PNF ELECTRICIDAD ELECTRICIDAD TEORIA ELECTROMAGNETICA
FUNCIONAMIENTO FUNCIONAMIENTO DEL CONTACTOR
Facilitador:
Integrantes:
Ing. José Muñoz
Ortiz, Claudis. Rivera, Joan.
Junio 2011
INTRODUCCION.
El contactor es un dispositivo dispositivo altamente empleado empleado en la industria, especialmente especialmente para la automatización automatización de procesos, procesos, la finalidad del presente trabajo trabajo es presentar presentar definiciones definiciones y características de estos, así como su clasificación por distintas variables como el tipo de acciona accionamie miento, nto, disposición disposición de sus contactos, contactos, clase clase de corriente corriente o limites limites de tensión tensión.. Y enfocado como centro de estudio el contactor contactor electromagnético, electromagnético, se describe sus partes y su funcionamiento tomando como referencia los conceptos de la teoría electromagnética en el presente. Para detallar el funcionamiento del contactor se realizara el análisis de un contactor electromagnético electromagnético de núcleo núcleo con entrehierro y tipo E, relacionando relacionando el flujo magnético, magnético, con la fuerza magnetomotriz y las reluctancias del núcleo con entrehierro en un circuito análogo eléctrico.
Tabla de contenido
INTRODUCCION................. .................................. .................................... ..................................... ..................................... .................................... .................................... ..................... ... 2 CONTACTORES................... .................................... .................................... .................................... ..................................... ..................................... ..................................... ................... . 4 GENERALIDADES................. ................................... .................................... ..................................... ..................................... .................................... ................................. ............... 4 DEFINICIONES Y CARACTERISTICAS GENERALES DE LOS CONTACTORES................ ................................. ................. .....4 CLASIFICACION DE LOS CONTACTORES.................. ................................... ..................................... ..................................... .................................. ................ 5 EL CONTACTOR ELECTROMAGNETICO ................... ..................................... .................................... ..................................... ................................... ................ 6 PARTES DEL CONTACTOR............................. ............................................... ..................................... .................................... .................................... ........................ ...... 10 · Carcaza................. .................................. .................................... ..................................... ..................................... .................................... ........................................ ...................... 10 · Electroimán................................................. .................................................................. .................................... ..................................... .................................... ................. .. 11 · Bobina.................................................... ...................................................................... ..................................... .................................... .......................................... ........................ 13 · El Núcleo. ................... ..................................... ..................................... ..................................... .................................... ................................................ .............................. .... 15 · Armadura.............................................. ............................................................... ..................................... ..................................... ....................................... ..................... .... 15 · Contactos............................................ ............................................................. .................................... ..................................... .......................................... ....................... .... 16 CIRCUITO MAGNETICO DEL CONTACTOR................... .................................... .................................... .................................... ................................. ............... 20 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO ............................ .............................................. .................................... .................................... .............................. ............ 20 Entrehierro Permanente........................................ ......................................................... .................................... ............................................... ............................. 30 Espira de sombra................................ ................................................. .................................... .................................... ..................................... ............................... ............ 34 Análisis de un Circuito Magnético con Entrehierro. ................. ................................... ............................................... ............................. 40 Análisis de circuito magnético para núcleo tipo E ................. ................................... .................................... ................................ .............. 44 CONCLUSIONES................. .................................... ..................................... .................................... .................................... ..................................... ..................................... .................. 48 BIBLIOGRAFIAS................ .................................. ..................................... ..................................... .................................... .................................... ....................................... ..................... 49 ANEXOS.................. .................................... .................................... .................................... ..................................... ..................................... .................................... .............................. ............ 52
CONTACTORES.
GENERALIDADES Los contacto contactore res se emple emplean an para para el mand mando o local local o a dista distanci ncia a de máqu máquin inas as de cualquier género. Sobre todo, se utilizan en los sistemas de mando en que la potencia de acoplamiento y la frecuencia de maniobras plantean severas exigencias, por ejemplo, en máquinas herramientas y laminadores. Añadiendo relés térmicos permite utilizados como protecto protectores res de motores. motores. Además, Además, el contact contactor or resulta resulta un elemento elemento indispensab indispensable le en la automatización, para el mando de las secuencias de trabajo. El gran gran desa desarro rroll llo o de la indu indust stri ria a fue fue crea creand ndo o nuev nuevas as nece necesi sida dade des s en las las instalaciones instalaciones eléctricas. La simple acción de abrir o cerrar un circuito mediante un interruptor manual, se hizo insuficiente; cierto que un contactor lo que en realidad hace es eso, pero a frecuencias frecuencias de trabajo que pueden llegar a las 5000 conexiones por hora, cosa imposible de realizar con un interruptor manual. Los grandes incrementos en la demanda de energía eléctrica han ocasionado la construcción de nuevas líneas de dimensiones mucho más amplias para lo que se necesita contar con aparatos cuyas capacidades de ruptura sean adecuadas. Los contactores pueden cortar cortar Intensid Intensidade ades s de corriente corriente del orden de 10 a 15 veces la intensid intensidad ad nominal nominal del aparato aparato.. En el laborato laboratorio rio se han conseguid conseguido o rupturas rupturas de hasta hasta 50 veces veces la intensid intensidad ad nominal.
DEFINICIONES Y CARACTERISTICAS GENERALES DE LOS CONTACTORES El contactor puede definirse como un aparato de corte, con mando a distancia, que vuelve a la posición de reposo cuando deja de actuar la fuerza que lo mantenía conectado; puede ser:
a) Contactor propiamente dicho, cuando la posición de reposo corresponde a la apertura de sus contactos. b) Ruptor, cuando la posición de reposo corresponde al cierre de sus contactos. En ambos casos, el aparato debe preverse para maniobras frecuentes bajo carga y sobrecarga normales.
CLASIFICACION DE LOS CONTACTORES. Los contactores se pueden clasificar según distintos criterios:
a) por el tipo de accionamiento:
1. Contact Contactores ores electrom electromagn agnétic éticos os si el accionam accionamien iento to se debe debe a la fuerza de atracció atracción n de un electroimán. 2. Contact Contactores ores electrom electromecán ecánicos icos si el acciona accionamie miento nto se realiza por medios medios mecánic mecánicos os (resortes, balancines, etc.). 3. Contactores Contactores neumáticos, neumáticos, cuando cuando son accionados accionados por la presión de un gas (nitrógeno, (nitrógeno, aire, etc.). 4. Contact Contactores ores hidráuli hidráulicos, cos, cuando cuando la fuerza de accionami accionamiento ento procede procede de un líql1'ido, líql1'ido, que puede ser agua, aceite, etc.
b) por la disposición de sus contactos:
1. Contactores Contactores al aire, aire, en los los que la ruptura ruptura se produce produce en en el seno seno del aire. 2. Conta Contacto ctores res al aceite, aceite, en los que la ruptura ruptura tiene tiene lugar lugar en el seno seno de un baño baño de aceite. aceite. Los contact contactores ores al aceite aceite permiten permiten mayores mayores intensid intensidade ades, s, a igualda igualdad d de tamaño de los contactos, que los contactores al aíre, debido al efecto refrigerante del aceite. Además, tanto los contactos como el arco quedan a resguardo del ambiente exterior. Pero en estos contactores, los contactos se desgastan rápidamente, debe
renovarse periódicamente el aceite, necesitan mayor mantenimiento, etc.; todos estos inconvenientes inconvenientes hacen que, actualmente, actualmente, el empleo de estos contactores contactores esté limitado a casos casos muy muy espe especia ciales les,, utiliz utilizán ándo dose se unive universa rsalme lment nte e los conta contacto ctores res al aire, aire, anteriormente definidos.
c) por la clase de corriente:
1. Contact Contactores ores de corrien corriente te continú continúa. a. 2. Contact Contactores ores de corrien corriente te alterna. alterna.
d) por los límites de tensión:
1. Contact Contactores ores de de baja baja tensión tensión (hast (hasta a 1000 1000 V). V). 2. Contact Contactores ores de de alta alta tensión tensión (a partir partir de 1000 1000 V).
El contactor electromagnético es el más utilizado en las variantes de pequeña, mediana y gran potencia. La sencillez de construcción, unida a su robustez, su reducido volumen y el mantenimiento, prácticamente nulo, que necesita, lo hacen insustituible. La fuente de energía es la corriente eléctrica y su consumo es muy reducido; presenta el inconveniente de tener que estar conectado permanentemente, mientras el aparato está en situación de trabajo.
