Libro Fundamentos Del Control Eléctrico Industrial

1FUNDAMENTOS DE CONTROL ELÉCTRICO INDUSTRIAL JULIA ANDREA GÓMEZ MARULANDA UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA ESCUELA DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA MEDELLÍN 2013 2 FUNDAMENTOS DE CONTROL ELÉCTRICO INDUSTRIAL JULIA ANDREA GÓMEZ MARULANDA Trabajo de grado para optar al título de ingeniera electricista y electrónica DIRECTOR JOSE HERNAN VALENCIA GALLÓN Ingeniero Electricista UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA ESCUELA DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA MEDELLÍN 2013 3 Nota de aceptación _________________________ _________________________ _________________________ _________________________ _________________________ Firma Nombre: Presidente del jurado _________________________ Firma Nombre: Jurado _________________________ Firma Nombre: Jurado 4 AGRADECIMIENTOS Agradezco principalmente a mis padres que fueron los que me apoyaron durante todo el proceso de aprendizaje. Agradezco también a mi director el Ingeniero Hernán Valencia Gallón y a mis jurados los Ingenieros electricistas Hugo A. Cardona Restrepo y Andrés E. Diez Restrepo. 5 INTRODUCCIÓN El contenido de este libro está relacionado con los Sistemas Eléctricos de Control Industrial, de gran aplicación y uso generalizado en todo el mundo. En general, se dispone de muchos manuales y abundante información técnica sobre el tema. Sin embargo, no es fácil conseguir libros con características de texto que sean aplicadas a la enseñanza en el campo de la ingeniería eléctrica y que a la vez presenten un tratado fácil de entender, coherente y con abundante información que promueva la lectura activa, particularmente para aquellas personas que tienen especial interés en el tema. El objetivo propuesto con este libro es que sirva de texto guía para las asignaturas de formación académica, o para cursos complementarios o electivos en estudios de ingeniería eléctrica o electrónica a nivel de pregrado. No obstante, la utilidad de la obra no está confinada a los cursos regulares de un programa académico, sino que puede ser utilizada para consulta, repaso o referencia. En general, sus contenidos son los indicados para quienes se esfuerzan por obtener mayores conocimientos acerca de los sistemas de control que se utilizan en las plantas de procesos industriales, con la salvedad de que no sustituye a los manuales que se deben consultar para los procedimientos detallados con un equipo de marca determinada. En el desarrollo de los temas tratados, se ha pretendido que sean claros, concisos y bien enfocados, restringiendo la discusión a lo esencial sin comprometerse con ningún equipo de marca. Esta edición, es una versión revisada, corregida y ampliada en todos sus capítulos y anexos. En el documento, se hace énfasis particularmente en el control de los motores eléctricos y en la solución de automatismos lógicos. Se han incluido 6 numerosas ilustraciones y nueva información en una amplia gama de temas, incluida una excelente presentación en Microsoft Power Point, la cual facilita la labor del docente y la de aprendizaje por parte del estudiante o de la persona interesada en el tema. Adicionalmente, se ha enfatizado en los temas de selección y dimensionamiento, con base en las especificaciones técnicas de los componentes, y en especial sobre los sistemas de tipo electrónico que se vienen implementando en sistemas de control moderno que utilizan la tecnología de los microprocesadores y de la electrónica de potencia con el empleo de los tiristores. Todo esto, difícil de encontrar en un solo volumen, representa por su contenido una gran ayuda para el ingeniero que debe enfrentarse por primera vez con equipos eléctricos asociados a las maquinas industriales. Para finalizar se hace necesario explicar dos peculiaridades especiales del texto. Primera, cierta parte del material se ha condensado en anexos con tablas e información técnica, que tienen el propósito de proporcionar al docente y al estudiante un elemento auxiliar complementario para el análisis y el diseño de los sistemas de control eléctrico, y que al mismo tiempo se adapte a las capacidades y necesidades del estudiante. Segunda, algunas tablas pueden utilizarse sin restricciones; otras solo como referencia o para proporcionar una perspectiva más amplia sobre el tema. Así mismo, se aclara que los diagramas que presenta este libro han sido elaborados en su mayoría con base en la simbología americana establecida por la ANSI. Sin embargo, se supone que el lector interesado en el tema tiene la información y los conocimientos suficientes para analizar e interpretar planos eléctricos similares que estén que estén elaborados con simbología diferente y muy particularmente con las de origen europeo que establecen las normas DIN y 7 IEC, también de amplia utilización entre constructores de equipo eléctrico industrial. Vale aclarar que se han utilizado indistintamente unidades de medida tanto del sistema inglés como del sistema métrico internacional, al referirse a los parámetros y las variables más importantes asociadas a los sistemas eléctricos. Con ello se pretende que el lector se familiarice con las diferentes unidades de uso corriente en los manuales y demás documentos técnicos de estos equipos. La elaboración de este documento se hizo con el apoyo invaluables de la ingeniera electricista y electrónica Julia Andrea Gómez Marulanda, quien durante 2 años recopilo, organizo y edito toda la información de este documento, incluida una presentación en formato .pptx de su autoría, que representa un aporte muy importante y relevante para el libro en todo su contexto, con lo cual se facilitan todas las tareas del proceso de enseñanza–aprendizaje. Esto la amerito para que este trabajo le fuera aceptado como proyecto de grado en la modalidad de asistencia a la docencia, con el propósito de optar al título de ingeniero electricista y electrónico que otorga la Universidad Pontificia Bolivariana de la ciudad de Medellín. 4 TABLA DE CONTENIDO INDICE DE FIGURAS ...........................................................................................................................15 INDICE DE TABLAS .............................................................................................................................24 INDICE DE ANEXOS ............................................................................................................................25 CAPÍTULO 1 FUNDAMENTOS DEL CONTROL ELÉCTRICO INDUSTRIAL ............................................26 1.1 INTRODUCCIÓN ...........................................................................................................26 1.2 FUNCIONES DE CONTROL ............................................................................................27 1.2.1 Control .........................................................................................................................28 1.2.2 Tipos de controladores ................................................................................................29 1.3 DISPOSITIVOS DE LOS SISTEMAS ELÉCTRICOS .............................................................30 1.3.1 Clasificación de los sistemas de control eléctricos ......................................................31 1.3.1.1 Controladores eléctricos ..............................................................................................31 1.3.1.2 Controladores electromagnéticos ...............................................................................32 1.3.1.2.1 Ventajas del control electromagnético .......................................................................33 1.3.1.2.2 Diagrama funcional de un sistema de control electromagnético ...............................34 1.3.1.2.2.1 Dispositivos de mando .................................................................................................35 1.3.1.2.2.2 Relés.............................................................................................................................36 1.3.1.2.2.3 Contactores..................................................................................................................37 1.3.1.3 Controladores electrónicos .........................................................................................38 1.4 PROCESOS INDUSTRIALES ............................................................................................38 1.4.1 Procesos físico-químicos ..............................................................................................39 1.4.2 Procesos de manufactura ............................................................................................39 CAPÍTULO 2 DISPOSITIVOS DE LOS SISTEMAS DE CONTROL ELECTROMAGNÉTICO ......................41 2.1 INTRODUCCIÓN ...........................................................................................................41 2.2 DISPOSITIVOS DE MANDO ...........................................................................................41 2.2.1 Dispositivos de mando digitales: especificaciones y aspectos constructivos..............43 5 2.2.2 Dispositivos de mando digitales de accionamiento manual .......................................47 2.2.2.1 Pulsadores ...................................................................................................................48 2.2.2.1.1 De contacto momentáneo ...........................................................................................49 2.2.2.1.2 De contacto retenido ...................................................................................................49 2.2.2.1.3 De actuador rasante ....................................................................................................51 2.2.2.1.4 De actuador saliente ....................................................................................................52 2.2.2.1.5 De cabeza de hongo (de seta) .....................................................................................52 2.2.2.1.6 Luminosos ....................................................................................................................53 2.2.2.1.7 Con cerradura de llave .................................................................................................54 2.2.2.1.8 De muletilla ..................................................................................................................54 2.2.2.1.9 De palanca tipo Joy Stick..............................................................................................55 2.2.2.1.10 De membrana ..............................................................................................................56 2.2.2.1.11 Especificaciones técnicas de los pulsadores ................................................................58 2.2.2.2 Combinadores de mando ............................................................................................58 2.2.2.2.1 Combinador de placa frontal .......................................................................................59 2.2.2.2.2 Combinador de tambor ...............................................................................................63 2.2.2.2.3 Combinador de levas ...................................................................................................65 2.2.2.2.4 Especificaciones técnicas de los combinadores de mando .........................................68 2.2.2.3 Interruptores de pie (de pedal) ...................................................................................68 2.2.2.3.1 Especificaciones técnicas de los interruptores de pie .................................................70 2.2.3 Dispositivos de mando digitales de operación automática .........................................70 2.2.3.1 Presóstatos ..................................................................................................................71 2.2.3.1.1 Presóstatos de pistón ..................................................................................................73 2.2.3.1.2 Presóstatos de tubo Bourdon ......................................................................................74 2.2.3.1.3 Presóstatos de diafragma ............................................................................................75 2.2.3.1.4 Presóstatos de fuelle ...................................................................................................76 2.2.3.1.5 Especificaciones técnicas de los presóstatos...............................................................76 2.2.3.2 Termóstatos .................................................................................................................78 2.2.3.2.1 Termóstato bimetálico ................................................................................................79 2.2.3.2.2 Termóstato de sistema lleno .......................................................................................80 2.2.3.2.3 Termóstato de expansión o dilatación lineal...............................................................82 6 2.2.3.2.4 Termistores ..................................................................................................................83 2.2.3.2.5 Especificaciones técnicas de los termóstatos ..............................................................85 2.2.3.3 Nivóstatos ....................................................................................................................86 2.2.3.3.1 Nivóstatos de flotador .................................................................................................87 2.2.3.3.2 Nivóstatos de electrodo ..............................................................................................89 2.2.3.3.3 Nivóstatos fotoeléctricos .............................................................................................90 2.2.3.3.4 Nivóstatos de vibración ...............................................................................................91 2.2.3.3.5 Nivóstatos de membrana ............................................................................................92 2.2.3.3.6 Especificaciones técnicas de los nivóstatos .................................................................94 2.2.3.4 Interruptores de flujo ..................................................................................................94 2.2.3.4.1 Especificaciones técnicas de los flujóstatos ................................................................97 2.2.3.5 Interruptores de velocidad ..........................................................................................97 2.2.3.5.1 Interruptor de velocidad electromecánico de leva .....................................................99 2.2.3.5.2 Interruptor de velocidad electromecánico centrífugo ..............................................100 2.2.3.5.3 Interruptor de velocidad magnético tipo “Reed Switch” ..........................................101 2.2.3.5.4 Interruptor de velocidad electromagnético tipo tacogenerador ..............................102 2.2.3.5.5 Interruptor de velocidad electromagnético inductivo ..............................................104 2.2.3.5.6 Interruptor de velocidad fotoeléctrico ......................................................................105 2.2.3.5.7 Especificaciones técnicas de los interruptores de velocidad ....................................106 2.2.3.6 Interruptores de posición (interruptores límite) .......................................................106 2.2.3.6.1 Especificaciones técnicas de los interruptores de posición ......................................110 2.2.3.6.2 Interruptores límite de proximidad ...........................................................................110 2.2.3.6.3 Interruptores límite de proximidad inductivos .........................................................111 2.2.3.6.4 Interruptores límite de proximidad capacitivos ........................................................112 2.2.3.6.5 Interruptores límite de proximidad ultrasónicos ......................................................113 2.2.3.6.6 Interruptores límite de proximidad fotoeléctricos ....................................................114 2.2.3.6.7 Especificaciones técnicas de los interruptores límite de proximidad .......................115 2.2.4 Indicadores luminosos ...............................................................................................116 2.2.4.1 Código de colores de indicadores luminosos ............................................................118 2.3 RELÉS ..........................................................................................................................120 2.3.1 Relés electromagnéticos ............................................................................................123 7 2.3.1.1 Relés electromagnéticos de tensión ..........................................................................125 2.3.1.2 Relés electromagnéticos de corriente .......................................................................126 2.3.1.3 Relés electromagnéticos de corriente alterna ..........................................................126 2.3.1.4 Relés electromagnéticos de corriente directa ...........................................................127 2.3.1.5 Especificaciones técnicas de los relés electromagnéticos .........................................127 2.3.2 Relés térmicos ...........................................................................................................128 2.3.3 Relés electrónicos ......................................................................................................136 2.3.3.1 Especificaciones técnicas de los relés electrónicos ...................................................139 2.3.3.2 Relés electrónicos de sobrecarga (Solid State Overload Relays: SSOR) ....................140 2.3.4 Relés temporizados ...................................................................................................143 2.3.4.1 Método de temporización inductivo con diodo rectificador.....................................145 2.3.4.2 Método de temporización capacitivo tipo RC ...........................................................147 2.3.4.3 Método de temporización capacitivo electrónico .....................................................148 2.3.4.4 Método de temporización neumática .......................................................................151 2.3.4.5 Método de temporización de tipo térmico ...............................................................153 2.3.4.6 Método de temporización electromecánico .............................................................154 2.3.4.6.1 Método de temporización electromecánico de accionamiento por mecanismo de cuerda ........................................................................................................................154 2.3.4.6.2 Método de temporización electromecánico de accionamiento por motor ..............155 2.3.4.7 Especificaciones técnicas de los relés temporizados ................................................155 2.3.5 Relés de protección ...................................................................................................156 2.3.5.1 Especificaciones técnicas de los relés de protección ................................................160 2.4 FUSIBLES ....................................................................................................................161 2.4.1 Especificaciones técnicas de los fusibles ...................................................................167 2.5 INTERRUPTORES AUTOMÁTICOS ...............................................................................168 2.5.1 Especificaciones técnicas de los interruptores automáticos .....................................174 2.6 CONTACTORES ...........................................................................................................176 2.6.1 Contactores enclavados (yuxtapuestos) ....................................................................190 2.6.2 Contactores con retención o memoria ......................................................................191 2.6.3 Contactores con bobina de bloqueo .........................................................................192 2.6.4 Contactores de estado sólido (SSC, abreviatura en inglés) .......................................193 8 2.6.5 Verificaciones y pruebas en contactores ...................................................................196 2.6.6 Especificaciones de corriente y voltaje para los contactores ....................................201 2.6.7 Selección de contactores para maniobra sobre motores ..........................................205 2.6.8 Clases de servicio .......................................................................................................208 2.6.9 Especificaciones técnicas de los contactores ............................................................210 2.7 GUARDAMOTORES ....................................................................................................212 2.7.1 Especificaciones técnicas para los guardamotores ...................................................214 2.8 VÁLVULA SOLENOIDE ................................................................................................214 2.8.1 Especificaciones técnicas para las válvulas solenoide ...............................................217 CAPÍTULO 3 SIMBOLOGÍA Y DESIGNACIÓN NORMALIZADA PARA LOS ELEMENTOS DE CONTROL ELECTROMAGNÉTICOS ..............................................................................................218 3.1 INTRODUCCIÓN .........................................................................................................218 3.2 DISPOSICIONES Y NORMAS INTERNACIONALES ........................................................220 3.3 HOMOLOGACIONES ...................................................................................................223 3.4 SÍMBOLOS ELECTRICOS NORMALIZADOS DE MAYOR UTILIZACION INDUSTRIAL .....225 3.5 DESIGNACIÓN NORMALIZADA DE LOS DISPOSITIVOS DE CONTROL .........................226 3.6 DESIGNACIÓN DE BORNES, REGLETAS Y TERMINALES ..............................................229 3.7 DESIGNACIÓN DE CONDUCTORES Y CABLES .............................................................229 3.8 DIAGRAMAS DE LOS SISTEMAS DE CONTROL ELECTROMAGNÉTICO ........................231 3.8.1 Diagrama de Bloques .................................................................................................234 3.8.2 Diagrama Unifilar .......................................................................................................235 3.8.3 Diagrama Elemental ..................................................................................................236 3.8.4 Diagrama de Conexiones ...........................................................................................245 3.8.5 Diagrama de Interconexión .......................................................................................250 3.8.6 Diagrama de Construcción.........................................................................................251 3.8.7 Diagrama de Instalación ............................................................................................252 3.8.8 Bases y recintos para la ubicación de elementos ......................................................252 3.9 GRADOS DE PROTECCION PARA APARATOS ELÉCTRICOS .........................................258 3.10 GRADOS DE PROTECCION POR MEDIO DE CUBIERTAS (CODIGO IP) .........................259 9 3.11 INDICACIONES PARA EL ENSAMBLAJE DE EQUIPOS DE CONTROL ............................263 3.12 INSTALACIONES ELÉCTRICAS INDUSTRIALES .............................................................267 3.12.1 Cargas industriales .....................................................................................................269 3.12.1.1 Cargas no esenciales ..................................................................................................270 3.12.1.2 Cargas esenciales .......................................................................................................270 3.12.1.2.1 Cargas esenciales de reserva opcional ......................................................................270 3.12.1.2.2 Cargas de reserva legal ..............................................................................................271 3.12.2 Tableros eléctricos .....................................................................................................275 3.12.2.1 Tableros Arrancadores de Motor ..............................................................................277 3.12.2.2 Tableros de Control Centralizado de Motores ..........................................................278 3.12.2.3 Tableros de control ....................................................................................................278 3.12.2.4 Tableros multibreaker ...............................................................................................279 3.13 ACOMETIDAS ELÉCTRICAS .........................................................................................279 3.13.1 Tubería .......................................................................................................................280 3.13.2 Bandejas portacables .................................................................................................280 3.13.3 Cárcamos ...................................................................................................................281 3.13.4 Canaletas con tapa ....................................................................................................282 3.13.5 Blindobarras ...............................................................................................................283 CAPÍTULO 4 CONTROL DE MOTORES ELÉCTRICOS Y DE OTRAS CARGAS INDUSTRIALES .............286 4.1 INTRODUCIÓN ...........................................................................................................286 4.2 FACTORES A CONSIDERAR EN EL DISEÑO DE UNA INSTALACIÓN .............................288 4.3 REQUISITOS DE UN SISTEMA DE CONTROL ...............................................................293 4.4 TIPOS DE SISTEMAS DE CONTROL DE MOTORES .......................................................293 4.4.1 Control manual ..........................................................................................................294 4.4.2 Control semiautomático ............................................................................................295 4.4.3 Control automático ....................................................................................................295 4.5 FUNCIONES DE UN SISTEMA DE CONTROL DE MOTORES .........................................296 4.6 CIRCUITOS BÁSICOS DE CONTROL DE MOTORES ......................................................297 4.6.1 Circuitos para conexión y desconexión (arranque-paro) de cargas motor a la red ..297 10 4.6.2 Protección del motor y de los circuitos auxiliares .....................................................303 4.6.3 Circuitos de control para el funcionamiento “a pasos” .............................................311 4.6.4 Circuitos para inversión de marcha ...........................................................................316 4.6.5 Circuitos para frenado de motores eléctricos ...........................................................320 4.6.5.1 Frenado dinámico ......................................................................................................321 4.6.5.2 Frenado de contramarcha .........................................................................................323 4.6.5.3 Frenado electromagnético o por inyección de corriente ..........................................328 4.6.5.4 Frenado electromecánico ..........................................................................................330 4.6.6 Circuitos para variación y cambio de velocidad en motores eléctricos ....................333 4.6.7 Circuitos para arranque de motores con limitación de la corriente de conexión (función aceleración) .................................................................................................351 4.6.7.1 Introducción...............................................................................................................351 4.6.7.2 Arranque de motores de corriente alterna a plena tensión (sin limitación de corriente) ...................................................................................................................355 4.6.7.3 Arranque a voltaje reducido por medio de resistencias y reactancias estatóricas ...356 4.6.7.4 Arranque a voltaje reducido mediante transformador .............................................362 4.6.7.5 Arranque a voltaje reducido mediante conexión estrella – triángulo .......................365 4.6.7.6 Arranque de motores trifásicos con limitación de corriente por reducción de potencia ...................................................................................................................................369 4.6.7.7 Arranque suave de motores trifásicos por medios electrónicos ...............................373 4.6.7.8 Arranque con limitación de corriente para motores de rotor devanado o de anillos rozantes .....................................................................................................................379 4.6.7.9 Arranque del motor sincrónico..................................................................................386 4.6.7.10 Aspectos a considerar para la escogencia de un método de aceleración con limitación de corriente ...............................................................................................................394 4.6.7.11 Métodos de aceleración para motores de corriente directa ....................................398 4.6.7.12 Cálculo de las resistencias de aceleración para un motor de corriente eléctrica .....414 4.6.7.13 Empleo de contactores para la conexión de cargas industriales no motores ...........418 11 CAPÍTULO 5 INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS ELÉCTRICOS DE CONTROL EMPLEANDO LAS TÉCNICAS DE COMPUTADOR ....................................................................................423 5.1 INTRODUCCIÓN. ........................................................................................................423 5.2 AUTOMATIZACIÓN.....................................................................................................424 5.2.1 Sustitución de la tecnología electrónica convencional (analógica) por la digital ......425 5.2.2 Planeación y supervisión global del control de la fábrica .........................................427 5.3 CONTROL DE PROCESOS MEDIANTE COMPUTADOR ................................................428 5.3.1 Ventajas del empleo del computador y los microprocesadores en los sistemas de control........................................................................................................................429 5.4 TIPOS DE CONTROL DE PROCESOS ............................................................................429 5.4.1 Según la tarea de control ...........................................................................................430 5.4.1.1 Control local o de vigilancia .......................................................................................430 5.4.1.2 Control supervisorio ..................................................................................................431 5.4.1.3 Control digital directo ................................................................................................431 5.4.2 Según las instalaciones físicas de la Fábrica ..............................................................432 5.4.2.1 Control centralizado ..................................................................................................432 5.4.2.2 Control distribuido .....................................................................................................434 5.4.2.3 Control jerarquizado o control integral jerarquizado ................................................436 5.5 ANÁLISIS COMPARATIVO DEL EMPLEO DEL COMPUTADOR EN EL CONTROL DE PROCESOS Y EN PROCESAMIENTO DE DATOS ...........................................................438 5.6 FUNCIONES EN UN SISTEMA DE CONTROL DE PROCESOS INTEGRAL ASISTIDO POR COMPUTADOR ...........................................................................................................440 5.6.1 Adquisición y acondicionamiento de datos ...............................................................441 5.6.2 Control de las variables del proceso ..........................................................................441 5.6.3 Comunicación con el operador ..................................................................................442 5.6.4 Supervisión y documentación ...................................................................................442 5.7 SOPORTE LÓGICO PARA EL CONTROL DE PROCESOS POR COMPUTADOR ...............443 5.7.1 Normalizado ..............................................................................................................443 5.7.2 Particular....................................................................................................................443 5.8 ANOTACIONES SOBRE LOS LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN PARA EL CONTROL DE PROCESOS ..................................................................................................................444 12 5.8.1 Clásicos ......................................................................................................................445 5.8.2 Específicos .................................................................................................................445 5.8.3 Multitarea ..................................................................................................................445 5.8.4 Avanzados ..................................................................................................................445 5.8.5 De simulación ............................................................................................................446 5.9 CONTROL SECUENCIAL ..............................................................................................446 5.9.1 Introducción...............................................................................................................446 5.9.2 Definiciones ...............................................................................................................447 5.9.2.1 Entrada ......................................................................................................................447 5.9.2.2 Salida ..........................................................................................................................448 5.9.2.3 Órganos receptores ...................................................................................................448 5.9.2.4 Convertidores de señal ..............................................................................................449 5.9.2.5 Selectores de datos ...................................................................................................449 5.10 ESTRUCTURA DEL CONTROL SECUENCIAL .................................................................450 5.10.1 Diseño de un sistema de control secuencial .............................................................451 5.10.2 Solución de un problema de control secuencial........................................................451 5.11 CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMABLES (PLC) .................................................452 5.11.1 Generalidades ............................................................................................................452 5.11.2 Definición ...................................................................................................................457 5.11.3 Ventajas de su empleo ..............................................................................................458 5.11.4 Estructura interna básica ...........................................................................................458 5.11.5 Aspecto físico y presentación ....................................................................................459 5.11.6 Aplicaciones generales ..............................................................................................461 5.11.7 Componentes básicos ................................................................................................461 5.11.7.1 Secuenciador .............................................................................................................461 5.11.7.2 Interfases I/O .............................................................................................................462 5.11.7.3 Memorias ...................................................................................................................463 5.11.7.4 Acumuladores y registros ..........................................................................................464 5.11.7.5 Medios de comunicación interna ..............................................................................464 5.11.7.6 Unidad de procesamiento central (CPU) ...................................................................465 5.11.7.7 Programador (PG) ......................................................................................................467 13 5.11.7.8 Periféricos ..................................................................................................................467 5.11.8 Ciclo de tratamiento de un controlador programable ..............................................468 5.11.9 Manejo de la información .........................................................................................469 5.11.10 Selección de un Controlador Lógico Programable (PLC) ...........................................470 5.11.10.1 Criterios de selección .................................................................................................470 5.11.10.2 Ficha de identidad .....................................................................................................471 5.11.10.3 Tecnología empleada .................................................................................................471 5.11.10.4 Órganos de comunicación externa ............................................................................471 5.11.10.5 Lenguajes de Programación: .....................................................................................472 5.11.10.6 Tipo de programador .................................................................................................472 5.11.10.7 Soporte lógico ............................................................................................................472 5.11.10.8 Medios de diálogo con el operador (Periféricos) ......................................................473 5.11.10.9 Consideraciones económicas ....................................................................................473 5.11.11 Diseño con controladores lógicos programables ......................................................473 5.11.11.1 Definición del problema ............................................................................................473 5.11.11.2 Análisis del sistema ....................................................................................................474 5.11.11.3 Pre-diseño ..................................................................................................................475 5.11.11.4 Diseño ........................................................................................................................476 5.11.11.5 Asignación de direcciones .........................................................................................476 5.11.11.6 Conexionado del PLC .................................................................................................477 5.12 INTERFACES ...............................................................................................................479 5.12.1 Introducción...............................................................................................................479 5.12.2 Interfaces de entradas digitales (circuitos típicos) ....................................................480 5.12.3 Interfaces de salida digitales (circuitos típicos) .........................................................481 5.12.4 Interfaces análogas ....................................................................................................483 5.13 PROGRAMACIÓN DE UN PLC .....................................................................................484 5.13.1 Introducción...............................................................................................................484 5.13.2 Comandos ..................................................................................................................484 5.13.2.1 Comandos lógicos ......................................................................................................485 5.13.2.2 Comandos de servicio ................................................................................................489 5.13.3 Lenguajes ...................................................................................................................491 14 5.13.3.1 Booleano ....................................................................................................................492 5.13.3.2 Escalera o Ladder .......................................................................................................492 5.13.3.3 Grafcet .......................................................................................................................492 5.13.4 Errores en la configuración de un diagrama de escalera ..........................................503 5.13.5 Estructura básica del lenguaje booleano ...................................................................504 5.13.6 Programación de circuitos con varias salidas ............................................................508 5.13.7 Manejo del programador ..........................................................................................518 5.13.8 Programación especial del PLC ..................................................................................521 5.13.8.1 Retención de estados ................................................................................................522 5.13.8.2 Relés con retención o memoria con bobinas de enganche (SET–RESET) ..................523 5.13.8.3 Forzado de entradas y salidas ...................................................................................528 5.14 CONCEPTOS GENERALES DE LAS COMUNICACIONES DIGITALES. .............................529 5.14.1 Redes de comunicación industriales .........................................................................534 ANEXOS ...................................................................................................................................539 ANEXO A ...................................................................................................................................539 ANEXO B ...................................................................................................................................539 ANEXO C ...................................................................................................................................539 ANEXO D ...................................................................................................................................539 Bibliografía ...................................................................................................................................654 15 INDICE DE FIGURAS Figura 1. Estructura básica de un sistema de control electromagnético. ......................................... 35 Figura 2. Tipos de pulsadores industriales ........................................................................................ 48 Figura 3. Pulsador momentáneo con contactos de doble apertura (1NO+1NC) .............................. 49 Figura 4. Mecanismo de actuador rasante ........................................................................................ 51 Figura 5. Mecanismo de Actuador saliente ....................................................................................... 52 Figura 6. Mecanismo de Cabeza de hongo ....................................................................................... 52 Figura 7. Mecanismo de actuador saliente con lámpara de señalización incorporada (pulsador luminoso)........................................................................................................................................... 53 Figura 8. Mecanismo de accionamiento por llave ............................................................................ 54 Figura 9. Mecanismo de actuación con perilla giratoria ................................................................... 54 Figura 10. Palanca de tipo Joy Stick ................................................................................................... 55 Figura 11. Pulsador tipo membrana .................................................................................................. 56 Figura 12. Tipos de combinadores de mando ................................................................................... 59 Figura 13. Empleo de un Master Switch tripolar con un motor de corriente directa. ...................... 60 Figura 14. Empleo de un Master Switch tripolar con un motor de rotor bobinado. ........................ 61 Figura 15. Combinador de tambor. ................................................................................................... 65 Figura 16. Tipos de Levas .................................................................................................................. 66 Figura 17. Estructura básica de un combinador de levas.................................................................. 67 Figura 18. Combinador de levas de accionamiento por motor. ....................................................... 67 Figura 19. Mecanismo interruptor de accionamiento con el pie (foot switch). ............................... 69 Figura 20. Presóstato de pistón......................................................................................................... 73 Figura 21. Presóstato de tubo Bourdon. ........................................................................................... 74 Figura 22. Presóstato de diafragma. ................................................................................................. 75 Figura 23. Presóstato de fuelle.......................................................................................................... 76 Figura 24. Termóstato bimetálico y simbología. ............................................................................... 80 Figura 25. Termóstato de sistema lleno. ........................................................................................... 81 Figura 26. Termóstato de ampolleta de mercurio. ........................................................................... 82 Figura 27. Curvas de variación de resistencia por efecto de la temperatura. .................................. 84 Figura 28. Nivóstato de flotador y simbología. ................................................................................. 88 16 Figura 29. Nivóstato de electrodo. .................................................................................................... 90 Figura 30. Nivóstato fotoeléctrico. .................................................................................................... 91 Figura 31. Nivóstato de vibración. .................................................................................................... 92 Figura 32. Nivóstatos de membrana. ................................................................................................ 93 Figura 33. Flujóstato de aleta móvil y electromagnético. ................................................................. 95 Figura 34. Flujóstato de placa o aleta móvil ...................................................................................... 96 Figura 35. Tipos de interruptores de velocidad tipo industrial. ........................................................ 99 Figura 36. Interruptor de velocidad electromecánico de leva. ....................................................... 100 Figura 37. Interruptor de velocidad electromecánico centrífugo. .................................................. 101 Figura 38. Interruptor de velocidad magnético tipo Reed Switch. ................................................. 102 Figura 39. Interruptor de velocidad electromagnético del tipo de tacogenerador. ....................... 103 Figura 40. Circuito electrónico para interruptor de velocidad que genera un tren de pulsos. ...... 103 Figura 41. Interruptor de velocidad electromagnético inductivo. .................................................. 104 Figura 42. Interruptor de velocidad fotoeléctrico de disco ranurado............................................. 105 Figura 43. Mecanismo de palanca con rodillo giratorio. ................................................................. 