambiente industrial (temperatura, humedad, vibraciones, ruidos
RF, EMI, etc.)
Determinar necesidades de soporte del sistema (baterías, UPS, etc.).
Determinar el tamaño del PLC (gama alta, media o baja; compacto o
modular).
Documentación.
En la etapa de diseño también se deben considerar los diagramas de cableado y
el manual de operación y mantenimiento.
Los diagramas de cableado informan sobre la cantidad de conductores que van de
un sitio a otro, el calibre la identificación el tipo de señal, etc. Estos diagramas
sirven como base del diseño de los ductos y sus rutas, y son vitales para los
electricistas en la construcción y posterior mantenimiento.
El manual de operación y mantenimiento debe constar de dos partes. La primera
debe estar dirigida a los operarios y debe hacer referencia a la operación normal y
479
a los procedimientos en caso de alarmas. La otra debe tratar labores de
mantenimiento predictivo y correctivo.
5.12 INTERFACES
5.12.1 Introducción
Las interfaces I/O, de entrada/salida (Input/Output) son circuitos mediante los
cuales los elementos que realizan la lógica interna del PLC pueden comunicarse
con el mundo exterior.
Toda interface debe proporcionar un aislamiento eléctrico entre la parte externa y
la parte interna para garantizar el óptimo funcionamiento del microprocesador.
El aislamiento debe ser por encima de 2 kV; y este se logra por medio de
optoacopladores o por contactos de relés convencionales. En principio se descarta
el empleo de transformadores.
Una interface adecúa las señales de entrada y salida, de tal modo que se puedan
acomodar a los dispositivos que conecta. Todas se implementan con señalización
por led.
Las interfaces de entrada adecuan las señales de entrada que provienen de los
sensores (análogos o digitales) del proceso. Evitan el rebote de contactos, acoplan
los niveles de tensión y, conforman y acondicionan la señal para reducir el efecto
de señales de ruido e interferencia.
Las interfaces de salida adecuan las señales de salida para el funcionamiento
correcto de los actuadores, los cuales modifican las condiciones del proceso de
acuerdo con la acción de control predeterminada. Su función es aislar el mundo de
480
la lógica interna de los circuitos de carga. Acoplan una salida de bajo nivel a una
de alto nivel y generalmente son optoacopladas (con separación galvánica).
Para su funcionamiento requieren de una fuente de polarización interna (sink) o
externa (source) que puede ser de corriente alterna o de corriente directa, según
el tipo de dispositivos que se conecten.
5.12.2 Interfaces de entradas digitales (circuitos típicos)
Son muchos los circuitos desarrollados por los fabricantes de interfaces. Algunos
de los más típicos se ilustran a continuación.
Interface de entrada digital tipo source, 110/220 VCA (ver Figura 202)
En general las entradas vienen en grupos de cuatro u ocho y cada grupo tiene un
punto común (C) que permite manejar diferentes tensiones y disminuir el cableado
de campo.
Figura 202. Versión de interface de entrada digital tipo sourse.
481
Interface de entrada digital tipo Sink (ver Figura 203)
Figura 203. Versión de interface de entrada digital tipo sink.
5.12.3 Interfaces de salida digitales (circuitos típicos)
Interface de salida digital tipo source con relé de estado sólido (ver
Figura 204)
El relé debe ser de CD de alta sensibilidad de 4 a 6 mA, y de 5 o 12V
482
Figura 204. Interface de salida digital tipo source.
Interface de salida digital por relé electromagnético tipo source (ver
Figura 205)
Figura 205. Interface de salida digital por relé tipo source.
483
5.12.4 Interfaces análogas
Las interfaces de entrada y salida análogas se emplean en la implementación de
controladores análogos muchos de los cuales vienen ya configurados en los PLC
modernos como bloques funcionales P, PI, PD, PID. En ellos se puede visualizar
su operación indicado el valor de entrada, los puntos de preset programables y el
estado de la salida. Es posible también modificar el set point de los controladores,
lo mismo que el valor de los parámetros que definen la acción de control.
Para definir una interface análoga se debe especificar el tipo de alimentación, el
número de canales, el direccionamiento, la resolución del convertidor y el tiempo
de conversión.
Las interfaces de entrada análogas reciben información de tipo análogo, del
proceso; tales como: temperatura, velocidad, peso, humedad, distancia, etc., las
cuales deben estar convertidas a señales normalizadas de:
4-20 mA
0-20 mA
0-10V
Las interfaces de salida análogas permiten el manejo de elementos finales de
control de tipo análogo, tales como: válvulas, indicadores, posicionadores, etc.
Producen salidas normalizadas de:
4-20 mA
0-20 mA
0-10 V
484
5.13 PROGRAMACIÓN DE UN PLC
5.13.1 Introducción
El funcionamiento interno de un PLC está determinado por el programa monitor. El
usuario no tiene la posibilidad de acceder a dicho programa.
Con el programa de usuario se logra la adaptación del proceso. El programa de
usuario se escribe en la memoria del usuario, en el lenguaje exigido por la unidad
y por medio del programador. Inicialmente el programa se escribe en una memoria
RAM no volátil (respaldada con una batería), y luego se puede grabar, imprimir o
traspasar a una memoria EPROM.
La CPU (Unidad de Procesamiento Central) tiene la facultad de leer el programa
del usuario y ejecutar las instrucciones contenidas, ejecutar el estado de las
entradas, configurarlas y transmitir el resultado a las salidas, para así controlar el
proceso en la forma deseada.
Para hacer la programación debe ejecutarse una serie de instrucciones, según el
lenguaje de programación exigido por el PCL.
5.13.2 Comandos
El teclado del programador se divide en tres partes: los comandos lógicos, los
comandos de servicio y los comandos alfanuméricos, con los cuales se
pueden introducir datos.
485
5.13.2.1 Comandos lógicos
En código internacional los comandos lógicos que se emplean para la
programación del PLC en leguaje Booleano son:
STR o LOAD
Inicio de una rama con un contacto NO
STR NOT
Inicio de una rama con un contacto NC
AND
Conexión en serie de un contacto NO.