EL CONTACTOR ELECTROMAGNETICO El contacto contactorr electrom electromagn agnétic ético o es un aparato aparato mecánico mecánico de conexió conexión n controla controlado do mediante electroimán y con funcionamiento todo o nada. Cuando la bobina del electroimán está bajo tensión, el contactor se cierra, estableciendo estableciendo a través de los polos un circuito entre la red de alimentación alimentación y el receptor. El desplazamiento desplazamiento de la parte móvil del electroimán que
arrastra las partes móviles de los polos y de los contactos auxiliares o, en determinados casos, del dispositivo de control de éstos, puede ser:
–
rota rotati tivo vo,, gira girand ndo o sobr sobre e un eje eje,,
–
lineal, lineal, desli deslizánd zándose ose en en paral paralelo elo a las partes partes fijas fijas,,
–
una una com combi bina naci ción ón de ambo ambos. s.
Cuan Cuando do se interr interrum umpe pe la alime alimenta ntació ción n de la bobi bobina na,, el circui circuito to magn magnéti ético co se desmagnetiza y el contactor se abre por efecto de:
–
los resor resortes tes de presi presión ón de los polos polos y del resorte resorte de retor retorno no de la armadu armadura ra móvil,
–
la fuer fuerza za de grav graved edad ad,, en dete determ rmin inad ados os apar aparat atos os (las (las part partes es móvi móvile les s recuperan su posición de partida).
Figura 01 Contactor Electromagnético
El contactor ofrece numerosas ventajas, entre las que destacan la posibilidad de:
–
interrump interrumpir ir las corrient corrientes es monofás monofásicas icas o polifás polifásicas icas elevad elevadas as accionan accionando do un auxiliar de mando recorrido por una corriente de baja intensidad,
–
funciona funcionarr tanto tanto en servi servicio cio interm intermiten itente te como como en continu continuo, o,
–
controla controlarr a distancia distancia de forma forma manua manuall o automátic automática, a, utiliza utilizando ndo hilos hilos de sección sección pequeña o acortando significativamente los cables de potencia,
–
aumenta aumentarr los pues puestos tos de de control control y situa situarlos rlos cerca cerca del opera operario. rio.
A estas características hay que añadir que el contactor:
–
es muy muy robusto robusto y fiable, fiable, ya ya que no incluy incluye e mecanism mecanismos os delica delicados, dos,
–
se adapta adapta con con rapidez rapidez y facilid facilidad ad a la tensión tensión de de alimenta alimentación ción del del circuito circuito de de control (cambio de bobina),
–
garantiz garantiza a la segurida seguridad d del person personal al contra contra arranqu arranques es inespe inesperado rados s en caso de de interrupción de corriente momentánea (mediante pulsadores de control),
–
facilita facilita la distri distribuci bución ón de los los puestos puestos de paro paro de emer emergen gencia cia y de los los puestos puestos esclavos, impidiendo que la máquina se ponga en marcha sin que se hayan tomado todas las precauciones necesarias,
–
prot proteg ege e el rece recept ptor or cont contra ra las las caíd caídas as de tens tensió ión n impo import rtan ante tes s (ape (apert rtur ura a instantánea por debajo de una tensión mínima),
–
puede puede incluir incluirse se en equipo equipos s de automa automatism tismos os sencillo sencillos s o complejo complejos. s.
Para obtener un funcionamiento sin averías de estos dispositivos, todas sus partes deben ser chequeadas periódicamente, en especial las partes sometidas a movimiento como son son los los cont contac acto tos. s. Para Para mant manten ener er esto estos s en buen buen esta estado do de func funcio iona nami mien ento to debe deben n conse conserva rvarse rse los valor valores es espec especifi ificad cados os por por el fabric fabrican ante te del del dispo disposit sitivo ivo en los punto puntos s siguientes: -
Presión del contacto (inicial y final);
-
Entrehierro;
-
Distancia de ruptura;
-
Desgaste permitido en los contactos;
-
Tensión de la bobina.
-
Presión del contacto inicial y final.
· Presión del contacto
Puede medirse con un dinamómetro de resorte, la presión inicial con los contactos abiertos y la final con ellos cerrados.
· El entrehierro. entrehierro. Es la distancia entre el eje del núcleo y un punto correspondiente a la armadura; si esta distancia es alterada, la bobina correrá el riesgo de averiarse.
· Distancia de ruptura. Es la separación entre los contactos donde se produce el arco.
· El desgaste permitido de los contactos. Viene fijando por el grosor del material que puede gastarse hasta que el contacto entre las dos superficies desgastadas llegue a considerarse inseguro según las normas de desgaste de los contactos fijados por el fabricante o el técnico de mantenimiento.
· Tensión de la bobina.
Una bobina debe tener las características de:
· Cierre de los contactos cuando la tensión del circuito de mando alcanza el 80% de su valor nominal.
· La apertura del contactor, cuando la tensión del circuito de mando decrece por debajo del 65% de su valor nominal.
· Soportar permanentemente una tensión correspondiente al 110% del valor del valor nominal.
PARTES DEL CONTACTOR. · Carcaza. La carcaza es el elemento en el cual se fijan todos los componentes conductores conductores del contactor, para lo cual es fabricada en un material no conductor con propiedades como la resistencia al calor, y un alto grado de rigidez, figura 02. Uno de los más utilizados materiales es la fibra de vidrio pero tiene un inconveniente y es que este material es quebradizo y por lo tanto su manipulación es muy delicada. En caso de quebrarse alguno de los componentes no es recomendable el uso de pegantes.
Figura 02. Carcaza del contactor
· Electroimán. También es denominado circuito electromagnético, electromagnético, (figura 03) y es el elemento motor del contactor. Está compuesto de un circuito magnético, (una bobina y un núcleo de hierro) cuya finalidad finalidad es transfor transformar mar la energía energía eléctrica eléctrica en un campo campo magnéti magnético co muy intenso intenso mediant mediante e el cual cual se produce produce un movimie movimiento nto mecánic mecánico o aprovech aprovechand ando o las propieda propiedades des electromagnéticas de ciertos materiales.
Su forma varía en función del tipo del contactor y puede eventualmente diferir según sea la naturaleza de corriente de alimentación alterna o contínua. Un pequeño entrehierro evita en el circuito magnético en posición de cierre, todo riesgo de remanencia. Se obtiene retirando el metal o intercalando un material magnético. El recorrido de llamada es la distancia que media entre la parte fija y la parte móvil del circuito cuando el contactor está en r eposo. El recorrido de aplastamiento es la distancia que media entre ambas partes cuando los polos entran en contacto. Los resortes son los que aseguran la presión entre los polos al momento en que la bobina está energizada.
Figura 03. Electroimán
Figura 04.
Según Según su tamaño tamaño,, los contacto contactores res adopta adoptan n general generalmen mente te estructu estructuras ras magnéti magnéticas cas como las expresadas en la figura 04. En a está representada una estructura con núcleo en C, aprop apropiad iada a para para relés relés y para para conta contacto ctores res de pequ pequeñ eña a y media mediana na pote potenci ncia; a; en b se representa una estructura estructura con núcleo en E, que es la forma más generalizada generalizada para todo tipo de aparato, tanto de pequeña como de mediana o gran potencia. Finalmente, en c se expone el núcleo de succión, empleado en relés y contacto res de pequeña potencia
Circuito magnético de corriente alterna
•
Características
–
chapas chapas de acero acero al silici silicio o unidas unidas medi mediante ante rema remache che o soldadu soldadura, ra,
–
circui circuito to lamina laminado do para reduc reducir ir las corrien corrientes tes de Foucau Foucault lt que se origi origina nan n en toda masa metálica sometida a un flujo alterno (las corrientes de Foucault reducen el flujo útil de una corriente magnetizante determinada y calientan innecesariamente el circuito magnético),
–
uno o dos dos anillos anillos de desfas desfase, e, espira espiras s de Frager Frager o de sombra sombra,, que genera generan n en una parte del circuito un flujo decalado con respecto al flujo alterno principal. Con Con este este meca mecanis nismo mo se evita evita la anula anulació ción n perió periódi dica ca del del flujo flujo total total,, y por por
consigu consiguient iente, e, de la fuerza fuerza de atracció atracción n (lo que podría provocar provocar ruidosa ruidosas s vibraciones).
•
Utilización en corriente continúa
Los circuitos magnéticos laminados se pueden utilizar en corriente continua con total normalidad. En tal caso, es necesario emplear una bobina distinta a la que se utiliza con tensió tensión n altern alterna a de igual igual inten intensid sidad ad.. Tambi También én es precis preciso o interc intercala alarr una una resist resisten encia cia de reducción de consumo en el circuito de control de la bobina en cuanto se cierra el contactor.