107 Figura 44. Interruptor límite de varilla y simbología. ...................................................................... 108 Figura 45. Interruptores límite de vano o ranura tipo fotoeléctrico. ............................................. 108 Figura 46. Interruptores límite de naturaleza electromecánica. .................................................... 109 Figura 47. Interruptores de proximidad inductivos. ....................................................................... 112 Figura 48. Diagrama de bloques típico de un interruptor de proximidad inductivo. ..................... 112 Figura 49. Interruptores de proximidad capacitivos. ...................................................................... 113 Figura 50. Interruptores de proximidad ultrasónicos. .................................................................... 114 Figura 51. Interruptores de proximidad fotoeléctricos. .................................................................. 115 Figura 52. Tipos de indicadores luminosos. .................................................................................... 116 Figura 53. Formas de conexión de indicadores luminosos ............................................................. 117 Figura 54. Módulo de señalización de alarmas. .............................................................................. 120 Figura 55. Versiones constructivas de los relés electromagnéticos ............................................... 122 Figura 56. Relés electromagnéticos industriales y representación simbólica. ............................... 124 Figura 57. Tipos de relés térmicos y representación simbólica. ..................................................... 128 Figura 58. Curva característica de un relé térmico. ........................................................................ 131 Figura 59. Clasificación NEMA según tiempo de actuación. ........................................................... 132 17 Figura 60. Estructura básica y presentación frontal de un relé térmico. ........................................ 134 Figura 61. Empleo de transformadores de corriente (TC) para conexión del relé térmico. ........... 135 Figura 62. Relés electrónicos de estado sólido (SSR). ..................................................................... 137 Figura 63. Circuito básico y estructura típica de un SSR. ................................................................ 139 Figura 64. Relé electrónico de sobrecarga (SSOR): ......................................................................... 140 Figura 65. Símbolo del relé de sobrecarga de estado sólido. ......................................................... 142 Figura 66. Circuito básico de conexión del relé para aplicación con motores monofásicos. ......... 143 Figura 67. Simbología y designación normalizada de relés y contactos temporizados. ................. 145 Figura 68. Método de temporización inductivo con diodo rectificador. ........................................ 147 Figura 69. Método de temporización capacitivo. ........................................................................... 148 Figura 70. Métodos de temporización empleando dispositivos electrónicos. ............................... 149 Figura 71. Método de temporización neumática. ........................................................................... 152 Figura 72. Temporización de tipo térmico. ..................................................................................... 153 Figura 73. Relés de protección de uso corriente. ............................................................................ 157 Figura 74. Diagrama de bloques de un relé de protección de potencia inversa............................. 160 Figura 75. Tipos de fusibles. ............................................................................................................ 162 Figura 76. Curvas de respuesta tiempo vs corriente de fusibles industriales. ................................ 163 Figura 77. Curvas de protección integral para fusible-relé térmico. .............................................. 164 Figura 78. Tipos comerciales de interruptores automáticos. ......................................................... 168 Figura 79. Dibujo ilustrativo de un interruptor termomagnético monopolar. ............................... 169 Figura 80. Curva t vs i del interruptor termomagnético. ................................................................ 170 Figura 81. Símbolo del interruptor tripolar con disparadores termo-magnéticos por sobrecarga y cortocircuito. ................................................................................................................................... 171 Figura 82. Curvas t vs i para interruptores automáticos con módulo de disparo electrónico. ....... 174 Figura 83. Presentación típica de contactores. ............................................................................... 177 Figura 84. Simbología normalizada para contactores. .................................................................... 178 Figura 85. Contactor de CA de alta corriente. ................................................................................. 183 Figura 86. Estructura básica de un contactor de CA. ...................................................................... 184 Figura 87. Efecto de retención por medio de la bobina de sombra................................................ 185 Figura 88. Principio de soplado magnético. .................................................................................... 189 Figura 89. Contactor enclavado y estructura básica de los “cuernos de enclavamiento”. ............. 190 18 Figura 90. Esquema de contactor con bobina con bloqueo. ........................................................... 192 Figura 91. Contactor de estado sólido (SSC) ................................................................................... 194 Figura 92. Conexión de un motor de CD (o CA) a una red bifilar usando contactores tripolares. .. 201 Figura 93. Tipos comerciales de Guardamotores. ........................................................................... 213 Figura 94. Símbolo normalizado IEC del guardamotor. .................................................................. 213 Figura 95. Válvulas solenoide. ......................................................................................................... 215 Figura 96. Estructura básica de una válvula solenoide. .................................................................. 215 Figura 97. Algunos sellos de homologación reconocidos internacionalmente. .............................. 224 Figura 98. Designación de conductores y cables. ........................................................................... 231 Figura 99. Diagramas de bloques .................................................................................................... 234 Figura 100. Diagramas unifilares. .................................................................................................... 235 Figura 101. Diagrama elemental para CA simbología americana. Alimentación del circuito de control mediante el empleo de transformador y fusibles. ............................................................. 239 Figura 102. Diagrama elemental para CA en simbología americana con alimentación directa del circuito de control y protección con fusibles. ................................................................................. 240 Figura 103. Diagrama elemental para CD en simbología americana .............................................. 241 Figura 104. Conexiones erradas en un circuito de control ............................................................. 242 Figura 105. Control para el vaciado de líquido de un tanque a otro en una misma cantidad. ....... 243 Figura 106. Diagrama ilustrativo de conexiones. ............................................................................ 248 Figura 107. Diagrama de conexiones (de cableado) para un motor trifásico y un conmutador de voltímetro. ....................................................................................................................................... 249 Figura 108. Esquema de bornes ...................................................................................................... 250 Figura 109. Diagrama de interconexión (esquema de bordes y conductores) ............................... 251 Figura 110. Tablero de control, con dispositivos de señalización luminosa, pulsadores, conmutadores y medidores. ........................................................................................................... 253 Figura 111. Tableros de control. ..................................................................................................... 256 Figura 112. Ilustración de tipos de encerramiento para diferentes grados de protección IP ........ 262 Figura 113. Dispositivos con protección IP55. ................................................................................ 263 Figura 114. Tableros eléctricos de uso in dustrial ........................................................................... 265 Figura 115. Tablero eléctrico de uso industrial antiguo (sin consideraciones de riesgo, según normas actuales). ............................................................................................................................ 265 19 Figura 116. Tableros eléctricos de uso industrial sin cumplimiento de normas ............................. 266 Figura 117. Montaje de elementos sobre bastidor siguiendo indicaciones de norma. .................. 267 Figura 118. Dispositivos de protección y maniobra. ....................................................................... 268 Figura 119. Dispositivo de medida digital tipo UDI. ........................................................................ 269 Figura 120. Panel anunciador de alarmas. ...................................................................................... 269 Figura 121. Grupo electrógeno (con cabina insonorizada) para respaldo de energía (tipo stand-by). ......................................................................................................................................................... 272 Figura 122. a) Sistema de distribución de energía con respaldo para la totalidad de la carga. b) Sistema de distribución de energía con respaldo para cargas esenciales únicamente. ................. 274 Figura 123. Tableros de distribución principal. ............................................................................... 276 Figura 124. Acometidas eléctricas por tubería y bandeja portacables. .......................................... 279 Figura 125. Tipos de bandeja portacables. ..................................................................................... 281 Figura 126. Tendido de conductores por cárcamo. ........................................................................ 282 Figura 127. Canaleta termoplástica con tapa. ................................................................................ 282 Figura 128. Barrajes de un sistema de Blindobarras. ...................................................................... 283 Figura 129. Sistema de distribución de energía con Blindobarras. ................................................. 284 Figura 130. Máquina, control, motor. ............................................................................................. 288 Figura 131. Máquina. ...................................................................................................................... 289 Figura 132. Fuente de energía disponible por medio de transformador acondicionador. ............. 289 Figura 133. Motor. .......................................................................................................................... 290 Figura 134. Operador y dispositivo de control. ............................................................................... 290 Figura 135. Interruptor sencillo de cuchilla con portafusible incorporado. ................................... 294 Figura 136. Circuitos básicos de potencia para la operación de arranque-paro con motores eléctricos. ........................................................................................................................................ 297 Figura 137. Circuitos básicos de control para arranque y paro de motores eléctricos. ................. 299 Figura 138. Carcasa del motor conectada a tierra. ......................................................................... 304 Figura 139. Símbolo IEC para un desconectador rápido ................................................................. 306 Figura 140. Conexión de relé de sobre y bajo voltaje o de relé inversión de secuencia ................ 307 Figura 141. Circuitos para protección de motor contra la variación de tensión ............................ 309 Figura 142. Bandas transportadoras accionadas por motores eléctricos. ...................................... 312 20 Figura 143. Circuito para el mando de un motor de corriente directa que incorpora la función jog. ......................................................................................................................................................... 313 Figura 144. Circuito con función Jog ............................................................................................... 315 Figura 145. Esquema ilustrativo de un elevador de personal o de carga. ...................................... 316 Figura 146. Circuitos para inversión de marcha de un motor de CD. ............................................. 317 Figura 147. Circuito típico para frenado dinámico de un motor de CD. ......................................... 321 Figura 148. Circuitos para frenado de contramarcha en motores de CA y CD. .............................. 325 Figura 149. Inversión de marcha con frenado de contramarcha. ................................................... 327 Figura 150. Frenado de motor por inyección de corriente directa ................................................. 330 Figura 151. Empleo de freno electromagnético de CD para un motor de CA. ............................... 332 Figura 152. Variadores de velocidad. .............................................................................................. 334 Figura 153. Dispositivos de regulación usados con motores de CD. ............................................... 335 Figura 154. Circuitos para variación de velocidad de motores de CD............................................. 335 Figura 155. Empleo de una variac para variación manual de la velocidad de un motor de CD ...... 337 Figura 156. Variación de velocidad por medio de resistencias rotóricas ajustables, para un motor de rotor devanado (motor de anillos rozantes) .............................................................................. 338 Figura 157. Circuito de Cambiador de dos velocidades en un motor trifásico en conexión Dahlander ∆-YY. (a). Circuito de potencia. (b).Circuito de control. .................................................................. 343 Figura 158. Mando con interruptor de muletilla con retención (Sistema Dahlander) ................... 344 Figura 159. Circuitos para cambiador de dos velocidades en un motor trifásico por devanados parciales. (a). Circuito de potencia. (b) Circuitos de control. .......................................................... 346 Figura 160. Control selectivo de velocidad para un motor de rotor devanado. ............................. 349 Figura 161. Control forzado de velocidad para motor de rotor devanado. .................................... 350 Figura 162. Cambiador manual de velocidad para un motor de CD mediante combinador de mando. ............................................................................................................................................ 351 Figura 163. Arranque directo (a plena tensión) de un motor trifásico. .......................................... 355 Figura 164. Diagramas fasoriales del circuito del motor para el cálculo de las resistencias o reactancias limitadoras. .................................................................................................................. 358 Figura 165. Circuito acelerador en transición cerrada, para maniobra sobre un motor trifásico. (a) (b) Circuitos de potencia. (c) Circuito de control. ........................................................................... 361 21 Figura 166. Arranque de un motor trifásico a tensión reducida mediante autotransformador. (a) Circuito de potencia. (b) Circuito de control, en transición cerrada. .............................................. 363 Figura 167. Curvas de aceleración del motor trifásico de jaula de ardilla en arranque estrella– triángulo. ......................................................................................................................................... 366 Figura 168. Arranque de un motor trifásico de jaula de ardilla en conexión estrella–triángulo. (a) Circuito de potencia. (b) Circuito de control. .................................................................................. 368 Figura 169. Motor trifásico de jaula de ardilla con arranque por devanados parciales. (a) Circuito de potencia. (b) Circuito de control. (c) Esquema de bornes. ............................................................. 372 Figura 170. Conexión reguladora de tensión para motores trifásicos mediante SCR .................... 374 Figura 171. Arranque de motores trifásicos de jaula de ardilla mediante arrancadores suaves electrónicos. (a) Circuito de potencia. (b) Circuito de control. ....................................................... 376 Figura 172. Curvas de aceleración del motor trifásico de jaula de anillos rozantes o de rotor devanado, a tensión de línea constante con resistencia rotórica. ................................................. 379 Figura 173. Variación del torque de arranque con la resistencia rotórica externa para un motor de anillos rozantes o rotor devanado. ................................................................................................. 380 Figura 174. Circuitos para el arranque de un motor de rotor devanado. Circuito de potencia (a). Circuito de control (b). .................................................................................................................... 383 Figura 175. Curva característica de velocidad vs torque del motor sincrónico. ............................. 388 Figura 176. Arranque del motor sincrónico con sincronización por límite de tiempo. (a) Circuito de potencia. (b) Circuito de control. .................................................................................................... 392 Figura 177. Circuito acelerador por etapas para un motor de CD shunt mediante la conexión en serie de resistencias limitadoras en el inducido o armadura.......................................................... 403 Figura 178. (a) Proceso de aceleración gradual de un motor de CD por cambio de las resistencias en el circuito del inducido. (b) Variación de la corriente del motor por efecto de la conmutación, en función del tiempo. (c) Variación de la velocidad del motor por efecto de la conmutación, en función del tiempo. ......................................................................................................................... 404 Figura 179. Circuito de aceleración por fuerza contraelectromotriz o límite de velocidad, para un motor de CD tipo shunt. .................................................................................................................. 407 Figura 180. Circuito de aceleración por límite de corriente con relés serie, para un motor de CD tipo shunt. ....................................................................................................................................... 409 22 Figura 181. Circuito de aceleración por límite de corriente, empleando contactores con bobina de bloqueo, para un motor de CD tipo shunt. ..................................................................................... 410 Figura 182. Circuito de aceleración por límite de tiempo empleando bloques de contactos con retardo neumático, para un motor de CD tipo shunt ..................................................................... 412 Figura 183. Circuito de aceleración por límite de tiempo, empleando un relé temporizado por motor con contactos de retardo secuencial, para un motor de CD tupo shunt. ............................ 413 Figura 184. Empleo de contactores con contactos de conexión adelantada para maniobra de bancos de condensadores. .............................................................................................................. 422 Figura 185. Presentación física típica de un tablero eléctrico industrial con empleo de un PLC. .. 424 Figura 186. Tecnología electrónica análoga y digital. ..................................................................... 426 Figura 187. Diagrama de bloques de un control local o de vigilancia. ............................................ 430 Figura 188. Diagrama de bloques para un sistema de control supervisorio. .................................. 431 Figura 189. Sala de control de un sistema de control centralizado. ............................................... 433 Figura 190. Diagrama de bloques de un sistema de control digital directo centralizado. .............. 434 Figura 191. Diagrama de bloques de un sistema de control distribuido empleando una red de comunicación radial. ....................................................................................................................... 435 Figura 192. Estructura del sistema de control integral jerarquizado asistido por computador ..... 438 Figura 193. Estructura de un control secuencial. ............................................................................ 450 Figura 194. Circuito de control electromagnético que maneja un compresor de aire, para ser implementado con un arreglo utilizando circuitos integrados con compuertas lógicas. ............... 454 Figura 195. Estructura interna básica de un PLC mediante una representación en diagrama de bloques. ........................................................................................................................................... 459 Figura 196. PLC en presentación compacta. ................................................................................... 460 Figura 197. PLC en presentación modular. ..................................................................................... 460 Figura 198. Conformación de la CPU. .............................................................................................. 466 Figura 199. Ciclo de tratamiento de un controlador programable. ................................................ 469 Figura 200. División del proceso en subprocesos. .......................................................................... 475 Figura 201. Circuito básico para conexionado de un PLC. .............................................................. 477 Figura 202. Versión de interface de entrada digital tipo sourse. .................................................... 480 Figura 203. Versión de interface de entrada digital tipo sink. ........................................................ 481 Figura 204. Interface de salida digital tipo source. ......................................................................... 482 23 Figura 205. Interface de salida digital por relé tipo source. ............................................................ 482 Figura 206. Acción asociada a una etapa. ....................................................................................... 493 Figura 207. Transición de GRAFCET................................................................................................. 494 Figura 208. Direccionamiento condicional. ..................................................................................... 495 Figura 209. Salto entre etapas ........................................................................................................ 496 Figura 210. Secuencias simultáneas ................................................................................................ 497 Figura 211. Estructura de una red industrial. .................................................................................. 531 24 INDICE DE TABLAS Tabla 1. Tabla de conversión de unidades de presión. ..................................................................... 77 Tabla 2. Clasificación NEMA para contactores ................................................................................ 177 Tabla 3. Intensidades de corriente para esquemas de conexión de 2 y 3 vías. .............................. 