MANUAL DE FORMACION COMANDO ELECTRICO INDUSTRIAL
EDUARDO ASTETE HUENUMILLA DOCENTE SEDE CHILLAN 2013
INTRODUCCION Comando eléctrico o el control de accionamiento de motores eléctricos es la metodología de energizar equipos de potencia a través de un control semiautomático de lógica cableada. El presente manual tiene por fin entregar una visión general y actualizada del comando eléctrico de potencia, con un énfasis en las bases para el desarrollo y diseño de un circuito de comando. En forma general la lógica de control para un motor eléctrico se establecen dos órdenes Partir y Parar, pero estas solo deben realizarse si se han considerado los riesgos para las personas, los equipos y el medioambiente. Los riegos para las personas deben incluir al usuario u operario de un sistema de control, a los mantenedores y a cualquier persona que pueda tener relación con el sistema de control desarrollado gracias a la lógica de control. Al considerar riesgos a los equipos, son las maquinarias que se activaran con el sistema de control incluido el propio motor eléctrico.
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CAPITULO 1. EQUIPOS DE POTENCIA Desde el punto de vista de variación de la corriente definiremos dos tipos de cargas, cargas fijas y cargas variables. 1.1 CARGAS FIJAS Son aquellas que a un voltaje constante, siempre consumen la misma intensidad de corriente, calefactores industriales, generalmente cargas asociadas a resistencia e iluminación. Ejemplo, si obviamos alguna variación de resistencia interna de la ampolleta incandescente, diremos que una ampolleta siempre consume el mismo valor de corriente, donde: Ampolleta de 100 (W) I = P = 100 (W) = 450 (mA) V 220 (V) 1.2 CARGAS VARIABLES Son aquellas que a un voltaje constante, varían la intensidad de corriente de consumo, en directa proporción a la carga. Ejemplo, un motor eléctrico, mientras más carga se le aplica a su eje, mas corriente consumirá, diremos que un motor de 10 KW trifásico, consume a plena carga aproximadamente 20 (A) en valores aproximados. Motor Jaula de ardilla
Plena Carga: In x 100% = 20 (A) x 100% =20 (A) Diremos que como se comporta una carga eléctrica es uno de los puntos que define generalmente el control de comando eléctrico de una carga. Es necesario entonces conocer una de las cargas más comunes, el motor Asincrónico Jaula de Ardilla, ya que estadísticamente consume el 90% de la potencia en una industria y por la tanto la mayoría de los circuitos de comando eléctrico están desarrollados para este tipo de motor.
1.3 MOTOR ASINCRONICO
Debe su nombre a que no esta en sincronía la velocidad del campo magnético giratorio con la velocidad del rotor, a esta diferencia se le denomina deslizamiento. N= 120 x f = rpm P
S= Ns – Nr x 100 = S % Ns
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Este motor tiene grandes ventajas comparativas con otro tipo de motores, un alto torque de arranque, velocidad constante, fácil mantención y un costo menor. Pero tiene desventajas, una alta corriente de arranque y el control de velocidad a un torque constante. 1.3.1 CORRIENTE ARRANQUE El motor asincrónico durante el arranque se comporta como un transformador con el secundario en corto circuito, ya que el rotor jaula al estar en cortocircuito tiene una muy baja resistencia, lo que genera una alta corriente de inicio. A medida que el deslizamiento alcanza su valores normales (2%-3%) la resistencia del rotor aumenta, llevando a la corriente a valores dentro de rangos nominales. Esto también genera un alto torque de arranque. Resistencia variable del rotor en función del deslizamiento. R2
1-S S
, donde S es el deslizamiento
Circuito Equivalente
Curva de Arranque de un Motor Asincrónico.
La corriente de arranque genera perturbaciones importantes en los sub-alimentadores y alimentadores de una instalación de fuerza, caídas de voltajes importantes, que en el peor de los casos disparan protecciones generales, que desconectan equipos paralelos con la generación de tiempos muertos de producción inesperados en una industria. Se ha desarrollado diversos métodos, para reducir la corriente de arranque de un motor asincrónico generalmente basados en la reducción de voltaje, entre los cuales están, Arranque con Resistencia estatorica, Arranque con Autotransformador, Arranque Estrella-Triangulo y en la actualidad equipos de electrónica de potencia como, arrancadores suaves. A los cuales nos referiremos mas adelante.
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1.3.2. VARIACIÓN DE UN MOTOR ASINCRONICO La velocidad sincrónica es prácticamente constante en el motor, la velocidad del rotor esta dada por el porcentaje del deslizamiento y la carga acoplada el eje, pero la velocidad del rotor depende de la velocidad sincrónica, es decir si la velocidad sincrónica aumenta o disminuye la velocidad del rotor también lo hará, según: Ns = 60 x f = (rpm) Pp La forma de variar la velocidad del motor según la ecuación anterior es cambiando el valor de la frecuencia de alimentación al motor, aunque se debe tener una relación V/F constante para mantener un flujo constante en el motor y la vez un torque constante distintas velocidades. Esta variación se realiza con un equipo de electrónica de potencia, denominado Variador o Convertidor de Frecuencia, por lo tanto este equipo no solo varía la frecuencia también el voltaje. Como se ha insinuado el funcionamiento del motor asincrónico o de cualquier otro motor o carga es lo que define un circuito de comando eléctrico, por lo tanto comprender el funcionamiento de un carga es de vital importancia, sí se desea diseñar un circuito de comando eléctrico.
CAPITULO 2. APARATOS DE MANIOBRA Según la Norma NCH 4/2003 un aparato eléctrico, es el elemento de la instalación destinado a controlar el paso de la energía eléctrica. Desde el punto de vista de comando eléctrico existen aparatos de potencia y aparatos de control.
2.1 APARATOS DE POTENCIA Son aquellos que controlan directamente las cargas eléctricas, generalmente motores. Por lo tanto se deben considerar criterios de selección de un aparato de maniobra y potencia, es decir no solo la corriente Nominal de la carga determina la elección de un aparato de maniobra también influirá el comportamiento de dicha carga tanto en forma intrínseca como en forma práctica.
En la elección de un aparato de maniobra consideraremos los siguientes puntos básicos: Ie: Corriente Nominal de Trabajo Ve: Voltaje Nominal de Trabajo Ith: Corriente de Sobrecarga Clase de Trabajo: AC1,2,3,4 Sin lugar a dudas lo que determina la elección de un aparato de potencia es la corriente Nominal de la carga, pero también influirá el número de conmutaciones, la corriente de conexión de una carga, nivel de cortocircuito de un sistema entre otros.
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Los aparatos de maniobra de potencia más comunes son los siguientes:
2.1.1 CONMUTADOR
Dispositivo usado en control manual de motores, puede realizar una simple conexión hasta una conmutación estrella triangulo. Están limitados en la potencia de trabajos que pueden conmutar, según el tamaño de sus contactos, clase de trabajo y tiempo de conmutación manual.
2.1.2 SECCIONADOR
Aunque en se tiene una visión generalmente como un elemento de protección, este dispositivo está destinado a realizar la apertura y cierre de un circuito de potencia sin carga. Aunque en la actualidad existen seccionadores en carga, su concepto es realizar la apertura de circuitos de forma que permita realizar trabajos de mantenimiento o simplemente que los equipos no sean operados en forma involuntaria, inclusive en algunos se puede bloquear su estado con un candado en algunos modelos.
2.1.3 CONTACTOR
Es el aparato de potencia principal de un circuito de fuerza de comando y lo podemos definir de manera simple como un interruptor trifásico electromagnético con el fin de cerrar o abrir un circuito eléctrico de fuerza. El contactor electromagnético es un aparato mecánico de conexión controlado mediante electroimán y con funcionamiento todo o nada. Cuando la bobina del electroimán está bajo tensión, el contactor establece el cambio de estado de sus contactos o polos estableciendo a través de dichos polos un circuito entre la red de alimentación y el receptor. El 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: – rotativo, girando sobre un eje, – lineal, deslizándose en paralelo a las partes fijas, – una combinación de ambos. Cuando se interrumpe la alimentación de la bobina, el circuito magnético se desmagnetiza y el contactor se abre por efecto de: – los resortes de presión de los polos y del resorte de retorno de la armadura móvil, – la fuerza de gravedad, en determinados aparatos (las partes móviles recuperan su posición de
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partida).
El contactor ofrece numerosas ventajas, entre las que destacan la posibilidad de: – interrumpir las corrientes monofásicas o polifásicas elevadas accionando un auxiliar de mando recorrido por una corriente de baja intensidad, – funcionar tanto en servicio intermitente como en continuo, – controlar a distancia de forma manual o automática, utilizando conductores de sección pequeña o acortando significativamente los cables de potencia, – aumentar los puestos de control y situarlos cerca del operario. A estas características hay que añadir que el contactor: – es muy robusto y fiable, ya que no incluye mecanismos delicados, – se adapta con rapidez y facilidad a la tensión de alimentación del circuito de control (cambio de bobina), – garantiza la seguridad del personal contra arranques inesperados en caso de interrupción de corriente momentánea (mediante pulsadores de control), – facilita la distribución de los puestos de paro de emergencia y de los puestos esclavos, impidiendo que la máquina se ponga en marcha sin que se hayan tomado todas las precauciones necesarias, – protege el receptor contra las caídas de tensión importantes (apertura instantánea por debajo de una tensión mínima), – puede incluirse en equipos de automatismos sencillos o complejos.
Composición de un contactor electromagnético
2.1.3.1 El Electroiman
El electroimán es un elemento del contactor. Sus elementos más importantes son las chapas magneticas y la bobina. Se presenta bajo distintas formas en función del tipo de contactor e incluso del tipo de corriente de alimentación, alterna o continua. El circuito magnético incluye un entrehierro reducido en posición “cerrado” que evita que se produzcan remanencias. Se obtiene retirando el metal o intercalando un material amagnético. El recorrido de llamada es la distancia que media entre la parte fija y la parte móvil del circuito cuando el contactor está en reposo. El recorrido de aplastamiento es la distancia que media entre ambas partes cuando los polos entran en contacto.
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Los resortes que presionan los polos se comprimen durante el recorrido de aplastamiento y hasta el final del mismo.
2.1.3.2 Nucleo fijo y movil Características – chapas de acero al silicio unidas mediante remache o soldadura, – circuito laminado para reducir las corrientes de Foucault que se originan 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 anillos de desfase, o espiras de Frager, que generan en una parte del circuito un flujo decalado con respecto al flujo alterno principal. Con este mecanismo se evita la anulación periódica del flujo total, y por consiguiente, de la fuerza de atracción (lo que podría provocar ruidosas vibraciones).
2.1.3.3 LA BOBINA
La bobina genera el flujo magnético necesario para atraer la armadura móvil del electroimán. 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 de los circuitos magnéticos y los choques electromagnéticos que se 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 sobremoldeadas.
2.1.3.4 LOS POLOS
La función de los polos consiste en establecer o interrumpir la corriente dentro del circuito de potencia. Están dimensionados para que pase la corriente nominal del contactor en servicio permanente sin calentamientos anómalos. Consta de una parte fija y una parte móvil. Esta última incluye 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. 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 corriente alterna (servicio intensivo, AC-3, AC-4, etc.) y permiten realizar aparatos compactos. Los contactos de simple corte suelen incluir un dispositivo apagachispas magnético. Se recomienda utilizarlos para cortar corrientes continuas y para aplicaciones con servicio severo. Los polos ruptores, utilizados para resolver determinados problemas de automatismo, funcionan al contrario que los polos normales: los contactos se encuentran en estado pasante cuando el electroimán de control no está bajo tensión, y no pasante cuando recibe alimentación.