Circuito magnético en corriente continúa En el circuito magnético de los electroimanes alimentados en corriente continua no se forman corrientes de Foucault. En determinados casos, es preferible utilizar un electroimán específico para corriente continua de acero macizo en lugar de adaptar un circuito magnético laminado de corriente alterna.
· Bobina. Consiste en un arrollamiento de alambre de cobre con unas características muy especiales con un gran número de espiras y de sección muy delgada para producir un campo campo magn magnéti ético. co. El flujo flujo magn magnét ético ico produ produce ce un par par magn magnéti ético co que que vence vence los pares pares resist resisten entes tes de los los muell muelles es de mane manera ra que que la armad armadura ura se pued puede e junta juntarr con el núcle núcleo o estrechamente. Puede estar montada en una rama del circuito magnético o, excepcionalmente, en dos, según el modelo de contactor.
Está diseñada para soportar los choques mecánicos que provocan el cierre y la apertura apertura de los circuitos circuitos magnéti magnéticos cos y los choques choques electromagn electromagnétic éticos os que se producen producen cuando la corriente recorre las espiras. Para atenuar los choques mecánicos, la bobina o el circuito magnético, y en algunos casos ambos, están montados sobre unos amortiguadores. Las bobinas que se utilizan hoy en día son muy resistentes a las sobretensiones, a los choques y a los ambientes agresivos. Están fabricadas con hilo de cobre cubierto de un esmalte de grado 2 y soportan temperaturas de 155 °C, o incluso de 180 °C. Existen bobinas impregnadas al vacío o sobre moldeadas.
· Bobina energizada con CA. Para el caso cuando una bobina se energiza con corriente alterna, se produce una corriente de magnitud muy alta puesto que solo se cuenta con la resistencia del conductor, ya que la reactancia inductiva inductiva de la bobina es muy baja debido al gran entrehierro entrehierro que existe entre la armadura y el núcleo, esta corriente tiene factor de potencia por consiguiente alto, del orden de 0.8 a 0.9 y es llamada corriente de llamada. Esta corriente elevada produce un campo magnético muy grande capaz de vencer el par ejercido por los muelles o resorte que los mantiene separados y de esta manera se cierra el circuito magnético uniéndose la armadura con el núcleo trayendo como consecuencia el aumento de la reactancia inductiva y así la disminución de hasta aproximadamente diez vece veces s
la corr corrie ient nte e
prod produc ucié iénd ndos ose e
ento entonc nces es una una
corri corrien ente te llam llamad ada a
corr corrie ient nte e
de
mantenimiento con un factor de potencia más bajo pero capaz de mantener el circuito magnético cerrado. Para que todo este procedimiento tenga éxito las bobinas deben ser dimensionadas para trabajar con las corrientes corrientes bajas de mantenimiento mantenimiento pues si no se acciona el mecanismo mecanismo de cierre del circuito magnético la corriente de llamada circulará un tiempo más grande del previsto pudiendo así deteriorar la bobina.
· Bobina energizada con CC.
En este caso no se presenta el fenómeno anterior puesto que las corrientes de llamada y de mantenimiento son iguales. La única resistencia presente es la resistencia de la bobina misma por lo cual las características y la construcción de estas bobinas son muy especiales. La bobina puede ser energizada por la fuente de alimentación o por una fuente independiente.
· El Núcleo. Su funció función n es conce concentr ntrar ar y aume aumenta ntarr el flujo flujo magn magnéti ético co con el fin de atrae atraerr la armadura armadura eficienteme eficientemente. nte. Está construido construido de láminas láminas de acero acero al silicio silicio superpue superpuestas stas y unidas firmemente unas con otras con el fin de evitar las corrientes parásitas. El pequeño entrehierro entre la armadura y el núcleo se crea con el fin de eliminar los magn magneti etism smos os reman remanen entes tes.. Cuan Cuando do circu circula la una una corrie corriente nte alter alterna na por por la bobin bobina a es de supon suponers erse e que que cuan cuando do la corrie corriente nte pasa por por el valor valor cero, cero, el núcle núcleo o se separa separa de la armadura puesto que el flujo también es cero pero como esto sucede 120 veces en un segun segundo do (si la frecue frecuenc ncia ia es de 60Hz) 60Hz) por por lo cual cual en realid realidad ad no hay una verda verdade dera ra separación separación pero esto sin embargo genera vibraciones y un zumbido además del aumento de la corriente de mantenimiento; mantenimiento; por esto las bobinas que operan con corriente alterna poseen unos unos disposit dispositivos ivos llamado llamados s espiras espiras de sombra sombra las cuales cuales producen producen un flujo flujo magnéti magnético co desfasado con el principal de manera que se obtiene un flujo continuo similar al producido por una corriente continua.
· Armadura. Es un elemento móvil muy parecido al núcleo pero no posee espiras de sombra, su función es la de cerrar el circuito magnético ya que en estado de reposo se encuentra separada separada del núcleo. núcleo. Este espacio espacio de separaci separación ón se denomi denomina na entreh entrehier ierro ro o cota cota de llamada.
Tanto el cierre como la apertura del circuito magnético suceden en un espacio de tiempo muy corto (10 milisegundos aproximadamente), todo debido a las características del muelle, por esto se pueden presentar dos situaciones. · Cuando el par resistente es mayor que el par electromagnético, no se logra atraer la armadura. · Si el par resistente es débil no se lograra la separación rápida de la armadura. Cada una de las acciones de energizar o des energizar la bobina y por consiguiente la atracción o separación de la armadura, armadura, es utilizada para accionar los contactos contactos que obran como interruptores, permitiendo o interrumpiendo el paso de la corriente. Estos contactos están unidos mecánicamente (son solidarios) pero son separados eléctricamente.
· Contactos. La función de estos elementos es permitir o interrumpir el paso de la corriente dentro del circuito de potencia, son elementos conductores, los cuales se accionan tan pronto se energiza o se des energiza la bobina por lo que se les denomina contactos instantáneos. Esta función la cumplen tanto en el circuito de potencia como en el circuito de mando. Están Están dime dimensi nsion onad ados os para para que que pase pase la corri corrien ente te nomi nomina nall del del conta contacto ctorr en servi servicio cio permanente sin calentamientos anómalos.
Los contactos están compuestos por tres partes dos de las cuales son fijas y se encuentr encuentran an ubicadas ubicadas en la carcaza y una parte móvil móvil que une estas dos y posee posee unos unos resortes que transmiten la presión correcta a los contactos que están fabricados con una aleación de plata con una excepcional resistencia a la oxidación, mecánica y al arco. Las partes partes que entran en contacto contacto deben tener unas unas caracter característic ísticas as especial especiales es pues puesto to que que al ser ser acci accion onad ados os bajo bajo carg carga, a, se pres presen enta ta un arco arco eléc eléctr tric ico o el cual cual es proporcional a la corriente que demanda la carga, estos arcos producen sustancias que dete deteri rior oran an los los cont contac acto tos s pues pues trae traen n como como cons consec ecue uenc ncia ia la corr corros osió ión, n, tamb tambié ién n las las características mecánicas de estos elementos son muy importantes.
Figura 05. Contactos
Los contactos pueden ser de doble corte o de simple corte. Los contactos de doble corte están muy bien adaptados a todas las aplicaciones en corrie corriente nte altern alterna a (servi (servicio cio inten intensiv sivo, o, AC-3, AC-3, AC-4, AC-4, etc.) etc.) y perm permite iten n realiz realizar ar apara aparatos tos compactos. Los contactos de simple corte suelen incluir un dispositivo apaga chispas magnético. Se recomienda utilizarlos para cortar corrientes continuas y para aplicaciones con servicio severo. Los polos ruptores, utilizados para resolver determinados problemas de automatismo, funcion funcionan an al contrari contrario o que los polos polos normales normales:: los contact contactos os se encuen encuentran tran en estado estado pasante cuando el electroimán de control no está bajo tensión, y no pasante cuando recibe alimentación.
· Contactos Principales. Son los encargados de permitir o interrumpir el paso de la corriente en el circuito principal, es decir que actúa sobre la corriente que fluye de la fuente hacia la carga. Es recomen recomendab dable le estar estar verifica verificando ndo la separaci separación ón de estos estos que permiten permiten que las partes fijas y móviles se junten antes de que el circuito magnético se cierre completamente, esta distancia se le denomina cota de presión. Esta no debe superar el 50%.