200 Tabla 4. Entidades principales de normalización para simbología eléctrica ................................... 220 Tabla 5. Tabla de Código IP. ............................................................................................................ 260 Tabla 6. Velocidades normalizadas para frecuencia de 60 Hz ........................................................ 340 Tabla 7. Análisis comparativo del empleo del computador en el control de procesos y en el procesamiento de datos ................................................................................................................. 439 25 INDICE DE ANEXOS ANEXO A: TABLAS.................................................................................................................. 540 ANEXO B: EJERCICIOS RESUELTOS .......................................................................................... 606 ANEXO C: CUESTIONARIO ...................................................................................................... 631 ANEXO D: CONEXIÓN DAHALANDER ....................................................................................... 651 26 CAPÍTULO 1 FUNDAMENTOS DEL CONTROL ELÉCTRICO INDUSTRIAL 1.1 INTRODUCCIÓN El objetivo primario de una planta industrial es producir un objeto terminado. Para lograr un producto aceptable se requiere la transformación de cierta materia prima; proceso que es realizado por máquinas que demandan energía. Ésta evidentemente debe ser regulada y controlada para que las máquinas puedan cumplir satisfactoriamente con las tareas exigidas. Un proceso industrial involucra una secuencia de operaciones ordenadas que se dan en el tiempo y que gradualmente van transformando la materia prima hasta lograr el producto terminado. El proceso es realizado por máquinas que demandan energía y esta energía evidentemente debe ser regulada para que se transforme eficientemente y puedan ser cumplidas las tareas exigidas. Los motores eléctricos suministran en su mayor parte la energía mecánica que demandan las máquinas de una instalación industrial. Se excluyen otro tipo de motores como los de combustión interna en virtud del elevado nivel de ruido que producen, el alto grado de contaminación ambiental que generan y los problemas intrínsecos asociados a las exigencias de mantenimiento de estos elementos. Comparativamente, los motores eléctricos son fáciles de instalar y acoplar, requieren un bajo servicio de mantenimiento, no contaminan el ambiente, producen bajo ruido, y sobre todo; son altamente eficientes en su proceso de transformar la energía eléctrica en energía mecánica de movimiento. En un típico proceso industrial, cada motor o grupo de motores ha de realizar, por lo general, varias operaciones y a menudo repetir algunas o todas de ellas. La secuencia de control puede involucrar operaciones tales como la inversión de 27 marcha, el frenado, la limitación o variación de la velocidad y el torque, el control de la aceleración, u operaciones más complejas como la de secuenciación y sincronización de trenes motrices. Es importante resaltar que el motor eléctrico es la carga más compleja e importante asociada a un sistema eléctrico ya que involucra efectos resistivos e inductivos, tensiones inducidas, y aspectos inerciales y friccionales que afectan notoriamente el comportamiento de la máquina; especialmente durante la conexión y desconexión de la misma. Los motores eléctricos se fabrican en varias potencias, desde fracciones en baja tensión a grandes potencias en media tensión, tanto en corriente alterna como en corriente directa. Los motores se pueden clasificar de diversas maneras, pero la que se aplica para efectos prácticos considera: Tamaño (potencia), voltaje y tipo de corriente, tipo de aplicación y características de par-velocidad. Otros elementos están relacionados con aspectos constructivos y limitaciones físicas de tipo ambiental. 1.2 FUNCIONES DE CONTROL Todo proceso industrial demanda energía en formas muy diversas. Esta energía, ya sea térmica, lumínica, mecánica de movimiento, o de cualquier otra índole; puede ser obtenida de una fuente primaria como es la energía eléctrica la cual es fácilmente transportable, transformable y disponible en el sitio que se requiera y a un costo relativamente bajo. Prácticamente, toda la industria moderna que existe actualmente en el mundo depende en mayor o menor grado del suministro de energía eléctrica para realizar sus operaciones y sin ella puede afirmarse que toda actividad industrial quedaría paralizada. 28 El suministro de energía requiere de medios para transportarla y regularla convenientemente hacia las máquinas o equipos que la demandan. De este concepto se derivan palabras que hoy en día son muy familiares en el argot técnico como: controlador, regulador, gobernador y otras más. 1.2.1 Control En términos generales y desde el punto de vista de la ingeniería, control es la regulación de energía en forma predeterminada hacia los elementos o dispositivos que la demanden. Para que una máquina pueda realizar un proceso industrial de transformación de materia prima en un producto terminado, se requiere de un medio de control o regulación de la energía que se le suministra a los diferentes elementos o dispositivos que se incorporan en dicha máquina. En principio, por cada máquina que se use, debe disponerse de un controlador. Un controlador es el conjunto de elementos físicos interconectados que interactúan con el sistema, con el propósito de regular la energía demandada, realizando sobre el mismo lo que se conoce como la tarea de control o acción de control, la cual define la forma o manera de actuar de dicho sistema. Un controlador interactúa convenientemente para regular la energía que demanda un órgano receptor cuya función es la de transformar dicha energía en una forma útil y aprovechable. A estos órganos receptores también se les conoce como elementos finales de control o simplemente se les denomina las cargas del proceso. Un motor eléctrico es una carga o elemento final de control y como tal requiere un dispositivo controlador que regule la energía suministrada para realizar la tarea de control que debe cumplir sobre la máquina o en el proceso donde se encuentra instalado; de esta forma podrá operar y funcionar satisfactoriamente. 29 1.2.2 Tipos de controladores En la industria de procesos se utilizan muchos e importantes dispositivos que demandan fuentes de energía diferentes a la eléctrica. Dispositivos hidráulicos, neumáticos o simplemente mecánicos compiten e interactúan con los eléctricos y electrónicos. Las válvulas reguladoras neumáticas para el control de fluidos, los cilindros o servomotores hidráulicos para posicionamiento de piezas móviles, son ejemplos típicos de dispositivos de uso corriente. Con base en lo indicado anteriormente, puede hacerse una clasificación general de los controladores según el tipo de energía que demanden: - Neumáticos - Hidráulicos - Mecánicos - Eléctricos - Otros Es de uso corriente la fabricación de equipos y de maquinaria que incorpora elementos finales de control de diversa índole que interactúan entre sí. Estos montajes especiales originan a su vez formas alternas de regulación y dan origen a los denominados controladores híbridos como por ejemplo: - Controladores Electro-neumáticos - Controladores Electro-hidráulicos. - Controladores Electro-mecánicos. - Controladores Hidráulico-neumáticos. 30 1.3 DISPOSITIVOS DE LOS SISTEMAS ELÉCTRICOS En la estructura básica de un sistema eléctrico se tienen varios elementos que desempeñan importantes funciones. Prácticamente, cualquier dispositivo eléctrico puede agruparse dentro de uno o varios de los siguientes: - Dispositivos de protección. - Dispositivos de mando. - Dispositivos de medida. - Dispositivos de señalización. - Dispositivos de regulación y control. - Dispositivos de maniobra. - Órganos receptores o cargas. Algunos no pueden catalogarse como dispositivos porque simplemente son accesorios o elementos de instalación y montaje. En otros puede existir ambigüedad por la tarea o función que realizan. En una instalación de alumbrado, un simple interruptor por ejemplo es un dispositivo de mando manual que a su vez permite controlar el flujo de potencia eléctrica hacia una lámpara incandescente sin necesidad de recurrir a un dispositivo que tenga capacidad de maniobra para manejar la corriente que demanda la lámpara. De esta manera, dicho interruptor podría clasificarse no sólo como dispositivo de mando sino también como un dispositivo de control y de maniobra. Para dar mayor claridad en este aspecto y definir en forma más precisa el papel que desempeña un dispositivo dentro de un sistema eléctrico, es conveniente hacer una nueva clasificación que relacione el concepto de regulación y control. 31 1.3.1 Clasificación de los sistemas de control eléctricos El tipo de carga y la tarea de control o el grado de regulación que debe hacerse sobre ella es lo que define la naturaleza del controlador a usar en una aplicación específica. Por ello, los controladores para sistemas eléctricos se han clasificado más precisamente como: - Eléctricos - Electromagnéticos - Electrónicos 1.3.1.1 Controladores eléctricos Están conformados por elementos que maniobran sobre cargas de bajo consumo representadas en su mayoría por lámparas para alumbrado, electrodomésticos varios, equipos de cómputo, soldadores, pequeños motores para sistemas de refrigeración, ventilación, aire acondicionado, bombas y compresores de aire, entre otros. Generalmente se trata de sistemas eléctricos que operan a 120 V/240 V de corriente alterna monofásica con potencias que no sobrepasan los 10 kW. Los dispositivos asociados a este tipo de control son interruptores manuales o automáticos para baja corriente; dispositivos de protección como fusibles y cortacircuitos (Breakers) y eventualmente algunos dispositivos de regulación continua de tipo eléctrico o electrónico, como reóstatos, inductancias ajustables y reguladores de baja corriente con tiristores, cuyo propósito es permitir alguna variación de la corriente por la carga. En general, los sistemas de control de tipo eléctrico simple no participan significativamente en el mando y regulación de las cargas industriales, que por su 32 naturaleza son complejas y de alto consumo de energía. En principio son usados en las instalaciones eléctricas domiciliarias, comerciales, industriales, en el ambiente de oficinas y de otros sitios donde no se involucran directamente con la maquinaria de la planta de procesos. 1.3.1.2 Controladores electromagnéticos Los dispositivos asociados a un sistema de control electromagnético presentan características muy ventajosas para realizar las unidades de regulación o de mando que requieren las cargas industriales, y particularmente la más importante: el motor eléctrico. Las ventajas derivadas del empleo de dispositivos electromagnéticos, hoy ya mejorado significativamente, ha permitido que este tipo de control, que se impuso a nivel industrial desde hace casi un siglo, siga vigente a pesar de la “competencia” que le imponen los muchos dispositivos electrónicos que se han incorporado en los últimos años en la técnica de la regulación y el control de las cargas eléctricas industriales. Dado el nivel de predominio y de alta confiabilidad que hoy proporcionan los dispositivos que conforman los sistemas de control electromagnético, se puede asegurar que cada día son más las industrias que demandan esos productos y mayor el interés entre fabricantes por incrementar la producción y desarrollar nuevos y mejores dispositivos. Por esta razón, una parte importante de los temas desarrollados en este libro tiene que ver con los sistemas de control electromagnético. 33 1.3.1.2.1 Ventajas del control electromagnético Se pueden anotar las siguientes ventajas comparativas para este sistema: - Elimina o reduce el esfuerzo físico del operador, particularmente para la maniobra sobre cargas elevadas. - Elimina en gran parte la habilidad que requiere el operador para manejar el proceso. Esto resulta importante en operaciones que involucran secuenciación o sincronismo, o en operaciones que son difíciles de realizar manualmente por tener un alto grado de complejidad. - Permite localizar los dispositivos de mando y regulación alejados de las cargas a un costo mínimo y para mayor seguridad de los operarios. - En los sistemas del control electromagnético, los dispositivos de potencia que operan con altos voltajes y corrientes no se extienden al punto de operación. - Proporcionan comodidad. - Se facilita la rápida vigilancia y supervisión durante la operación del sistema. - Permite hacer ajustes y sustitución rápida de piezas y componentes. Además, se facilitan las reparaciones y el servicio de mantenimiento por la simplicidad de los diseños. - Sus partes y componentes son razonablemente pequeñas y sobre todo robustos y flexibles. - Ofrecen confiabilidad de uso por la continuidad que proporcionan bajo condiciones anormales de trabajo, particularmente cuando el sistema se somete a fenómenos de conexión y desconexión de cargas pesadas, y en situaciones extremas por efectos de sobrecargas, cortocircuitos y otras anormalidades externas. - Posibilita la automatización. 34 - Son altamente confiables y seguros debido a la simplicidad de diseño, a la excelente calidad de los materiales empleados hoy en día en la fabricación de los dispositivos, a la inclusión de factores de seguridad con el uso de modernos dispositivos de protección y a la exigencia de normas internacionales muy estrictas. - Dado que los sistemas de control electrónicos modernos que emplean controladores programables y tiristores que ofrecen excelentes alternativas para el control y maniobra de las cargas eléctricas de sistemas complejos, la tendencia actual es la de combinar (en lugar de competir) los dispositivos electromagnéticos con los electrónicos para introducir controladores más pequeños, económicos, confiables, y sobre todo capaces de realizar tareas más complejas que incorporen también la supervisión y den información sobre la producción. 1.3.1.2.2 Diagrama funcional de un sistema de control electromagnético En un sistema de control electromagnético intervienen diversos dispositivos que pueden agruparse en tres tipos básicos principales y dos complementarios o auxiliares denominados: - Principales o Dispositivos de mando o Relés o Contactores - Complementarios o auxiliares o Dispositivos de protección o Dispositivos de medida y señalización 35 No están consideradas en esta clasificación las cargas eléctricas, ya que estas son comunes para los diferentes sistemas eléctricos de control de los indicados anteriormente, son también muy importantes los denominados dispositivos de protección, con los cuales se busca salvaguardar la integridad física de las personas y de los equipos, garantizando un funcionamiento seguro y confiable del sistema. Los mismos, incluidos los de medida y señalización serán estudiados con detalle posteriormente. La disposición funcional de los dispositivos básicos representada mediante un diagrama de bloques se muestra la Figura 1. Figura 1. Estructura básica de un sistema de control electromagnético. 1.3.1.2.2.1 Dispositivos de mando Los dispositivos de mando realizan la función de recoger la información que requiere el sistema a controlar, la cual está relacionada directamente con las órdenes del operario o con el cambio que experimentan las variables de interés asociadas al proceso, convirtiendo esta información a señales eléctricas que son procesadas por los relés. 36 Estableciendo una analogía con el cuerpo humano, estos dispositivos actúan de manera similar a los órganos de los sentidos. 1.3.1.2.2.2 Relés Los relés son interruptores de control de uno o varios contactos, abiertos o cerrados, accionados por un elemento sensible que responde al cambio que presenta una variable eléctrica como voltaje o corriente, u otra de la misma naturaleza relacionada con otra variable de interés particular para un sistema eléctrico. La función de los relés es juzgar y definir la acción de control a realizar sobre los elementos de carga, de acuerdo a un comportamiento lógico preestablecido. Mediante los contactos del relé es posible reproducir una señal de mando en diferentes puntos del circuito para generar acciones asociadas a la tarea de control. Siguiendo con la analogía anterior, los relés actúan de forma similar al cerebro humano y por consiguiente representan la parte que hace la tarea inteligente en el sistema. En los relés de uso corriente el elemento sensible es un electroimán o una cinta bimetálica, pero se dispone también de otros relés especiales de tipo electrónico, cuyos elementos sensibles presentan formas muy diversas dependiendo de la variable eléctrica a la cual respondan. 37 1.3.1.2.2.3 Contactores Los contactores son interruptores de potencia de uno o varios contactos accionados por un electroimán. Sin embargo, aunque operan bajo el mismo principio de los relés electromagnéticos, tienen una aplicación diferente. Su principal función es la de manejar y actuar directamente sobre las cargas eléctricas ya que sus contactos se diseñan con capacidad de maniobra para atender las exigencias que imponen las mismas durante su conexión, operación normal y desconexión. En cierta forma, son amplificadores de las señales de salida de los relés las cuales son de bajo nivel. Los contactores actúan como los miembros del cuerpo humano, de acuerdo con la analogía anterior. Las cargas que están en capacidad de manejar los contactos de un contactor, están representadas por dispositivos muy diversos. Industrialmente las cargas eléctricas que manejan los contactores son de tipo resistivo, inductivo y capacitivo. Válvulas solenoides, electroimanes de freno, resistencias de calefacción, bancos capacitivos para corrección del factor de potencia, y muchos otros, son ejemplos típicos. Sin embargo, debe tenerse presente que es el motor eléctrico la carga más importante y la que exige un diseño cuidadoso del controlador. Actualmente se diseñan y construyen interruptores electrónicos de estado sólido que se utilizan como contactores; y aunque no cabe definirlos como tales, su uso se ha venido generalizando y se aceptan ya como contactores estáticos o contactores de estado sólido (SSC). 38 1.3.1.3 Controladores electrónicos Los controladores electrónicos presentan características ventajosas y sobresalientes particularmente para el mando y regulación sobre cargas eléctricas que realizan tareas complejas. Los dispositivos modernos que ha aportado la electrónica de potencia en este campo, como los rectificadores controlados de silicio (SCR) por ejemplo, han permitido incorporar nuevas tecnologías en conmutación y regulación de alta corriente, particularmente para cierto tipo de motores eléctricos. La sustitución de algunos dispositivos electromagnéticos que pueden realizar tareas inteligentes (mediante el empleo de controladores lógicos programables PLC o aún más, por el uso de computadoras que asisten directamente el proceso y atienden todas las cargas) han alterado muchos conceptos y teorías que tradicionalmente se venían aplicando en los sistemas de control. Sin embargo, a pesar de estos asombrosos y revolucionarios cambios que hoy en día se pueden apreciar en la industria moderna, son muchos los dispositivos convencionales, particularmente de tipo electromagnético, que hasta la fecha no encuentran sustituto ni tienen a la vista competidores equivalentes que puedan desplazarlos. Tal es el caso de los contactores que se usan para la maniobra de grandes motores en media tensión. 1.4 PROCESOS INDUSTRIALES Los procesos que se realizan en la industria pueden estar clasificados en dos categorías: - Procesos físico-químicos. - Procesos de manufactura. 39 1.4.1 Procesos físico-químicos Los procesos físico-químicos, conocidos también como procesos de colada o procesos continuos, son aquellos donde las variables que intervienen presentan una variación continua en el tiempo. En dichos procesos se lleva a cabo la regulación de variables como presión, temperatura, nivel, caudal, etc., buscando generalmente mantener el valor de la variable en un valor definido durante el proceso. En los procesos continuos se aplican usualmente las técnicas de regulación de lazo cerrado que permiten automatizar procesos. 1.4.2 Procesos de manufactura En los procesos de manufactura se siguen técnicas diferentes de control y en ellos no se regulan variables; se manipulan variables siguiendo los ordenamientos de la lógica matemática que están establecidos en el álgebra de Boole y en todos los desarrollos que aportan las técnicas digitales. En este tipo de procesos las variables solo pueden tomar uno de dos posibles estados definidos, los cuales están separados por un umbral. En los procesos de manufactura se trabaja sobre piezas sueltas que deben ensamblarse para conformar el producto terminado. Es éste el caso típico de una fábrica ensambladora de automóviles. Allí debe hacerse un control muy preciso de movimientos para lograr un producto finalmente terminado. De ahí que sea la posición y la rapidez con la cual se desplaza una pieza móvil, las dos variables típicas a controlar. 40 En los procesos de manufactura son utilizados ampliamente mecanismos robotizados, y en ellos los motores eléctricos desempeñan funciones esenciales de alta importancia. Los controladores electromagnéticos son en principio controladores del tipo “Todo o Nada” ya que están conformados en su esencia por interruptores eléctricos. Este tipo de controladores encaja perfectamente en la estructura de los procesos de manufactura; sin embargo, son muchos los procesos físico-químicos en donde funcionan satisfactoriamente controladores de este tipo para manejar los motores que dan el movimiento a las máquinas, permaneciendo marginados de las tareas de regulación. De igual manera puede establecerse que los controladores electrónicos tienen una amplia aceptación y cabida en ambos procesos y su desempeño es altamente satisfactorio. Puede reafirmarse que los controladores electromagnéticos y electrónicos van de la mano y ambos comparten importantes tareas de proceso confundiéndose con bastante frecuencia en un solo controlador híbrido, que en términos generales los hemos llamado el controlador eléctrico. REGRESAR AL INICIO DEL DOCUMENTO…… 41 CAPÍTULO 2 DISPOSITIVOS DE LOS SISTEMAS DE CONTROL ELECTROMAGNÉTICO 2.1 INTRODUCCIÓN En este capítulo se describen los principales dispositivos de mando, control y maniobra de naturaleza electromecánica, electromagnética y electrónica, utilizados en los sistemas eléctricos de control para la maniobra de las cargas industriales, haciendo énfasis en los motores. Se estudian en detalle principios de funcionamiento, tipos y clases de dispositivos, características y especificaciones técnicas, criterios de selección y principales usos y aplicaciones. 2.2 DISPOSITIVOS DE MANDO Realizan la función de recoger la información que requiere el sistema a controlar, la cual está relacionada directamente con las órdenes del operario o con el cambio que experimentan las variables de interés que se controlan en los procesos. De acuerdo con su naturaleza pueden ser de dos tipos: - Digitales. - Análogos. Los dispositivos de mando digitales introducen al sistema uno de dos posibles valores de información, separados por un umbral de señal o variable detectada. Estos dispositivos pueden ser de dos tipos. Unos son generadores de un tren de pulsos codificados en binario o en otros formatos y su salida presenta uno de dos 42 estados lógicos definidos como “0” o “1”. Dicha salida se procesa por medios electrónicos para generar la acción de control que le corresponde, produciendo una señal normalizada que puede ser reconocida por los elementos que ejecutan la lógica o la tarea inteligente del circuito. Otros son los dispositivos denominados de “Todo o Nada” (on-off) que también proporcionan salidas binarias, aunque no necesariamente de la misma naturaleza de los primeros. Los dispositivos de “Todo o Nada” actúan como elementos de conmutación y disponen de contactos eléctricos de forma y características idénticas a las de un interruptor. Su accionamiento se presenta por el efecto de una fuerza mecánica de origen externo que proviene de una orden manual o del elemento sensible que incorpora el dispositivo. Algunos sensores digitales que generan pulsos codificados se diseñan para proporcionar salida de contacto tipo interruptor como en los dispositivos de “Todo o Nada”. Los dispositivos analógicos introducen señales que pueden variar en forma continua con iguales o diferentes valores en el tiempo. Los dispositivos de mando pueden ser de accionamiento manual o automático. Se consideran manuales cuando son actuados por un operario; ya sea con las manos o los pies y en general por cualquier medio que involucre una orden directa de un operador. Se denominan automáticos cuando su actuación responde a los cambios que experimenta una variable de interés asociada al sistema de control. Un dispositivo digital manual es por ejemplo un pulsador o un interruptor de pie; uno digital de tipo automático es un termóstato o un interruptor de velocidad. 