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2.1.4 CRITERIO DE SELECCIÓN DE UN CONTACTOR Un mismo contactor puede conmutar cargas resistivas e inductivas pero para a diferentes niveles de corriente, para esto se definen categoríasde empleo de un contactor en C.A. y C.C.
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2.1.5 ESPECIFICACIONES TECNICAS DE UN CONTACTOR o APARATO DE POTENCIA Todos los aparatos de maniobra de potencia eléctricas especifican en una placa de datos, diferentes valores y datos técnicos, algunos de los cuales se detallan a continuación.
2.1.5.1 TENSION NOMINAL DE AISLAMIENTO Ui. Es el valor de tensión que sirve de base para el diseño y al que se refieren los ensayos dieléctricos, distancias de aislamiento y líneas de fuga. 2.1.5.2 TENSION NOMINAL DE EMPLEO Ue. Es aquella tensión que combinada con una intensidad nominal de empleo, determina la aplicación del aparato. Por tal motivo, para diferentes servicios y categorías de empleo, a un aparato se le podrán asignar varias combinaciones de tensiones nominales de empleo e intensidades nominales de empleo, pero sin que aquella sobrepase la tensión nominal de aislamiento.
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2.1.5.3 TENSION DE RESTABLECIMIENTO Ur. Tensión que aparece entre los bornes de un polo contactor después de la interrupción de la corriente y cuyo valor y duración dependen de la naturaleza del circuito eléctrico.
2.1.5.4 INTENSIDAD NOMINAL TÉRMICA Ith Es la máxima intensidad que un contactor puede soportar en servicio de 8 horas, sin que el calentamiento de sus diversas partes sobrepasen los límites prescritos por las normas. Puesto que no realiza maniobras de cierre y corte, su valor no depende de la naturaleza de la corriente ni el tipo de carga. 2.1.5.5 INTENSIDAD NOMINAL DE EMPLEO Ie. Es el valor de la intensidad definida por las condiciones de la aplicación; tiene en cuenta: la tensión nominal, la frecuencia nominal, la clase de servicio, la categoría de empleo, la duración de los contactos y el tipo de envolvente. 2.1.5.6 SOBREINTENSIDAD Es toda intensidad superior a la intensidad nominal, cualquiera sea la causa que la origina. Básicamente, existen dos tipos de sobreintensidad: 2.1.5.7 SOBREINTENSIDAD POR SOBRECARGA Su origen no se debe al fallo del circuito eléctrico, sino a un aumento de las cargas mecánicas aplicadas. Suelen ser de poco valor, aunque si persisten durante mucho tiempo puede ocasionar daños en el circuito eléctrico. 2.1.5.8 SOBREINTENSIDAD POR CORTOCIRCUITO Es la debida a un fallo de aislamiento del circuito eléctrico, con lo que se origina una fuerte y brusca sobreintensidad que destruiría el circuito eléctrico afectado. 2.1.5.9 PODER DE CIERRE O INTENSIDAD DE CIERRE Es el valor de la intensidad eficaz que un contactor es capaz de establecer sin soldadura ni desgaste exagerado de los contactos ni emisión excesiva de llamas, bajo una tensión dada y en condiciones prescritas de empleo y funcionamiento. Su valor no influye en la determinación de la endurancia eléctrica. 2.1.5.10 PODER DE CORTE O INTENSIDAD DE CORTE Es el valor de la intensidad eficaz que un contactor es capaz de interrumpir sin desgaste exagerado de los contactos ni emisión excesiva de llamas, bajo una tensión dada y en las condiciones prescritas de empleo y de funcionamiento. Su valor no influye en la determinación de la endurancia eléctrica.
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2.1.5.11 CLASES DE SERVICIO Se consideran las siguientes clases de servicio en función del tiempo que el contactor permanezca conectado pasando corriente por los contactos principales: Servicio de 8 horas Los contactos permanecen cerrados un tiempo suficientemente largo para que se alcance el equilibrio térmico, pero no superior a 8 horas sin interrupción, mientras circula por ellos una intensidad constante. Servicio continuo o Ininterrumpido Los contactos permanecen cerrados durante un tiempo superior a 8 horas, mientras circula por ellos una intensidad constante. Servicio periódico intermitente o servicio intermitente Sucesión de ciclos iguales, compuesto cada uno por un tiempo de conexión y un tiempo de desconexión, siendo la duración de cada tiempo insuficiente para alcanzar el equilibrio térmico. Según el número de ciclos/hora, se establecen las siguientes clases: -
Clase Clase Clase Clase Clase Clase
0,03 : 3 ciclos/hora 0,1 : 12 ciclos/hora 0,3 : 30 ciclos /hora 1 : 120 ciclos/hora 3 : 300 ciclos /hora 10 : 1200 ciclos/hora
Servicio temporal Este servicio se combina con diferentes valores del factor de marcha. Los contactos permanecen cerrados durante un tiempo insuficiente para alcanzar el equilibrio térmico, seguido de un tiempo de reposo suficiente para que adquieran la temperatura ambiente. 2.1.5.12 FACTOR DE MARCHA % ED Es la relación, expresada en %, entre el tiempo de marcha y el tiempo total de un ciclo. % ED = Tiempo de marcha x 100 Tiempo del ciclo
2.1.5.13 ENDURANCIA MECANICA Número de ciclos de maniobra en vacío, antes de proceder a la sustitución de partes mecánicas.
2.1.5.14 ENDURANCIA ELECTRICA Número de ciclos de maniobra en carga, con los valores nominales de intensidad, tensión y frecuencia, en su respectiva categoría y clase, antes de proceder a la sustitución de los contactos.
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2.1.5.15 CONTACTO DE TRABAJO (normal abierto) (NA) Contacto abierto cuando el circuito de mando está sin tensión y que cierra cuando el contactor es accionado. Designado por norma por los números 3 – 4. 2.1.5.16 CONTACTO DE REPOSO (normal cerrado) (NC) Contacto cerrado cuando el circuito de mando está sin tensión y que abre cuando el contactor es accionado. Designado por norma por los números 1 – 2.
2.1.6 RELE Aunque pueden activar cargas en forma directa esta limitado por su valor de corriente comparado con un contactor, los reles cumplan una función más bien de control y funciones especiales, como; temporizador, contador, set-reset, entre otros, además asociados a un mecanismo de protección como sobrecarga, asimetría, secuencia de fase, subtensión o sobretensión, subcorriente entre otros. Al existir la gran diversidad, describiremos los mas habituales; rele de control, rele temporizador y rele contador. 2.1.6.1 RELE DE CONTROL
El tratamiento de señales eléctricas se basa generalmente en dos técnicas; lógica cableada y lógica programada. En ambos casos los reles de control juegan un papel importante. Las funciones más importantes que desarrollan los reles son: - Multiplicación de las señales eléctricas - Tratamiento en paralelos de los circuitos de lógica cableado con adaptación de voltajes. Están compuestos de una base de rele y el rele propiamente tal, dentro de las bases se clasifican por la composición de sus pines; base con pines separados, base con pines mezclados, base con pines faston, base con pines cilíndricos, siendo este último el mas común.
Mezclados
Separados
Cilindrico Octal Cilindrico Undecal
Sus contactos son generalmente del tipo inversor (NANC). Cuando un rele cuenta con dos contactos NANC, se denomina octal y cuando el rele cuenta con tres contactos NANC se denomina undecal.
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Los reles también tienen funciones especiales de temporización, contador, Set-Reset, Telerruptor, nivel, etc e inclusive de protección. Definiremos las funciones mas comunes de temporización y contador.
2.1.6.2 RELE TEMPORIZADOR
Un rele temporizador es un aparato de control que esta diseñado para temporizar eventos en sistemas de control abriendo o cerrando contactos antes, durante o después del periodo de tiempo preajustado. Sus aplicaciones mas comunes son alarmas, arranque estrella triangulo, secuencias de trabajos, etc. Utilizan contactos tipo relé o tipo inversor NANC, con un punto común (N°15). Los periodos de tiempo que pueden ser ajustados a esto se le denomina rango de temporización estos se pueden regular desde milisegundos hasta horas, dicho ajuste se realiza configurando escalas a través de set-point regulables. Los temporizadores pueden cumplir diferentes funciones, siendo las mas comunes retardo a la conexión (On – Delay) y retardo a la desconexión (Off – Delay). La forma de comprender el funcionamiento de un rele temporizador es gracias a los diagramas de tiempo. Diagramas de Tiempo
Retardo a la Conexión
Retardo a la Desconexión
Retardo a la Conexión: Al aplicar tensión al temporizador, la excitación del relé viene despues que transcurre el tiempo ajustado. El relé se desexcita al cortar la alimentación Retardo a la Desconexión: Al aplicar tensión al temporizador, la excitación del relé es inmediata. Transcurrido el tiempo ajustado, el relé se desexcita. Aunque existen diversas funciones, como por ejemplo rele temporizador Y-∆, para la comprensión efectiva del funcionamiento debe ser comprendido su diagrama de tiempo. Según el principio de funcionamiento interno de los temporizadores pueden ser: magnéticos, neumáticos, cronométricos, con motor sincrónico, electrónicos, etc.
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CAPITULO 3. APARATOS DE CONTROL Estos tienen por fin establecer eléctrica y mecánicamente la lógica de control de un circuito de comando eléctrico preestablecido. Su aplicación mas común es energizar en forma remota los dispositivos de control (Rele’s) y de potencia (Contactores).
3.1 BOTONERAS
Es un dispositivo de control, estas actúan en forma mecánica abriendo o cerrando el circuito auxiliar que opera a contactores o a otros elementos de control. Las botoneras pueden ser operadas desde cualquier punto basta tan solo accionar un botón que define su función. Tipos de Botoneras: Existen 2 tipos de botoneras, una de tipo momentáneo y otra de tipo mantenido.
3.1.1. Características de las botoneras. a) Los contactos normales cerrados son usados para las paradas. b) Los contactos normales abiertos son usados para las partidas. c) Las botoneras tienen indicada las funciones de sus contactos. d) Proporcionar seguridad en la instalación de las distintas partes (entre los contactos Normales abiertos o Normal Cerrado. 3.1.2. Significado de los colores en las botoneras, según norma IEC 73
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3.2. LUCES PILOTO
Son dispositivos de indicación luminosa y forman parte importante en todo tipo de circuito, mostrando al operador o alertar el funcionamiento del circuito. 3.2.1. Signos que determinan el color de las lámparas sobre el esquema. C2 = Color Rojo C3 = Color Naranja C4 = Color Amarillo C5 = Color Verde
3.2.2. Significado de los colores en las botoneras, según norma IEC 73
3.3 LIMITES DE CARRERA
Los interruptores de posición electromecánicos se reparten en dos grandes familias: – interruptores de control cuyo papel, en el ámbito delos equipos de automatismo, consiste en detectar la presencia o el paso. Se conectan a las entradas de la unidad de tratamiento de datos, – interruptores de potencia insertados en las fases de alimentación de los accionadores. Generalmente, su función se limita a la seguridad. Los principales factores que determinan la elección de un interruptor de posición de control mecánico son:
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– – – –
la protección contra los golpes, las salpicaduras, las condiciones ambientales: humedad, polvo, corrosión, temperatura, el espacio disponible para instalar, fijar y ajustar el aparato, las condiciones de uso: frecuencia de las maniobras, naturaleza, masa y velocidad del móvil que se controla, exigencias de precisión y fidelidad, posible sobrerrecorrido en uno u otro sentido, esfuerzo necesario para accionar el contacto, – el número de ciclos de maniobra, – el número y el tipo de los contactos: ruptura lenta o brusca, posibilidad de ajuste, – la naturaleza de la corriente, el valor de la tensión y de la corriente que se deben controlar. Existen diversos dispositivos de control como selectores, pedal, presostatos, detectores de nivel y toda la gama de detectores de proximidad.