En caso de cambio de los contactos se tienen las siguientes recomendaciones: •
Cambiar todos los contactos y no solamente el dañado.
•
Alinear los contactos respetando la cota inicial de presión.
•
Verificar la presión de cada contacto con el contactor en funcionamiento.
•
Verificar que todos los tornillos y tuercas se encuentren bien apretados.
Figura 06. Polos de simple simple y doble corte
Debido a que operan bajo carga, es determinante poder extinguir extinguir el arco que se produce puesto que esto deteriora el dispositivo ya que produce temperaturas extremadamente altas, para esto, los contactos contactos se encuentr encuentran an instalad instalados os dentro dentro de la llamada llamada cámara cámara apaga apaga chispas, este objetivo se logra mediante diferentes mecanismos.
· Soplado por auto−ventilación: Este dispositivo consiste en dos aberturas, una grande y una pequeña, al calentarse el aire, este sale por la abertura pequeña entrando aire fresco por la abertura grande y este movimiento de aire hace que se extinga la chispa.
· Cámaras desionizadoras: Estas cámaras consisten en un recubrimiento metálico que actúa como un disipador de calor y por esto el aire no alcanza la temperatura de ionización. Este método suele acompañarse por el soplado por auto−ventilación.
· Transfere T ransferencia ncia y fraccionamiento fraccionamiento Del arco : Consiste en dividir la chispa que se produce de manera que es más fácil extinguir chispas más pequeñas. pequeñas. Esto se realiza mediante guías en los contactos fijos.
· Soplo magnético: Este método emplea un campo magnético que atrae la chispa hacia arrib arriba a de la cáma cámara ra aume aumenta ntand ndo o de esta esta mane manera ra la resist resisten encia cia.. Este Este métod método o suele suele ir acompañado del soplado por auto−ventilación y debe realizarse en un tiempo no muy largo pero tampoco extremadamente corto.
· Contactos Secundarios. Estos Estos contacto contactos s secunda secundarios rios se encuen encuentran tran dimensi dimensiona onados dos para corrient corrientes es muy pequeñas porque estos actúan sobre la corriente que alimenta la bobina del contactor o sobre elementos de señalización. Dado que en ocasiones deben trabajar con los PLC estos contactos deben tener una confiabilidad confiabilidad muy alta. Gran parte de la versatilidad de los contactores contactores depende del correcto uso y funcionamiento de los contactos auxiliares. Normalmente los contactos auxiliares son:
· Instantáneos: Actúan tan pronto se energiza la bobina del contactor.
· De apertura lenta: La velocidad y el desplazamiento del contacto móvil es igual al de la armadura.
·De apertura positiva: Los contactos abiertos y cerrados no pueden coincidir cerrados en ningún momento.
Sin embargo embargo se encuen encuentran tran contactore contactores s auxilia auxiliares res con adelanto adelanto al cierre cierre o a la apertura y con retraso al cierre o a la apertura. Estos contactos actúan algunos milisegundos milisegundos antes o después que los contactos instantáneos. Existen dos clases de contactos auxiliares:
· Contacto normalmente abierto: (NA o NO), llamado también contacto instantáneo de cierre: contacto cuya función es cerrar un circuito, tan pronto se energice la bobina del contactor. En estado de reposo se encuentra abierto.
· Conta Contacto cto norma normalm lmen ente te cerra cerrado do:: (NC), llamado llamado también también contact contacto o instantá instantáneo neo de apertura, contacto cuya función es abrir un circuito, tan pronto se energice la bobina del contactor. En estado de reposo se encuentra cerrado.
CIRCUITO MAGNETICO DEL CONTACTOR.
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Como Como ya se ha menci mencion onad ado o anter anterior iorme ment nte e el circu circuito ito magn magnéti ético co del del conta contacto ctor r electromagnético consta de tres elementos fundamentales: 1. Bobina. 2. Núcleo. 3. Armad Armadura ura o Marti Martillo llo.. La bobin bobina a alime alimenta ntada da,, segú según n los los casos, casos, por por corrie corriente nte conti continu nua a o alter alterna na,, está está encargada de producir un flujo magnético en el núcleo, capaz de atraer al martillo el cual actúa sobre los contactos móviles del aparato, bien directamente o por medio de un juego de palancas. La bonina y el núcleo constituyen un electroimán que es el elemento motor del contactor. Toda inducción magnética B, engendrada en el interior de un núcleo magnético de secc secció ión n S, es capa capaz z de real realiz izar ar un trab trabaj ajo o y ejer ejerce cer, r, por por tant tanto, o, una una fuer fuerza za que que es directamente directamente proporcional al cuadrado de la inducción y la superficie del núcleo. Esta fuerza viene expresada por
F =
B
2
25.10
−3
S = 4. B 2 .S .10 − 8 kg
Cuando el contactor está de reposo, entre el núcleo de su bobina y el martillo, existe una separación denominada entrehierro, que el martillo deberá recorrer bajo el efecto del núcleo al ser excitado. Por consiguiente, el trabajo que deberá realizarse vale
T=F.c
F= fuerza que deberá desarrollar el electroimán.
c= valor del entrehierro.
El entrehierro viene determinado por los datos constructivos del contactor, forma, capacidad, tensión de alimentación, etc. Ya que su abertura debe ser proporcional a la separación de contactos, con el objeto de garantizar la interrupción de arcos. La fuerza a desarrollar también depende de dichos datos y en ella intervienen varios factores, que se reseñan a continuación: En primer lugar, está el peso del martillo más sus accesorios y la fuerza que se necesita para vencer los rozamientos y que es constante durante todo el recorrido.
En segundo lugar debe vencerse la resistencia de todos los resortes o muelles con que cuenta el contactor y que son: a) Muelles Muelles de presió presión n de los contac contactos tos princip principales ales.. b) Muelles Muelles de presió presión n de los contac contactos tos auxilia auxiliares. res. c) Muell Muelles es antag antagon onist istas. as.
Figur Figura a 07. Caract Caracterí erísti sticas cas de trabaj trabajo o de un muelle muelle.. Pp=pre Pp=presió sión n previ previa. a. P¡=pr P¡=presi esión ón final final.. Pm=pre Pm=presió sión n máxima máxima.. Cp=lon Cp=longit gitud ud de compre compresió sión n previ previa. a. C,=car C,=carrer rera a de trabaj trabajo. o. C,=car C,=carrer rera a de seguridad Ab=altura de bloque. L=longitud total. C=carrera.
Un muelle en reposo (Fig.07) tiene una longitud L para la cual, la presión ejercida por el muelle es nula (P 0). Este muelle puede ser comprimido hasta que su longitud sea A b (Altura de bloque), es decir, hasta que todas las espiras estén en íntimo contacto. En estas condiciones, la presión que se ejerce es máxima (P m). La variación lineal de la presión desde el valor P0 hasta Pm, nos da la grafica característica de trabajo del resorte. Estando este en su alojamiento, su longitud será L-C p, siendo C p la longitud de compresión previa y en la cual se dispone dispone la presión presión previa Pp, que mantiene mantiene fijado el muelle muelle en el alojami alojamiento ento.. Esta presión previa Pp se incrementa hasta Pf o presión final, cuando se lleva a cabo el recorrido Cr o carrera de transporte. Entre la carrera de trabajo y la altura de bloque debe quedar
siempre la carrera de seguridad Cs, con objeto de no llegar al límite elástico del resorte que lo deformaría permanentemente. Según lo expuesto, en el trabajo del contactor se debe contar con la parte de la grafica de trabajo comprendida entre los valores de la presión previa Pp y de la presión final Pf, los cuales indican las variaciones de presión que experimenta el resorte en su trabajo normal.
Figura 08. Acción de un muelle sobre los contactos auxiliares de trabajo (normalmente abiertos) de un contactor. A) muelle. B) acción del muelle cuando no actúa el electroimán. C) acción del muelle cuando actúa el electroimán.
Por otro lado en los contactos auxiliares se pueden distinguir los siguientes tipos de muelles: a) Los que actúan sobre sobre contactos contactos de trabajo, trabajo, es decir normalmente normalmente abiertos. abiertos. b) Los que actúan sobre sobre contactos contactos de reposo, reposo, es decir normalmente normalmente cerrados. cerrados.