43 Un dispositivo analógico manual es por ejemplo un reóstato, usado para variar la corriente del devanado excitador de un motor de CD; uno analógico automático es un termopar o una fotorresistencia. Siendo los sistemas de control electromagnético, de naturaleza discreta o digital, es evidente que el empleo de los dispositivos de mando analógicos está restringido para aplicaciones directas, a no ser que se utilicen convertidores análogo-digitales que habiliten su utilización. Es corriente hacer uso de estos dispositivos para el control de temperatura empleando termopares y termorresistencias, y velocidad, empleando taco-generadores. 2.2.1 Dispositivos de mando digitales: especificaciones y aspectos constructivos También conocidos como dispositivos de “Todo o Nada”. Su función como elemento de circuito es conectar o desconectar y cambiar conexiones que permiten realizar diferentes tareas o funciones en el sistema a controlar. Como ya se estableció, se trata de interruptores que, por su misma naturaleza, permiten o restringen el paso de la corriente que demanda un órgano receptor del circuito. El material empleado para la fabricación de los contactos es frecuentemente la plata fina, el oro fino, el rodio, el wolframio; elementos cuyo punto de fusión es alto, de tal manera que el desgaste por efecto del arco y los golpes de accionamiento es bajo, pudiendo ser usado en interruptores con alto ciclo de trabajo. También se emplean varias aleaciones con metales diversos como: - Plata-oro / plata-níquel / plata-paladio / plata-óxido de cadmio. Estos materiales ofrecen resistencia a la corrosión, al efecto de arco y al medio ambiente. La aleación oxido de cadmio ofrece adicionalmente resistencia a la soldadura por efecto del arco. 44 - Paladio-cobre. Ofrece resistencia al desgaste mecánico debido a los golpes de funcionamiento. - Estaño-wolframio. Ofrece resistencia al desgaste por el efecto del arco y en corriente directa protege contra el efecto galvánico (corrosión eléctrica). - Plata-rodio. Ofrece resistencia al efecto galvánico (en CD). En resumen, para cada aplicación los fabricantes buscan no solo una excelente conductividad de los materiales a usar sino también una reducción del desgaste por efecto del golpe del cierre, por el efecto de arco, por calentamiento y por contaminación ambiental, particularmente para interruptores que manejan cargas inductivas y realizan ciclos de trabajo pesados en ambientes desfavorables. En general, tanto la plata como aleaciones del mismo metal, presentan excelentes características de conductividad eléctrica y son resistentes al desgaste por golpe y rozamiento y a la acción nociva del arco. En su construcción, internamente se dispone de mecanismos especiales de palanca con resorte que garantizan una rápida conmutación (con tiempos del orden de unos pocos milisegundos) y evitan el rebote del contacto móvil al golpear sobre el fijo, reduciendo el indeseable efecto del arco. Para la selección apropiada de estos dispositivos es necesario tener en cuenta el tipo de carga y los requisitos que impone la carga a conmutar. Estos son entre otros: - Corriente de carga. - Voltaje de alimentación de la carga y frecuencia de la red. - Factor de potencia o constante de tiempo de la carga. - Ciclo de trabajo de la carga. - Condiciones ambientales en el sitio de instalación del interruptor. 45 Entre las condiciones ambientales a considerar pueden anotarse las siguientes: Temperatura ambiente, humedad relativa, altura sobre el nivel del mar y otras como presencia de polvo, goteo, lluvia, etc. Desde el punto de vista eléctrico, los dispositivos de mando digitales de “Todo o Nada” se especifican por lo siguiente: - Corriente nominal o asignada de servicio (I n o I e ) Esta corriente define el máximo valor eficaz de corriente que puede circular permanentemente por los contactos del interruptor sin sobrepasar un valor de temperatura de contacto especificado por una norma. Sin embargo, y a pesar de la aparente rigidez de la norma, los contactos de cualquier interruptor se diseñan para manejar corrientes mucho mayores que la nominales durante cortos periodos de tiempo (que pueden incluso ser repetidos) siempre y cuando el ciclo trabajo no origine elevación de la temperatura en el punto de contacto por encima de los valores que define la norma. Esto es deseable porque al momento de energizar una carga se originan picos de corriente de conexión de corta duración que podrían producir deterioro de los contactos. Con todo ello, la vida útil, que normalmente es especificada por el fabricante, es de miles o millones de maniobras. - Voltaje nominal o asignado de servicio (V n o V e ) Es el máximo valor eficaz de tensión que puede aplicarse a los bornes del interruptor para garantizar el corte de la corriente durante la apertura de los contactos y dar un aislamiento satisfactorio entre el órgano receptor y la fuente de alimentación del circuito. 46 En baja tensión (definida para tensiones hasta 600V), el voltaje nominal se especifica normalmente para carga resistiva , a no ser que se defina para el interruptor una categoría de empleo que implique tener en cuenta otras consideraciones que impone la carga. - Condiciones ambientales De igual forma, el deterioro de los contactos podrá acelerarse si las condiciones ambientales del sitio donde se encuentra instalado el interruptor son desfavorables y no es posible garantizar un buen aislamiento y encapsulado, apropiados para el buen desempeño. En la práctica, se construyen diferentes tipos de encapsulados y recintos que ofrecen o proporcionan el grado de protección que se requiera para una aplicación particular. Los dispositivos de mando se construyen para múltiples aplicaciones y funciones. En general, los interruptores se clasifican como de servicio pesado (heavy duty) o de servicio estándar (estándar duty), de acuerdo con las condiciones operativas que impone la carga. Se tienen dispositivos de mando para actuar directamente sobre la carga, particularmente para conmutar resistencias limitadoras de corriente durante el arranque de motores de pequeño y mediano tamaño, tanto de CD como de CA. Algunos se diseñan para conmutar los devanados del motor en arranques estrella- triangulo o para efectuar maniobras de inversión de marcha o cambio de velocidad. Los dispositivos de mando que tienen una mayor capacidad de maniobra para actuar directamente sobre la carga y particularmente sobre motores; son robustos, de gran tamaño y de costo elevado. Actualmente, su empleo está restringido a aplicaciones especiales y su fabricación ha caído en desuso. Se diseñan 47 generalmente para corrientes moderadas, hasta 100A o menores; y para voltajes nominales por debajo de 600V. Los dispositivos de mando de uso corriente manejan corrientes relativamente pequeñas, hasta 10A o menores y son diseñados para tensiones industriales que normalmente no sobrepasan de 600V. 2.2.2 Dispositivos de mando digitales de accionamiento manual Los dispositivos de mando digitales de accionamiento manual más usados en la industria son: - Pulsadores. - Interruptores de pie. - Combinadores de mando. Para su correcta selección se debe garantizar que los dispositivos tengan sello de homologación, lo cual implica que han sido diseñados y construidos siguiendo normas que certifican un producto confiable, que cumple con las especificaciones indicadas y que tienen una vida útil garantizada. Algunas de las normas que definen materiales, dimensiones, límites de temperatura, grado de protección, clase de aislamiento, limitaciones de tensión, corriente y muchos otros aspectos de estos dispositivos son: - IEC 337-1. - IEC 337-2. - IEC 536. - VDE 0630. - VDE 0660. - UL 508. 48 - BS 3955. 2.2.2.1 Pulsadores Son interruptores de control de accionamiento manual de uno o varios contactos normalmente abiertos o normalmente cerrados (NA/NC). Disponen de un botón, émbolo o pistón que al ser presionado con el dedo o la palma de la mano origina la actuación de los contactos (ver Figura 2). Figura 2. Tipos de pulsadores industriales Fuente: Catalogo ABB “Pilot Devices the complete offering” Los pulsadores (push button) son los dispositivos más utilizados para el mando de motores y en general de las máquinas industriales. Según su operación o manera de actuación, los pulsadores se clasifican como: - De contacto momentáneo. - De contacto sostenido o retenido. 49 2.2.2.1.1 De contacto momentáneo Los pulsadores de contacto momentáneo solo operan mientras se mantiene oprimido el actuador del pulsador; si se deja de oprimir, un muelle lo retorna y los contactos se rearman quedando en la posición de reposo inicial. 2.2.2.1.2 De contacto retenido Los pulsadores de contacto retenido operan cuando se oprime el pulsador. Al oprimir el dispositivo, un mecanismo mantiene esta posición aún después de dejar de presionar el actuador. Para rearmarlos debe oprimirse el pulsador por segunda vez o simplemente aplicarle una ligera fuerza en sentido giratorio. Algunos aspectos constructivos de un pulsador se ilustran en la Figura 3. Figura 3. Pulsador momentáneo con contactos de doble apertura (1NO+1NC) Los contactos de doble apertura son bastante utilizados porque proporcionan mayor grado de aislamiento sobre los órganos receptores y tienen un mejor comportamiento ante la presencia del arco. En general se diseñan con categorías de empleo AC11 o DC11 entre 1 y 10A y para maniobrar con tensiones entre 12 y 600 V máximo. La categoría AC11 o DC11 habilita al interruptor para actuar en la 50 conmutación de electroimanes o solenoides de CA o CD como los asociados a la estructura interna de relés y contactores electromagnéticos. Debido a que normalmente operan con ciclos de trabajo pesado, los fabricantes los construyen para que sus contactos puedan resistir sin desgaste apreciable los golpes de accionamiento y efecto del arco. Una técnica de fabricación bastante efectiva, ha consistido en lograr que los contactos se deslicen al cerrar y que no presenten el fenómeno de rebote justo al momento de cerrar, cuando se dé la actuación del interruptor. El deslizamiento entre contactos que se están cerrando mantiene limpias las superficies de los mismos y garantiza que la resistencia óhmica de contacto se mantenga en valores muy pequeños, limitando en consecuencia las pérdidas por calor. Un buen contacto de interruptor tiene una resistencia óhmica generalmente menor de 3mΩ a corriente nominal, lo cual implica caídas de potencial que típicamente no sobrepasan los 30mV. Las diferencias constructivas que presentan los pulsadores, tienen que ver con la forma física del actuador y la manera como este puede satisfacer diferentes aspectos funcionales y de maniobra. Se construyen pulsadores de varios estilos o tipos según la forma del actuador. Estos pueden ser: - De actuador deprimido. - De actuador elevado o saliente. - De actuador rasante. - De accionamiento por palanca o de tipo joy stick. - De cabeza de hongo (o de seta). - De perilla o muletilla. - Con cerradura de llave. - Luminosos. 51 - De membrana. - Otros. 2.2.2.1.3 De actuador rasante Figura 4. Mecanismo de actuador rasante Los pulsadores de actuador deprimido o de actuador rasante (ver Figura 4), presentan cierto grado de seguridad ya que al efectuar la maniobra solo pueden accionarse con un dedo del operario. 52 2.2.2.1.4 De actuador saliente Figura 5. Mecanismo de Actuador saliente Los pulsadores de actuador saliente (ver Figura 5) pueden ser accionados con los dedos, la palma de la mano o el brazo. 2.2.2.1.5 De cabeza de hongo (de seta) Figura 6. Mecanismo de Cabeza de hongo Los pulsadores de cabeza de hongo (ver Figura 6) son de gran área de contacto y se utilizan para ordenar paros de emergencia o retornos de emergencia. Se 53 accionan generalmente con la palma de la mano y presentan gran visibilidad para facilitar el reconocimiento por parte del operario. Generalmente se construyen de color rojo o amarillo y algunos son de actuación retenida. 2.2.2.1.6 Luminosos Figura 7. Mecanismo de actuador saliente con lámpara de señalización incorporada (pulsador luminoso) Los pulsadores luminosos (ver Figura 7) incorporan una lámpara de señalización (L), la cual se ilumina al ser activado el pulsador. Esto permite al operario reconocer que el pulsador fue previamente manipulado y que alguna tarea se encuentra en ejecución. Son bastante utilizados en la industria. Su construcción es similar a la que presentan los pulsadores de actuador saliente o rasante. 54 2.2.2.1.7 Con cerradura de llave Figura 8. Mecanismo de accionamiento por llave Los pulsadores con cerradura de llave (ver Figura 8) solo pueden accionarse con el uso de una llave la cual se supone es de manejo reservado. Se utilizan para activar o desactivar sistemas de alarma, garantizar un desempeño seguro durante labores de mantenimiento que se realicen en la máquina y, poner en funcionamiento escaleras eléctricas, ascensores, grúas, grupos motogeneradores, etc. 2.2.2.1.8 De muletilla Figura 9. Mecanismo de actuación con perilla giratoria Los pulsadores de muletilla (Figura 9) disponen de una perilla que puede girarse entre dos o más posiciones de maniobra claramente definidas. Aunque se 55 construyen de contacto sostenido o retenido, son más utilizados los de contacto momentáneo. El giro de la perilla puede ser en una o en ambas direcciones, la rotación está limitada a ángulos entre 50º y 90º. Al dejar de ejercer la fuerza de actuación sobre la perilla, esta retorna a su posición inicial, dejando el interruptor en su condición eléctrica original. Son bastante utilizados como selectores de función para arranque manual, inversión de marcha, aumento o disminución de velocidad, etc. 2.2.2.1.9 De palanca tipo J oy Stick Figura 10. Palanca de tipo Joy Stick Fuente: http://www.pioneerbreaker.com/ProductDetails.asp?ProductCode=PBC-XD2PA24 Los pulsadores de palanca tipo Joy Stick (ver Figura 10) incorporan un brazo largo de accionamiento el cual puede tomar diversas posiciones de maniobra. Se ajustan para ser manipulados con la mano cerrada sobre el extremo libre de la palanca de accionamiento. Son muy utilizados para el manejo de máquinas- herramienta, tornos grúas, montacargas, y en general, para funciones de posicionamiento de una pieza que debe desplazarse de un sitio a otro. 56 2.2.2.1.10 De membrana Figura 11. Pulsador tipo membrana Fuente: http://www.indiamart.com/exorindia-pvtltd-mumbai/hmi-display-panels.html Los pulsadores tipo membrana (ver Figura 11) se usan en los teclados que incorporan los equipos de control programable como un medio de diálogo hombre- máquina para diagnóstico, programación o mando directo. La instalación de pulsadores se hace normalmente sobre el panel o parte frontal del tablero y en general son de muy fácil instalación y montaje. En particular, debe garantizarse cierto grado de protección contra la penetración de polvo, chorros de agua y goteo, y contra contactos involuntarios por parte de las personas. Los pulsadores se instalan normalmente en la parte frontal de los tableros eléctricos que controlan las máquinas y los equipos. También se ensamblan en lo que se conoce bajo el nombre de caja de pulsadores o estación de pulsadores. Estas unidades se utilizan con mucha frecuencia para el mando de motores en instalaciones pequeñas y con ellas se pueden ejecutar tareas de arranque y paro, elevación y giro, marcha adelante y atrás, subir y bajar, etc. Frecuentemente se incorporan dispositivos de señalización luminosa para indicar el estado de la 57 función que ejecuta. Para el mando de motores en el denominado puente-grúa se acostumbra el uso de cajas de pulsadores colgantes que pueden ser desplazadas fácilmente por el operario. Todo pulsador que se instale debe tener una leyenda que indique la función que realiza dicho dispositivo. Los pulsadores se identifican también por un código de colores que tiene significado especial. El color rojo se ha definido para los pulsadores de detención o paro, ya sea en condiciones normales o de peligro. El paro puede ser de tipo general, de una parte de una máquina, de uno o un grupo de motores. En caso de un paro de emergencia son utilizados los pulsadores de color rojo de cabeza de hongo, los cuales son fácilmente identificables. El color amarillo es utilizado para intervenir el funcionamiento de la máquina e interrumpir su operación ante situaciones anómalas o no deseadas. Son usados por ejemplo para el retorno de emergencia, barrido o evacuación de gases residuales, etc. El color verde se utiliza para arranque parcial o general de la máquina o de uno o un grupo de motores. Este color es definido también como indicador de operaciones que se realizan con seguridad. El color azul es utilizado para accionar en estados que requieren operación obligatoria, como por ejemplo una función de reposición o reset. Los colores gris, blanco y negro se han dejado a elección del usuario para iniciar cualquier otra condición particular o general que no sea cubierta por las anteriormente citadas, pero excluyendo su empleo como pulsadores de paro de emergencia. 58 2.2.2.1.11 Especificaciones técnicas de los pulsadores Al momento de especificar un pulsador, es necesario tener en cuenta los siguientes parámetros: - Número de contactos y su disposición eléctrica. - Corriente y tensión nominal de los contactos y categoría de empleo. - Color y dimensiones físicas (Φ16, Φ22, Φ30 mm). - Tipo de actuador asociado al pulsador. - Grado de protección para condiciones ambientales (IP54, IP65… / NEMA 4, 4x, 13…). 2.2.2.2 Combinadores de mando Se conocen con el nombre de Master Switch (MS). Básicamente son interruptores de accionamiento manual con distintas posiciones de maniobra. Los denominados Master Switch se emplean para regulación, mando, maniobra y arranque de motores, hasta unos 40 HP y 440V. Sin embargo, los de uso generalizado manejan corrientes moderadas no mayores a 20 A y sirven para conectar y desconectar circuitos principales y de control, con plena seguridad de servicio. Algunos pueden usarse para realizar operaciones en forma secuencial o programada. Su accionamiento se logra por medio de una palanca, perilla o brazo que hace girar un eje sobre el cual van montados los elementos de conexión. Pueden ser de tres tipos: 59 - De placa frontal o planos. - De tambor. - De levas. Figura 12. Tipos de combinadores de mando Fuente: http://www.tecneweb.com.ar/Apuntes/tercero_9/instrumentos.htm 2.2.2.2.1 Combinador de placa frontal Su empleo se ha restringido principalmente al arranque por resistencia de motores de corriente directa y de rotor bobinado. Se construye colocando una serie de contactos fijos de cobre, en forma de botón, describiendo una semicircunferencia y dispuestos sobre una placa de material aislante. Un contacto móvil de cobre localizado sobre el brazo o palanca, permite efectuar una conmutación con cada uno de los contactos a medida que se avanza en el movimiento en el brazo. En algunos de los combinadores de este tipo, el brazo de contacto está obligado a vencer la acción de un resorte que tiende a hacerlo regresar a su primera posición. 60 Sin embargo, cuando el brazo de maniobra está en la posición final de marcha, éste queda sostenido por una bobina de mantenimiento que lo retiene. La acción del resorte evita que el operario deje el brazo en una posición intermedia, lo cual sobrecargaría la resistencia de arranque. La bobina de mantenimiento protege al motor por perdida de tensión en la línea (protección de bajo voltaje). Si se presenta una caída de tensión en la línea de la bobina, ésta suelta el brazo, que por acción del resorte vuelve a la posición inicial, desconectando el motor. A los contactos fijos se unen las derivaciones de una resistencia de aceleración o arranque que suele ser de hierro-cromo-níquel, resistente a la oxidación y a las temperaturas elevadas. Estas resistencias vienen determinadas por los valores admisibles de la intensidad de corriente inicial; entre el 150% y el 300% del valor nominal y por las dimensiones de los fusibles que han de proteger al motor. La Figura 13 y la Figura 14 muestran los diagramas de conexión para arranque de un motor de CD y otro de CA de rotor bobinado empleando combinadores de mando. Figura 13. Empleo de un Master Switch tripolar con un motor de corriente directa. 61 Figura 14. Empleo de un Master Switch tripolar con un motor de rotor bobinado. Los arrancadores de placa frontal empleados para arranque de motores de CD se construyen de tres y cuatro bornes o terminales de salida. En el de tres puntos el terminal F no existe y el campo se conecta a través del terminal L, quedando en serie con la bobina de mantenimiento o retención. En el circuito de la Figura 13, el motor arranca con toda la resistencia incluida en el inducido, lo cual permite limitar la corriente de arranque. El brazo se va desplazando entonces lentamente desde la posición 1 hasta la 8, eliminándose en cada paso parte de la resistencia. Al final, el inducido queda conectado directamente a la línea. Se puede apreciar que el campo se establece desde la primera posición, y en la última, la bobina de retención atrae a la pieza de hierro unida al brazo y mantiene a éste en dicha posición, pudiéndose soltar el brazo. El combinador de la Figura 14 tiene otro tipo de construcción. La palanca no lleva resorte, por lo cual puede dejarse sobre cualquiera de los segmentos del motor 62 con el objeto de graduar la velocidad. Por su modo de funcionamiento, las resistencias empleadas deben diseñarse para servicio continuo. Puesto que el regulador solo opera sobre el circuito del rotor, es esencial que el motor arranque con la palanca en la posición de “plena conexión”, por ello suele disponerse en un circuito separado para el estator formado por un pulsador de paro, otro de arranque, un contactor M y un contacto de enclavamiento (normalmente cerrado) sobre la palanca de mando. Como se ve en la figura, el contacto auxiliar va conectado en serie con el pulsador de arranque, de forma que el contactor M sólo puede excitarse cuando el reóstato del circuito del rotor está en su posición de arranque, incluyendo la máxima resistencia. Al presionar el pulsador de arranque se energiza M y el motor se conecta a la línea arrancando con toda la resistencia exterior incluida. Cuando la palanca gira en el sentido de las agujas del reloj, el contacto auxiliar se abre mecánicamente (sin producir ningún efecto) al abandonar el primer punto. A medida que se avanza con el brazo, el motor se va acelerando hacia su velocidad nominal o de régimen. Si se presenta una caída de tensión en la línea, o un corte en el suministro de corriente, el contactor M se desenergiza y el motor se detiene. Sin embargo, al normalizarse la situación, este no puede arrancar porque tanto el contacto M de auto-mantenimiento como el contacto auxiliar, estarán abiertos. Para reponer la marcha del motor es necesario volver la palanca a la primera posición. Pueden anotarse algunas desventajas de los combinadores de placa frontal: - Los contactos sufren mucho desgaste por el arco de ruptura, puesto que la velocidad de apertura es reducida y no se dispone de soplado magnético conveniente. - Los contactos sufren desgaste por rozamiento debido a la acción deslizante del brazo. Sin embargo esta acción los mantiene limpios. 63 - Son poco flexibles, ya que prácticamente no admiten un cambio de conexiones que permita utilizarlos en otras aplicaciones. 2.2.2.2.2 Combinador de tambor Está formado por un cilindro o tambor sobre el cual se aplican anillos o segmentos de cobre o plata que van a servir como contactos móviles de un sistema interruptor. Los segmentos conductores están separados por arandelas aisladoras y algunos están conectados entre sí eléctricamente. Dispuestos en una misma línea, se encuentran localizados un conjunto de contactos fijos denominados escobillas o dedos de contacto. Estas escobillas pueden ser de carbón, cobre o plata. Cuando se acciona el brazo o palanca del combinador, se mueven los contactos del eje y a medida que se avanza en el movimiento circular se van actuando contactos que abren y cierran circuitos eléctricos. El eje se monta generalmente sobre cojinete de bolas y su cursor se apoya sobre una rueda entallada obligándose a entrar sobre una serie de muescas, correspondiendo cada una a las diferentes posiciones de marcha. Esto permite al operario “sentir” las posiciones a lo largo del recorrido angular de la perilla o la palanca. El combinador de tambor es robusto y compacto, y supera las anteriores desventajas ya que no solo puede construirse para resistir muy malos tratos, sino que puede equiparse con dispositivos contra la formación de chispas entre contactos. 