CAPITULO 4. APARATOS DE PROTECCION Todas las cargas pueden sufrir accidentes de origen eléctrico: – sobretensión, caída de tensión, desequilibrio o ausencia de fases que provocan un aumento de la corriente absorbida, – cortocircuitos cuya intensidad puede superar el poder de corte del contactor. De origen mecánico: – Rotor Bloqueado, sobrecarga momentánea o prolongada que provocan un aumento de la corriente que absorbe el motor, haciendo que los bobinados se calienten peligrosamente. Con el fin de que dichos accidentes no dañen los componentes ni perturben la red de alimentación, todos los arranques de motores deben incluir obligatoriamente protección contra los cortocircuitos, para detectar y cortar lo antes posible las corrientes anómalas superiores a 10 In, además de protección contra las sobrecargas, para detectar los aumentos de corriente hasta 10 In y cortar el arranque antes de que el recalentamiento del motor y de los conductores dañe los aislantes. Si es necesario, se pueden añadir protecciones complementarias como el control de fallos de aislamiento, de inversión de fases, de temperatura de los bobinados, etc. 4.1 PROTECCION CONTRA CORTOCIRCUITOS Un cortocircuito es el contacto directo de dos puntos con potenciales eléctricos distintos: – en corriente alterna: contacto entre fases, entre fase y neutro o entre fases y masa conductora, – en corriente continua: contacto entre los dos polos o entre la masa y el polo aislado. Las causas pueden ser varias: cables rotos, flojos o pelados, presencia de cuerpos metálicos extraños, depósitos conductores (polvo, humedad, etc.), filtraciones de agua o de otros líquidos conductores, deterioro del receptor o error de cableado durante la puesta en marcha o durante una manipulación. El cortocircuito desencadena un brutal aumento de corriente que en milésimas de segundo puede alcanzar un valor cien veces superior al valor de la corriente de empleo. Dicha corriente genera efectos electrodinámicos y térmicos que pueden dañar gravemente el equipo, los cables y los juegos de barras situados aguas arriba del punto de cortocircuito.
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Por lo tanto, es preciso que los dispositivos de protección detecten el fallo e interrumpan el circuito rápidamente, a ser posible antes de que la corriente alcance su valor máximo.
Dichos dispositivos pueden ser: – fusibles, que interrumpen el circuito al fundirse, por lo que deben ser sustituidos, – disyuntores, que interrumpen el circuito abriendo los polos y que con un simple rearme se pueden volver a poner en servicio.
4.1.1 LOS FUSIBLES
Los fusibles proporcionan una protección fase a fase, con un poder de corte muy elevado y un volumen reducido. Se pueden montar de dos maneras: – en unos soportes específicos llamados portafusibles, – en los seccionadores, en lugar de los casquillos o las barretas. Se dividen en dos categorías: 4.1.1.1 Fusibles “distribución” tipo gG Protegen a la vez contra los cortocircuitos y contra las sobrecargas a los circuitos con picos de corriente poco elevados (ejemplo: circuitos resistivos). Normalmente deben tener un calibre inmediatamente superior a la corriente del circuito protegido a plena carga. 4.1.1.2 Fusibles “motor” tipo aM Protegen contra los cortocircuitos a los circuitos sometidos a picos de corriente elevados (picos magnetizantes en la puesta bajo tensión de los primarios de transformadores o electroimanes, picos de arranque de motores asíncronos, etc.). Las características de fusión de los fusibles aM “dejan pasar” las sobreintensidades, pero no ofrecen ninguna protección contra las sobrecargas. En caso de que también sea necesario este tipo de protección, debe emplearse otro dispositivo (por ejemplo, un relé térmico). Normalmente deben tener un calibre inmediatamente superior a la corriente del circuito protegido a plena carga.
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4.1.2 LOS DISYUNTORES
Protegen los circuitos contra los cortocircuitos, dentro de los límites de su poder de corte a través de disparadores magnéticos (un disparador por fase). También protegen contra los contactos indirectos, siguiendo las normas sobre regímenes de neutro, para los esquemas TN o IT. Los esquemas TT pueden necesitar una protección diferencial. Dependiendo del tipo de circuito que se desea proteger (distribución, motor, etc.), el umbral de disparo magnético se situará entre 3 y 15 veces la corriente térmica Ith. Dependiendo del tipo de disyuntor, dicho umbral de disparo puede ser fijo o ajustable por el usuario. Todos los disyuntores pueden realizar cortes omnipolares: la puesta en funcionamiento de un solo disparador magnético basta para abrir simultáneamente todos los polos. Cuando la corriente de cortocircuito no es muy elevada, los disyuntores funcionan a mayor velocidad que los fusibles. 4.1.2.1 Poder de corte Es el valor máximo estimado de corriente de cortocircuito que puede interrumpir un disyuntor con una tensión y en unas condiciones determinadas. Se expresa en kiloamperios eficaces simétricos. La norma IEC 947-2 define dos valores para el poder de corte de los disyuntores: El poder asignado de corte último Icu Es el valor eficaz máximo de corriente que permite realizar un corte correctamente y a continuación unan operación de cierre-apertura. Es prácticamente igual al poder de corte Icn ciclo P1 de la norma IEC 157-1. El poder asignado de corte de servicio Ics Es el valor eficaz máximo de corriente que permite realizar un corte correctamente y a continuación dos operaciones de cierre-apertura. Es prácticamente igual al poder de corte Icn ciclo P2 de la norma IEC 157-1. 4.1.2.2 Poder de cierre Es el valor máximo de corriente que puede establecer un disyuntor con su tensión nominal en condiciones determinadas. En corriente alterna, se expresa con el valor de cresta de la corriente. El poder de cierre es igual a k veces el poder de corte, según se indica en la siguiente tabla (IEC 947-2). 4.1.2.3 Elección de un Disyuntor La norma internacional IEC 898 define las características de funcionamiento de un interruptor automático magnetotérmico para instalaciones domésticas y análogos. Los interruptores magnetotérmicos están destinados a la protección de circuitos contra las sobreintensidades. La norma europea EN 60.898 (basada en la norma IEC 898) es más severa en algunos puntos que la norma internacional.
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4.1.2.4 Funcionamiento térmico Tiene por misión proteger los cables contra sobrecarga. Cuando se produce una sobrecarga en la línea, el bimetal activa el mecanismo de desconexión. La norma define los límites de valor térmico, donde el interruptor debe desconectar.
4.1.2.5 Funcionamiento magnético Tiene por misión proteger los cables contra cortocircuitos. Un electroimán asegura la desconexión instantánea en caso de cortocircuito. La norma distingue tres tipos de curvas diferentes, en función de la corriente de desconexión instantánea.
4.2 PROTECCION CONTRA SOBRECARGAS Los fallos más habituales en las máquinas son las sobrecargas, que se manifiestan a través de un aumento de la corriente absorbida por el motor y de ciertos efectos térmicos. El calentamiento normal de un motor eléctrico con una temperatura ambiente de 40 °C depende del tipo de aislamiento que utilice. Cada vez que se sobrepasa la temperatura límite de funcionamiento, los aislantes se desgastan prematuramente, acortando su vida útil. Por ejemplo, cuando la temperatura de funcionamiento de un motor en régimen permanente sobrepasa en 10 °C la temperatura definida por el tipo de aislamiento, la vida útil del motor se reduce un 50%. Conviene señalar, no obstante, que cuando se produce un calentamiento excesivo como consecuencia de una sobrecarga, los efectos negativos no son inmediatos, siempre que ésta tenga una duración limitada y no se repita muy a menudo. Por lo tanto, no conlleva necesariamente la parada del motor, sin embargo, es importante recuperar rápidamente las condiciones de funcionamiento normales. El dispositivo mas común de protección contra la falla de sobrecarga es el rele térmico y guardamotor.
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4.2.1 RELE TERMICO
Los fallos más habituales en las máquinas son las sobrecargas, que se manifiestan a través de un aumento de la corriente absorbida por el motor y de ciertos efectos térmicos. El calentamiento normal de un motor eléctrico con una temperatura ambiente de 40 °C depende del tipo de aislamiento que utilice. Cada vez que se sobrepasa la temperatura límite de funcionamiento, los aislantes se desgastan prematuramente, acortando su vida útil. Por ejemplo, cuando la temperatura de funcionamiento de un motor en régimen permanente sobrepasa en 10 °C la temperatura definida por el tipo de aislamiento, la vida útil del motor se reduce un 50%. Conviene señalar, no obstante, que cuando se produce un calentamiento excesivo como consecuencia de una sobrecarga, los efectos negativos no son inmediatos, siempre que ésta tenga una duración limitada y no se repita muy a menudo. Por lo tanto, no conlleva necesariamente la parada del motor, sin embargo, es importante recuperar rápidamente las condiciones de funcionamiento normales. De todo lo expuesto se deduce que la correcta protección contra las sobrecargas resulta imprescindible para: – optimizar la durabilidad de los motores, impidiendo que funcionen en condiciones de calentamiento anómalas, – garantizar la continuidad de explotación de las máquinas o las instalaciones evitando paradas imprevistas, – volver a arrancar después de un disparo con la mayor rapidez y las mejores condiciones de seguridad posibles para los equipos y las personas. El sistema de protección contra las sobrecargas debe elegirse en función del nivel de protección deseado: – relés térmicos de biláminas, – relés de sondas para termistancias PTC, – relés de máxima corriente, – relés electrónicos con sistemas de protección complementarios. Esta protección también puede estar integrada en aparatos de funciones múltiples, como los disyuntores motores o los contactores disyuntores que se describen en el apartado “Aparatos de funciones múltiples”. 4.2.1.1 Los relés térmicos de biláminas Los relés térmicos de biláminas son los aparatos más utilizados para proteger los motores contra las sobrecargas débiles y prolongadas. Se pueden utilizar en corriente alterna o continua. Sus características más habituales son: – tripolares, – compensados, es decir, insensibles a los cambios de la temperatura ambiente, – sensibles a una pérdida de fase (1), por lo que evitan el funcionamiento monofásico del motor, – rearme automático o manual, – graduación en “amperios motor”: visualización directa en el relé de la corriente indicada en la placa de características del motor.