En los contactos de trabajo de la (Fig. 08), el resorte se comprime previamente desde la longitud L a la longitud L-Cp para introducirlo en su alojamiento, donde se mantiene fijo por la acción del electroimán, se desplaza la corredera y se establece la conexión entre el
contacto móvil y los contactos fijos, el muelle sufre una nueva compresión, compresión, hasta alcanzar la longitud L-(Cp+Ct). Esta carrera viene determinada, hasta cierto punto, por su presión P, que debe debe ser adecuad adecuada a para el perfecto perfecto funcion funcionamie amiento nto del contact contacto o correspo correspondie ndiente. nte. Por consiguiente, el electroimán deberá vencer el incremento de presión Pf-Pp, ya que la presión previa Pp es absorbida por las paredes de la corredera.
Figura 09. Acción de un muelle sobre los contactos auxiliares de reposo (normalmente abiertos) de un contactor. A) muelle. B) acción del muelle cuando no actúa el electroimán. C) acción del muelle cuando actúa el electroimán.
En los contact contactos os de reposo reposo (Fig. (Fig. 09), 09), tambié también n el resorte resorte se comprim comprime e previam previamente ente hasta L-Cp para ser introducido en su cámara. Aquí, la diferencia está en que su acción es de sentido contrario al anterior. En el primero (contactos (contactos de trabajo), la acción era opuesta a la del electroimán y se sumaba a la de los resortes antagonistas. Ahora sucede lo contrario, es decir, que la acción de los muelles de los contactos cerrados se suma a la acción del electroimán. Los contactos principales, debido a su capacidad, generalmente mayor que la de los contactos auxiliares, llevan resortes de mayor potencia, pero su comportamiento es el mismo
que en estos en lo que se refiere al trabajo: por lo tanto, el electroimán también deberá vencer su resistencia. La misión misión de los muel muelles les antag antagon onist istas as es lleva llevarr el marti martillo llo y sus acces accesori orios, os, juntamente con los contactos, a su posición de reposo en un tiempo mínimo: la acción de estos muelles se opone totalmente al esfuerzo del sistema magnético. Esta acción debe ser capaz capaz,, adem además ás de garan garantiz tizar ar una una apert apertura ura rápida rápida,, de vencer vencer el peso peso del del marti martillo llo y accesorios, si estos no actúan por gravedad, y la resistencia de los contactos normalmente cerrad cerrados, os, que que como como se ha visto visto anter anterior iorme ment nte, e, se opon oponen en a la acció acción n de los los muel muelles les antagonistas. Si sobre un eje de sistemas de coordenados, se representa en las ordenadas, las fuerzas en Kg, y en abscisas, los entrehierros en milímetro, y se determinan los valores de las las fuer fuerza zas s que que corr corres espo pond nden en a cada cada vari variac ació ión n del del entr entreh ehie ierro rro,, se obte obtend ndrá rá las las características de esfuerzo a la conexión del contactor. En la (fig. 10) se han representados estos valores en forma orientativas, se supone un contactor con un entrehierro de 6mm. Este contactor dispone de un contacto auxiliar cerrado y uno abierto, tres contactos auxiliares para fases y dos resortes antagonistas. antagonistas. Si se parte parte de la posición posición de máximo máximo entrehierro entrehierro (6mm), (6mm), se habrán habrán de vencer vencer los siguient siguientes es esfuerzos: 1. Peso Peso del martillo martillo y sus accesorio accesorios, s, aso como los los rozamient rozamientos os inherent inherentes es a ellos, esta esta resi resist sten enci cia a tend tendrá rá un valo valorr cons consta tant nte e dura durant nte e toda toda la cone conexi xión ón,, lueg luego o podr podrá á representarse por una recta en el eje de abscisas. 2. En el mism mismo o instan instante te en que que comien comience ce la cone conexió xión, n, los los resort resortes es antago antagonis nistas tas que se encuentran a su presión previa, continuaran comprimiéndose hasta alcanzar su presión final, cuando se anules el entrehierro del aparto. Este esfuerzo puede representarse por una recta que, para un entrehierro de 6mm tenga una ordenada que valga Pp y para un entrehierro nulo, tenga una ordenada que valga Pf.
Figura 10. Características Características de esfuerzo a la conexión de un contactor. 3.
Como se ha visto anteriormente, los resortes del contacto normalmente cerrado, actúan en el mismo sentido del electroimán. Si hasta ahora se han considerado positivos los esfuerzos a vencer por este, es indudable que los de aquel deberán ser negativos, ya
que actúan en sentido contrario. La representación grafica quedara entonces por debajo de la abscisa, es decir, en el cuadrante de ordenadas negativas. Estando el contactor abierto, la presión del resorte es la final pf luego para un entrehierro de 6mm, se tendrá la máxima ordenada negativa. En un punto intermedio de la carrera de cierre, el contacto cerrado quedara abierto y el resorte quedara bloqueado en su alojamiento a la presión previa Pp, dejando por lo tanto de actuar sobre el sistema magnético. 4. Siguiendo Siguiendo el electroimán electroimán su su carrera de cierre, se encontrara encontrara con la acción acción de los resortes de los contactos principales, comprimidos comprimidos en principio a la presión previa pp y que deben llegar a la presión final Pf cuando el entrehierro se anule. 5. Por Por últi último mo,, el elec electr troi oimá mán n debe deberá rá venc vencer er la acci acción ón de los los con contact tactos os auxi auxili liar ares es normalmente abiertos, cuya representación grafica será la misma que la de los contactos principales, principales, aunque los valores de sus presiones presiones mecánicas serán menores, debido a su menor capacidad.
Habiéndose representado las presiones mecánicas de los cinco elementos que interviene en el cierre cierre del del contac contactor tor,, ya es posib posible le dete determi rmina narr las las carac caracter teríst ística icas s mecán mecánica icas s del del electroimán, para lo cual se suman para cada valor del entrehierro, los valores instantáneos de las las presio presione nes s que que le corre corresp spon onda dan, n, esta esta carac caracter teríst ística ica del del apara aparato to así obten obtenida ida,, proporciona el criterio para determinar La acción que ha de realizar el electroimán y si este vine representada por las curvas que se indican en la (Fig.11), se pueden distinguir los casos siguientes:
1. La curva curva nume numero ro 1, que que conto contorne rnea a justam justamen ente te las caracte caracterís rístic ticas as de esfuerz esfuerzos, os, sin cortarla en ningún punto, es decir, aquella en la cual todos sus valores instantáneos, siendo mínimos, son en todo momento superiores a los de dicha características, se denomi denomina na caracter característic ísticas as estática estática de funcion funcionamie amiento nto del electroi electroimán mán y represen representa ta las condiciones ideales de trabajo. 2. La curva dos dos recibe el el nombre de característica característica dinámica dinámica y se diferencia diferencia de la anterior en en que sus valores instantáneos son menores, de tal forma que costa a la característica de esfuerzo cuando esta se incrementa por cierre de los contactos auxiliares. No obstante, como esta inserción se produce al final del recorrido del electroimán, es decir, estando
este animado por su máxima velocidad, su fuerza viva es suficiente para vencer este obstáculo, resistencia superior, y concluir con la conexión sin dificultades. 3.
La característica dinámica no es recomendable recomendable para trabajar, por motivos prácticos. Una baja de tensión tensión,, en un momento momento determinad determinado, o, ocasiona ocasionaría ría una disminu disminución ción de flujo, flujo, situando el funcionamiento del electroimán en la curva numero 3. En estas condiciones, se tendrían cortes en la característica de esfuerzos, antes de que la velocidad de cierre hubiera alcanzado su valor optimo. La fuerza viva del martillo del electroimán no seria suficiente para salvar estos cortes y el electroimán quedaría en una posición intermedia ″repiqueteando″.
Figura 11. Características de funcionamiento mecánico del electroimán de un contactor. lCaracterística estática. 2-Característica dinámica. 3-Característica dinámica con tensión baja. 4Característica real de funcionamiento.
4. En la práctica práctica se elige elige siempre siempre la curva curva numero numero 4. Como puede puede aprecia apreciarse, rse, todos todos los punto puntos s de esta esta carac caracter teríst ística ica,, son supe superio riores res a los los de la caract caracter eríst ística ica está estátic tica a y conservan un amplio margen de seguridad, respecto a dichas características. Su límite viene determinado por el calentamiento del conjunto magnético. Para el cálculo de la bobi bobina na,, se part parte e del del esfu esfuer erzo zo a venc vencer er como como un entr entreh ehie ierro rro máxi máximo mo y la curv curva a característica se va determinando punto por punto.