64 En general podemos indicar las siguientes ventajas: - Son fáciles de maniobrar e instalar. - Flexibles. En muchos de ellos se puede cambiar fácilmente la longitud y colocación de los segmentos y la duración de cierre y apertura, para responder en la práctica a cualquier sucesión de maniobras. En los más recientes se aplican construcciones modulares con las cuales es posible insertar bloques de contactos para incrementar sus posibilidades de control. - Presentan buenas características de interrupción. Algunos de aplicación especial se construyen con cámara apaga-chispas y bobina de soplado. Entre las desventajas se pueden anotar: - Apertura relativamente lenta de los contactos. - Desgaste de los contactos por rozamiento. Sus aplicaciones más importantes son: - Como dispositivos de mando para máquinas–herramienta y grúas. - En distribución de energía en líneas aéreas para trenes eléctricos. - Para conmutar los puntos de medida de voltímetros, amperímetros, kilovatímetros, etc. - En la implementación de sistemas de transferencia manual, cuando se tienen dos alimentadores con el propósito de garantizar el suministro de energía a una carga esencial. - En conexión directa, como interruptores principales en equipos eléctricos. - Para cambio de velocidad y arranque de motores. - Como selectores de funciones (Auto, Manual, Prueba, Apagado etc.) 65 Figura 15. Combinador de tambor. Fuente: http://www.electrocentro.com.mx/descripciones/Interruptores%20tipo%20tambor.html 2.2.2.2.3 Combinador de levas Consiste en un juego de pequeños interruptores de accionamiento por vástago, rodillo o palanca, localizados sobre un soporte fijo. El movimiento de sus actuadores es proporcionado por un pequeño motor que hace girar un sistema de levas ligadas al eje del combinador. Esta disposición se denomina árbol de levas. Al girar el eje se mueve la leva y cierra o abre los contactos de los interruptores en la sucesión deseada, de acuerdo a las diversas posiciones a manejar. La forma del combinador de levas es muy flexible ya que fácilmente es posible efectuar cambios en la sucesión de cierre de los contactos, cambiando la leva o modificando su posición. En la mayoría de los casos, los combinadores se construyen con doble leva, lo cual permite ajustar la duración de cierre o apertura de los contactos, modificando su posición relativa. El eje del combinador va montado generalmente sobre un cojinete de bolas y su extremo libre se dispone para acoplar al elemento actuador. Cuando se tienen varios contactos, estos se activan secuencialmente, generando retardos de tiempo entre ellos. Una vez se completa el ciclo, el motor se detiene dejando los contactos en una posición definida que puede ser reposicionada en forma manual o automática. 66 En general se construye de accionamiento por motor, sin embargo, también los hay de accionamiento manual. Los manuales disponen de un sencillo mecanismo que proporciona una parada en cada posición del brazo, de forma que el operario la “sienta”. Algunos llevan muelle de retorno para cuando se suelta la manivela y un mecanismo de retención (trinquete) para el final de la carrera. Los de accionamiento por motor son de uso más frecuente en procesos donde se requiere sincronización, como es el caso de la puesta en marcha de una caldera o en un sistema de semáforos. En estas aplicaciones específicas se le conoce con el nombre de PROGRAMADOR. Un contacto auxiliar del mismo combinador permite desconectar el motor al finalizar el programa o al terminar el ciclo de trabajo. El acople o embrague del motor con el árbol de levas lo hace un electroimán, el cual al desenergizarse libera al acople y permite el retorno de las levas a la posición de reposo mediante la acción de un resorte. En la Figura 16, Figura 17 y Figura 18 se ilustran combinadores de levas que proporcionan un retardo en la actuación de los contactos, resaltando su forma física y aspectos constructivos. Figura 16. Tipos de Levas Fuente: http://elmotorrecalentado.blogspot.com/2010/08/clasificacion-de-las-levas.html 67 Figura 17. Estructura básica de un combinador de levas. Figura 18. Combinador de levas de accionamiento por motor. Fuente: http://www.directindustry.es/prod/marsh-bellofram/temporizadores-ciclicos- electromecanicos-11788-491374.html Las ventajas del combinador de levas son las siguientes: - No hay deslizamientos de los contactos y por siguiente el desgaste esta reducido en un mínimo. - Los circuitos se encuentran totalmente aislados uno del otro. - No hay restricciones en la sucesión de cierre de los contactos, ya que puede cambiarse manualmente la posición de las levas, lo cual los hace bastante flexibles. 68 - En general, son los dispositivos indicados para utilizarse en procesos automáticos donde se requiere secuenciación y sincronismo. Los motores utilizados son generalmente de CA de velocidad constante y de bajo consumo. 2.2.2.2.4 Especificaciones técnicas de los combinadores de mando Al momento de especificar un combinador de mando, es necesario conocer los siguientes aspectos técnicos: - Tipo de actuador y naturaleza del interruptor. - Número de posiciones. - Número de contactos asociados a cada posición de maniobra y su disposición eléctrica. - Corriente y tensión nominal de los contactos y categoría de empleo. - Grado de protección para condiciones ambientales. 2.2.2.3 Interruptores de pie (de pedal) Son interruptores de control de uno o varios contactos (NA/NC) diseñados para ser accionados con el pie (ver Figura 19). Se ubican normalmente en el piso y se conecta a la máquina por medio de un cable con toma de seguridad que impide desconexiones indeseadas cuando el cable se tensiona. En su estructura incorporan usualmente una cubierta o guarda metálica en la parte superior para evitar accionamientos accidentales por parte de operarios o personas que estén en circulación por el área donde se encuentra ubicado el interruptor. 69 Figura 19. Mecanismo interruptor de accionamiento con el pie (foot switch). Fuente: http://www.ledcontrols.com.mx/catalogo.php?linea=26 Para la guarda se utilizan colores que llaman la atención de los operarios. Como materiales de diseño para las cubiertas, la base y la guarda se usan frecuentemente materiales termoplásticos moldeados, de alta resistencia a los golpes. Desde el punto de vista eléctrico, se construyen interruptores de accionamiento por pedal de uno o más contactos, abiertos y/o cerrados; ya sea de contacto momentáneo o de contacto sostenido. En general manejan bajos niveles de corriente, limitados a un máximo de 10 A y dentro del rango de tensiones industriales hasta 600 VCA. La vida útil mecánica y eléctrica se mide en millones de maniobras dentro de amplios rangos de temperatura ambiente. También es de uso corriente el empleo de interruptores de doble pedal para ser accionados con los dos pies; con ello se obliga al operario a tener siempre una posición definida del cuerpo para ejecutar la maniobra de mando sobre la máquina. Pueden considerarse también como interruptores de pie algunas variantes de palanca que son diseñadas para ser actuadas por medio de un movimiento de la rodilla de los operarios cuando estos deben ejecutar tareas de mando sentados. 70 En general, los interruptores de pie se utilizan cuando se requiere que los operarios deban ejecutar tareas en las cuales ellos deben tener libertad de movimiento con las manos, para sujetar o posicionar piezas sobre las cuales se debe realizar un proceso. Se emplean corrientemente en máquinas de soldadura de punto, máquinas para costura de telas, en máquinas dobladoras, estampadoras, troqueladoras, en prensas hidráulicas y muchas otras. 2.2.2.3.1 Especificaciones técnicas de los interruptores de pie Al momento de especificar un interruptor de pie, es necesario conocer los siguientes aspectos técnicos: - Forma, dimensiones y tipo de conector. - Número de contactos y su disposición eléctrica. - Corriente y tensión nominal de los contactos y categoría de empleo. - Grado de protección para condiciones ambientales. 2.2.3 Dispositivos de mando digitales de operación automática Son interruptores de control de uno o varios contactos (NA/NC) accionados por el cambio que experimenta una variable de proceso. Se conocen también como transductores, sensores, elementos primarios o detectores. En la actualidad, se dispone de dispositivos para todas las variables de interés y son bastante utilizados en las industrias de proceso físico-químico y de manufactura. En su construcción, algunos de ellos incorporan elementos de indicación luminosa para definir su condición de estado ON-OFF. 71 Los más usados son: - Presóstatos. - Termóstatos. - Nivóstatos. - Interruptores de flujo (flujóstatos). - Interruptores de velocidad. - Interruptores de posición (Interruptor de fin de carrera o límite). - Higróstatos. - Otros. 2.2.3.1 Presóstatos Son interruptores de control de uno o varios contactos (NA/NC) que se accionan en respuesta a un cambio de presión con respecto a un valor de referencia. Se conocen también como manóstatos o vacuóstatos, si se trata de presiones de vacío. Se utilizan en instalaciones comerciales e industriales, como elementos sensores en sistemas de control para equipos de aire comprimido, sistemas hidráulicos, presión de vapor de agua en calderas y presión de aceite lubricante y combustible en motores de combustión interna, entre otros. También en la detección de cambios extremos de presión (por sobrepresión o vacío). De acuerdo con su naturaleza, los presóstatos industriales se fabrican de cuatro tipos básicos a saber: 72 - De Pistón. - De tubo Bourdon. - De Diafragma. - De Fuelle. En los presóstatos se dispone generalmente de un muelle o resorte cuya fuerza de acción, ajustable por medio de un tornillo o perilla, está en oposición a la fuerza que origina el desplazamiento del elemento sensible. Con esta disposición se hace posible variar, dentro de cierto rango, la presión a la cual se actúa los contactos. Esta presión se da con referencia a la atmosférica o a una de referencia específica. Variaciones de 1 a 5 con respecto a una presión de ajuste mínima son típicas. También se construyen Presóstatos para operación en modo diferencial, cuyos contactos se activan a una presión determinada (P1) y se desactivan sólo cuando la presión se ha reducido a cierto valor (P2) con respecto a la de operación inicial. El dispositivo dispone de dos mecanismos de ajuste; uno para definir el punto de presión de control máximo (P1) y el otro para establecer el valor de la banda diferencial ( ), con lo cual queda definida la presión mínima (P2). La banda diferencial se expresa usualmente en forma porcentual. Los Presóstatos que operan de modo diferencial son muy usados en sistemas compresores de aire, pudiendo operar directamente sobre motores pequeños de baja corriente nominal. Normalmente su capacidad de conducción de corriente no sobrepasa los 15 A para tensiones industriales hasta 600 VCA. Los interruptores de los presóstatos generalmente son de tipo electromecánico, pero es frecuente encontrar versiones del tipo de ampolleta de mercurio. 73 2.2.3.1.1 Presóstatos de pistón Los presóstatos de pistón se caracterizan por una vida media larga y generalmente se diseñan para operar con altas presiones. Para lograr un buen sellado, el pistón se construye de teflón y en la cámara se dispone de algún tipo de lubricación para facilitar el desplazamiento del mismo. El resorte de reposición puede ser fijo o de ajuste variable, lo cual permite al usuario definir la presión de referencia para la actuación de los contactos. Figura 20. Presóstato de pistón. Fuente:http://www.lanasarrate.es/productos/Presi%C3%B3n/presostatos_mecanicos/presostato_m embrara_piston_de_vacio_y_presion_e1h-3944-4014-4060-1 74 2.2.3.1.2 Presóstatos de tubo Bourdon En los presóstatos de tubo Bourdon (caracterizados por su gran sensibilidad), se emplea convencionalmente un tubo de sección plana en forma de arco o de espiral plana o helicoidal. En este, el movimiento angular del extremo libre es linealmente proporcional al cambio de presión dentro del tubo. Dicho movimiento es originado por la diferencia de fuerzas que se presenta en las dos superficies planas; la externa de mayor área que la interna. Se fabrican en todos los rangos de presión, incluyendo presiones de vacío. Tiene la desventaja de que es sensible a golpes y vibraciones, debido a que la masa del tubo es soportada únicamente en un extremo. El material utilizado para el elemento sensible es normalmente acero inoxidable, monel, bronce entre otros. Figura 21. Presóstato de tubo Bourdon. Fuente: http://www.equitrol.com/presostatos.html 75 2.2.3.1.3 Presóstatos de diafragma Los presóstatos de diafragma pueden ser metálicos de aleaciones de cobre- berilio, acero inoxidable, etc.; también a base de caucho o polímeros como teflón, mylar, etc. En su construcción se emplean formas especiales, que le dan elasticidad y facilitan la elongación. Los presóstatos de diafragma son a menudo los más usados en sistemas de baja presión, hasta 150 psi o 200 psi, pero se fabrican para presiones tan altas como 10000 psi. La exactitud de estos dispositivos es muy buena. Mediante el ajuste de la fuerza aplicada sobre un resorte o muelle de reposición, es posible calibrar el valor de la presión de referencia para la actuación de los contactos. El diagrama se construye con ondulaciones circulares para facilitar su elongación. Figura 22. Presóstato de diafragma. Fuente: http://www.directindustry.es/prod/dwyer/presostatos-diferenciales-membrana-7228- 714845.html 76 2.2.3.1.4 Presóstatos de fuelle Los presóstatos de fuelle se caracterizan por su alta sensibilidad, pudiendo realizar un alto trabajo de salida aún con pequeños cambios de presión, debido básicamente a la gran área efectiva y forma física que presenta el fuelle. Sin embargo, presentan baja resistencia a la vibración y su vida media no es muy elevada. Se construyen para presiones de vacío y altas presiones, hasta unos 3600 psi. En la fabricación del fuelle se emplea comúnmente el acero inoxidable o una aleación de cobre – zinc (80/20). Para aplicaciones especiales se usa el bronce fósforo, cobre – berilio, monel, etc. Figura 23. Presóstato de fuelle. Fuente: http://www.directindustry.es/prod/kobold-instrumentation/presostatos-fuelle-8996- 483858.html 2.2.3.1.5 Especificaciones técnicas de los presóstatos Para la especificación técnica de un presóstato debe definirse: 77 - La naturaleza del presóstato, de acuerdo con el tipo de elemento sensible y la acción de control (simple o diferencial). - El tipo de fluido presurizado sobre el cual va a operar. - La temperatura máxima del fluido. - Presión máxima súbita (Máximum Surge Pressure o Burst pressure). - El tipo de conector y dimensiones para permitir su instalación física. - Rango de ajuste de presión de control y tipo de mecanismo de ajuste (de tornillo, de perilla). - Tipo de encapsulado, materiales y grado de protección. - Especificaciones eléctricas del interruptor relacionadas con el número de contactos y su disposición eléctrica, la corriente y tensión nominal de los contactos y la categoría de empleo. Existen diferentes unidades para la medida de presión. En la Tabla 1 se presentan las de uso corriente y se dan sus diferentes factores de conversión. Tabla 1. Tabla de conversión de unidades de presión. Fuente: http://www.monografias.com/trabajos11/presi/presi.shtml 78 2.2.3.2 Termóstatos Son interruptores eléctricos de control de uno o varios contactos (NA/NC) que se conmutan en respuesta a un cambio de temperatura con respecto a un valor de referencia. Se utilizan en instalaciones domésticas, industriales, edificios comerciales, como elementos sensores para sistemas de control de temperatura en refrigeradores y congeladores, calderas, hornos y calentadores, equipos electrodomésticos y de aire acondicionado, y protección contra sobre-temperatura para dispositivos eléctricos (motores, generadores) y electrónicos (semiconductores de potencia), entre otros. También se utilizan en sistemas de alarma o pre-alarma para señalar temperaturas máximas o mínimas. Según el principio de funcionamiento, asociado a su elemento sensible, se clasifican como: - De bimetálico - De sistema lleno - De expansión o dilatación lineal - De termistor - Otros Las características más importantes en estos dispositivos son: - Campo de medida: Define el rango de valores de temperatura para el cual opera el dispositivo. - Sensibilidad: Indica el cambio mínimo de temperatura necesaria para que actúen los contactos del interruptor (banda diferencial muerta). 79 - Velocidad de respuesta: Asociada con el tiempo desde el instante en que se origina el cambio de temperatura que es conducente a la actuación y el instante para el cual se operan los contactos del interruptor. En los termóstatos, generalmente la capacidad de conducción de corriente de los contactos del interruptor no sobrepasa los 15 A, dentro de un rango de tensiones nominales hasta 600 V. En general, los termóstatos se diseñan para operar a una temperatura de control fija, pero en algunos casos se dispone de un muelle o resorte cuya fuerza de acción es ajustable, pudiéndose efectuar cambios dentro de ciertos valores. Son típicas, variaciones de hasta 1:10 con respecto a la temperatura mínima de control. Igual que se hace para los presóstatos, también se fabrican termostatos de tipo diferencial, con un comportamiento similar en el cual se define una temperatura de control y una banda diferencial ajustables. 2.2.3.2.1 Termóstato bimetálico Se construyen generalmente utilizando aleaciones de hierro-níquel, laminadas en frío o en caliente, que presentan diferentes coeficientes de dilatación térmica. En algunos se construyen con dos metales diferentes. El calentamiento del bimetálico origina una alteración de sus dimensiones en virtud de la diferencia de coeficientes de dilatación térmica de los materiales con los cuales se ha construido. Este fenómeno se aprovecha para operar los contactos del interruptor (ver Figura 24). Los termóstatos de bimetálico son usados con mucha frecuencia en electrodomésticos (calentadores de agua, ollas, freidoras, planchas, secadores, etc.). Industrialmente se instalan en equipos intercambiadores de calor como radiadores y disipadores de calor para dispositivos semiconductores electrónicos de potencia. 80 El rango típico de temperatura para el cual se aplican los termóstatos bimetálicos es de -40ºC a +800ºC; la banda diferencial es de unos 5ºC o mayor y su velocidad de respuesta es relativamente baja. Figura 24. Termóstato bimetálico y simbología. Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Termostato 2.2.3.2.2 Termóstato de sistema lleno Consta de un bulbo (elemento sensible), un tubo capilar y un elemento actuador que puede ser un fuelle, diafragma o tubo Bourdon. Se trata de un sistema cerrado y lleno al interior con un fluido (líquido o gas, freón, mercurio, etc.) que se contrae o expande por efecto de los cambios de temperatura. Dicha expansión genera una fuerza sobre el elemento actuador, permitiendo que este accione los contactos de un interruptor (ver Figura 25). Debido a que el tubo capilar y fuelle, diafragma o tubo Bourdon contienen apreciable volumen del fluido, los cambios de temperatura ambiente, a lo largo del capilar, pueden introducir error. Interponiendo un elemento sensible, no activo, 81 entre el fuelle y el mecanismo que opera, es posible efectuar la compensación por los cambios de temperatura ambiente. Los termóstatos de sistema lleno son de aplicación general, tanto para líquidos como para sólidos. La velocidad de respuesta es alta y su banda diferencial es de 5ºC a 10ºC; En los líquidos, el rango de aplicación se encuentra entre -70ºC a +250ºC; y en los de gas, entre -250ºC a +800ºC. Por lo demás, el sistema de bulbo puede sumergirse fácilmente en líquidos o introducirse en orificios especiales denominados pozos. El bulbo se construye de acero inoxidable, cobre, bronce y otras aleaciones. Los termóstatos de sistema lleno se usan inmersos en instalaciones de tanques y tuberías tanto para líquidos como para gases, lo mismo que en hornos o sistemas de refrigeración. Figura 25. Termóstato de sistema lleno. Fuente: http://www.hogartintorero.com/Recambios/G_GENERICOS/G13_TERMOSTATOS.htm 82 2.2.3.2.3 Termóstato de expansión o dilatación lineal Se construyen termóstatos de expansión lineal del tipo de Ampolleta de mercurio (ver Figura 26), el cual opera bajo el principio de la expansión que experimenta un fluido cuando es sometido a un cambio de temperatura. Está conformado por dos o tres electrodos encapsulados en un recipiente de vidrio al vacío que contiene mercurio. Estos presentan bandas diferenciales muy pequeñas (inferiores a 0.09ºC) con rangos de aplicación desde 0ºC a +100ºC. Otra versión es el tipo de dilatación lineal denominado de Hilo caliente (hot wire), el cual opera bajo el principio de la dilatación que experimenta una cinta o hilo metálico cuando es sometido a un cambio de temperatura. Sus características son similares a las que presentan los termóstatos de bimetálico y su construcción es abierta y de bajo costo. Los termóstatos de hilo caliente son poco usados y su uso se restringe a circuitos de protección y alarma contra alta temperatura en sistemas de refrigeración de motores de combustión interna tipo Diésel. Figura 26. Termóstato de ampolleta de mercurio. Fuente: http://periodictable.com/Items/080.32/index.html 83 2.2.3.2.4 Termistores Los termistores no son propiamente termóstatos puesto que no disponen de contactos de interruptor. Sin embargo, debido a sus características de alta variación de resistencia con la temperatura, y convenientemente procesada su salida por medios eléctricos o electrónicos, es posible utilizarlos en interesantes aplicaciones, particularmente para proteger los bobinados de las máquinas eléctricas contra sobre calentamiento. Estos dispositivos se construyen en formas muy diversas que asemejan varillas, tornillos, agujas, discos, arandelas, etc. Son precisamente estas formas las que facilitan la acomodación de los elementos al ser instalados en sitios de difícil acceso y de espacio muy reducido como son las ranuras del núcleo donde se alojan los bobinados de los motores y generadores. Se construyen a partir de semiconductores de óxidos metálicos con los cuales se logran una variación de la resistencia con la temperatura en forma exponencial creciente (PTC) o decreciente (NTC) como se muestra en la Figura 27. Los denominados NTC (Coeficiente Negativo de Temperatura) son de gran sensibilidad ante los cambios de temperatura y presentan relaciones de cambio hasta de 100:1 dentro del rango típico de utilización que es de –50ºC a +300ºC. La resistencia Ro representa el valor óhmico a una temperatura de referencia que normalmente es 0ºC o en algunos casos 25ºC. Los valores típicos para Ro están comprendidos entre 10 KΩ y 100KΩ. 84 Figura 27. Curvas de variación de resistencia por efecto de la temperatura. Los termistores se usan en sistema de refrigeración, aire acondicionado y calentadores de baja temperatura. Para el caso de su utilización en motores, se operan a temperaturas que oscilan entre 20ºC y 160ºC, que corresponde a las temperaturas medias extremas a las que normalmente se someten los devanados de un motor. De igual manera es posible utilizar termistores de tipo PTC (Coeficiente Positivo de Temperatura). En general, éstos presentan características y aspectos constructivos similares a los NTC. Sin embargo, no tienen la gran sensibilidad ni el elevado coeficiente de temperatura que presentan los NTC. Como características generales de los termistores se pueden anotar las siguientes: - Alta sensibilidad. - Buena estabilidad. - Alta velocidad de respuesta. - Fácil instalación. - Bajo costo. Para el proceso de medición y control se recurre generalmente al empleo de un divisor de tensión resistivo, con el propósito de traducir las variaciones de 85 resistencia por cambios de temperatura a una señal de voltaje que puede ser fácilmente comparada y que procesada electrónicamente sirve para generar acción de control y la protección que se tiene prevista con el dispositivo. 