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4.2.1.2 Principio de funcionamiento de los relés térmicos tripolares Los relés térmicos tripolares poseen tres biláminas compuestas cada una por dos metales con coeficientes de dilatación muy diferentes unidos mediante laminación y rodeadas de un bobinado de calentamiento. Cada bobinado de calentamiento está conectado en serie a una fase del motor. La corriente absorbida por el motor calienta los bobinados, haciendo que las biláminas se deformen en mayor o menor grado según la intensidad de dicha corriente. La deformación de las biláminas provoca a su vez el movimiento giratorio de una leva o de un árbol unido al dispositivo de disparo. Si la corriente absorbida por el receptor supera el valor de reglaje del relé, las biláminas se deformarán lo bastante como para que la pieza a la que están unidas las partes móviles de los contactos se libere del tope de sujeción. Este movimiento causa la apertura brusca del contacto del relé intercalado en el circuito de la bobina del contactor y el cierre del contacto de señalización. El rearme no será posible hasta que se enfríen las biláminas. 4.2.1.3 Compensación de la temperatura ambiente La curvatura que adoptan las biláminas no sólo se debe al calentamiento que provoca la corriente que circula en las fases, sino también a los cambios de la temperatura ambiente. Este factor ambiental se corrige con una bilámina de compensación sensible únicamente a los cambios de la temperatura ambiente y que está montada en oposición a las biláminas principales. Cuando no hay corriente, la curvatura de las biláminas se debe a la temperatura ambiente. Esta curvatura se corrige con la de la bilámina de compensación, de forma tal que los cambios de la temperatura ambiente no afecten a la posición del tope de sujeción. Por lo tanto, la curvatura causada por la corriente es la única que puede mover el tope provocando el disparo. Los relés térmicos compensados son insensibles a los cambios de la temperatura ambiente, normalmente comprendidos entre –40 °C y + 60 °C. 4.2.1.4 Reglaje Los relés se regulan con un pulsador que modifica el recorrido angular que efectúa el extremo de la bilámina de compensación para liberarse del dispositivo de sujeción que mantiene el relé en posición armada. La rueda graduada en amperios permite regular el relé con mucha precisión. La corriente límite de disparo está comprendida entre 1,05 y 1,20 veces el valor indicado. 4.2.1.5 Detección de una pérdida de fase Este dispositivo provoca el disparo del relé en caso deausencia de corriente en una fase (funcionamiento monofásico). Lo componen dos regletas que se muevensolidariamente con las biláminas. La bilámina correspondiente a la fase no alimentada no se deforma y bloquea el movimiento de una de las dos regletas, provocando el disparo. Los receptores alimentados en corriente monofásica o continua se pueden proteger instalando en serie dos biláminas que permiten utilizar relés sensibles a una pérdida de fase. Para este tipo de aplicaciones, también existen relés no sensibles a una pérdida de fase. 4.2.1.6 Clases de disparo Los relés térmicos se utilizan para proteger los motores de las sobrecargas, pero durante la fase de arranque deben permitir que pase la sobrecarga temporal que provoca el pico de corriente, y activarse únicamente si dicho pico, es decir la duración del arranque, resulta excesivamente larga. La duración del arranque normal del motor es distinta para cada aplicación; puede ser de tan sólo unos segundos (arranque en vacío, bajo par resistente de la máquina arrastrada, etc.) o de varias decenas de segundos (máquina arrastrada con mucha inercia), por lo que es necesario contar con relés adaptados a la duración de arranque. La norma IEC 947-4-1-1 responde a esta necesidad definiendo tres tipos de disparo para los relés de protección térmica:
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• Relés de clase 10 Válidos para todas las aplicaciones corrientes con una duración de arranque inferior a 10 segundos. • Relés de clase 20 Admiten arranques de hasta 20 segundos de duración. • Relés de clase 30 Para arranques con un máximo de 30 segundos de duración.
Observación importante: en las aplicaciones con un arranque prolongado, conviene comprobar que todos los elementos del arrancador (contactores, aparatos de protección contra los cortocircuitos, cables, etc.) están dimensionados para soportar la corriente de arranque sin calentarse demasiado.
4.2.2 GUARDAMOTOR
Este es un aparato de control y de protección magnetotérmica tripolar por lo tanto cumple la función de seccionador, disyuntor y rele termico. La protección térmica tiene compensación de temperatura y sensibilidad a una ausencia de fase. Garantiza el control de los motores con una frecuencia máxima de 25 ciclos de maniobras por hora en AC-3 y es apto para el seccionamiento. Existen dos versiones: con pulsadores de control Marcha-Paro y con mando de control giratorio. El dispositivo de mando de ambos modelos se puede enclavar en posición “OFF”. Versión con pulsadores de control Marcha-Paro Normalmente se utiliza para el control local de motores, pero también se puede asociar con un contactor para el control a distancia. Este aparato resulta idóneo para máquinas pequeñas independientes, como las máquinas para madera. Suele montarse en cofre unitario con un pulsador “de seta” de Paro de emergencia. Admite los siguientes contactos: – contactos auxiliares instantáneos, que pueden ser reversibles NC o NA, para los circuitos de señalización del estado “Marcha” o “Paro” o la señalización de disparo magnético o térmico, – dispositivo de disparo por mínima tensión, que impide que el receptor vuelva a ponerse en marcha inesperadamente después de un corte de alimentación de la red. Se puede utilizar para disparar a distancia el disyuntor motor. También existe un modelo específico para máquinas peligrosas que requieran una mayor seguridad (VDE 0113, recomendado por el INRS), – disparador con emisión de tensión para disparar el disyuntor motor a distancia desde una caja de pulsadores o desde el contacto de otro aparato. Versión con mando de control giratorio
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Este es un producto diseñado especialmente para el control automático a distancia en asociación con un contactor. Además de los aditivos ya mencionados, admite accesorios seccionadores de corte visible enclavables y accesorios de señalización a distancia del disparo magnético.
CAPITULO 5. NORMAS TECNICAS Y SIMBOLOS Existen diversas simbologías las cuales están en función del la normativa técnica del país de origen de fabricación del equipo. Aunque existen dos líneas claramente definidas; Normas Americanas y Normas Europeas. Normas Americana
Normas Europea
ANSI NEMA
IEC UNE (España) DIN (Alemania) BS (Britanica)
Los símbolos gráficos y las referencias identificativas, cuyo uso se recomienda, están en conformidad con las publicaciones actualizadas más recientes según norma IEC 1082-1 define y fomenta los símbolos gráficos y las reglas numéricas o alfanuméricas que deben utilizarse para identificar los aparatos, diseñar los esquemas y realizar los equipos eléctricos. El uso de las normas internacionales elimina todo riesgo de confusión y facilita el estudio, la puesta en servicio y el mantenimiento de las instalaciones. Entre las numerosas aportaciones de la norma IEC 1082-1 (diciembre de 1992), relativa a la documentación electrotécnica, mencionamos dos artículos que modifican los hábitos de representación en los esquemas eléctricos. Artículo 4.1.5. Escritura y orientación de la escritura: “Toda escritura que figure en un documento debe poderse leer con dos orientaciones separadas por un ángulo de 90° desde los bordes inferior y derecho del documento.” Este cambio afecta principalmente a la orientación de las referencias de las bornas que, en colocación vertical, se leen de abajo a arriba (ver ejemplos siguientes). Estructura de la documentación:
Se debe adquirir el hábito de preceder las referencias de los aparatos eléctricos por un signo “–”, ya que los signos “=” y “+” quedan reservados para los niveles superiores (por ejemplo, máquinas y talleres).
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5.1 SIMBOLOGIA NORMA IEC
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Planos Eléctricos Por principio los planos, diagramas y esquemas eléctricos se dibujan en estado de reposo, es decir sin tener tensión aplicada o bien sin circular corriente y sin accionar los aparatos en forma mecánica. En comando eléctrico definiremos los siguientes tipos de planos: Plano General: El plano general es la representación más simple, por lo general unilineal, de un circuito de comando eléctrico.
Plano de Funcionamiento: El plano de funcionamiento es la representación detallada en un solo plano de los esquemas de fuerza y control de una instalación de fuerza.
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Plano de Desarrollado: Es la forma más utilizada para la representación de un circuito de comando eléctrico, se divide en Circuito de Fuerza y Circuito de Control. El circuito de Control se dibuja a la derecha y separado del circuito de Fuerza. Ejemplo de Circuito desarrollado en Norma UNE (Española)
Para especificar los dibujos en un plano, los clasificaremos en esquemas y diagramas.
Esquema: Dibujo que representa como se relacionan, tanto eléctrica y mecánicamente, distintas partes de un circuito de comando eléctrico.
Ejemplo de Esquema:
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Diagramas: Dibujo que representa las relaciones que existen entre las diferentes operaciones o estado de un aparato de comando. Ejemplo de Diagramas:
Temporizador a la conexión
Planos Complementarios Son aquellos que permiten visualizar aspectos mecánicos de la instalación que permiten un desarrollo de un circuito de comando eléctrico en forma práctica. Plano de Ubicación de Tablero: Su objetivo consiste en representar la situación real de las diferentes partes de una instalación de los elementos dentro de un armario, etc., facilitando así el montaje del circuito.
Plano de Serigrafiado: Su objetivo consiste en representar los acotamientos para la perforación de un tablero para la ubicación de componentes de control.
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Método de Cuadricula: Una herramienta que facilita la lectura de un plano de comando eléctrico es el Método de Cuadricula, esta herramienta permite una identificación rápida de cada aparato en un plano y referenciar entre planos.
En el método de cuadricula, se divide cada hoja en columnas identificadas con un numero y filas identificada con una letra. La anchura y altura de estas zonas estará entre un minimo de 35 y un máximo de 75mm, dependiendo del tamaño de la hoja y de la complejidad de los circuitos. En algunos casos donde los circuitos no son complejos es suficiente una sola referencia, generalmente se mantiene las columnas. 5.2 IDENTIFICACIÓN DE APARATOS y MARCADO DE BORNES Los esquemas eléctricos en un plano eléctrico de comando están compuestos de por una gran cantidad y variedad de símbolos, pero estos dibujos no pueden ser unidades de información aisladas, siempre existe la necesidad de hacer referencia de estos símbolos, por esta razón es imprescindible poder asignarles un código de identificación, único para cada aparato de comando y así evitar confusiones. Un código de identificación no solo permite referenciar los aparatos sino que además aportara información complementaria. Una identificación corresponde únicamente a un elemento, representado por uno o varios símbolos y que un aparato (ej:Contactor) solo tiene una única identificación. Si dicho aparto esta formado por varias partes, cada una pude tener una identificación secundaria, añadida a la del elemento al que pertenecen. Por ejemplo un contactor se compone de varias partes, pero su identificación se mantiene ya que es un solo elemento, como se muestra en la siguiente figura.
Ejemplo:
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5.2.1 CÓDIGO O SIGNO DE IDENTIFICACIÓN En un proyecto de comando eléctrico, los aparatos se identifican por medio de un código definido por norma. La identificación de cada elemento debe ser la misma a lo largo de todo el proyecto e incluso debe figurar en el aparto de comando eléctrico una vez montado en un tablero. Un código de identificación consta de cuatro bloques que dependiendo de la complejidad del proyecto pueden ser obligatorios u opcionales. Cada bloque de identificación está compuesto por una combinación de letras y números, las letras serán latinas y mayúsculas aunque para facilitar el el procesamiento automatico de datos las letras minúsculas tendrán el mismo significado y los números deben ser arábigos. Cada bloque va precedido por un signo matemática (=,+,-,:) para facilitar la lectura. La identificación completa de un aparato de comando eléctrico está compuesto por los siguientes bloques:
Se puede variar el orden de los bloques si no disponemos de espacio suficiente o si no es necesario alguno de ellos. Eso sí, es recomendable seguir el mismo orden en todos los planos de un mismo proyecto.
Bloque Fundamental
BLOQUE 1: La subdivisión fundamental relaciona un elemento o un equipo con una unidad constructiva superior, esto es, en el bloque de la subdivisión fundamental se incluye el código del circuito, armario, instalación, proyecto, etc., o cualquier combinación entre ellos, donde está incluido el elemento identificado. Este módulo es opcional y sólo se utiliza en proyectos complejos. El bloque está compuesto por letras y números y depende de la forma de codificación de cada empresa.
Bloque de Situación
BLOQUE 2: El bloque de situación representa la posición física del elemento respecto del subconjunto al que pertenece o, en algunos casos, la posición del símbolo dentro del plano donde se ha representado. Este bloque, que también es opcional, es útil para localizar los elementos durante operaciones de mantenimiento o de interpretación de planos, siempre que la complejidad del proyecto lo requiera.