AND NOT
Conexión en serie de un contacto NC
486
OR
Conexión en paralelo de un contacto NO
OR NOT
Conexión en paralelo de un contacto NC
XOR
Operación OR exclusiva; impide la simultaneidad de las entradas (en conexión
paralelo) en estado 1
OUT (o =)
Conexión de una salida sobre una línea.
TMR (o TR)
Identificación de un temporizador
487
OUT TMR ó TMR
AND TMR
AND NOT TMR
CNT (o CN)
Identificación de un contador (de 2 o 3 entradas)
OUT CNT ó CNT
AND CNT
488
AND NOT CNT
SFR (o SR)
Identificación de un registro
OUT SFR ó SR
AND STR
Conexión en serie de dos ramas.
OR STR
Conexión en paralelo de dos ramas.
489
MCS (Master Control Set)
Derivación de un circuito para el control de un grupo de salidas.
MCR (Master Control Reset)
Fin de un grupo de salidas controladas por un MCS.
Tanto el comando MCS como el MCR permiten el ahorro de memoria al hacer la
programación. Con estas funciones se pueden conectar varios órganos receptores
que inician la lógica desde una sola línea.
5.13.3 Comandos de servicio
Se les conoce también como instrucciones de servicio. Los más utilizados en la
programación del PLC son:
NEXT o STEP+
Comando para saltar paso a paso en avance una línea de programa. Permite ver
el contenido de dicha línea.
490
PRV o STEP-
Comando para saltar paso a paso en retroceso una línea de programa. Permite
ver el contenido de dicha línea.
MON
Comando para monitorear o supervisar los estados lógicos de las variables de
entrada o salida, temporizadores, contadores, registros, etc.; en ejecución del
programa (modo RUN).
SCH o SCR
Comando para encontrar rápidamente una instrucción de programa o para saber
en qué paso del programa está una información específica.
CLR
Comando para limpiar o clarificar el contenido de una línea en el display. No sirve
para borrar la memoria.
DEL
Comando para borrar instrucciones de programa en la memoria.
ENT
Comando para entrar y validar una instrucción de programa en la memoria. Con la
validación se pasa a la siguiente instrucción.
INS
Comando para insertar una instrucción de programa en la memoria.
SET y RST o RES
Comandos para forzar el estado lógico de entradas, salidas y relés internos.
491
SHF
Comando con el cual se habilita el teclado que define una doble información
STEP SET
Instrucción para buscar información en una línea de instrucción deseada; es una
función de salto, la poseen algunos PLC.
F
Comando especial para hacer funciones aritméticas; no todos los PLC lo poseen.
R
Comando para introducir constantes o parámetros en los registros de datos. Al
igual que el comando anterior, no todos los PLC lo poseen.
READ
Comando para pasar a la memoria el contenido de un casette o un disco. El
selector de funciones debe estar en LOAD.
WRITE
Comando para manejar periféricos tales como impresora, plotter y otros.
CHECK
Comando para verificar la transferencia adecuada del programa en el manejo de
periféricos.
5.13.4 Lenguajes
Los lenguajes utilizados en los PLC son específicos y de alto nivel. Los más
empleados son: Booleano, Escalera o Ladder y Grafcet.
492
5.13.4.1 Booleano
Es un lenguaje donde las ecuaciones booleanas del circuito se escriben como
lista de instrucciones en forma literal. Las ecuaciones se suponen conocidas.
Para emplearlo es necesario conocer la configuración circuital o el diagrama de
control. Es el lenguaje más utilizado.
5.13.4.2 Escalera o Ladder
Este lenguaje se apoya en el Booleano. Los programadores empleados en los
PLC que utilizan el lenguaje de Escalera están configurados con un menú de
símbolos normalizados que se trasladan a la pantalla por medio de una tecla de
comando y se posicionan a voluntad, en cuatro direcciones, con la ayuda de
cursores, para configurar finalmente el circuito de control deseado.
Al representar cada dispositivo se le asigna un código de identificación o
instrucción y luego se válida hasta tener el circuito totalmente configurado y listo
para que se ejecute la tarea que tiene asignada.
Los símbolos empleados en un diagrama de escalera están configurados con
símbolos básicos tomados del código ASCII.
5.13.4.3 Grafcet
Es un lenguaje de diseño para procesos secuenciales que se apoya en el lenguaje
Booleano pero que no requiere conocer ni las ecuaciones booleanas en su
totalidad ni el diagrama escalera.
493
Se desarrolla con base en un diagrama funcional denominado Grafcet o Gráfico
funcional de etapas y transiciones. Está concebido para la descripción, análisis,
diseño y solución de automatismos lógicos, donde se resaltan las acciones y los
fenómenos ligados a la evolución del proceso.
Los programadores empleados en los PLC que utilizan el lenguaje Grafcet están
configurados con un menú de símbolos normalizados que se trasladan a la
pantalla por medio de una tecla de comando y se posicionan a voluntad, en cuatro
direcciones, con ayuda de los cursores, para configurar finalmente el diagrama
funcional deseado.
Diagrama funcional Grafcet
En él se describe el proceso de fabricación de un producto, haciendo una
descomposición del proceso en etapas y transiciones.
Etapa
Es representada por medio de un cuadro, como se ilustra en la Figura 206. En
cada etapa se debe precisar la acción a realizar (acción asociada), describiéndola
en un rectángulo conectado a dicha etapa, la cual no se realizará hasta que ésta
sea activada. Únicamente la etapa inicial puede no tener acción asociada.
Figura 206. Acción asociada a una etapa.
494
Las etapas se enumeran en orden, de la número 0 o 1 en adelante. De acuerdo
con el desarrollo secuencial del proceso, y partiendo de la etapa inicial, las etapas
se activan y desactivan una tras otra.
La situación de un sistema automatizado estará completamente definida por el
conjunto de etapas activas y etapas inactivas.
Transición
Es el paso de una etapa a otra. Las condiciones de transición indican las
posibilidades de evolución entre etapas (a cada transición está asociada una
condición lógica).
Una etapa no puede llegar a activarse hasta que la anterior no lo sea y se cumpla
la transición. En estas condiciones la etapa en cuestión pasa hacer activa,
desactivándose la anterior. Lo anterior implica que para que la secuencia pueda
efectuarse, no debe existir más que una etapa activa a la vez (exceptuando la
condición de simultaneidad) sobre la misma línea de flujo.