2.2.3.2.5 Especificaciones técnicas de los termóstatos Es importante anotar que no debe confundirse un termóstato con un relé térmico. Existen notables diferencias entre ellos. Para la especificación técnica de un termóstato debe definirse: - Tipo de termóstato según su naturaleza, indicando si es simple o diferencial. - Naturaleza o tipo, según el elemento sensible. - Temperatura máxima sobre el elemento sensible. - Temperatura de control y/o rango de ajuste, y banda diferencial si se trata de un termóstato de tipo diferencial. - Tipo de fluido o material que estará en contacto con el elemento sensible. - Tipo de conector o mecanismo de fijación usado para el montaje del dispositivo. - Tipo de encapsulado y dimensiones físicas. - Especificaciones eléctricas para los contactos del interruptor. Ello implica definir la corriente nominal o asignada por los contactos, el voltaje nominal o asignado, la categoría de empleo, el número y disposición eléctrica de los contactos y el aislamiento eléctrico de la carcasa o cubierta (grado de protección). - Dimensiones físicas. Es importante también, tener en cuenta la sensibilidad y la máxima temperatura ambiente y condiciones ambientales. 86 Para los termóstatos de sistema lleno es de uso corriente dar información sobre el material y las dimensiones del bulbo (acero inoxidable, bronce, etc.) y la longitud del capilar, y para el actuador final indicarse si se trata de fuelle, de diafragma o de tubo Bourdon. Para los termóstatos de bimetálico se indican las dimensiones físicas y el grado de aislamiento a la cubierta. 2.2.3.3 Nivóstatos Son interruptores de control de uno o varios contactos (NA/NC) accionados por el cambio de nivel que experimenta un líquido (o sólido) que se encuentra almacenado en un tanque o recipiente. Permiten el control de nivel de líquidos y sólidos en recipientes de almacenamiento, se pueden usar como detectores de lleno o vacío, como elementos de protección contra derrames o disminución de niveles asociados con valores de reserva, protección contra marcha en seco para bombas de llenado, para el control de volumen o peso de sustancias que deben ser depositadas en recipientes, como botellas o contenedores, entre otros. En los sistemas de nivel, la acción de control se hace normalmente sobre válvulas de admisión o escape, motores eléctricos o dispositivos de señalización de alarmas. Existen muchos tipos de nivóstatos, los más comunes son: - De flotador. - De electrodo. 87 - Fotoeléctricos. - De vibración. - De radiación. Para líquidos con grandes niveles se pueden usar tan bien presóstatos como sensores de nivel, teniendo presente que una columna de líquido presenta una cabeza de presión la cual puede ser detectada por el presóstato. Esta es una alternativa que se usa con alguna frecuencia en tanques de almacenamiento de combustible. Con líquidos que están a mayor temperatura que la ambiental u otra referencia, se pueden usar termóstatos para detectar el cambio de nivel. El termóstato actúa sus contactos cuando el elemento sensible se pone en contacto con el fluido caliente. Su aplicación es restringida dada la baja velocidad de respuesta y los retardos que se originan en la acción de control. Sin embargo, es una posibilidad que no debe descartarse y puede resultar económica y de fácil instalación. Desde el punto de vista eléctrico, la capacidad de conducción de corriente de los nivóstatos no sobrepasa los 15A a tensiones nominales industriales; por lo cual solo pueden aplicarse a circuitos de control o al gobierno de pequeños motores (generalmente bombas pequeñas). 2.2.3.3.1 Nivóstatos de flotador Los nivóstatos de flotador son de tipo mecánico y su desplazamiento puede ser angular o vertical (ver Figura 28). La forma típica del flotador es cilíndrica o esférica y se construyen de polipropileno, hypalon, plástico, corcho, aluminio, 88 latón, acero inoxidable, etc. Los nivóstatos de desplazamiento angular se emplean para cambios pequeños de nivel; los de desplazamientos vertical, para cambios grandes superiores a 0.5 m en tanques cerrados o abiertos. Algunos interruptores denominados de flotador boyante se fabrican de acero inoxidable o galvanizado, requiriéndose para su funcionamiento de un contra peso de equilibrio haciendo que un brazo que pivota se desplace y accione los contactos del interruptor. Se usa para el control de nivel de líquidos que presentan agitación en la superficie ya que responden al valor medio del nivel, en lugar del valor instantáneo. El empleo de interruptores con contactos de ampolleta de mercurio, en la construcción de nivóstatos de flotador es de uso frecuente. Figura 28. Nivóstato de flotador y simbología. Fuente: http://www.suner.es/buscar.php?b=catalogo&idmarca=1673&marca=SAUTER 89 2.2.3.3.2 Nivóstatos de electrodo Los nivóstatos de electrodo o de conductividad están conformados por una varilla metálica (de cobre, bronce, acero inoxidable, Hastelloy, Titanio etc.) colocada dentro del tanque al nivel de control. Un segundo electrodo, o el mismo tanque si es metálico, permite cerrar el circuito eléctrico cuando el nivel del líquido alcanza el primer electrodo (ver Figura 29). Este sistema tiene la desventaja de que únicamente opera con líquidos conductores o medianamente conductores, si se emplea un dispositivo amplificador intermedio. Se usan en tanques con soluciones químicas, algunos alimentos y bebidas y aún con agua corriente del grifo. No es recomendable su empleo con líquidos combustibles, ya que siendo buenos aisladores, pueden presentar cierta conductividad por contaminación o humedad, originando un incendio o explosión debido a las chispas que se presentan cuando el combustible entra en contacto con el electrodo. La ventaja de poder desplazar fácilmente el electrodo a cualquier nivel y el hecho de ser un dispositivo de bajo costo, son las razones por las cuales su empleo es muy extendido. La limpieza del electrodo es una rutina que debe tenerse con ciertos líquidos, ya que los sedimentos o placas que se adhieren al mismo, pueden afectar el punto de control. 90 Se construyen también en modo diferencial con dos electrodos de diferente longitud, lo cual define una diferencia en niveles para operar entre un nivel máximo y mínimo. Figura 29. Nivóstato de electrodo. Fuente: http://www.directindustry.es/prod/acs-control-system-gmbh/interruptores-nivel-conductivos- electrodos-multiplos-37041-384964.html 2.2.3.3.3 Nivóstatos fotoeléctricos Con los nivóstatos de tipo fotoeléctricos no hay restricción en la diferencia de nivel que se desee controlar y su aplicabilidad cubre cualquier tipo de líquidos oscuros o claros. Son los más elegibles para el control de nivel de sólidos en silos y tolvas de molinos, y en tanques de gran tamaño. El principio de funcionamiento es muy sencillo. Una lámpara (LED) emite un rayo de luz visible o infrarrojo, el cual al ser interrumpido por el líquido en virtud de un cambio de nivel con respecto a un valor de referencia, produce una señal que activa los contactos de salida (NO/NC, usualmente) de un dispositivo denominado relé fotoeléctrico (ver Figura 30). 91 A pesar de su mayor costo, el nivóstato fotoeléctrico es muy utilizado ya que puede adaptarse fácilmente para instalación en puntos donde otros nivóstatos son difíciles de instalar. Figura 30. Nivóstato fotoeléctrico. Fuente: http://www.nauticexpo.es/prod/gems-sensors/sensores-nivel-tanque-buque-electro-optico- 32816-337466.html 2.2.3.3.4 Nivóstatos de vibración Los nivóstatos de vibración se usan para control de nivel de líquidos y sólidos en tanques, silos y tolvas. En el caso de los sólidos, éstos deben ser granulados o en polvo tales como cereales, harinas, materiales plásticos, arena, etc. El elemento sensible se construye con una paleta rígida de forma plana o en herradura, cuyo material es Hastelloy o acero inoxidable, la cual está en vibración permanente a una frecuencia determinada, que cambia cuando el fluido se pone en contacto con la paleta (ver Figura 31). Este cambio es detectado por un circuito electrónico conversor de frecuencia a voltaje que actúa sobre un pequeño relé cuyos contactos inician la acción de control. 92 Su construcción robusta y compacta, con un mínimo de piezas y su fácil instalación al nivel deseado hacen que el uso se haya extendido notoriamente, en particular para sólidos. Otras versiones constructivas de nivóstatos que no son de uso generalizado se encuentran disponibles para aplicaciones particulares. Figura 31. Nivóstato de vibración. Fuente: http://www.directindustry.es/prod/endress-hauser/interruptores-nivel-vibratorios-liquidos- 4726-1095811.html El denominado interruptor de flotador del tipo reed switch se usa para el control o indicación de grandes niveles, especialmente en tanques de almacenamiento de agua y en represas. Estos incorporan un flotador que lleva un imán permanente, el cual va actuando a diferentes niveles los contactos de los diferentes interruptores tipo reed que se encuentran al interior de un tubo plástico sumergido, a lo largo del cual se desplaza externamente el flotador que lleva el imán. 2.2.3.3.5 Nivóstatos de membrana Es un detector para el control de nivel, que se puede utilizar para indicar estados llenos y vacíos con sólidos granulados o en polvo. Este dispositivo usa un interruptor que es accionado por una membrana, la cual debe estar expuesta al material a controlar (ver Figura 32). A medida que el material entra en el silo se 93 amontona y cubre la membrana, la presión que se ejerce sobre ella la obliga a retroceder presionando el mecanismo que acciona el interruptor. Este tipo de nivóstato sirve para la puesta en marcha o paro asociado a los mecanismos de carga y descarga en silos y recipientes; también puede ser utilizado para generar señales visuales o acústicas de alarma o supervisión. El material de la membrana puede ser neopreno, FPM o acero Inoxidable. Estos dispositivos son de naturaleza electromecánica y su accionar es más parecido al de un interruptor límite que al de un interruptor de nivel. Figura 32. Nivóstatos de membrana. Fuente: http://www.dwyer-inst.com/Product/Level/LevelSwitches/Diaphragm/Ultra-Mag- Algunas aplicaciones de los nivóstatos son:} - Permiten el control de nivel de líquidos y sólidos en recipientes de almacenamiento. - Se pueden usar como detectores de lleno o vacío. - Como elementos de protección contra derrames o disminución de niveles asociados con valores de reserva. - Protección contra marcha en seco para bombas de llenado. - Para el control de volumen o peso de sustancias que deben ser depositadas en recipientes, como botellas o contenedores. 94 2.2.3.3.6 Especificaciones técnicas de los nivóstatos Para la especificación de un nivóstato se debe considerar lo siguiente: - Tipo de nivóstato según su naturaleza. - Nivel de control de referencia o rango de ajuste. - Clase de líquido o sólido a controlar y su temperatura. - Número de contactos y su disposición eléctrica. - Corriente nominal o asignada de los contactos, voltaje nominal y categoría de empleo. - Especificaciones de tensión de alimentación y tipo de corriente, si el dispositivo elegido lo requiere. - Forma física, dimensiones, grado de protección y tipo de conexión. 2.2.3.4 Interruptores de flujo Son interruptores de control de uno o varios contactos (NA/NC) accionados por el paso de un fluido (líquido o gas: aire, agua, combustible, vapor, etc.) que circula por un ducto o tubería. Para su actuación se requiere que el fluido este en movimiento y que su velocidad sobrepase cierto valor de umbral. Como cualquier interruptor de accionamiento automático, está constituido por un elemento sensible y un interruptor de uno o varios contactos cuyo mecanismo de actuación responde a las variaciones de flujo por efecto de un cambio en la velocidad del fluido, o por la fuerza que ejerce un fluido en movimiento sobre la superficie de una pequeña placa posicionada de manera que quede sometida a la corriente del mismo. 95 Se construyen diferentes tipos de flujóstatos (ver Figura 33). Los hay electromagnéticos, de turbina (acoplados a un tacogenerador o a un generador de pulsos; ya sea foto eléctrico, electromecánico, magnético o electromagnético), o de placa móvil (Vane Operated Flow Switch), entre otros. Figura 33. Flujóstato de aleta móvil y electromagnético. Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Sensor_de_flujo Puede aplicarse también para el elemento sensible el principio que establece la relación física entre presión y caudal o flujo cuando se instala en la tubería una placa de orificio o se pone una restricción al paso del fluido. Sus usos se extienden en sistemas de lubricación y enfriamiento para garantizar que el fluido lubricante o refrigerante está en movimiento y que la bomba opera normalmente; en sistemas de aire acondicionado para verificar su condición de funcionamiento; para garantizar la condición del pre-barrido de los gases producto de la combustión al interior del “hogar” de una caldera, durante el proceso de limpieza o prebarrido para facilitar el reencendido. En general, para control de flujo mínimo o máximo o de un valor de referencia determinado. Los mecanismos de turbina o electromagnéticos proporcionan señales análogas o digitales de velocidad que deben ser procesadas eléctricamente para convertirlas 96 en señales relacionadas directamente con el flujo y luego en una salida de interruptor con contactos abiertos y/o cerrados. En la Figura 34 se ilustra un sensor de flujo que actúa el interruptor por la deflexión que experimenta la placa cuando ésta se somete a la fuerza que sobre una placa de área A ejerce el fluido que va por el ducto. La placa tiene un área relativamente pequeña en comparación con la del ducto, de ahí que no produce turbulencia significativa al paso del fluido. La deflexión de la placa se transmite al vástago del interruptor y lo acciona generando de esta manera la acción de control. Figura 34. Flujóstato de placa o aleta móvil Algunas de las aplicaciones de los flujóstatos son: - En sistemas de lubricación y enfriamiento para garantizar que el fluido lubricante o refrigerante está en movimiento y que la bomba opera normalmente. - En sistemas de aire acondicionado para verificar su condición de funcionamiento. 97 - Para garantizar la condición del pre-barrido de los gases producto de la combustión al interior del “hogar” de una caldera, durante el proceso de limpieza para facilitar el reencendido. - En general, para control de flujo mínimo o máximo o de un valor de referencia determinado. 2.2.3.4.1 Especificaciones técnicas de los flujóstatos Para especificar un flujóstato debe indicarse: - Tipo de flujóstato, según la naturaleza del elemento sensible. - Tipo de fluido. - Presión y temperatura máxima del fluido al interior del ducto que lo transporta. - Dimensiones y tipo de conector requerido para el montaje; incluido el diámetro, para permitir su conexión al ducto o tubería. - Flujo máximo admisible y flujo de actuación; así como posibilidades de ajuste dentro de un rango. - Especificación de la corriente asignada del interruptor, voltaje nominal, categoría de empleo y número de contactos con su disposición eléctrica. - Tipo de alimentación (voltaje, tipo de corriente y consumo), si es requerido por el dispositivo. 2.2.3.5 Interruptores de velocidad Son interruptores de control de uno o varios contactos (NA/NC) que responden al cambio de velocidad que experimenta una pieza en movimiento, el eje de un motor o de cualquier otro dispositivo que pueda girar; estos últimos se conocen también 98 como interruptores de velocidad angular (Speed Switch). Se dispone también de interruptores para sensar velocidad lineal. Todos ellos son actuados únicamente por la magnitud de la velocidad y no por el hecho de que gire el eje, o se desplace un objeto o material. Estos dispositivos se emplean generalmente para protección de motores contra sobre velocidad (embalamiento); para desconectar el devanado auxiliar o de arranque en los motores de inducción monofásicos de dos bobinados; para desconectar el motor a tiempo en caso de frenado eléctrico por contracorriente justo antes de que el motor llegue al reposo, evitando el arranque en sentido contrario; en motores eléctricos para generación de alarmas y desconexión del motor ante situaciones de sobre-velocidad o embalamiento; para detección de correas o acoplamientos rotos; en alternadores para el control de su velocidad, con el propósito de impedir desviaciones de la frecuencia asociadas a la onda de tensión que produce el generador; para el control de velocidad en bandas transportadoras y enrolladoras; para detección de velocidades mínimas o máximas asociadas a motores o vehículos en movimiento; y para producir impulsos de control que, procesados convenientemente, proporcionan una señal de velocidad para indicación, registro, alarma, etc. Existen varios tipos entre los cuales podemos destacar los siguientes: - Electromecánicos o De levas o Centrífugos - Magnéticos o De lengüeta o Reed Switch 99 - Electromagnéticos o De tacogenerador o Inductivos - Fotoeléctricos o De vano con disco ranurado Figura 35. Tipos de interruptores de velocidad tipo industrial. Fuente: http://www.directindustry.com/prod/frank-w-murphy-ltd/rotational-speed-sensors-12515- 548019.html 2.2.3.5.1 Interruptor de velocidad electromecánico de leva En los interruptores de velocidad electromecánicos de levas (ver Figura 36), una leva acoplada al eje del motor actúa sobre los contactos de un interruptor, produciendo un tren de impulsos eléctricos que procesados por medios eléctricos o electrónicos pueden iniciar una acción de control. 100 Figura 36. Interruptor de velocidad electromecánico de leva. 2.2.3.5.2 Interruptor de velocidad electromecánico centrífugo El denominado interruptor de velocidad electromecánico centrífugo es actuado únicamente por la magnitud de la velocidad y no simplemente por el hecho de que gire el eje. Consiste en cuatro contrapesos colocados sobre dos varillas móviles pivoteadas sobre un eje en movimiento, el cual por efecto de la fuerza centrífuga produce el desplazamiento de un vástago que acciona un microinterruptor de palanca o pistón con el cual puede iniciarse una acción de control (ver Figura 37). Los pesos son reposicionados por la acción de un resorte en forma de espiral cuando el mecanismo se detiene o la velocidad de giro se hace inferior a la definida por el punto de control. Con ello el interruptor queda en la posición de reposo inicial. Para giro en ambas direcciones 101 Figura 37. Interruptor de velocidad electromecánico centrífugo. Los interruptores centrífugos se emplean para velocidades por debajo de 10000 R.P.M. Algunos disponen de un mecanismo de ajuste que permite modificar la posición de los pesos o la fuerza de reacción del resorte que va montado sobre el eje. Los rangos típicos de ajuste son amplios y en la práctica son disponibles desde 200 a 1300 R.P.M (baja velocidad) y desde 1300 a 7000 R.P.M (alta velocidad). Estas velocidades se encuentran dentro del rango típico de velocidad asociado a los motores eléctricos y a los de combustión interna 2.2.3.5.3 Interruptor de velocidad magnético tipo “Reed Switch” Los interruptores de velocidad magnético tipo Reed Switch (de vano o ranura) incorporan un imán permanentemente que acciona los contactos de un interruptor 102 de lengüeta de material magnético que se encuentra enfrentado a dicho imán, separado por una ranura (ver Figura 38). El paso de una aspa magnética en movimiento giratorio por la ranura, reduce el flujo magnético que mantiene el contacto del interruptor cerrado, haciendo que este se abra, generando una acción de control relacionada con un tren de pulsos. Figura 38. Interruptor de velocidad magnético tipo Reed Switch. 2.2.3.5.4 Interruptor de velocidad electromagnético tipo tacogenerador En los interruptores de velocidad electromagnéticos del tipo de tacogenerador, un pequeño generador de CA o CD es acoplado al eje del motor al cual se le desea medir o registrar la velocidad. A los bornes del generador se conecta directamente un relé de control, el cual opera cuando la tensión alcanza un valor determinado relacionado directamente con la velocidad. Estos dispositivos se construyen para velocidades hasta 3600 R.P.M. Para el interruptor que utiliza generador de corriente directa o alterna, accionado por un motor que gira a una velocidad determinada, el relé electromagnético acoplado al mismo se acciona cuando la velocidad supera un valor mínimo de referencia, que define la tensión de enganche del relé (ver Figura 103 39). Ajustando la tensión del resorte asociado a la armadura del relé, es posible establecer diferentes velocidades de actuación para el interruptor. Como el generador produce un tren de pulsos que son proporcionales a la velocidad, se requiere el empleo de un circuito electrónico que incorpore un convertidor de frecuencia a voltaje, un comparador y un amplificador que accione sobre el relé electromagnético que aporta los contactos utilizados para realizar la acción de control. (Ver Figura 40). Figura 39. Interruptor de velocidad electromagnético del tipo de tacogenerador. Figura 40. Circuito electrónico para interruptor de velocidad que genera un tren de pulsos. 104 2.2.3.5.5 Interruptor de velocidad electromagnético inductivo El interruptor de velocidad electromagnético inductivo genera un voltaje en los terminales de una bobina devanada sobre un imán permanente. Al girar un disco ranurado de hierro o un piñón del mismo material, se altera la reluctancia del circuito magnético y modifica el flujo magnético que atraviesa la bobina, induciéndose en ésta una fuerza electromotriz en los terminales de la misma (ver Figura 41). La tensión de salida (Vw) es un tren de pulsos cuya frecuencia está relacionada con la velocidad (ω) del disco giratorio. Esta señal se procesa en una unidad de tipo electrónico como la indicada en la Figura 40 y su salida de contacto seco se emplea para iniciar una acción de control. Figura 41. Interruptor de velocidad electromagnético inductivo. 105 2.2.3.5.6 Interruptor de velocidad fotoeléctrico En los interruptores de velocidad fotoeléctricos, usados para altas velocidades, un disco ranurado acoplado al eje del sistema móvil produce un tren de impulsos luminosos cuando dicho disco permite el paso de la luz emitida por una lámpara de estado sólido (LED) hacia un sensor de vano o ranura (ver Figura 42). La salida de este dispositivo es un tren de pulsos eléctricos que se procesa en una unidad tipo electrónico y se emplea para iniciar una acción de indicación o de control. Son bastantes utilizados los acoples fotoeléctricos por infrarrojos donde se incorpora un LED y un fotodiodo o fototransistor. La luz infrarroja permite operar el sistema sin la perturbación de la luz visible. Figura 42. Interruptor de velocidad fotoeléctrico de disco ranurado. Fuente: http://www.maxigard.com/sensor_technology.htm Algunas aplicaciones de los interruptores de velocidad son: - En motores eléctricos para generación de alarmas y desconexión del motor ante situaciones de sobrevelocidad o embalamiento. - En alternadores para el control de su velocidad, con el propósito de impedir desviaciones de la frecuencia asociadas a la onda de tensión que produce el generador. - Control de velocidad en bandas transportadoras y enrolladoras. 106 - Detección de velocidades mínimas o máximas asociadas a motores o vehículos en movimiento. - Detección de correas o acoplamientos rotos. 2.2.3.5.7 Especificaciones técnicas de los interruptores de velocidad Para especificar un interruptor de velocidad (Speed Switch) debe indicarse: - Tipo de interruptor según su naturaleza. - Velocidad de conmutación y rango de ajuste. - Sentido de rotación y tipo de acople. - Velocidad máxima. - Tamaño físico, tipo de acople y grado de protección. - Especificaciones eléctricas relacionadas con: número de contactos y su disposición eléctrica, corriente y tensión nominal de los contactos, categoría de empleo y tensión de alimentación y tipo de corriente si el dispositivo lo requiere. 2.2.3.6 Interruptores de posición (interruptores límite) Son interruptores de control de uno o varios contactos (NA/NC) accionados por el cambio de posición que experimenta una pieza u objeto en movimiento. Pueden ser accionados por topes, levas, platinas, la interrupción de un rayo luminoso, etc. En algunos, su actuación se logra por la simple aproximación de un objeto en movimiento a un punto de referencia sin que sea necesario el contacto físico. Estos se conocen también con el nombre de interruptores de proximidad. 