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La forma más habitual de situar componentes es por medio de sus coordenadas. Para ello, dividimos el subconjunto o el plano en filas y columnas. Si la complejidad del circuito lo permite, podremos eliminar las filas o las columnas, también asociado generalmente al método de cuadricula.
Bloque de Clase Número y Función
B L O Q U E 3 : E l b lo q u e d e id e n t if ic a c i ó n y función es el más importante y, en la mayoría de los casos, es suficiente. Consta de tres partes: la clase, el número y la función. De las tres, el número es la única parte obligatoria en toda identificación de los elementos eléctricos. La clase y la función sirven de complemento.
CLASE: La clase hace referencia a la naturaleza o tipo del elemento, sin tener en cuenta su función en el circuito. La clase se representa por medio de una letra, aunque en algunos casos se permiten más. Cada clase, y por tanto cada letra, representa una familia de elementos, siendo el símbolo del elemento utilizado el que nos permite distinguir entre los distintos miembros de esa familia.
NÚMERO: Es el único bloque obligatorio en la identificación de aparatos. La numeración se adaptara a las necesidades del circuito, pudiendo utilizar cualquier número natural comenzando por el uno. FUNCIÓN: La función hace referencia al papel o acción que desempeña el aparato de comando eléctrico en un circuito, independiente del tipo de elemento que este sea. Está representada por una letra, seguida en algunos casos por un número. A continuación se presenta la lista de Letras que identifican la CLASE de un aparato de comando eléctrico. LETRA A
TIPO DE APARATO Grupos Constructivos
B
Convertidores de magnitudes no eléctricas a Magnitudes Eléctricas y al contrario
C
Condensadores
D
E F G
EJEMPLO Amplificadores con circuito integrado Transductores, sondas termoeléctricas, células fotoeléctricas, micrófonos, transductor de presión, posición, rotación, temperatura
Operadores binarios, Dispositivos temporizadores, dispositivos de memoria.
Línea de retardo, operador combinatorio, operador monoestable, registrador, memoria magnética, registrador de cinta o de disco.
Elementos diversos.
Elementos no especificados en esta tabla.
Dispositivos de protección.
Fusibles, descargador de sobretensión, relés de protección, disparador.
Generadores, fuentes de alimentación.
Generador Rotativo, alternador, Baterias, Convertidor de Frecuencia
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H
Dispositivos de Señalización
Señalizadores Luminosos y Acusticos
Relés y contactores
Contactor de Potencia, Contactor Auxiliar, Rele Temporizado, Rele Auxiliar.
L
Inductancias y reactancias
Bobinas de Inductancia, Bobinas de Choque
M
Motores
N
Amplificadores, Reguladores
Circuitos Integrados
P
Instrumentos de Medición, Equipos de Ensayo
Aparato de medida, indicador, registrador, contador, generador de señales, Amperimetro, wattmetro
Q
Aparatos de Maniobra para altas intensidades
Interruptores de potencia, seccionadores, Disyuntores, Seccionadores bajo carga con fusibles
R
Resistencias.
Resistencias, potenciómetros, reóstatos.
Aparatos mecánicos de conexión para circuitos de mando y control,
Pulsadores, limites de carrera, interruptores, selectores.
S T
Transformadores
Transformador de Tensión e Intensidad
Moduladores, convertidores
Decodificador, demodulador, convertidor, codificador, inversor, convertidor, transmisor telegráfico
V
Válvulas electrónicas, semiconductores.
Válvulas de vacío, de gas, de descarga, diodo, transistor, tiristor
X
Bornes, Clavijas, Enchufes
Regletas de Bornes, clavijas de pruebas.
K
U
A continuación se presenta la lista de Letras que identifican la FUNCIÓN de un aparato de comando eléctrico. LETRA A B C D E F G H M N P S T V
FUNCION Auxiliar Dirección de Movimiento (hacia adelante, atrás, subir) Contar Diferenciar No definida Protección Ensayo Señalización Principal Medición Proporcional Registro Temporización Velocidad
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BORNE
BLOQUE 4: El último Bloque del identificador representa el punto de conexión (borne) o el conductor. Su numeración sigue unas reglas muy estrictas. En resumen si vemos un ejemplo un aparato de comando eléctrico según la necesidad pueden llegar a tener una compleja identificación: Ejemplo:
=10A1 + 3C – K1 : 13
5.2.1 MARCACION DE BORNES Antes de pasar a describir las reglas del marcado de bornes, conviene definir qué entendemos por borne: El borne es una parte conductora de un elemento a la que se puede fijar un conductor, generalmente por medio de un tornillo o a presión, de forma que una eléctricamente el elemento con circuitos exteriores. El correcto funcionamiento del circuito depende del conexionado realizado. Por lo tanto, es fundamental que los bornes lleven su correspondiente identificación en el aparato, sobre el borneo junto a él, y que esta identificación venga reflejada correctamente en los planos del circuito. Designaciones en puntos de conexión Marcado de Bobinas Electromagnéticas: Los dos bornes de la bobina de un aparato de comando deben estar marcados con caracteres alfanuméricos. Bobina de un Devanado;
Bobina con dos tomas,
Bobina con dos Devanados
Bobinas de conexión de disparadores electromagnéticos
Contactos Principales: Los contactos principales de los aparatos de comando eléctrico s e c a ra c te riz a n c o n c ifra s d e u n s o lo d íg it o . Las designaciones de los puntos de conexión de un contacto principal son un número impar y el número inmediato superior a él.
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Contactos Auxiliares: Los contactos auxiliares son los empleados en los circuitos de mando de los esquemas. Su función es la de transmitir señales eléctricas y no de conducir corrientes para alimentar receptores de potencia. Los bornes de los contactos auxiliares de numeran con dos cifras, las cuales tienen el siguiente significado: Cifra de Unidad: Indica la función del contacto, si el contacto es normalmente cerrado 1 y 2 respectivamente, sí el contacto es normalmente abierto 3 y 4 respectivamente. Cifra de Decena: Indica el número de orden del contacto dentro de un aparato de comando, comenzando desde el 1. No se puede utilizar el nueve queda reservado para contactos especiales.
Contactos Auxiliares Especiales: Los bornes de contactos auxiliares, asociados a elementos de que cumplen funciones especiales como de temporización, contajey otros se designan con dos cifras de la siguiente manera: Cifra de Unidad: Indica la función del contacto. Indica la función del contacto, si el contacto es normalmente cerrado 5 y 6 respectivamente, sí el contacto es normalmente abierto 7 y 8 respectivamente.
Cifra de Decena: Indica el número de orden del contacto dentro de un aparato de comando, comenzando desde el 1. No se puede utilizar el nueve queda reservado para contactos especiales. Existe una excepción dentro de la regla de numeración de bornes de contactos auxiliares. El número de orden de los bornes de los contactos especiales asociados a elementos de protección contra sobrecargas, como relés térmicos, electrotérmicos, etc., comienza por el número nueve. Si tiene dos contactos asociados, el número de orden del segundo contacto será el cero.
Por las reglas anteriores es que los contactos del rele térmico son N.C.:95-96 y N.A.: 97-98.
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Contactos Auxiliares Conmutados o NA.NC Es la combinación de la del contacto cerrado y la del contacto abierto. Cuando se trata de contactos auxiliares especiales, esto es, temporizados, de protección, etc., el criterio permanece igual, sólo que cambia la numeración
Cuando existe un grupo o varios contactos en un aparato también se pueden utilizar reglas de identifican los contactos, esta identificación puede ser a traves de un código de numero llamado numero característico o código de letra y números llamado Letra Característica. Numero Característico: El número característico representa la cantidad de contactos abiertos, cerrados y conmutados que tiene un elemento. Está compuesto por dos o tres cifras, las cuales tienen el significado siguiente:
Primera cifra: número de contactos normalmente abiertos o de cierre. Segunda cifra: número de contactos normalmente cerrados o de apertura. Tercera cifra: número de contactos conmutados. Esta cifra es opcional y sólo se incluye cuando el elemento tiene algún contacto conmutado Ejemplos:
Letra Característica: La letra característica simboliza la disposición y la numeración de los contactos dentro del elemento. La norma establece cuatro formas distintas de disposición de los contactos auxiliares, identificadas cada una de ellas por las letras E, Z, X e Y.
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Designación por la letra característica E La letra característica E implica que el orden y el marcado de los bornes del elemento están de acuerdo con las tablas representadas a continuación. Podemos comprobar que el número de orden del contacto coincide con su posición. Esta disposición es la recomendada por la norma.
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La figura siguiente presenta un ejemplo de contactor con letra característica E. Este mismo contactor lo utilizaremos en los ejemplos siguientes para ver las diferencias entre las distintas letras características.
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Designación por la letra característica Z La letra característica Z significa que la numeración de los bornes es igual a la definida en la tabla correspondiente a la letra característica E, pero se diferencia en que el orden en que están dispuestos los contactos sobre el aparato no se corresponde con su número de orden siendo, por tanto, diferente al fijado en la tabla correspondiente a la letra característica E.
Designación por la letra característica X La letra característica X significa que ni la numeración de los bornes, ni la disposición de los contactos, tiene nada que ver con la tabla correspondiente a la letra E.
Designación por la letra característica Y A la combinación de un contactos auxiliar con un bloque de contactos asociado según la figura siguiente, se le asigna la letra característica Y.
Como recomendación final a la hora de numerar los bornes de los elementos de sus circuitos, debe tener en cuenta que siempre prevalece la numeración de los bornes presente en el aparato, aunque ésta no siga las normas expuestas anteriormente. Por lo tanto, y aunque la Norma de marcación están muy extendidas, es recomendable que consulte el catálogo del fabricante para asegurarse.
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MARCADO DE CONDUCTORES En un circuito eléctrico instalado, los conductores van alojados en canaletas o atados en mazos. Por esta razón los cables no suelen ser visibles a lo largo de su recorrido, haciendo difícil la comprensión del circuito, especialmente si no se dispone del plano correspondiente. Para facilitar el montaje, comprobación y mantenimiento de un circuito, es imprescindible marcar los conductores de una forma rápida de realizar y fácil de interpretar. La primera forma de marcar los conductores es por medio del color de su aislante. Debido al número limitado de colores, esta forma de marcaje se aplica únicamente con los conductores principales del circuito. La norma distingue los siguientes casos: Colores del aislante del conductor
Verde/Amarillo
Características del circuito
Condiciones de utilización
Si el circuito
El conductor verde/amarillo se
tiene conductor de protección
utiliza siempre como conductor de protección
Si no tiene
El conductor verde/amarillo no debe
conductor de protección
utilizarse si no es como conductor de protección
Azul claro
Si el circuito
Se utiliza el conductor de color azul
Neutro tiene conductor
claro para el neutro
Si no tiene
El conductor azul claro se puede
conductor
utilizar para cualquier propósito ex-
neutro.
cepto como conductor de protección
Negro, marrón
Se pueden utilizar para cualquier Todo tipo de circuito
propósito excepto como conductores de protección y como neutro.
Otros colores
Colores del aislan- Características te del conductor del circuito Negro
Rojo
Circuitos de potencia en corriente alterna o continua Circuitos de automatismos
Azul
Naranja
Condiciones de utilización
Circuito de mando de corriente alterna Circuito de mando de corriente continua Circuitos de enclavamiento en corriente alterna o continua
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Para identificar el resto de los conductores del circuito de control, se les debe asignar a cada uno de ellos un número. Este número se refleja en el esquema y se añade, a los dos extremos del cable, utilizando etiquetas numeradas. De esta forma, puesto que los dos extremos del cable tienen el mismo número, es muy sencillo seguir el interconexionado de los elementos.