La transición se representa por el símbolo de la Figura 207:
Figura 207. Transición de GRAFCET
Se entiende siempre que la secuencia se ejecuta en orden y de arriba hacia abajo.
495
La condición de transición entre etapas proporciona el RESET de los actuadores
activados en la etapa anterior y da el SET a los actuadores que deben operar en la
etapa siguiente.
Direccionamiento condicional
Es una elección condicional entre varias secuencias posibles que se pueden
presentar en un automatismo lógico en función de datos del operador o del
proceso (ver Figura 208).
Ejemplo:
Figura 208. Direccionamiento condicional.
A partir de la etapa cinco es posible la realización de tres secuencias:
Si se da la condición (transición) X se realiza la secuencia 6-7-11.
Si se da la condición Y se realiza la secuencia 8-11.
Si se da la condición Z se realiza la secuencia 9-11.
Sólo una de estas tres secuencias será la que se realice, es decir, las condiciones
x, y, z son excluyentes, sólo una de ellas será la que efectúa la elección y el inicio
de la secuencia correspondiente.
496
Salto entre etapas
Es un direccionamiento específico que permite pasar de una etapa a otra saltando
varias etapas cuando por condiciones específicas no es necesario efectuar las
acciones de estás.
El salto de etapas puede efectuarse en el sentido de desarrollo de la secuencia
(salto de etapa) o viceversa (retroceso de etapa), como se muestra en la Figura
209. Siempre debe existir salto de la última etapa a la etapa inicial.
Figura 209. Salto entre etapas
Secuencia simultaneas
Un proceso puede en un momento determinado necesitar el desarrollo de varias
secuencias simultáneas cuyas etapas no tengan ninguna interrelación.
497
El funcionamiento simultáneo se presenta por dos tramos paralelos dibujados al
principio y al final de la secuencia (ver Figura 209). La desactivación de las ramas
o secuencias ramales se efectuará cuando ambas se hayan realizado y la
secuencia común tenga que continuar.
Figura 210. Secuencias simultáneas
Simbología para representar un diagrama funcional grafcet
o Etapa inicial (etapa 0, etapa de reposo)
498
o Etapa cualquiera (indicada con un número de orden)
o Transición entre etapas (condición lógica q)
o Transición por frente ascendente (01)
o Transición por frente descendente (10)
499
o Transición por tiempo: Retardo de x segundos activado en la
etapa 10
o Transición incondicional: es una transición natural de una etapa
a otra (paso directo)
o Acción simple: acción asociada a la etapa x, se activa en dicha
etapa
500
o Acciones simultáneas: acciones asociadas a la etapa x
o Acción condicionada: condicionamiento de la acción, no de la
transición
o Direccionamiento condicional: estando en la etapa a con la
condición X se pasa a la etapa b y con la Y a la etapa c. Estando en
la etapa b o en la c con las condiciones Z y W respectivamente, se
pasa a la etapa d.
501
o Salto: va a, o viene de la etapa especificada dentro del círculo.
o Secuencias simultáneas: estando en la etapa 5, con la condición f
se activan simultáneamente las etapas 6 y 8, y se desactiva la 5.
Si las etapas 7 y 8 están activas y aparece la condición x, se
desactivan dichas etapas y se activa la etapa 9.
502
Ejemplo:
Diagrama funcional Grafcet para el control de un brazo motorizado que permite
el paro de vehículos a una zona de parqueo.
S4: Pulsador activado por el conductor del vehículo.
S2: Interruptor límite para posición del brazo arriba.
S1: Interruptor límite para posición del brazo abajo (posición normal)
S3: Interruptor fotoeléctrico para impedir movimiento del brazo si el vehículo
está detenido.
A: Contactor de línea para apertura (sube brazo).
C: Contactor de línea para cierre (baja brazo).
503
5.13.5 Errores en la configuración de un diagrama de escalera
La escritura de ecuaciones en lenguaje booleano con base en un diagrama de
escalera está normalizada. Los errores más comunes en la configuración de un
diagrama escalera se indicaron en el capítulo 2.
Además de esos errores de configuración debe evitarse el diseño de circuitos con
lógica compartida, tal como se muestra a continuación:
Si se usa lógica compartida, ésta debe separarse para cada salida como se ilustra
para el ejemplo anterior:
504
5.13.6 Estructura básica del lenguaje booleano
La programación en lenguaje booleano se hace por medio del teclado del
programador y consiste en una agrupación de instrucciones literales que definen la
ecuación booleana de cada órgano receptor. La ecuación booleana se obtiene del
diagrama de escalera según normas ANSI/NEMA.
Cada instrucción en el programa del usuario consta de una línea de programación,
en algunos casos de dos. Cada línea de programación contiene tres tipos de
información: STEP, CODE Y DATA.
STEP
Indica del paso de programación o número de la línea. Con este número se
identifica la posición o dirección de la instrucción en la memoria del usuario. Se
incrementa automáticamente. Puede definirse con dos o más dígitos.
CODE
Representa la instrucción u operación que debe ejecutar el PLC. El código de la
instrucción puede introducirse de dos formas y varía de un fabricante a otro:
o Código alfabético: Con Abreviaturas de la expresión en inglés o en
otro idioma, para la instrucción correspondiente. Es el sistema más
empleado internacionalmente y más comprensible.
o Código Numérico: Utiliza números de un dígito. Hay algunos PLC
que emplean números de dos dígitos, pero son poco empleados.
DATA
Indica el dato o la información relacionada con las entradas u órganos de mando,
con las cuales el PLC debe ejecutar la operación que se le ordena.
505
Los datos son códigos propios de cada PLC y se introducen en forma numérica o
alfanumérica. La información se introduce con el código de identificación del
elemento considerado
Ejemplo:
STEP
(Paso de programa)
CODE
(Instrucción)
DATA
(Dato)
000 STR NOT 02 ENT
001 AND 01 ENT
002 STR 20 ENT
ENT es la tecla con la cual se valida la instrucción.
Ejemplos de programación en lenguaje booleano
1.