Entrehierro Permanente. Supongamos, figura 12, un núcleo magnético N en estado neutro, sometido a la acción del campo creado por una bobina B que se alimenta de un generador de corriente continua G, a través de un conmutador inversor Cl y de un resistencia de regulación R.
Figura 12. Esquema para la prueba del circuito magnético de contactores.
La corriente que circula por la bobina en cualquier momento, está expresada por
I =
E r + R
en cuya expresión, r representa la resistencia conjunta del circuito: bobina, bobina, generador, generador, conducto conductores, res, etc. Esta resistenci resistencia a es constant constante e y como como también también es constan constante te la fuerza fuerza electromotriz E, resulta que la intensidad de corriente I solamente depende de la resistencia variable R y, si se supone esta resistencia suficientemente grande ( R →
I ≈ 0 En estas condiciones, la intensidad del campo magnético
H = 1,25.
I . N l
=
0
∞ ) , se tiene que
Si se va reduciendo el valor de R, la intensidad irá aumentando aumentando proporcionalmente proporcionalmente y, también, la intensidad del campo magnético H. Cuando R =0, la intensidad de corriente I será máxima, siendo su valor
Im ax =
E r
La intensidad del campo magnético también será máxima y lo mismo ocurrirá con la inducción magnética del núcleo.
B max = µ .H max Sin embargo, a pesar de haber sido uniforme la variación de intensidad, la variación de la inducción inducción no lo es y sigue sigue la ley represent representada ada en la figura 13, desde desde B = 0 hasta B = Bmax, para valores del campo magnético comprendidos entre H = 0 y H = Hmax.
Figura 13. Ciclo de histéresis de material ferromagnético.
Cuando se llega al punto Hmax, se vuelve a actuar sobre la resistencia R, pero esta vez en sentido inverso, es decir, aumentando su valor. En estas condiciones, la intensidad de corriente.
I =
E r + R
Disminuirá a medida que aumente R y, a su vez, hará disminuir el valor del campo magnéti magnético co H. La inducción inducción B también también decrecerá, decrecerá, pero en lugar lugar de seguir la ley que había había marcado en su crecimiento, varía de forma distinta, con valores superiores a la primera, de tal forma que cuando la intensidad de corriente se anula y, por lo tanto, también se anula el campo magnético, aún conserva un valor
Br > 0
Deno Denomin minad ado o magn magneti etismo smo rema remane nente nte y, tambié también, n, inducc inducción ión residu residual al.. Es decir decir que, que, a pesar de no existir un campo magnético exterior, el núcleo permanece imantado, conserva parte del magnetismo que le proporcionó el campo magnético (efecto de histéresis). Si se invie invierte rte ahora ahora la posic posición ión del del conmu conmuta tado dorr C I de la figura figura 08, la corrie corriente nte recorrerá el circuito en sentido opuesto; si anteriormente se había considerado su sentido como positivo, ahora será negativo y la corriente valdrá, en general, - I; la intensidad de campo también resulta negativa respecto a la anterior. Repitiendo el experimento como al principio, se halla que para un valor creciente nega negativ tivo o de la inten intensid sidad ad de campo campo magn magnéti ético co desd desde e H = 0 hasta hasta H = - Hc, la induc inducció ción n conserva su valor positivo decreciente, decreciente, desde B = Br hasta B = 0. Es decir, se ha tenido que recurrir a hacer pasar una corriente inversa, capaz de crear un campo magnético opuesto al primero, primero, de valor valor H = Hc (fuerza (fuerza coerciti coercitiva), va), para neutrali neutralizar zar los efectos del magneti magnetismo smo remanente. remanente. Continuando el experimento, es decir, aumentando aumentando la corriente inversa hasta un valor máximo
− I =
E r
el valor de la inducción aumentará también hasta un máximo negativo -Bmax. Repitiendo el ciclo en sentido inverso, al disminuir el campo, en valor absoluto, la curva de inducción, lo mismo que ocurría en el primer cuadrante, se retrasa, de tal forma que para para el nuev nuevo o valor valor H = 0, se tiene tiene que B = - Br, es decir decir,, un magneti magnetismo smo reman remanen ente te de distinta polarización al anterior. El ciclo queda cerrado cerrado de -Br a Bmax, Bmax, pasando pasando por Hc, si se vuelve a acciona accionarr el conmutador C I y a disminuir la resistencia R. De una forma intuitiva, estos resultados pueden explicarse, teniendo en cuenta las siguientes consideraciones: se supone que el material está constituido por un número finito de imanes elementales. Al variar la intensidad del campo magnético de forma creciente, estos imanes van orientándose poco a poco, debiendo vencer su propia fuerza coercitiva y sus rozamientos intermoleculares; esto produce un retraso o desfase entre el efecto y la
causa (histéresis), similar al que se produce en mecánica debido a la inercia. Al disminuir el campo magnético, los imanes elementales tienden a ocupar sus posiciones primitivas pero, debido a las fuerzas de cohesión, no lo consiguen o solamente lo consiguen parcialmente. Al producirse la inversión del campo, lo primero que se consigue es hacerles ocupar estas posiciones, neutralizando el estado magnético residual (magnetismo remanente). Las consecuencias de estos ensayos sobre la constitución de la estructura magnética de un contactor, resultan de gran importancia, ya que de ellas depende su funcionamiento. Supo Supong ngam amos os al conta contacto ctorr en estad estado o de repos reposo; o; al hace hacerr circu circular lar una una corrie corrient nte e 1 por por la bobina, el núcleo se imanta y atrae a la armadura. De esta forma, el entrehierro pasa de un valor C = Cmax., a un valor C = 0; la reluctancia del circuito magnético, ha disminuido hasta un valor mínimo. Si en este momento, se anula la intensidad, es decir, se hace I = 0, la inducc inducción ión pasará pasará del del valor valor B = Bmax Bmax., ., al valor valor B = Br y este este magn magneti etism smo o reman remanen ente te es posible que resulte suficiente para mantener cerrado el aparato, a pesar de no tener excitada su bobina. Naturalmente, esta circunstancia constituye un gravísimo inconveniente para el normal funcionamiento del circuito eléctrico al que está conectado el contactor .
Figura 14. Entrehierro permanente.
Cierto es que, en corriente alterna, la corriente se invierte y en cada ciclo hay dos puntos en los que la inducción es exactamente igual a cero pero, en la práctica, resulta imposible fijar el corte de la corriente exactamente exactamente en esos dos puntos. La solución, tanto en corrie corriente nte contin continua ua como como en corri corrien ente te altern alterna, a, consis consiste te en dejar dejar perm perman anen entem temen ente te un pequeñ pequeño o entrehi entrehierro erro entre núcleo y armadu armadura ra (Fig. (Fig. 14) es decir, decir, aunque aunque el contact contactor or se encuentre cerrado, de tal forma que la reluctancia del circuito sea lo suficientemente elevada para que el magnetismo remanente resulte insuficiente para retener la armadura cuando la bobina no está excitada.
Espira de sombra. Se sabe que en corriente alterna, la intensidad de la corriente crece desde cero hasta un valor máximo positivo para anularse nuevamente; invierte su sentido, crece hasta un valor máximo negativo y se vuelve a anular, para repetir el ciclo completo (Fig. 15). El número de ciclos de la corriente industrial es de 60 por segundo, lo que quiere decir que, en dicho tiempo, la intensidad de corriente pasa 120 veces por su valor nulo. El flujo magnético depende de la intensidad de corriente y vale
φ = 1,256.µ .
I . N l
S = Bs
µ = permeabilidad magnética I = intensidad de la corriente
N = número de vueltas o de espiras de la bobina
l = longitud de una espira S = sección del núcleo magnético
El flujo magnétic magnético o es, por lo tanto, tanto, proporciona proporcionall a la intensid intensidad ad
de la corriente. corriente.
Además, está en fase con dicha corriente, tal como se expresa en la citada figura 15.
Figura 15. Valores de la corriente, flujo magnético y fuerza del electroimán. Por otra parte, la fuerza de atracción del electroimán es proporcional al cuadrado de la inducción, de acuerdo con la conocida expresión
F = 4 B2 S X 10 -8 Kg.
y, por lo tanto, también es proporcional al cuadrado del flujo
F
=
4.
φ 2
.10
−
8
S
Kg .