INFORMACIÓN COMPLEMENTARIA Después de haber identificado todos los elementos y marcado todos los bornes y cables del esquema, aún podemos, y debemos, añadir más información a nuestros planos. De esta manera lograremos que, interpretando únicamente los planos de un circuito, se pueda comprender completamente su funcionamiento dejando el resto de la documentación del proyecto para un análisis más detallado. Esta información complementaria la añadimos al plano en forma de leyenda y de referencias cruzadas
Leyenda Al leer un esquema eléctrico, vemos qué elementos lo componen y, consultando su identificación, de qué tipo son y la misión que desempeñan. El problema consiste en que la letra correspondiente a la función indica funciones generales, sin concretar el papel exacto que desempeña el elemento dentro del circuito. Por ejemplo, la letra B indica sentido de movimiento, sin especificar si es hacia arriba, hacia abajo, a la derecha, etc. De esta manera, si tenemos en un esquema un pulsador para cada dirección, no podremos distinguir con qué dirección se corresponde cada pulsador, cuestión muy importante a la hora de comprobar el funcionamiento del circuito. Para hacer posible la total comprensión del circuito, debemos incluir su leyenda. La leyenda es una información textual que se añade al esquema, preferiblemente cerca del cajetín. En ella se enumeran todos los elementos del esquema, o los más importantes, escribiendo a continuación una breve descripción de la función que desempeñan en el circuito. Se podría considerar la leyenda como un complemento de la letra de función pero, en realidad, elimina la necesidad de añadir la función en la identificación al aportar información más concreta. Ejemplo utilizando letras de función en los aparatos de comando:
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Ejemplo de leyenda con descripción de cada elemento
Referencias cruzadas Las referencias cruzadas son una información, gráfica o tabulada, que se añade al esquema con dos funciones muy definidas:
Representar en el plano, de forma fácilmente accesible, todos los contactos y elementos asociados a los relés, contactores y demás elementos de mando.
Facilitar la localización rápida de todos los elementos relacionados entre sí, por pertenecer a un mismo aparato, indicando en los contactos la localización de su órgano de mando y, en los órganos de mando, la localización de sus contactos y demás elementos asociados. De esta manera vemos que las referencias cruzadas hacen más sencilla la lectura del esquema, facilitando la localización de los elementos en el plano o a lo largo de los distintos planos del proyecto. Para poder emplear las referencias cruzadas, vemos que es imprescindible poder localizar los elementos dentro del plano. Por esta razón debemos dividir el plano en filas y columnas, pudiendo omitir alguna división si la complejidad del esquema lo permite. De forma gráfica: lo que la norma llama esquemas anexos. Se dibujan los símbolos de todos los contactos asociados a los distintos elementos del esquema o, por lo menos, de los más complejos. Estos contactos se representan, fuera del esquema, en la misma columna y debajo de su órgano de mando correspondiente. En el caso de no disponer de espacio suficiente, se pueden dibujar en cualquier otra parte del plano, haciendo referencia claramente al elemento al que están asociados. En la figura del ejemplo siguiente hemos representado un esquema de mando de un montacargas de dos pisos, explicado en detalle en el tema siete. Fíjese en que bajo cada relé y contactos se han añadido las referencias cruzadas. En dichas referencias se ha incluido la numeración de cada uno de sus bornes así como la posición del elemento en el plano.
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Ejemplo de Referencias Cruzadas de Forma Grafica
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CAPITULO 6. AUTOMATISMOS DE LOGICA CABLEADA La automatización de una maquina o proceso productivo simple tiene como consecuencia la liberación física y mental del hombre de dicha labor. Existen dos lógicas para realizar la automatización de un proceso lógica cableada y programada. 6.1 LOGICA CABLEADA La lógica cableada es una técnica tradicional para realización de automatismos en donde el tratamiento de datos es efectuado por contactos auxiliares, contactores auxiliares, relés de automatismos, relés de medida, temporizadores y aparatos de protección de estos circuitos auxiliares. Al ser frecuentemente asociados a la conmutación de motores asincronicos, deben garantizar una conmutación fiable, aún en ambientes polucionados de polvo y humedad. La fiabilidad del contacto es entonces fundamental. El funcionamiento de los equipos de lógica cableada se define mediante el esquema de cableado. CAPITULO 7 CIRCUITOS BASICOS DE COMANDO ELECTRICO Los circuitos de comando eléctrico de arranque de un motor asincrónico los clasificaremos de tres maneras; arranque directo, arranque indirecto y control de velocidad. Arranque Directo: Son aquellos circuitos en que en el momento de conexión se aplica al motor el 100% del voltaje de línea al motor. Los cuales son arranque directo, arranque con inversión de giro y arranque con rotor bobinado. Arranque Indirecto: Son aquellos circuitos en que en el momento de conexión NO se aplica el 100% de voltaje de línea al motor, esto se realiza con el fin de disminuir la corriente de partida de un motor asincrónico. El circuito por excelencia es arranque indirecto estrella triangulo, arranque con resistencias estatoricas, autotransformador, también existen equipos de potencia electrónicos que realizan esta disminución como arrancadores suaves. Control de Velocidad: Son aquellos circuitos que permiten controlar la velocidad del motor en forma fija o variable. Entre estos están circuito de control dahlander, variador de frecuencia. CIRCUITO DE COMANDO ARRANQUE DIRECTO DE UN MOTOR ASINCRONICO
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Circuito llamado de enclavamiento, también llamado realimentación, función memoria, este circuito es fundamental dentro de los esquemas de control, puesto que se encarga de activar y desactivar generalmente uno o más circuitos de comando eléctrico. Aunque no es un circuito complejo de comprender, se debe entender su utilidad desde el punto de vista de la seguridad. Debemos considerar el efecto de remanencia, es decir el estado en que queda un circuito cuando existe un corte de energía. El objetivo práctico de cualquier esquema de control es energizar la bobina de un contactor, en este caso que es una sola bobina, podemos preguntarnos, porque no hacerlo con un simple interruptor. Si consideramos la remanencia y al retornar la energía, al existir un contacto mecánicamente cerrado por el interruptor, el circuito arranca inmediatamente sin una orden, lo que en la práctica puede causar un accidente mayor. Para este circuito utilizaremos un botonera partir normalmente abierta S1, una botonera parar normalmente cerrada S2, un contactor K1, su bobina A1-A2 y contacto auxiliar normalmente abierto 13-14. Explicaremos el circuito paso a paso para comprobar que este circuito es seguro. 1.- Todos los aparatos de control están desactivados, el contactor K1 esta desactivado y contacto auxiliar está abierto.
2.- Se acciona el pulsador S1, cerramos el circuito, al alimentar la bobina del contactor, su contacto auxiliar se cierra. De esta manera estamos alimentando la bobina a través de S1 y del contacto auxiliar durante el tiempo en que este presionado S1.
3.-Se deja de presionar S1 y la bobina permanece energizada por su contacto auxiliar.
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4.- Se acciona el pulsador S2, se desenergiza la bobina y el contacto auxiliar se abre. Al dejar de presionar la botonera S2, la corriente pasa por S2, pero S1 está abierto y el contacto auxiliar también por lo que la bobina no puede ser energizada.
Si consideramos entonces un corte de energía, cuando la bobina esta energizada y consideramos el efecto de remanencia, al retornar la corriente la bobina no se energiza inmediatamente, solo hasta que se dé una nueva orden presionando la botonera S1.
6.3 CIRCUITO DE COMANDO ARRANQUE DIRECTO CON INVERSION DE GIRO DE UN MOTOR ASINCRONICO Es un circuito que permite seleccionar el sentido de giro de un motor asincrónico trifásico por medio de pulsadores. Para esto se intercambian las fases en el circuito de fuerza, con lo cual se logra modificar el sentido de giro del campo magnético giratorio en el motor. Una de las precauciones que se debe considerar en este circuito es que no deben energizarse las dos bobinas de K1 y K2, ya que provocara en el circuito de fuerza con corto circuito franco, para evitar esto se debe utilizar contactores con enclavamiento mecánico y/o realizar en el circuito un enclavamiento mecánico con un contacto NC de cada contactor. CIRCUITO DE FUERZA
CIRCUITO DE CONTROL
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6.4 CIRCUITO DE COMANDO ARRANQUE INDIRECTO ESTRELLA TRIANGULO DE UN MOTOR ASINCRONICO
Este circuito tiene por fin reducir la corriente de arranque de un motor asincrónico trifásico, reduciendo el voltaje aplicado al motor conectando el motor inicialmente en estrella y luego cambiarlo a triangulo. Como requisito es preciso realizar una conexión estrella triangulo en aquellos motores que en placa de datos indiquen 380/660 V. Este motor permite una conexión triangulo hasta 380V y la conexión estrella en 660V, ya que la tensión máxima en una sola bobina es 380 V. Consiste en conectar las bobinas del motor primero en estrella y después en triángulo. El tiempo de duración de la conexión estrella suele ser de unos pocos segundos. Condiciones del motor usado para la conexión estrella-triángulo. 1.- Es importante destacar que el motor debe de tener, en su caja de bornes, accesibles y libres de otras conexiones, los dos terminales de cada una de las tres bobinas que lo constituyen. Asimismo, la tensión del motor ha de ser, para una red de 380/220 V, de 660/380 V, es decir, ha de soportar los 380 V en conexión triángulo, o, dicho de otra forma, para que desarrolle su plena potencia con la corriente nominal máxima, hay que alimentar sus bobinas a 380 V. 2.- Características eléctricas de la conexión en estrella: a) Al conectar en estrella bobinas de 380 V, la tensión con la que trabajan es 380/√3 = 220 V. b) La intensidad de arranque por una parte, será √3 menor, por serlo la tensión aplicada a cada bobina y por otra, será √3 veces menor, por ser un montaje estrella, por tanto, la corriente que se absorbe de la red será 3 veces menor ( √3 x √3 = 3), es decir, 1/3, luego, la intensidad de arranque real será:
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El torque de arranque, puesto que es proporcional al cuadrado de la tensión, pasa a ser 0,2 a 0,5 del torque nominal, siendo este su principal defecto. La velocidad se estabiliza cuando el torque del motor y torque de la carga son iguales, lo que suele suceder entre el 75 y 85% de la velocidad nominal que es el momento ideal para realizar la conmutación a triangulo, el hacerlo antes provoca que exista una real dismunición de la corriente y después provoca que el motor al alcanzar su velocidad nominal y estar conectado aun en estrella el motor tome corriente de sobrecarga, según el siguiente grafico.
CURVA DE CORRIENTE DE PARTIDA ARRANQUE ESTRELLA TRIANGULO
Características eléctricas de la conmutación estrella-triángulo La orden de conmutación actúa después de una temporización programada. Entre la apertura del circuito estrella y el cierre del circuito triángulo debe de mediar un tiempo suficiente largo como para que no se produzca cortocircuito, pero suficientemente corto como para que el motor no pierda velocidad.
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CAPITULO 7. PARTIDOR SUAVE Apareció entre finales de los setenta y principio de los ochenta y es un dispositivo electrónico basado en tiristores. Puede decirse que en cuanto a funcionalidad y precio, ocupa el espacio que existe entre los partidores estrella/triángulo y los convertidores de frecuencia. Con los partidores suaves se puede controlar la tensión del motor, de forma que esta aumente gradualmente durante la puesta en marcha, lo que naturalmente limita la corriente de arranque. Esto significa que el motor se pone en marcha suavemente, y que los esfuerzos mecánicos y eléctricos se reducen al mínimo. El dispositivo puede ser utilizado también para obtener una parada suave.