000 STR 01 ENT
001 AND NOT 02 ENT
002 OR 20 ENT
003 AND 04 ENT
004 AND NOT 03 ENT
005 OUT 20 ENT
506
2.
000 STR NOT 02 ENT
001 STR 01 | ENT
002 OR 20 ENT
003 AND STR ENT
004 OUT 20 ENT
3.
000 STR 20 ENT
001 AND NOT 03 ENT
002 OR NOT 02 ENT
003 AND 01 ENT
004 OUT 20 ENT
507
Otra forma de hacer la programación para este mismo circuito es la siguiente:
000 STR NOT 02 ENT
001 STR 20 ENT
002 ANDO NOT 03 ENT
003 OR STR ENT
004 AND 01 ENT
005 OUT 20 ENT
4.
000 STR NOT 02 ENT
001 AND 01 ENT
002 STR 20 ENT
003 STR NOT 05 ENT
004 OR 07 ENT
005 AND STR ENT
006 OR STR ENT
007 AND 03 ENT
008 OUT 20 ENT
508
5.
000 STR NOT 01 ENT
001 AND 02 ENT
002 STR 04 ENT
003 STR 03 ENT
004 AN NOT 05 ENT
005 OR STR ENT
006 AND 06 ENT
007 STR 03 ENT
008 AND 20 ENT
009 OR STR ENT
010 AND STR ENT
011 OUT 20 ENT
5.13.7 Programación de circuitos con varias salidas
Ejemplos de programación con función de control principal
La función de control principal (Master Control Function) es una instrucción
conformada por dos códigos: MCS (Master Control Set) y MCR (Master Control
Reset). Con esta función se puede ahorrar tiempo y memoria en la programación
509
porque permite conectar varios órganos receptores que inician la lógica desde una
sola línea sin necesidad de separar la lógica. No todos los PLC la poseen.
Ejemplos
1.
000 STR 01 ENT
001 MCS ENT
002 STR NOT 02 ENT
003 OUT 20 ENT
004 STR 03 ENT
005 OR 20 ENT
006 OUT 21 ENT
007 MCR ENT
Si no se tuviese la función de control principal, habría que independizar las
bobinas así:
510
000 STR 01 ENT
001 AND NOT 02 ENT
002 OUT 20 ENT
003 STR 01 ENT
004 STR 03 ENT
005 OR 20 ENT
006 AND STR ENT
007 OUT 21 ENT
2.
000 STR NOT 01 ENT
001 STR NOT 04 ENT
002 AND 20 ENT
003 OR 03 ENT
511
004 AND STR ENT
005 MCS ENT
006 STR NOT 24 ENT
007 OUT 20 ENT
008 STR 05 ENT
009 OR 22 ENT
010 MCS ENT
011 STR 21 ENT
012 OUT 21 ENT
013 STR NOT 20 ENT
014 OUT 23 ENT
015 MCR ENT
016 MCR ENT
El máximo número de líneas horizontales que se pueden derivar de una línea
inicial y el número de órganos de mando que se pueden agrupar en una misma
línea, están definidos por el fabricante del equipo y no se deben sobrepasar para
evitar la generación de errores de programación.
Programación con contadores
Los contadores se identifican con un código dado por el fabricante, donde ofrecen
contactos abiertos o cerrados, como elementos de salida, donde el número de
esta está limitado por la capacidad de memoria del PLC. El contacto puede ser
ascendente o descendente y pueden responder al flanco ascendente (cuando se
cierra el contacto). Siempre, al lado del contador, se define el número hasta el cual
debe contar.
512
Ejemplo:
000 STR 01 ENT
001 OR 03 ENT
002 AND 22 ENT
003 STR 05 ENT
004 OR XX ENT
005 OUT CNT 00 ENT
006 55 ENT
007 STR CNT 00 ENT
008 OUT 20 ENT
009 STR NOT CNT 00 ENT
010 AND 04 ENT
011 OR 20 ENT
012 OUT 21 ENT
513
XX: Es un pulso de RESET con código definido por el fabricante e implementado
en la mayoría de los PLC. Se usa para borrar el contador si hay un corte de
energía.
Programación con temporizadores
Los PLC manejan muchos tipos de temporizadores:
Al trabajo (típico) y/o al reposo.
Base de tiempo de 0.01/ 0.1/ 10/ 100/ 1k (típicas)
Conteo ascendente o descendente
Contactos de salida con temporización simultánea o secuencial.
A todo temporizador se le debe definir el tiempo o duración del retardo. Sus
contactos son limitados únicamente por la capacidad de memoria y pueden ser
abiertos o cerrados. Se identifican por un código dado por el fabricante. Al lado de
cada temporizador se escribe el tiempo que define el retardo.
Ejemplo:
514
000 STR 01 ENT
001 OR 03 ENT
002 AND 22 ENT
003 OUT TMR 600 ENT
004 10.5 ENT
005 STR TMR 600 ENT
006 MCS ENT
007 STR NOT 02 ENT
008 OUT20 ENT
009 STR NOT TMR600 ENT
010 OUT 21 ENT
011 MCR ENT
Programación con secuenciadores
Un secuenciador es un contador paso a paso que permite activar de modo
repetitivo un número determinado de salidas en un orden preestablecido. Al utilizar
los contactos no se llama contador, para que la orden la tome como secuenciador.
Con un secuenciador se pueden programar tablas de verdad que establezcan
comportamientos de cualquier circuito lógico o secuencial. Las diferentes
posiciones se logran con un pulsador o una lógica de entrada aplicada al terminal
de conteo.
Ejemplo:
Para la siguiente tabla de verdad, realizar el circuito del secuenciador (selector de
dos salidas, cuatro posiciones):
515
PASO
(Step) 20 21
1
2
3
4
0
0
1
1
0
1
1
0
Salidas: 20, 21
Pasos: 1, 2, 3, 4
000 STR 01 ENT (programación del conteo: C)
001 STR 00 ENT (programación de la reposición: R)
002 OUT 605 ENT
003 5 ENT
004 STR 605 ENT
005 3 ENT
006 OR 605 ENT
007 4 ENT
008 OUT 20 ENT
009 STR 605 ENT
010 2 ENT
011 OR 605 ENT
012 3 ENT
013 OUT 21 ENT
516
Programación con registros
Un registro de datos se utiliza para almacenar información binaria. Se pueden
programar registros hasta de ocho pasos. Generalmente son FIFO (primer dato en
entrar, primer dato en salir).