.y se puede representar como se indica en la parte inferior de la figura 09, es decir, con todas todas las las semio semiond ndas as posit positiva ivas. s. Pued Puede e aprec aprecia iarse rse,, por por consi consigu guien iente, te, que que la fuerza fuerza de atracción no tiene un valor constante, sino que es pulsatoria, ya que varía constantemente desde cero a un valor máximo y viceversa. Esta pulsación pulsación tiene una frecuencia de 120 Hz y, por lo tanto, en un segundo se anula 120 veces la atracción de la armadura armadura sobre el núcleo, cuando el contactor está excitado por corriente alterna. Dado que la fuerza de los resortes se opone a la acción del electroimán, en los momentos en que se anula la fuerza de atracción del electroimán, los resortes tienden a separar el núcleo de la armadura y, aunque no lo consiguen debido a la rapidez con que se restablec restablece e la fuerza fuerza de atracció atracción, n, logran logran hacerlo hacerlos s repique repiquetear tear,, produci produciendo endo un zumbid zumbido o
característico que, además de resultar desagradable, remacha las superficie de contacto, haciendo desaparecer desaparecer el entrehierro entrehierro con lo que el contactor acaba por no desconectar o por hacer hacerlo lo con con dific dificult ultad ad,, reduci reducien endo do de esta esta mane manera ra su vida vida mecá mecánic nica. a. Para Para evitar evitar los inconvenientes apuntados, se montan sobre las superficies de contacto de los núcleos, unas espiras en cortocircuito, denominadas espiras de sombra (Fig. 16).
Figura 16. Espiras de sombra
Al ser atravesada una espira por un flujo variable desde φ 1 a φ 2 , engendra en ella una fuerza electromotriz y, por lo tanto, una corriente, si está cerrado su circuito. En el caso de una espira de sombra, la variación de flujo se produce desde φ a
− φ
y, puesto que se
encuentr encuentra a en cortocirc cortocircuito uito,, circulará circulará una corriente corriente cuya cuya intensid intensidad ad será inversam inversamente ente proporcional a la impedancia de la espira; a su vez, esta corriente produce un flujo φ s cuyo comportamiento se estudia a continuación. Si se analizan los flujos magnéticos que actúan en el núcleo de un contactor provisto de espiras de sombra (Fig. 17), se llega a las siguientes conclusiones: el flujo principal φ ,
originado por la bobina, se divide en dos partes que son proporcionales a la superficie, la φ ′
que pasará por el interior de la espira, y la φ " que lo hará por su parte exterior o superficie restante.
Figura 17. Flujo Magnético actuando sobre las espiras de sombra.
Como puede apreciarse en la figura 17, el flujo φ ′ se suma geométricamente con el flujo
φ s
creado por la espira, dando lugar a un flujo φ 1 resultante, en el interior de la espira;
también se sumará geométricamente geométricamente el flujo φ
″
con
− φ s / 2
ya que el flujo en el exterior de
la espira es solamente la mitad y de dirección opuesta al del interior: llamaremos φ 2 al flujo resultante correspondiente. Por consiguiente, la atracción del núcleo será la resultante de las atracciones debidas a los tres flujos considerados, es decir, φ , φ 1 y φ 2 . Si en la (figura 18) se representa por O I la dirección de la corriente que circula por la bobina, O φ será la representación del flujo principal φ que, como sabemos, está en fase con dicha corriente. Este flujo engendra en la espira de sombra, una fuerza electromotriz inducida desfasada -90°. La corriente que esta fuerza electromotriz origina, forma un ángulo –α .con ella, debido a la inductancia propia de
la espira, y el flujo secundario
φ s
, en fase con dicha corriente, forma un ángulo con el flujo
principal φ
β= (90+α) °
Que puede llegar a valer unos 120° Por consiguiente, en el interior de la espira se tiene la suma geométrica de este flujo
φ s
y de φ ′ que vale, aproximadamente φ ′ ≈ 0.7 φ , siendo φ 1 el flujo resultante. En la parte
exterior de la espira, el flujo
φ s
cual vale, aproximadamente φ
es de sentido opuesto y vale -0,5
″≈
φ s
que sumado con φ ″, el
0.3 φ , da como flujo resultante, el φ 2 .
Figura 18. Diagrama Diagrama vectorial vectorial de los flujos magnéticos magnéticos que actúan actúan en el núcleo núcleo de un contactor contactor provisto de espiras de sombra.
Figura 19. Diagrama senoidal de los flujos magnéticos que actúan en el núcleo de un contactor provisto de espiras de sombra.
Si se representan estos tres flujos sobre unos ejes coordenados (Fig. 19), se puede determinar, determinar, en cada instante su valor y situación. situación. De la misma forma, se pueden representar las respectivas fuerzas de atracción (Fig. 20) y su resultante que, como puede apreciarse es también pulsatoria pero no se anula en ningún momento e, incluso, resulta superior a la fuerza de atracción sin espira de sombra.
Figura 20. Fuerzas portantes parciales y total de un contactor provisto de espiras de sombra.
Análisis de un Circuito Magnético con Entrehierro. El análisis de un núcleo con entrehierro requiere realizar las siguientes suposiciones:
No existen perdidas óhmicas en los cables del embobinado La curva B-H es lineal, donde la permeabilidad permeabilidad del núcleo definida como es mucho mayor que la del aire
( µ m 〉 〉 µ 0 )
µ m
µ 0 = µ r . µ
.
La longitud media del recorrido del flujo magnético en el núcleo debe ser mucho mayor que la longitud del entrehierro (lm>>lg) y el área de la sección transversal debe ser mucho mayor que el cuadrado de la longitud del entrehierro (A>>lg2). No se considera el efecto marginal, y se considera que el flujo es uniforme en toda la sección transversal del núcleo.
Para un núcleo compuesto, la ley de Ampere se expresa de la siguiente manera:
∑ Hk .lk = N .i k
(1)
Donde el subíndice k se refiere al número de medios en el núcleo. Debido a que existen dos medios, el del núcleo y el del aire, la expresión anterior se puede reducir a lo siguiente
Hm.lm + Hg . lg = N .i
(2)
Donde: Hm es la intensidad de campo magnético del núcleo Hg es la intensidad del campo magnético del entrehierro lm es la longitud media del núcleo lg es la longitud del entrehierro
N es el número de vueltas del embobinado i es la corriente que fluye por el cobre. La fuerza magnetomotriz es F = N .i , y el medio del núcleo y el medio del entre hierro pueden ser representados por sus respectivas reluctancias.
Figura 21. a) Circuito Circuito magnético con entrehierro. b) Análogo Análogo eléctrico
El valor de las reluctancias Rm y Rg son calculadas por separado, considerando la longitud media del núcleo, el área de sección transversal y la permeabilidad permeabilidad de la ferrita para la primera, y la longitud lg del entrehierro, el áreas sin considerar un posible efecto marginal y la permeabilidad del medio (aire) para la segunda.
Debido a la condición de flujo continuo, podemos establecer que la densidad de flujo magnético por unidad de área del núcleo (Bm.Am) es igual a la del aire (Bg.Lg), tal como se indica en la expresión:
Bm.A=Bg.A= φ
(3)
Donde Bm es la densidad del flujo magnético del núcleo Bg es la densidad de flujo magnético en el entrehierro
al encontrarnos en la sección lineal de la curva B-H, podemos expresar a la densidad de flujo magnético en términos de la intensidad de campo magnético de la siguiente manera
µ 0 . Hg = Bg (4)
µ 0 . Hg = Bg
y
(5)
Figura22. a) Relación Relación B-H B-H núcleo sin sin entrehierro. entrehierro. b) Relación Relación B-H B-H núcleo con con entrehierro entrehierro
Si despejamos la intensidad de campo magnético Hm y Hg de las ecuaciones (3) y (4), y las sustituimos en la ecuación (2), obtenemos lo siguiente
lm lg + = N .i m µ µ 0
Bm.