La forma de controlar es recortando la señal sinusoidal, logrando dependiendo del punto de disparo de los scr’s un rango amplio de voltaje, a diferencia de otros métodos de reducción de voltaje donde tengo dos puntos de voltaje como en el caso de un estrella triangulo. La tarjeta electrónica genera los algoritmos necesarios para entregar las señales de disparo al mismo ángulo para el ciclo positivo y mantener la diferencia de 120° entre cada fase. Esto lo hace comparando los parámetros programados con la corriente medida en salida por transformadores de corriente a través de un lazo cerrado de corriente.
Dado que los circuitos del partidor son electrónicos y este mide la corriente en la salida con transformadores de corriente, este equipo también entrega diversas indicaciones de seguridad y fallo a través de la programación, con el fin de mejorar la protección del motor y facilitar la localización de averías. Ejemplos de ello son la protección contra las fallas de fase (falta o desbalance), sobreintensidades y sobreca-lentamiento, así como las indicaciones de funcionamiento normal, tensión máxima del motor y de determinadas fallas. Todos los ajustes, por ejemplo de la pendiente de rampa, tanto de partida como de parada y de la tensión inicial, pueden ser efectuados fácilmente, desde la parte frontal de la unidad a través de botones y el display frontal.
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Como consecuencia de todo lo mencionado, el partidor suave satisface sobradamente el requisito principal, que es conseguir un arranque suave de los motores eléctricos, y ofrece además ventajas adicionales, tales como alta fiabilidad, menor necesidad de mantenimiento y facilidad de ajuste. Sin embargo, una limitación del partidor suave es que no siempre se puede utilizar para aplicaciones de accionamiento que requieren desde el principio un torque elevado de motor. Esta limitación procede de que el dispositivo realiza su trabajo elevando la tensión del motor hasta su valor máximo y durante la parada, reduciéndolo hasta el nivel de interrupción prefijado. Dado que el torque es proporcional al cuadrado de la tensión, el motor conectado no podrá alcanzar el torque máximo desde el principio. Por eso, el partidor suave es más apropiado para motores que se arrancan de forma fácil y ligera, por ejemplo, los motores de bombas, ventiladores, cintas transportadoras y ascensores. El término “arranque suave” se aplica a una gama de tecnologías. Estas tecnologías están relacionadas con el arranque de motores pero existen diferencias significativas en los métodos usados y en las ventajas que ofrecen. Los arrancadores suaves pueden ser clasificados en las siguientes categorías; _ _ _ _
Controladores Controladores Controladores Controladores
de de de de
Par tensión de lazo abierto tensión de lazo cerrado corriente de lazo cerrado
7.1 CONTROLADORES DE PAR Los controladores de par tan sólo proporcionan una reducción en el par de arranque. Dependiendo del diseño pueden controlar una o dos fases solamente. Por consiguiente no existe control sobre la corriente de arranque, control que existe en modelos de arrancadores suaves más avanzados. Los controladores de par de fase única se tienen que usar con un contactor y una protección de sobrecarga de motor. Son aptos para aplicaciones más ligeras con una frecuencia de arranque media o baja. El control de tres fases se debe usar en situaciones de arranque repetitivo o de cargas de alta inercia ya que los controladores de fase única provocan un incremento en la temperatura del motor durante el arranque. Esto ocurre debido a que el motor soporta una corriente a tensión máxima por la fase del bobinado de motor no controlada por el controlador de fase única. Esta corriente fluye por un período de tiempo mayor que durante un arranque directo lo que provoca un incremento en la temperatura del motor. Los controladores de par de dos fases con necesitan una protección de sobrecarga de motor pero pueden arrancar y parar el motor sin necesidad de usar un contactor, sin embargo el motor todavía está sometido a una tensión incluso cuando no está en marcha.
7.2 CONTROLADORES DE TENSIÓN DE LAZO ABIERTO Los controladores de tensión de lazo abierto controlan las tres fases y ofrecen los beneficios tanto eléctrico como mecánico normalmente asociados al arranque suave. Estos sistemas controlan la tensión aplicado al motor de una manera preestablecida y no recibe realimentación
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de la corriente de arranque. El usuario tiene control sobre el rendimiento del arranque a través del tipo de programación que establezca, como por ejemplo, Tensión Inicial, Tiempo de Rampa y Tiempo de Rampa Dual. Normalmente también está disponible la parada suave que permite extender el tiempo de parada del motor. Los controladores de tensión de lazo abierto necesitan una protección de sobrecarga de motor y, si es necesario con un contactor de línea. Estos elementos son parte de los componentes que tienen que ser integrados con otros para formar un arrancador de motor completo.
7.3 CONTROLADORES DE TENSIÓN DE LAZO CERRADO Los controladores de voltaje de lazo cerrado son una variante del sistema de lazo abierto. Reciben realimentación de la corriente de arranque del motor y la utilizan para parar la rampa de tensión cuando se alcanza un límite de corriente de arranque programado por el usuario. La programación y ajustes son los mismos que para los controladores tensión de lazo abierto con la adición de un límite de corriente.
7.4 CONTROLADORES DE CORRIENTE DE LAZO CERRADO El control de corriente de lazo cerrado es la forma más avanzada de arranque suave. A diferencia de los sistemas basados en tensión la tecnología de corriente de lazo cerrado utiliza la corriente como referencia primaria. Las ventajas de este enfoque es un control preciso de la corriente de arranque y de fácil ajuste. Muchos de los ajustes de usuario que necesitan los sistemas de tensión de lazo cerrado se pueden hacer automáticamente mediante los sistemas basados en corriente. Los arrancadores suaves controlan las tres fases que alimentan al motor. Son controladores de corriente de lazo cerrado que utilizan algoritmos de corriente constante lo que les permite conseguir el mejor control de arranque suave. 7.5 CLASES DE UN PARTIDOR SUAVE La norma IEC947-4-2 detalla las categorías de utilizaciónAC53 para describir los rangos de un arrancador suave. Hay dos códigos de AC53; AC53a: para arrancadores suaves que no utilizan contactores de bypass. AC53b: para arrancadores suaves que utilizan contactores de bypass. También se clasifican en condiciones estándar y severa dependiendo de su aplicación; 7.5.1 Aplicación estándar En aplicación estándar el partidor suave está dimensionado para responder a: • En servicio S1: un arranque a 4 In durante 23 segundos o un arranque a 3 In durante 46 segundos, partiendo del estado frío. • En servicio S4: un factor de marcha del 50% y 10 arranques por hora, con 3 In durante 23 segundos o 4 In durante 12 segundos, o bien un ciclo térmicamente equivalente. En este caso, la protección térmica del motor debe ajustarse en la clase de protección 10
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7.5.2 Aplicación Severa En aplicación severa, el partidor suave está dimensionado para responder a un servicio S4 con un factor de marcha del 50% y 5 arranques por hora, a 4 In durante 23 segundos o bien un ciclo térmicamente equivalente. En este caso, la protección térmica del motor debe ajustarse en la clase de protección 20. La corriente In no debe permanecer con el ajuste de fábrica, sino que debe ajustarse al valor indicado en la placa del motor. Los criterios generales para elegir un partidor suave es que debe considerar que se calcula la temperatura interior de los módulos de potencia (SCRs) para no excedan de 125ºC. Cinco parámetros de funcionamiento afectan a la temperatura interior del SCR; Corriente del Motor, Corriente del Arranque, Duración del Arranque, Número de Arranques Por Hora, Tiempo que está Desconectado. El rango total de un modelo de arranque suave determinado tiene que tener en cuenta todos estos parámetros. Un rango de corriente por sí solo no es suficiente para describir la capacidad de un arrancador suave. 7.6 PRECAUCIONES 1. No conecte los condensadores de corrección del factor de potencia en los puntos de salida del arrancador suave. El factor de corrección de potencia, si se usa, debe conectarse en el lado de la red principal del arrancador suave. 2. No aplique tensión a los terminales de control del estos están activos generalmente con24 VDC y se tienen que controlar con circuitos libres de potencial. 3. Cuando se instale en entornos no ventilados, el arrancador suave se tiene que usar con un bypass para evitar la excesiva temperatura del entorno. 4. Cuando haga el bypass en el arrancador suave asegúrese de que las conexiones de las fases son correctas 7.7 ESTRUCTURA INTERNA
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7.8 CIRCUITO DE FUERZA
En este circuito el equipo arranca el motor y luego la corriente nominal es constante por los SCR’S. Por lo que durante toda la operación liberan temperatura, aunque están diseñados para trabajar de esta forma los semiconductores se ven limitados en su vida útil.
CIRCUITO DE FUERZA BY-PASS
En este circuito el equipo arranca el motor y luego la corriente nominal es derivada a un contactor by-pass, por lo tanto la corriente solo circula por los SCR’S durante el arranque. Por lo que durante toda la operación dejan de liberar temperatura, aumentando la vida útil de los SCR’S.
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CIRCUITO DE FUERZA EN ACOPLAMIENTO EN TRIANGULO
Este circuito solo se puede realizar en aquello motores que su conexión sea triangulo. El partidor suave queda incrustado en la conexión triangulo logrando con esto que la corriente que pasa por el es IL/√3, por lo que se puede utilizar un equipo de menor rango, ahorrando costos.
ETAPA DE CONTROL
La etapa de control se compone de un display que permite navegar entre menús y/o parámetros que especifica cada fabricante, los terminales de control y terminales de alimentación de la tarjeta de control. La etapa de control suministra un voltaje de control interno, generalmente 24 VCC, por lo cual es necesario cuidar de no conectar en estos terminales de control a un voltaje distinto al del especificado por fabricante lo cual dañaría la tarjeta. La tarjeta de Control se debe energizar con una tensión de 220-380V, en forma independiente de los terminales de control. Existen dos tipos de conexión;
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CONTROL DE DOS HILOS: Asociado a un control externo generalmente PLC’s.
CONTROL DE TRES HILOS: Es un independiente, en que se utilizan botoneras parar y partir para controlar el equipo.
DISPLAY: Se compone de una pantalla, botones de programación y led de indicación de estado del equipo.
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PROGRAMACIÓN: En algunos modelos la programación se realiza a través de menus y luego se ingresa a los parámetros, en otros modelos la programación se realiza a través de parámetros directos.
La cantidad de parámetros son variados y el código de identificación son distintos entre cada fabricante, identificaremos los más básicos: Parametro Corriente Nominal Limite de Corriente Arranque Tiempo de Rampa Arranque Tiempo de Rampa de Parada Porcentaje de Sobrecarga
Codigo Danfoos FLC – 1 Limite de Corriente – 2 Tiempo de Rampa -4 Tiempo de Rampa – 5 Punto de Disparo - 9
Codigo Telemecanique In ILt Acc Dec Ilt
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VARIADOR DE FRECUENCIA
Es posible cambiar la velocidad de los motores asincrónicos, sin necesidad de variar el número de pares de polos. Este es gracias al elevado desarrollo de la electrónica de potencia y los microprocesadores ha permitido variar la velocidad de estos motores, de una forma rápida, robusta y fiable, mediante los reguladores electrónicos de velocidad.
Donde: f: es la frecuencia de la línea (Hz). p: es el número de pares de polos. En la ecuación se observa que si el valor de la frecuencia en vez de tener un valor fijo de 50 Hz, se pudiera variar este valor; entonces se obtendría valores diferentes de la velocidad de r.p.m., del motor, pero solo variar la frecuencia provoca que el flujo magnético del motor se sature lo que lleva a que el motor alcance una gran temperatura, lo que define que para mantener un flujo constante en el motor se debe variar la frecuencia y el voltaje.