Ejemplo:
Almacenar en un registro FIFO la siguiente palabra: 10110011
Los datos deben entrar al revés: 11001101. Para introducir un 1 se presionan 01 y
02, y para un 0 basta presionar el 02. El borrado de la información contenida en el
registro se logra con el pulsador 03.
517
000 STR 01 ENT
001 STR 02 ENT
002 STR 03 ENT
003 SFR 140 ENT
004 ------147 ENT
005 STR 140 ENT
006 OUT 20 ENT
007 STR 141 ENT
008 OUT 21 ENT
009 STR 142 ENT
010 OUT 22 ENT
011 STR 143 ENT
518
012 OUT 23 ENT
013 STR 144 ENT
014 OUT 24 ENT
015 STR 145 ENT
016 OUT 24 ENT
017 STR 146 ENT
018 OUT 26 ENT
019 STR 147 ENT
020 OUT 27 ENT
5.13.8 Manejo del programador
Supongamos una unidad de programación con la cual sea posible programar en
lenguaje booleano un PLC típico.
Asúmase tres modos de operación básicos para este PLC:
PROG
Para escribir el programa.
RUN
Para ejecutarlo.
LOAD
Para el manejo de periféricos:
En general, existen instrucciones completas que facilitan el manejo del
programador. Algunos se describen a continuación:
519
CLR SHF (# de código) DEL NXT (Borrado de programas)
En todo PLC debe existir un código para borrar todo lo que hay en la memoria y
dejar listo el equipo para empezar una nueva programación, apareciendo en la
pantalla el paso 000. El código y el instructivo de borrado lo define el fabricante.
CLR SHF NXT
Remite al paso 000.
CLR
Anula cualquier tarea que se esté realizando (inserción, búsqueda, borrado,
monitoreo, chequeo, etc.).
NXT
Avanza una posición y muestra el contenido de la información de ese nuevo paso.
PRV
Va al paso anterior.
“Dato” SCH NXT
Busca el número del paso que contiene el dato o la información.
SHF “No. Etapa” NXT
Busca la información que se encuentra en un paso o dirección determinada.
Cambio de información en un paso (alteración)
Se hace por sobre escritura y validación con ENT.
DEL PRV
Borra toda la instrucción en un paso o dirección dada.
520
INS NXT
Inserta instrucción (previamente escrita), en una dirección determinada.
CLR SHF “No. Salida” MON
En modo de operación RUN permite monitorear los estados lógicos de las salidas,
tiempos de ejecución de los contadores, etc.
Los comandos numéricos se habilitan con la tecla SHF.
Ejemplo:
PASO
(etapa) INFORMACIÓN
000
001
002
003
004
STR 01
OR 20
AND NOT 00
OUT 20
SRT 20
Si la pantalla muestra AND NOT 00 y se presiona CLR, muestra: 002.
Si la pantalla está en 002 y se pulsa NXT, muestra: AND NOT 00.
Si la pantalla está en 002 y se presiona PRV, muestra: 001
Si la pantalla está en 001 y se desea ir a la etapa donde esté STR 20, se
pulsa: STR 20 SCH NXT y se posiciona en 004.
Si la pantalla está en 001 y se desea ver el contenido del paso 004, se
presiona: SHF 004 NXT y se localiza en STR 20.
Si se quiere que en el paso 002 aparezca AND 22 en vez de AND NOT 00,
se posesiona en la información AND NOT 00 y se pulsa: AND NOT 22 ENT.
521
Si se desea borrar OR 20, se localiza en el lugar correspondiente y se
presiona: DEL PRV con lo cual la instrucción AND NOT 00 pasa a ser la
información 001.
Si se olvidó escribir OUT 20, se posiciona en STR 20, se pulsa: OUT 20
INS NXT y dicha información queda como paso 003 STR 20 como paso
004.
5.13.9 Programación especial del PLC
En general, los PLC modernos manejan funciones especiales que permiten la
realización de tareas específicas de control o simplifican el diseño del
automatismo. En la selección de un PLC deben considerarse con detalle las
funciones especiales que ofrezca el equipo, ya que en principio esto es lo que
define sus diferencias y posibilidades.
Consideremos un PLC cualquiera con los siguientes códigos para sus elementos:
Inputs: 00 - 07 – 10 – 17
Output: 20 – 27 – 30 – 37
Temporizadores: 600 – 624
Relés internos
No retenidos: 100-147
Retenidos: 300-372
Especiales: 373-377
Con el programador de este PLC se pueden lograr las funciones que se describen
a continuación:
522
5.13.9.1 Retención de estados
La retención de estados solamente puede lograrse por programación.
Los marcadores se retienen con el relé interno 373, programándolo en la primera
posición, antes de los marcadores a retener, de la siguiente manera: OUT 373 o
SET 373.
Sólo serán retenidos los marcadores internos que van desde el 300 hasta el 372,
es decir, 59 en total. No son retenidos los marcadores incluidos entre el 140 y el
277, ni las salidas reales.
La retención funciona así:
Si un marcador no retenido se encuentra en estado ON y falla la energía, al
retornar el fluido eléctrico quedará en estado OFF.
Si el marcador está retenido, al retornar la energía volverá a su estado
original ON. Cabe anotar, que durante la falta de fluido eléctrico el marcador
mantiene un estado OFF.
Los marcadores especiales que tienen retención natural, es decir, que no
necesitan ser programados con el 373, son: 373, 374, 375, 376, 377 y todos los
temporizadores, contadores y registros.
Ejemplo:
Programación para retener el marcador 300
523
000 OUT 373 ENT
001 STR 01 ENT
002 STR NOT 02 ENT
003 OR 03 ENT
004 AND STR ENT
005 OUT 300 ENT
006 ETC.
5.13.9.2 Relés con retención o memoria con bobinas de enganche (SET–
RESET)
Para realizar el comando de enganche se requieren dos funciones lógicas
separadas, una para realizar el SET y otra para el RESET.