(6)
Sabiendo que Bm=Bg podemos agrupar y despejar Bm (o Bg) considerando que esta densidad de flujo magnético es menor a la densidad de flujo magnético de saturación Bs, de la curva de magnetización. Al agrupar Bm obtenemos la siguiente expresión
Bm =
N .i lm + lg
= N .i
(7)
Al desp despeja ejarr la densi densida dad d del flujo flujo magn magnét ético ico Bm y sustit sustitui uirla rla en la ecuaci ecuación ón (3) obtendremos lo siguiente
Bm =
N .i lm / µ m + lg/ µ 0
=
φ A
(8)
La expresión anterior para la densidad de flujo magnético es muy importante, ya que nos nos dice dice que que para para deter determi mina nado do ampe amperere-vue vuelta lta,, la densi densida dad d de flujo flujo de un núcle núcleo o con con entrehierro será menor que la densidad de un núcleo sin entrehierro. Esto quiere decir que la densidad de flujo magnético de saturación es menor para el caso del núcleo con entre hierro. la introducción de un entrehierro en un circuito magnético proporciona una menor pendiente a la curva de magnetización, reduciendo la posibilidad de saturación para fuerzas magneto motrices mayores.
por definición, la autoinducción de un devanado es el cociente entre el flujo que lo atraviesa creado por su propia corriente y la intensidad de esta
L =
N .φ i
Si sustituimos el flujo magnético de la ecuación (8) en la expresión anterior, obtenemos que la inductancia está dada por
L =
N 2 . A lm / µ m + lg/ µ 0
=
N 2 R
(9)
Podemos indicar el valor de la Reluctancia
R =
R
lm
+
lg
µ m. A µ 0 . A
= Rm + Rg
(10)
(11)
Donde R es la reluctancia equivalente del circuito magnético obtenida de la suma de las reluctancias Rm y Rg. De esta manera obtenemos un valor de la reluctancia igual a la suma de la reluctancia del núcleo y la reluctancia del entrehierro.
Análisis de circuito magnético para núcleo tipo E Se puede puede obtener obtener a partir partir del mismo análisis análisis anterior anterior una ecuació ecuación n similar similar para núcleo tipo E. Para esto se supondrá que el núcleo es simétrico y que las áreas de sección transversal de cada pierna son iguales
Figura 23. a) Circuito Circuito magnético magnético con entrehierro con núcleo tipo E. E. b) Análogo Análogo eléctrico. eléctrico. c) Análogo eléctrico reducido
Este Este circu circuito ito se pued puede e repres represen entar tar por por medi medio o de su anál análog ogo o eléctr eléctrico ico,, dond donde e la
reluctancia Rm es la reluctancia de cada uno de los recorridos de los flujos magnéticos φ 1,
φ 2, φ 3. La reluctancia Rg corresponde a la reluctancia del entrehierro.
La reluctancia equivalente para el núcleo tipo E es:
Re =
3 2
Rm +
3 2
Rg
(12)
Re =
lm' =
lm' + lg µ m. A µ 0. A
( L3
+ L4 + L5 + L6 ) +
(13)
( L10
+ L9 ) +
( L1 + L2
+ L7 +
3
L8 ) (14)
Donde Re es la reluctancia equivalente del circuito magnético
lm' es el promedio de las tres longitudes de cada recorrido de los flujos ∅1,∅2,∅3
lg es la longitud del entrehierro
μm Es la permeabilidad del núcleo sin entrehierro ( μr×μ0)
A es el área de sección transversal efectiva
Por otro lado en los circuitos de corriente alterna se producen pérdidas por corrientes parasitas y perdidas por histéresis magnética que hay que tener en cuenta para el cálculo del esfuerzo a la conexión de un contactor.
Experim Experimenta entalmen lmente, te, se ha demostr demostrado ado que la energía energía de perdida perdida por histéres histéresis is magnética viene dada por la siguiente expresión.
PH=ε .f. B². G×10¯¹° vatios.
ε: coeficiente que depende del material empleado. f : Frecuencia de variación del campo magnético, en Hz. B: inducción magnética en Gauss. G: Peso del material magnético, en gramos.
A las corri corrien entes tes induc inducida idas s en el núcle núcleo o magn magnéti ético co se las deno denomin mina a corri corrien entes tes parasitas o también corriente de Foucault. Experimentalmente, se ha demostrado que las pérdidas de energía debidas a las corrientes parasitas, están expresadas por
Pf = σ 1,256 f² f² B² G ×10¯¹² vatios
: coeficientes que dependen del material empleado..
f : Frecuencia de variación del campo magnético, en Hz. B: inducción magnética en Gauss. G: Peso del material magnético, en gramos.
CONCLUSIONES
Lueg Luego o de reali realiza zarr el análi análisis sis del del circui circuito to magn magnéti ético co con entre entrehie hierro rro del del contac contactor tor electromagnético electromagnético de núcleo tipo E, logramos determinar los comportamientos comportamientos de la corriente de la bobin bobina a en funció función n de la reluc reluctan tancia cia del del núcle núcleo. o. Finali Finaliza zand ndo o con las las siguie siguiente ntes s relaciones, la inductancia de la bobina tiene una relación inversamente proporcional al valor de la reluctancia del núcleo con entrehierro, siendo el núcleo fijo, la reluctancia aumenta cuando cuando la longitud longitud del entrehie entrehierro rro es mayor, como ocurre ocurre cuando cuando el contact contactor or esta en reposo, es decir desenergizado, en este momento la longitud del entrehierro es la máxima, por tanto la reluctancia es la más alta y la inductancia tendrá su menor valor. Al energizar la bobina, como la inductancia está en su menor valor, la corriente va ser la máxima, se genera el campo campo magn magnéti ético co que que atrae atrae al marti martillo llo o parte parte móvil móvil,, se cierra cierran n los contac contactos tos y el entrehierro se reduce al mínimo con lo cual la reluctancia también disminuye, la inductancia
aumenta y la corriente disminuye al valor mínimo con la que el contactor se mantiene atraído y sus contactos cerrados. Según este funcionamiento cuando un contactor no cierra completamente la corriente que que circ circul ula a por por la bobi bobina na va a ser ser may mayor que que la de man manteni tenimi mien ento to ocas ocasio iona nand ndo o recalentamientos en el conductor de la bobina acarreando daños irreparables en la misma.
BIBLIOGRAFIAS
•
MANIO MANIOBRA BRA,, MANDO MANDO Y CONTR CONTROL OL ELECTR ELECTRICO ICOS. S.
Encic Enciclo lope pedia dia CEAC CEAC De
electricidad, electricidad, Segunda Edición Edición Febrero 1978. Autores: D. Enrique Enrique Oños Prados (Ing. Técnico en Electrónica), Electrónica), D. José Ramírez Ramírez Vázquez Vázquez (Perito Industrial), Industrial), D. Francisco Ruiz Vasallo (Técnico en Electrónica). Con la colaboración colaboración de D. Francisco Pecanins Pecanins Valles (Perito Industrial). Industrial). •
CIRCUITOS MAGNETICOS Y TRANSFORMADORES. Editorial Reverte. E.E. Staff. M. I. T.
•
http://www.google.ca/search?sourceid=navclient&ie=UTF8&rlz=1T4GPEA_enCA302CA302&q=manual+telesquemario+telemecanique .
•
http://www.sencamer.gob.ve/sencamer/action/normas-find .
(NOR (NORMA MAS S
COVE COVENI NIN N
863:1976). •
http://www.nichese.com/electro.html
•
http://www.unav.es/adi/UserFiles/File/80969755/diciembre_09_10.pdf
•
http://iecon02.us.es/~leopoldo/Store/tsp_11.pdf
•
http://www.netcom.es/pepeele/electromagnetismo_a.html
•
http://personal.us.es/boix/uploads/pdf/electromagnetismo/entrehierros_prot.pdf
•
http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/magnetico/cMagnetico.html
•
http://ircpvl.8m.com/fisica/e-maxwell.htm
•
http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lem/moyaho_l_i/capitulo3.pdf
•
http://www.frbb.utn.edu.ar/electronica/5-quinto/tecno-elec/notascurso/UT6TEC/C3LA.PDF
•
http://www.sapiensman.com/electrotecnia/transformador_electrico2.htm
•
http://books.google.co.ve/books? id=8x45l9XSLhgC&pg=PA203&lpg=PA203&dq=entrehierro+tipo+e+bobinas&source=bl&ots= oDwIY71p8&sig=RMbMK14V2JTHucP7HkbtbbS23iU&hl=es&ei=5jPsTfCXLo6ztwfZ3eXtAQ&sa=X&oi=book _result&ct=result&resnum=10&ved=0CE4Q6AEwCQ#v=onepage&q=entrehierro%20tipo %20e%20bobinas&f=false
•
http://www.monografias.com/trabajos26/electromagnetismo/electromagnetismo.shtml
•
http://hosting.udlap.mx/profesores/luisg.guerrero/Cursos/IE380/Apuntesie380/ArchivosPDF/ca pitulo1IE380.pdf
•
http://www.monografias.com/trabajos83/contactores-reles-interruptores partidores/contactores-reles-interruptores-partidores.shtml
•
http://fis.ucv.cl/docs/campo%20magnetico.pdf
ANEXOS
Partes del contactor electromagnético
Representación simbólica de los polos y los contactos auxiliares
Foto de contactor marca ASEA
Foto de núcleo tipo E y bobina