Entonces para mantener un flujo constante se debe disminuir linealmente el voltaje y la frecuencia, con lo que se logra una reducción de velocidad y torque constante en el motor. Si se desea elevar la frecuencia por sobre lo nominal, desde este punto el variador solo eleva la frecuencia y no el voltaje, aunque es posible elevar un poco el voltaje dependiendo el punto de la curva de saturación del motor no es recomendable ya que afectaría la aislación del devanado del motor. Es por esta razón que se utiliza el concepto que el variador funciona con la relación V/f. Otro método de funcionamiento del motor es el control vectorial consiste en extrapolar la técnica de control de motores de corriente continua al ámbito de los motores de inducción. Para ello, y debido a que una máquina de corriente alterna carece de dos bobinados desacoplados, se recurre al expediente de referenciar el sistema trifásico alterno de corrientes estatóricas a un sistema de coordenadas no estacionario que gira sincrónicamente con el campo magnético rotórico. En este nuevo sistema de referencia, las corrientes estatóricas pueden ser tratadas como vectores rotantes de ahí el nombre de “control vectorial” o También “control de campo orientado” El siguiente paso es descomponer este vector en dos componentes: una colineal con el campo rotórico (normalmente denominada I) y la restante cuadratura (normalmente, I w). La primera resulta ser responsable del flujo magnético de la máquina y se la designa como “corriente de magnetización”; la segunda genera el par motriz y se la llama “corriente activa”. Por la vía de esta transformación de coordenadas resulta entonces posible desacoplar el modelo matemático de la máquina de inducción y controlar estas componentes en forma independiente de la misma manera que en un motor de corriente continua se controlan las corrientes de campo y de armadura. Y se obtienen respuestas dinámicas similares.
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Una vez determinados en este sistema de referencia no estacionario los valores requeridos de el se aplica una transformación de coordenadas inversa que arroja como resultado las consignas (set - points) de magnitud y fase de las corrientes alternas estatóricas. Estas consignas se aplican a la entrada del inversor regulador de corriente, quien genera como respuesta las señales PWM de disparo que atacarán los IGBTs de la etapa de potencia, generando las tensiones que alimentan los bobinados del motor. Cabe recordar que para poder ejecutar las rutinas de transformación de coordenadas es necesario contar con el ángulo desarrollado por el rotor. Esta necesidad da origen a dos estrategias diferentes: registrar este ángulo instante a instante mediante un encoder o tacogenerador (control vectorial de lazo cerrado) o estimarlo mediante un obervador (“Control vectorial sin sensor o de lazo abierto” o en su versión en inglés - más difundida- “Sensor Less Vector Control”). Mediante la técnica de lazo cerrado resulta posible ejecutar distintas estrategias de control de acuerdo a la variable que se desea regular. Así, nos encontramos con control de lazo cerrado de velocidad o de par. En muchas aplicaciones se presenta la inquietud de si es necesario o no utilizar un sensor de velocidad, esto es, si realmente es necesaria una estrategia de control vectorial de lazo cerrado. El funcionamiento básico de un variador de frecuencia es que la corriente alterna monofásica o trifásica es rectificada y convertida en corriente continua, (en el caso monofásico el voltaje no es elevado) y luego, en un circuito inversor, se vuelve a convertir en alterna trifásica. Para que la frecuencia pueda ser variable, no se llega a transformar del todo en una corriente lineal, una parte de esta corriente de entrada se filtra a un circuito intermedio que regula la salida. Pequeños dispositivos electrónicos que se intercalan entre el interruptor y el motor; con el que fácilmente se puede actuar sobre la frecuencia para variar la velocidad del motor sin necesidad de complicados conmutadores de polos. El variador de frecuencia se compone con tres partes principales; Etapa Rectificadora, Circuito intermedio e Inversor. ESTRUCTURA INTERNA DE UN V.D.F.
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ETAPA RECTIFICADORA Se utiliza un rectificador de onda completa trifasico, para lograr una mejor calidad de señal continua.
CIRCUITO INTERMEDIO Se conoce como inversor a un circuito electrónico que transforma la corriente continua (CC) en corriente alterna (CA). Los controladores electrónicos de velocidad para motores de CA, por lo general, convierten primero el suministro de CA en CC mediante el uso de un rectificador y, posteriormente, lo convierten una vez más utilizando un puente inversor, en una fuente de frecuencia y tensión de CA variables. La conexión entre el rectificador y el inversor se denomina circuito intermedio.
INVERSOR La tensión de CC del circuito intermedio es convertida nuevamente a CA a través de la Modulación por Ancho de Pulso (PWM, Pulse Width Modulation). La forma de onda deseada es creada conmutando los transistores de salida IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) entre encendido y apagado a una frecuencia fija (la frecuencia de conmutación). Se puede generar la corriente deseada al variar el tiempo de encendido y apagado de los transistores IGBT, pero la tensión de salida todavía es una serie de pulsos de onda cuadrada. En la siguiente figura se ilustra la Modulación por Ancho de Pulso.
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CIRCUITO DE FUERZA En el caso de un variador de frecuencia la conexión de fuerza es permanente ya que este controla la onda sinusoidal en amplitud y periodo por lo que no tiene sentido generar un by-pass como en el caso de un arrancador suave. Ademas como controla onda sinusoidal es posible obtener una señal trifasica al motor de una red monofasico, lo que no se obtiene es elevación de voltaje, es decir si por ejemplo se conecta el variador a una red de 1x220V se obtiene 3x220V. Circuito de Fuerza Monofasico
Circuito de Fuerza Trifasico
Etapa de Control En el caso de las entradas digitales, el equipo proporciona un voltaje de control, por lo que en las entradas digitales no se puede ingresar un voltaje distinto de control. Los terminales de los reles programables si se puede pasar un nivel de voltaje alto, porque son contactos sin tensión, es decir solo cambian de estado en función de la programación. Como referencia se debe conectar un potenciómetro en un rango generalmente entre 1KΩ y 10KΩ. Finalmente las entradas analógicas son programables para recibir una señal de control de 0-10V y de 4-20mA.
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Conexión de Control 2 Hilos
Conexión de Control de 3 Hilos
Programación
La programación se puede realizar a través de menus o Parámetros directos. En este caso la programación es por parámetros Asociados a un Menu. Cada menú contiene una cantidad definida de Parámetros. Para la navegación se avanza entre menus y Una vez ingresado a un menú se puede navegar entre Parámetros, una vez identificado el parámetro este se Puede editar.
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Los parámetros básicos que se deben considerar para una rápida puesta en marcha de un variador son, por ejemplo para un modelo altivar 31 de schneider electric:
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Ahorro de Energia Para comprender el concepto de ahorro de energía tomaremos como ejemplo una bomba de agua; por ejemplo si no se necesita que la bomba envié todo el caudal y por lo tanto trabaje a menos velocidad, regulando la velocidad con un variador se obtiene un una ahorro de potencia consumida por el motor.
Para comprender el ahorro se debe conocer las leyes de afinidad, por ejemplo: VELOCIDAD ½ Velocidad
-
CAUDAL ½ Caudal
Es proporcional la velocidad al caudal
VELOCIDAD ½ Velocidad
-
PRESION ¼ Presión
La presión es cuadrática respecto a la velocidad
VELOCIDAD ½ Velocidad
-
POTENCIA ⅛ Velocidad
La potencia es cubica con respecto a la velocidad
Es decir si se requiere disminuir el caudal a la mitad, disminuyo la velocidad a la mitad pero para obtener dicha velocidad solo será necesario ocupar un 1/8 de la potencia inicial. Permitiendo un ahorro de energía y reducir costos.
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NORMA NEMA Nema es la National Electrical Manufacturers Association, que estable las designaciones, simbología y diagramas de los componentes eléctricos para los fabricantes eléctricos estadounidenses, homologable con la American National Standards Institute, estamento gubernamental de normas en estados unidos. Designaciones de Componentes en NEMA Para poder comprender los diagramas eléctricos se debe reconocer las letras que identifica el símbolo y la letra de funcionamiento de un aparato o grupo de aparatos eléctricos, ya que un símbolo puede representar a uno o más aparatos similares y la diferencia está en las letras de designación. Designación o Función Acelerador (accelerating) Amperimetro (ammeter) Frenado (braking) Capacitor (capacitance) Disyuntor (circuit breaker) Rele de Control (control relay) Transformador de Corriente (current transfor.) Diodo (diode) Seccionador (diconnect switch) Adelante (formard) Fusible (fuse) Tierra de Protección (ground protective) Joystick Limite de Carrera (limit switch) Contactor Principal (main contactor) Sobrecorriente (overcurrent) Sobrecarga (overload) Sobrevoltaje (overvoltage) Presostato (pressure switch) Botoneras (pushbutton) Selector (selector switch) Temporizador (time delay rele) Transformador (transformater) Voltimetro (volmeter) Contactos con retardo a la conexión time delay closing contacts Contactos con retardo a la desconexión time delay opening contacts Contacto Norma Abierto (Normally Open) Contacto Normal Cerrado (Normally Closed)
Letra de Identificación A AM B C CB CR CT D DS F FU GP J LS M OC OL OV PS PB SS TR T V TC o TDC TO o TDO NO NC
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Identificación de luces pilotos por sus colores A B C G NE R W Y
Amber Blue Clear Green Neon Red White Yellow
Identificación de Contactos Contactos de Potencia Los terminales de potencia se identifican en forma alfanumérica.
Contactos Auxiliares No tiene identificación específica.
Contacto de Bobina No tiene identificación específica.
Conductores Fase 1 Fase 2 Fase 3 Tierra
L1 L2 L3 G
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Una luz piloto pueden ser conectada en paralelo con la bobina del contactor para indicar cuando el motor esta funcionando, indicando que el motor se funcionando. La luz piloto que indica el funcionamiento que el motor está funcionando es de color rojo.
Una luz piloto puede ser necesaria para indicar cuando el motor se detuvo. Esto puede ser implementado por un contacto auxiliar normalmente. Cuando el motor de arranque se desactiva, el piloto de luz ilumina. Cuando el motor se detiene se apaga la luz.
La luz piloto que indica el funcionamiento que el motor está detenido es de color verde.
Simbología La diferencia más visual entre la norma Nema e Iec, es que la escritura de los diagramas eléctricos se realiza en forma horizontal, a continuación se presentan los símbolos más comunes. Contactos Auxiliares
Bobina
Botoneras
Luces Pilotos
Selectores
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Limite de Carrera
Presostato
Switch de Pie
Contactos Temporizados
Contactos de Fuerza
Motor
Contacto Disyuntor
Breacker
Contacto Relé Térmico
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Diagramas de control Básico Circuito de Partida Directa
Circuito de Partida Directa con Inversión de Giro
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Circuito de Arranque Indirecto Estrella Triangulo
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Ejemplo de un Circuito de control en Nema
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BIBLIOGRAFIA -
Manual Electrotécnico Telesquemario, Telemecanique MYCE Manual y Catalogo Eléctrico, Telemecanique Fundamentos de automatización, Alejandro Porras Maquinas Eléctricas, Stephen J. Chapman Catalogo Virtual, Calimport Diseño Básico de Automatismos Eléctricos, P. Ubierto Artur Articulo Técnico Eduardo Bozzo, Gerente de Productos de Baja Tensión de ABB. File 0140 Wiring Diagram Book, Square D
AUTOR Docente: Eduardo Astete Huenumilla – Inacap – Sede Chillan – Área Electricidad CONSULTAS
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