Las bobinas de enganche actúan como relés de memoria tipo flip- flop, con doble
bobina y no necesitan auto mantenimiento.
La lógica de la función SET se conoce como la lógica de Latch, y la lógica de la
función RESET como la de unlatch.
524
Puesto que se trata de marcadores que se configuran como salidas de doble
bobina se omite el comando OUT y en su reemplazo se emplean los comandos
SET y RST.
Como bobinas de enganche se pueden utilizar todos los relés, tanto los retenidos
como los no retenidos, y las salidas reales. No se pueden emplear los
temporizadores, ni los contadores, ni los registros.
La lógica de los comandos para el SET y el RST debe ser pulsante porque de lo
contrario, por ejemplo, al dar la lógica de RST se apaga la bobina para volver a
soltar, esta retoma al estado ON.
Es importante tener en cuenta que la lógica del SET es diferente a la del RST.
Las bobinas programadas como bobinas de enganche son retenidas siempre y
cuando se programe al inicio (posición 000) la función OUT 373, como se
mencionó anteriormente. Debe recordarse que sólo es posible retener los
marcadores del 300 al 372; las salidas y órganos del 140 al 272 no serán
retenidos.
El SET y el RST no funcionan con temporizadores o con contadores; para su
empleo deben utilizarse bobinas auxiliares.
525
Ejemplos:
Sin retención de salidas.
000 STR 01 ENT
001 SET 20 ENT
002 STR 02 ENT
003 RST 20 ENT
004 SET 21 ENT
005 STR 03 ENT
006 RST 21 ENT
007 ETC.
Con retención de salidas, empleando el marcador 373.
526
000 SET 373 ENT
001 STR 01 ENT
002 SET 340 ENT
003 STR 02 ENT
004 RST 340 ENT
005 STR 340 ENT
006 OUT 20 ENT
007 ETC.
Con temporizador
000 STR 01 ENT
001 SET 140 ENT
002 STR 02 ENT
003 AND 03 ENT
004 RST 140 ENT
005 STR 140 ENT
006 OUT TMR 600 ENT
007 10
Desactivación de salidas
Para desactivar las salidas se emplea el marcador especial 373, el cual se debe
manejar con una lógica de entrada que puede, en determinados casos, emplearse
527
como paro de emergencia. En general, el relé 376 requiere una entrada que puede
generarse interna o externamente, con una lógica de contactos.
Si la entrada no es pulsante sino sostenida, el 376 desactiva todas las salidas o
marcadores internos que estén programados como OUT o SET/RST, y sólo deja
activos a los que se programaron como SET OUT y estén en ON.
Se recurre a la desactivación de salidas para situaciones de fallas y/o daños que
pueden presentarse en el proceso o en el equipo.
Ejemplo:
Programación para desactivar salidas
000 STR 01 ENT
001 OUT 376 ENT
002 STR 02 ENT
003 OR 20 ENT
004 AND NOT 03 ENT
005 OUT 20 ENT
006 STR 04 ENT
007 SET 21 ENT
528
008 STR 05 ENT
009 RST 21 ENT
010 STR 06 ENT
011 SET OUT 22 ENT
012 ETC.
Explicaciones:
Al operar 01 se energiza el relé 376.
Si 20 y 21 están activadas, se desactivan.
Si 22 está activada, permanece así, está inhibida para desactivarse con el
376.
Al reposicionar 01 (abrirlo) las salidas recuperan su estado original.
La entrada 01 debe provenir de un interruptor retenido, que se encuentre
cerca del operario o en un punto de fácil acceso, para poder realizar paros
de emergencia.
5.13.9.3 Forzado de entradas y salidas
El forzado de entradas y salidas se emplea para verificar el cableado del campo y
para simular eventos.
Para realizar el forzado se requiere que el programador esté en modo RUN. Si se
hace en modo PRG (de programa), la instrucción queda grabada, debiéndose
borrar al finalizar el forzado.
Las entradas que están conectadas a los dispositivos externos o sensores se
pueden forzar de tal forma que obtengan los estados ON u OFF sin importar el
estado lógico actual.
529
Las salidas conectadas a los dispositivos externos o actuadores también se
pueden forzar para obtener los estados ON u OFF independientemente del estado
lógico presente. Las salidas forzadas no son retenidas.
Se recomienda hacer el forzado de salidas antes de introducir el programa en el
PLC, es decir; hacerlo en el campo, con el PLC ya instalado en modo RUN y listo
para iniciar la programación del automatismo a solucionar.
El forzado de entradas y salidas se logra con una secuencia de programación por
teclado.
Ejemplos:
Forzado a estado ON de una salida o de una entrada:
SET, SHF, referencia (xxx), ENT
Forzado estado OFF de una o de una entrada:
RST, SHF, referencia (XXX), ENT
5.14 CONCEPTOS GENERALES DE LAS COMUNICACIONES DIGITALES.
En la actualidad la automatización está en continuo crecimiento, y esto es debido
a las grandes prestaciones de equipos como los microprocesadores o CPU; Estos,
aparte de ofrecer la gran ventaja de ser programables, han ido aumentando sus
prestaciones en cuanto a capacidad de control, potencia de cálculo y facilidad de
interfaz con el proceso.
Pero la mayor ventaja de la utilización de los PLC en la actualidad está basada en
poder interconectarlos entre sí y con otros equipos de mayor potencia de cálculo
formando sistemas con “inteligencia distribuida”.
530
En estos sistemas, algunos procesadores de control se encargan de funciones
específicas, situándose en los puntos más próximos al proceso pero, a su vez, se
interconectan entre sí con otras CPU dedicadas al diseño, gestión y coordinación
global de dicha planta.
En algunas industrias aún están lo que se llaman “Islas automatizadas”, es decir,
varias partes automatizadas controladas por microprocesadores, pero
completamente independientes entre sí. La comunicación entre estas islas puede
ser posible, pero no se hace algunas veces por la diversidad de medios físicos y
de protocolos.
Lo que se desea es que todas estas islas puedan enlazar a través de sistemas de
comunicación, que permiten el transporte de datos entre ellas y que sean lo
suficientemente abiertos para poder enlazar los autómatas programables,
controles numéricos, estaciones robotizadas, etc.,…con otros miniordenadores o
host y a través de ellos poder acceder incluso a redes de comunicación de más
altas precisiones.
Las ventajas de enlazar todos estos sistemas, en lo que se ha denominado
sistemas de fabricación integrados (CIM), son las siguientes:
Posibilidad de intercambio de información entre automatismos que
controlan fases sucesivas de un mismo proceso local.
Facilidad de comunicación hombre-máquina, a base de terminales
inteligentes que permiten programar u observar el proceso en términos de
lenguaje muy próximo al humano o hasta algunas veces de forma visual. El
sistema ofrece y admite la intervención del operador humano en forma
interactiva a través de un terminal de teclado y pantalla.
Adquisición de datos de sensores y procesamiento de los mismos con
vistas a control de calidad, gestión, estadística u otros propósitos.
531
Facilidad de cambios para adaptarse a la evolución y a la diversificación de
los productos, creando las llamadas “células flexibles”.
Posibilidad de lenguajes de alto nivel, que permitan trabajar bajo un mismo
entorno todas y cada una de las islas automatizadas desde la fase de
diseño hasta la fase de gestión.
La clave para llegar a obtener todas estas ventajas está en un sistema de
comunicación potente y flexible a la vez y que permita integrar en él a productos
de cualquier fabricante, cuya estructura puede verse en la Figura 211.
Figura 211. Estructura de una red industrial.
Naturalmente, este tipo de sistemas también traen consigo algunas desventajas,
entre las cuales se encuentran:
532
La comunicación supone una mayor complejidad técnica. Esta complejidad
puede y debe pasar desapercibida al usuario, cuyo interés no se centra en
el proceso tecnológico sino en los de aplicación, lo que implica tener un
software de soporte al usuario, para que este pueda dialogar con el sistema
sin ningún experto en comunicaciones.
Resulta difícil unificar un sistema que integre productos muy diversos de
varios fabricantes, con distintas funciones lenguajes y aplicaciones. La
solución de esta dificultad solo la puede dar una norma aceptada por todos
y ésta aún no existe. Hay varias adaptadas a distintos campos y niveles de
complejidad, cada una con sus ventajas e inconvenientes, por lo tanto, en
un futuro nos veremos obligados a convivir con sistemas con diferentes
lenguajes y como solución se proponen interfaces de comunicación
denominados habitualmente “Pasarelas”.
Existen varios tipos de comunicaciones industriales dentro de las que cabe
mencionar: comunicación en paralelo, comunicación en serie y pueden realizarse
con conexión punto a punto o conexión multipunto y con enlaces simples, Half
duplex o Full duplex.
La Comunicación en paralelo utiliza varias líneas de datos (generalmente tantas
como bits tenga el código empleado, una por bit), otras líneas de control y una
línea de cero o común, para el enlace entre dos o más sistemas digitales. Las
señales esenciales suelen ser ocho líneas de datos y, al menos, dos líneas de
control, denominadas generalmente Strobe (STB) y Acknowledge (ACK).
La Comunicación en serie en cambio, suele utilizar dos o tres hilos. La
información se transmite bit a bit, uno tras otro hasta completar un carácter.
La separación entre los caracteres, que se envían consecutivamente, se consigue
gracias a unos bits especiales de Start y Stop o por medio de un reloj de
sincronismo.
533
Lógicamente la comunicación en serie es óptima desde el punto de vista del
consumo de cables y, por ello, se suele emplear para enlaces más lejanos que la
comunicación en paralelo. En contrapartida, la comunicación serie es más lenta
que la comunicación paralelo.
La Conexión Punto a punto, es aquella en la que intervienen solo dos terminales
o sistemas digitales, uno a cada extremo de la comunicación.
La Conexión Multipunto, es aquella conexión de más de dos terminales o
sistemas digitales a través de una misma línea o bus.
El Enlace Simple, es la comunicación entre dos terminales, que permite solo el
flujo de datos en un sentido (de transmisor a receptor).
El Enlace Half duplex, es la comunicación entre dos terminales, que permite el
flujo de datos en ambos sentidos, pero no simultáneamente, utilizando los mismos
cables o medio físico.
El Enlace Full duplex, es la comunicación entre dos terminales, con posibilidad
de flujo simultaneo de datos en ambos sentidos (transmisión y recepción al mismo
tiempo). Lógicamente requiere líneas independientes para transmisión y
recepción.
La transmisión-recepción punto a punto o multipunto por una misma línea o bus,
requiere que solo uno de los terminales pueda transmitir en un instante dado y que
al menos uno reciba la información. Por tanto, deberá arbitrarse algún
procedimiento o conjunto de reglas para determinar cuál de los terminales ésta
autorizada, en cada momento, para transmitir por la línea o bus y cuál de ellos
debe recoger la información.
534
A este conjunto de reglas se le denomina Protocolo de Comunicación.
Generalmente el protocolo lo forman conjuntamente una serie de señales de
hardware y una serie de caracteres de control incorporados al propio mensaje
junto con unas reglas de interpretación.
5.14.1 Redes de comunicación industriales
Una red de comunicación es un conjunto de terminales que pueden intercambiar
información.
El concepto de red requiere de unos medios físicos de enlace (hardware) y un
software de soporte para poder gestionar la ocupación de la red, las rutas que
debe seguir la información y para presentarla en forma intangible por el usuario.
Se tienen diferentes tipos de redes:
LAN (Local Area Network): Red local que comunica varios terminales, por lo
general a corta distancia (de orden de 1Km).
WAN (Wide Area Network): Red de área amplia, que comunica terminales
alejados.
El mundo de las comunicaciones tiene actualmente una amplia gama de productos
y servicios en el área industrial, y para que sea posible la integración en una
misma red de distintos sistemas digitales, es preciso que todos ellos estén
construidos bajo ciertos criterios de normalización.
El organismo que se ha ocupado de esta normalización ha sido ISO, que fue ya
anteriormente descrito, y que desarrollo la norma más general, denominada
modelo OSI (Open Systems Interconnection), éste modelo, fue desarrollado
originariamente pensado en la comunicación entre grandes redes de ordenadores,
535
con técnicas basadas en la conmutación de paquetes y él envió a través de nodos
de una red WAN. En cambio, las comunicaciones en el entorno industrial suelen
basarse en redes más reducidas de tipo LAN, sin embargo aún mantiene la
compatibilidad con el modelo OSI, solo que se realizan algunas agrupaciones para
así simplificar el sistema.
La automatización de las industrias ha tenido un proceso de implantación gradual,
aprovechando los últimos desarrollos de la tecnología, se ha dado lugar como se
mencionó anteriormente a la existencia de las “Islas automatizadas” consistentes
en una serie de equipos como: PLC, variadores de velocidad, etc., que se
encuentran aislados entre si y se dedican cada uno al control de una maquina o de
una parcela cerrada de un proceso.
La integración de las mencionadas “Islas automatizadas” suele hacerse dividiendo
las tareas entre grupos de procesadores jerárquicamente anidados. Esto da lugar
a una estructura de redes industriales en la que se pueden distinguir claramente
tres niveles:
Nivel de bus de campo:
Este es el nivel de red más próximo al proceso y se encarga de la integración de
pequeños automatismos (autómatas compactos, multiplexores de E/S, equipos de
medida) en las llamadas “Islas”, que controlan distintas parcelas de un proceso.
Generalmente, en el nivel más alto de estas redes se suelen encontrar uno o
varios PLC modulares de gama alta, que pueden actuar como maestro de la red.
Este conjunto constituye lo que se suele llamar una “Célula de fabricación”.
Por otra parte, en este nivel se tratan sistemas basados en micro controladores de
bajas prestaciones, dedicados casi por completo a tareas de control, por lo tanto
no tienen capacidad suficiente para implementar sobre ellos protocolos complejos.
536
Nivel de LAN:
Este es el nivel jerárquicamente por encima del anterior y se encarga normalmente
de enlazar las distintas “células de fabricación” en grupos más grandes. En este
nivel se suele encontrar los PLC de gama alta y los ordenadores del proceso
dedicados a las tareas de diseño, control de calidad, etc.
En este nivel existe una mayor uniformidad, puesto que los estándares han sido
implantados en muchos casos por los grandes gigantes del mundo de la
informática. En muchas ocasiones la CPU suele tener la tarea específica de las
comunicaciones.
Nivel LAN / WAN:
Este nivel es el más próximo al área de gestión y se encarga de integrar los
niveles anteriores en una estructura de fábrica o incluso de múltiples industrias
con ubicaciones dispersas. Las maquinas que forman parte de este nivel suelen
ser ordenadores o redes de miniordenadores compartiendo recursos e
incorporando bases de datos que permiten centralizar los servicios de compras,
control de stocks (Bodega), ventas, control de costos, etc.
En este nivel no puede hablarse de ningún estándar propiamente exclusivo para
uso industrial, sino que se hace uso de redes, generalmente públicas, de propósito
general, capaces de transmitir datos, voz, imágenes, etc.
El objetivo principal de la automatización industrial, consiste en gobernar la
actividad y la evolución de los procesos sin intervención continua del operador
humano.
En procesos de fabricación rígidos, de poca variación en el tiempo, o de carácter
autónomo, sin interdependencias con otros tratamientos anteriores o posteriores
de los productos, este objetivo se cumple programando sobre los controles locales
de planta, las secuencias de control deseadas y cerrando los lazos de regulación
537
necesarios para mantener los valores de variables en los rangos fijados por las
consignas.
Desgraciadamente la mayoría de los procesos industriales no cumplen aquellas
condiciones, sino más bien las contrarias, han de ser flexibles, para adaptar la
fabricación a la demanda de forma continua, y están firmemente interrelacionados
entre sí, por exigencias de factores no solo específicos de la producción, como la
coordinación de las acciones o la continuidad del suministro en fabricación serie,
sino también por otros hasta hace poco ajenos a la producción, como la
minimización de costos, la calidad integral del producto y el impacto sobre el
medio ambiente.
Estas necesidades obligan a disponer de sistemas automatizados de control de
procesos industriales con un mayor grado de complejidad, pero que gracias a las
tecnologías actuales y a las redes de comunicación industriales se ha cubierto
todos los niveles del proceso de forma automatizada.
En un sistema típico, el control directo de la planta es realizado entonces por los
PLC o autómatas programables, sin embargo también se cuenta con ordenadores,
que conectados con los PLC´S, realizan las funciones de dialogo con el operador,
tratamiento de la información del proceso y control de producción. En esta
estructura, el ordenador no actúa directamente sobre la planta, sino que se limita a
su supervisión y control de los elementos de regulación locales instalados en ella,
además de procesar y presentar la información del proceso que se lleva a cabo.
El ordenador u ordenadores se apoyan en la estructura de dispositivos locales,
uniéndose a ellos mediante líneas de interconexión digital (Buses de campo, redes
locales) por donde recoge información sobre la evolución del proceso (adquisición
de datos), y envía las órdenes o comandos para el gobierno del mismo (control de
producción).
538
Como elemento de dialogo con el operador, pueden encontrarse en el mercado,
programas (como SCADA) que permiten convertir un PC en un puesto de
monitorización y control de la instalación, que comunicado con el autómata
programable, que ejerce de elemento de control, permite la creación de sinópticos
en color de la planta, supervisión del proceso, gestión de informes, medición de
alarmas.
En conclusión, actualmente las aplicaciones de control tiene la tendencia de
disponer de un sistema hibrido compuesto por PLC y ordenadores personales,
compartiendo el mismo bus de datos de operación transparente al operador, en un
conjunto insuperable para alcanzar el máximo nivel de interfaz con la planta,
interfaz con el usuario, almacenamiento de datos y potencia de cálculo,
optimizando notablemente los procesos para lograr finalmente el control y
supervisión de la planta.
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539
ANEXOS
ANEXO A Tablas
ANEXO B Ejercicios resueltos
ANEXO C Cuestionario
ANEXO D Conexión Dahalnder
540
ANEXO A: TABLAS
606
ANEXO B: EJERCICIOS
RESUELTOS
631
ANEXO C:
CUESTIONARIO
651
ANEXO D: CONEXIÓN
DAHALANDER
654
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