107 Estos dispositivos son ampliamente utilizados en sistemas eléctricos de operación automática. Se emplean en puertas automáticas, cerraduras de seguridad, máquinas-herramienta, sistemas de alarma, contadores de objetos, detectores de proximidad, detectores de piezas defectuosas, equipos de soldadura, máquinas dobladoras, cortadoras, selladoras, estampadoras, etc. Dentro de su aplicabilidad cumplen funciones muy importantes, como puesta en marcha o detención del motor o la pieza móvil al final o durante su recorrido (puertas de garaje, de acceso, de ascensores, etc.); dar indicación de avance o retroceso; detección de piezas defectuosas; conteo de objetos; generación de alarmas por contacto o proximidad; para generación ordenes de corte, doblaje, estampado, sellado, impresión; entre otras. Los fabricantes los suministran en formas y tamaños muy diversos, siendo bastante comunes los denominados microinterruptores provistos de vástago, palanca con rodillo o varilla móvil. En las Figura 43, Figura 44 y Figura 45 se ilustran diferentes dispositivos que se utilizan en la industria. Figura 43. Mecanismo de palanca con rodillo giratorio. Fuente: http://sensoresdeproximidad.blogspot.com/p/sensor-fin-de-carrera-el-final-de.html 108 Figura 44. Interruptor límite de varilla y simbología. Figura 45. Interruptores límite de vano o ranura tipo fotoeléctrico. En principio se trata de dispositivos de naturaleza electromecánica diseñados para ser accionados con piezas de formas muy diversas. Los de uso corriente en la industria se muestran en la Figura 46. Entre ellos están los de: 109 - Varilla: se usan generalmente para conteo de objetos. - Vástago o palanca: detectan la posición de la pieza móvil y generan además detención, como por ejemplo la desconexión del motor que acciona una puerta cuando ésta llega al final del recorrido. - Vano o ranura: son de tipo magnético o fotoeléctrico (similares a los usados en interruptores de velocidad). Dan indicación de avance o retroceso; sirven para la detección de piezas defectuosas; puesta en servicio de una máquina durante cierto tiempo, como es el caso de juegos mecánicos, máquinas dispensadoras de cigarrillos o teléfonos que se ponen en servicio con monedas, etc. Figura 46. Interruptores límite de naturaleza electromecánica. Fuente: http://www.applegate.co.uk/b2b-products-services/rs-components-ltd/ip66-limit-switch- wside/GLCB01A4J-4482.html Algunas aplicaciones de los interruptores de posición son: - Puesta en marcha ó detención del motor ó la pieza móvil al final ó durante su recorrido (puertas de garaje, de acceso, de ascensores, etc). 110 - Dar indicación de avance ó retroceso. - Detección de piezas defectuosas. - Conteo de objetos - Generación de alarmas por contacto o proximidad. - Para generación ordenes de corte, doblaje, estampado, sellado e impresión, entre otras. 2.2.3.6.1 Especificaciones técnicas de los interruptores de posición Para la especificación de un interruptor límite se requiere definir: - Tipo o naturaleza del interruptor. - Ángulo de ataque de la pieza móvil. - Velocidad máxima de conmutación (conteo rápido o lento). - Fuerza máxima de impacto sobre el actuador del interruptor. - Dimensiones físicas, forma de instalación y grado de protección (se requiere conocer aspectos físicos de la máquina sobre la cual se va a instalar). - Aspectos relacionados con la parte eléctrica del interruptor como son: la corriente y tensión nominal o asignada para los contactos, la categoría de empleo, el número de contactos y su disposición eléctrica, el voltaje de alimentación y el tipo de corriente si lo requiere. 2.2.3.6.2 Interruptores límite de proximidad Estos dispositivos de actuación sin contacto físico tienen interesantes aplicaciones en la industria de alimentos, la inspección de piezas defectuosas, la detección de 111 intrusos a áreas restringidas, el conteo de objetos y el control de nivel en procesos de llenado y vaciado de líquidos y materiales sólidos (ya sea materia prima o residuos) en recipientes o tanques. Se construyen de varios tipos, entre ellos: - Inductivos. - Capacitivos - Ultrasónicos. - Fotoeléctricos. 2.2.3.6.3 Interruptores límite de proximidad inductivos Los detectores inductivos (ver Figura 47) son bastante utilizados para sensar la presencia o ausencia de materiales ferromagnéticos a pequeñas distancias no mayores de 10 cm. Por su tamaño reducido ocupan poco espacio y pueden instalarse sin dificultad. Se utilizan en circuitos que generan un campo electromagnético de alta frecuencia, el cual al ser perturbado produce una salida relacionada con un cambio de frecuencia asociado con un circuito LC conectado a un oscilador. Esta debe procesarse electrónicamente para su utilización en forma conveniente. Requieren conectarse a una fuente de alimentación que puede ser de CA o de CD según el modelo considerado. 112 Figura 47. Interruptores de proximidad inductivos. Fuente: http://www.gentixs.com/marcas/siemens_sensores_inductivo.html En la Figura 48 se ilustra las partes componentes básicas del interruptor inductivo por medio de un diagrama de bloques. Figura 48. Diagrama de bloques típico de un interruptor de proximidad inductivo. Fuente: http://www.dte.uvigo.es/recursos/inductivos/INDUCTIVOS/funcionamiento/constitucion.htm 2.2.3.6.4 Interruptores límite de proximidad capacitivos Los detectores capacitivos (ver Figura 49) actúan generalmente sobre un circuito eléctrico RC o LC cuya salida se produce ante el cambio que experimenta la capacidad del dispositivo cuando está próximo a materiales conductores o no; conductores que pueden ser sólidos, líquidos o en polvo como plástico, madera, aceite, agua, cerámica, papel, vidrio, entre otros. Operan para cortas distancias, pero algunos pueden ser muy sensibles, llegando a producir salidas para 113 distancias hasta de 20 cm. Requieren del suministro de energía para su funcionamiento. Figura 49. Interruptores de proximidad capacitivos. Fuente: http://www.directindustry.es/prod/pepperl-fuchs/sensores-capacitivos-antideflagrantes- proximidad-7315-495462.html 2.2.3.6.5 Interruptores límite de proximidad ultrasónicos Los detectores ultrasónicos (ver Figura 50) transmiten y reciben pulsos de alta frecuencia y pueden usarse para sensar la presencia o ausencia de prácticamente cualquier tipo de objeto de forma regular o no, transparente u opaco, sólido, liquido o en forma de polvo. Se caracterizan por su gran sensibilidad, ya que pueden detectar objetos a distancias entre 6 mm y 6 m. Como objetos típicos se tienen: ladrillos, botellas, lingotes de acero, puertas en movimiento, cambio de nivel de líquidos, etc. Requieren también de un suministro de energía de CA o CD según el modelo, y se ofrecen con la particularidad de que muchos fabricantes los construyen para dar salidas análogas normalizadas de 4 a 20 mA o de 0 a 10V. 114 Figura 50. Interruptores de proximidad ultrasónicos. Fuente: http://www.directindustry.es/prod/turck/sensores-proximidad-por-ultrasonidoss-4959- 564433.html 2.2.3.6.6 Interruptores límite de proximidad fotoeléctricos Los detectores fotoeléctricos (ver Figura 51) transmiten y reciben luz modulada para sensar la presencia o ausencia de un objeto. Son los más sensibles y pueden detectar cambios que se originan a distancias de hasta 100 m. Los de tipo infrarrojo pueden aplicarse en ambientes iluminados y funcionan satisfactoriamente en áreas de alta vibración. Los que funcionan con luz visible tienen el inconveniente de que pueden ser afectados por el nivel de iluminación que se tenga en el sitio de instalación. Algunas aplicaciones típicas incluyen: conteo de objetos, inspección de piezas, detección de personas, generación de órdenes de mando para corte, doblaje, sellado, etc. 115 Figura 51. Interruptores de proximidad fotoeléctricos. Fuente: http://www.gentixs.com/marcas/siemens_sensores_optico.html Algunas de las aplicaciones de los interruptores de proximidad son: - Detección de presencia de objetos o personas en movimiento, para apertura y cierre de puertas automáticas o generación de alarmas contra intrusos. - Detección de objetos metálicos (herramientas, armas, etc.) en puestos de control. - Para generar señales de alerta en productos de almacén que salen sin autorización o sin registro de caja. 2.2.3.6.7 Especificaciones técnicas de los interruptores límite de proximidad Para la especificación de un interruptor límite de proximidad se requiere determinar: - Naturaleza del interruptor. - Forma física y dimensiones. - Alcance (sensibilidad del dispositivo para la detección a cierta distancia). - Número de contactos y su disposición eléctrica. - Tensión y corriente nominal y categoría de empleo para sus contactos. 116 - Grado de protección para condiciones ambientales. 2.2.4 Indicadores luminosos Los indicadores luminosos no son precisamente dispositivos de mando, pero es frecuente su empleo en combinación con éstos. Los indicadores luminosos o lámparas de señalización son usados para indicar una condición eléctrica de circuito o el estado de funcionamiento de un elemento receptor de energía, como por ejemplo un motor. Frecuentemente se localizan en cajas de pulsadores o directamente sobre el panel o parte frontal de los tableros eléctricos. Se dispone de varios tipos de lámparas, de las cuales algunas se ilustran en la Figura 52. Las más comunes son las de filamento (conocidas como lámparas incandescentes), las de gas (usualmente de Neón) y las de estado sólido (que usan diodos emisores de luz-LED). Las dos últimas tienen una vida media bastante elevada pero presentan un bajo nivel de iluminación en comparación con las de filamento. Actualmente las lámparas de led y de filamento son las más utilizadas. Figura 52. Tipos de indicadores luminosos. Fuente: http://santafe-ar.all.biz/botoneras-e-indicadores-luminosos-moeller-mando-y-g99937 117 Los fabricantes diseñan los indicadores para que puedan operarse a las tensiones normalizadas en la industria desde 12V hasta 240V, y para consumos entre 1,2W y 12W, con corrientes de unos pocos mA. Sólo en casos especiales se hace necesario el empleo de resistencias limitadores o de transformadores para acondicionar a otros voltajes (ver Figura 53). Los indicadores se instalan sobre bases o zócalos portalámparas, las cuales se construyen de material termoplástico con ciertas partes metálicas. Las dimensiones típicas para el orificio de montaje son de 22 mm y 30 mm, independientemente de si las lámparas son de conexión roscada, de tipo bayoneta o de cualquier otra índole. Es también de uso corriente el empleo de columnas de señalización (ver Figura 52) que sirven para supervisar secuencias complejas en máquinas, procesos automáticos o para dar alarma visual en situaciones de emergencia. La instalación de estas columnas se hace sobre el piso o, montándolas sobre un tubo, o colocadas directamente en la parte superior de un tablero eléctrico. El número de elementos de señalización pude llegar hasta diez y algunos de ellos pueden ser elementos de luz permanente, de luz intermitente o flash de luz giratoria. La altura de las columnas oscila entre 1 m y 4 m según las condiciones de visibilidad en el sitio. Figura 53. Formas de conexión de indicadores luminosos Símbolo básico IEC 118 Conexiones típicas: a) Conexión directa b) Con resistencia limitadora c) Con transformador d) Intermitente de conexión directa 2.2.4.1 Código de colores de indicadores luminosos Existe también un código de colores para las lámparas de señalización por medio del cual es posible reconocer las condiciones de operación de la máquina o de los motores de una instalación: - El color rojo significa condición de peligro o alarma y define estados de emergencia que requieren una acción inmediata. Se usan, por ejemplo, para denotar una falla en el sistema de lubricación o el de refrigeración de una máquina, una condición de sobrecarga o cortocircuito, etc. - El color amarillo significa precaución o alerta, e indica que se está iniciando un cambio próximo a condiciones anormales. Se usa como indicador de pre-alarmas para que el operario tome acciones correctoras tendientes a la normalización del funcionamiento, antes de que se presenta la falla. - El color verde tiene el significado de operación o funcionamiento normal bajo condiciones de servicio seguras. También se usa para dar autorización de proseguir en maniobras venideras. Una condición segura puede estar representada por circulación del líquido de refrigeración, tanque de alimentación lleno, sistema de recirculación de combustible en servicio, sistema de pre-barrido de gases activo, etc. - El color blanco se utiliza para dar información general (supervisión) y puede tener cualquier significado, empleándose en particular cuando 119 existen dudas sobre el empleo de los colores anteriores. Se utiliza también como señal permisiva para indicar que pueden ejecutar otras tareas. - El color azul es poco utilizado y se emplea para dar información especial. En general puede tener cualquier significado, pero no el asignado a los colores rojo, amarillo y verde. Puede ser usado para señalizar por ejemplo disponibilidad de la máquina para el servicio o el arranque, indicar mando remoto, etc. Finalmente, debe señalarse que los pulsadores luminosos rojos no pueden utilizarse como dispositivos para el paro normal o de emergencia. En muchas instalaciones industriales son utilizados los denominados módulos o tableros de señalización de alarmas. Estos incorporan un número determinado de lámparas de señalización, las cuales son activadas y retenidas cuando se presentan una condición de falla o de peligro en algún punto definido de la máquina o el equipo instalado, donde se encuentra el sensor que envía la información respectiva al módulo de señalización. Generalmente se ensamblan con un interruptor de reposición de alarmas, un interruptor de chequeo o verificación de lámparas y un relé auxiliar que se utiliza para generar acciones externas de control a través de sus contactos. En la Figura 54 se ilustra el circuito típico de un módulo de señalización de alarmas para un motor diésel de un grupo electrógeno, de cuatro salidas, con posibilidad de expansión, que incorporan los dispositivos mencionados anteriormente. En él, cada lámpara es conectada a través de un SCR que recibe la señal de mando de compuerta cuando se activa el sensor de alarma respectivo. 120 Figura 54. Módulo de señalización de alarmas. 2.3 RELÉS Son interruptores de control de uno o varios contactos (NA/NC) accionados por un actuador sensible a una señal de tipo eléctrico, generalmente voltaje o corriente. Los materiales más utilizados para la fabricación de los contactos son plata, cobre y aleaciones de los anteriores con otros metales (rodio, paladio, oxido de cadmio, y otros), que proporcionan un buen contacto eléctrico con ligeras fuerzas mecánicas de actuación. La acción básica de los relés es la de juzgar la acción de control a realizar y actuar en consecuencia sobre los contactores que permiten la maniobra de las cargas. En otras palabras, a través de los contactos de los relés se estructura la ecuación booleana que define la tarea de control que debe realizar una máquina o equipo. 121 En la actualidad es posible configurar por medio de programación en los PLC, relés virtuales con los cuales se pueden estructurar las funciones o tareas de control que realiza una máquina, como si estos fueran relés físicos. En esta aplicación el número de contactos (NA/NC) de dichos relés solo está limitado por la capacidad de memoria que tenga el controlador programable. En general, los relés son apropiados cuando se necesita multiplicidad de funciones de control originadas por una simple señal de mando. La construcción típica es la de múltiples contactos NA y/o NC, los cuales se accionan (abren o cierran) cuando se excita el elemento sensible. Los relés se conectan y desconectan mediante dispositivos de mando tales como: pulsadores, interruptores límite, termóstatos, presóstatos, etc. Los relés pueden clasificarse de acuerdo a diversos aspectos como: Según la naturaleza del elemento sensible: - Electromagnéticos (ver Figura 55) o Sin retención (Relé estándar). o Con retención o memoria (tipo “set-reset”). - Térmicos (ver Figura 57 y Figura 60) - Electrónicos (ver Figura 62 y Figura 63) o Sin retención (Relé estándar) o Con retención (Relé con memoria o “set-reset”) Según la variable eléctrica a la cual responde el elemento sensible del relé: - De tensión - De corriente 122 - Multifuncionales (conocidos también como “Relés de protección”) Según el tipo de corriente que demanda el elemento sensible del relé: - De corriente alterna - De corriente directa Según la actuación de los contactos del relé: - De actuación inmediata - De actuación retardada o temporizada (Relés temporizados) o Simultánea o Secuencial Figura 55. Versiones constructivas de los relés electromagnéticos 123 2.3.1 Relés electromagnéticos En los relés electromagnéticos (ver Figura 56), el elemento sensible es un electroimán, conformado por una bobina y un núcleo magnético el cual consta de dos partes, una fija y una móvil. En la parte fija está enrollada la bobina, y la parte móvil está conectada a los contactos por medio de un enlace aislado que permite la actuación de los mismos cuando es atraída por el núcleo fijo al ser energizada la bobina. Se diseñan para trabajo liviano, y sus contactos no están especificados para altas intensidades de corriente. Estos contactos tienen forma simple y no incorporan cámara apaga chispa ni bobina de soplado, tienen características similares a los contactos que utilizan los dispositivos de mando digital. En general, los contactos no manejan cargas importantes y el arco puede extinguirse fácilmente por elongación. Algunas cargas típicas para los contactos de los relés son las lámparas de señalización, las bobinas de otros relés, contactores y algunos electroimanes pertenecientes a válvulas solenoide u órganos receptores de bajo consumo. Se diseñan generalmente para categoría de empleo AC11 y DC11, en corriente alterna y en corriente directa respectivamente. El consumo de los electroimanes de los relés es generalmente muy bajo (de 1 a 10 VA) y la corriente nominal de servicio (In) de los contactos no sobrepasa de 10A, para tensiones que no sobrepasan de 600 V. Sin embargo, algunos fabricantes construyen relés de mayor tamaño, conocidos como relés de potencia o mejor contactores auxiliares. Con estos dispositivos se pueden manejar cargas de tamaño un poco mayor a las descritas anteriormente, como pequeños motores, válvulas de control, lámparas y elementos calefactores de baja potencia. Debe tenerse presente que la vida útil de los contactos de un relé depende esencialmente del ciclo de trabajo y del factor de potencia asociados al órgano receptor que conectan los contactos del mismo. 124 Figura 56. Relés electromagnéticos industriales y representación simbólica. Fuente: http://www.retrovicio.org/foro/showthread.php?4957-conectar-rele-y-monedero-a-lpt Los relés electromagnéticos realizan funciones básicas como multiplicar o reproducir en diferentes puntos de un circuito la señal de control aplicada al elemento sensible del relé, por medio de sus contactos; estructurar o configurar la tarea o función de control asociada a un motor, máquina o equipo, aplicando los conceptos asociados a la lógica matemática (algebra de Boole), y manejar a través de sus contactos los órganos receptores pertenecientes a los contactores que manejan las cargas asociadas a máquinas y equipos. Algunas aplicaciones de control necesitan dispositivos que respondan a cambios de tensión o a cambios en la intensidad de la corriente, incluso a otras variables o condiciones eléctricas de interés como frecuencia, sobrevoltaje, bajo voltaje, potencia inversa, secuencia, sobrecorriente, pérdida de fase, pérdida de aislamiento, entre muchas otras. Para esto último, se hace que dichas variables o condiciones eléctricas especiales se hagan relacionar con una señal de tensión o corriente, que son en última instancia aquellas a las cuales responde el elemento 125 sensible de un relé. Aplicando este principio, se construyen los relés conocidos como relés de protección o multifuncionales. Para los relés electromagnéticos, de acuerdo a la variable a la cual responde el elemento sensible (el electroimán) del relé, estos se clasifican como relés de tensión o voltaje y relés de corriente. Dichos relés tienen el mismo principio de funcionamiento y características similares. Sin embargo, presentan aspectos constructivos diferentes, particularmente en el electroimán. Los núcleos de los relés electromagnéticos se construyen en dos formas típicas: De núcleo en “U” o de herradura y de núcleo en “E” o acorazado. Este último se utiliza generalmente en la fabricación de los contactores auxiliares (relés de potencia) de corriente alterna. En los relés que emplean electroimán con núcleo en U, la parte móvil del mismo, conocida como la armadura, presenta desplazamiento angular. En los de tipo acorazado, la armadura tiene desplazamiento vertical u horizontal. Entre los relés electromagnéticos de corriente alterna y directa, existen también dos diferencias constructivas asociadas al electroimán. 2.3.1.1 Relés electromagnéticos de tensión Estos relés se caracterizan por tener un electroimán con una bobina de alta impedancia, la cual se construye con muchas espiras de alambre delgado, implicando que por dicha bobina circula una corriente del orden de mA. 126 El paso de la corriente por la bobina genera un flujo magnético por el núcleo fijo, haciendo que la parte móvil del mismo sea atraída, con la consecuente actuación de los contactos. El accionamiento del relé se manifiesta cuando la tensión aplicada a la bobina sobrepasa un valor de referencia (tensión de enganche), la cual garantiza que la fuerza que se ejerce sobre el resorte acoplado a la parte móvil del núcleo es mayor que la de oposición que ejerce dicho resorte. Se conectan en derivación o paralelo con la línea de alimentación a voltaje constante. Son los más utilizados. 2.3.1.2 Relés electromagnéticos de corriente Estos se caracterizan por tener una bobina de baja impedancia, en general, con pocas espiras de alambre grueso. Su funcionamiento es similar al del relé de tensión, pero a diferencia del anterior, estos responden a cambios de corriente por encima de un valor de referencia y se conectan en serie con la línea o la carga. Los de corriente alterna para intensidades muy elevadas, se conectan a través de transformadores de corriente; los de corriente directa se conectan en paralelo con elementos denominados shunt. 2.3.1.3 Relés electromagnéticos de corriente alterna En los relés de corriente alterna se utiliza núcleo de hierro laminado para reducir el efecto de calentamiento, originado por las corrientes inducidas en él, debido a que el flujo que lo atraviesa es variable. Así mismo, en la cara polar del 127 electroimán, donde el núcleo móvil y fijo se unen al ser atraídos, se instala un anillo de cobre cerrado (en corto circuito) conocido con el nombre de bobina de sombra. Con ello se consigue eliminar el efecto de vibración mecánica del núcleo (120 Hz o 100 Hz), originado por la variación del flujo magnético que induce la corriente alterna al circular por la bonina del electroimán; particularmente en los cruces por cero, cuando el flujo se debilita y la fuerza de atracción se hace mínima, provocando que la armadura trate de soltarse. 2.3.1.4 Relés electromagnéticos de corriente directa En los relés de corriente directa se emplean tanto núcleos laminados como macizos, ya que no se presentan problemas de calentamiento sobre los mismos. Además, no llevan bobinas de sombra, pues no hay problemas de vibración, ya que el flujo que induce la corriente por la bobina del electroimán es constante y mucho mayor que cero. 2.3.1.5 Especificaciones técnicas de los relés electromagnéticos Para la especificación de un relé electromagnético se requiere determinar: - Número de contactos y su disposición eléctrica. - Corriente nominal de los contactos, tensión nominal y su categoría de empleo. - Tipo de relé (estándar o con retención). - Tensión de alimentación y tipo de corriente para la bobina del electroimán. - Tipo de encapsulado, forma física y dimensiones. - Grado de protección para condiciones ambientales. 128 2.3.2 Relés térmicos El funcionamiento de los relés térmicos (ver Figura 57), se basa en el principio físico del bimetálico, es decir; el efecto de dilatación que experimenta una cinta bimetálica cuando ésta se somete a un cambio de temperatura. El elemento sensible (bimetálico) puede ser actuado por efecto del calentamiento directo o indirecto al paso de la corriente. Los bimetálicos se construyen a partir de aleaciones de hierro-níquel en forma de cinta; laminando en frio o en caliente dos cintas metálicas que tienen un coeficiente de dilación térmica diferente. En los de calentamiento directo, la corriente circula por el elemento sensible, y al paso de esta se produce una elevación de temperatura que produce una deformación del elemento haciendo que se active un sistema de palanca que arma o acciona los contactos del relé. En los de calentamiento indirecto, la corriente circula por un filamento enrollado en el bimetálico y el calor producido se transmite al elemento sensible por conducción y radiación, ejerciendo la misma acción sobre los contactos. Figura 57. Tipos de relés térmicos y representación simbólica. Fuente: http://www.directindustry.es/prod/ghisalba/reles-termicos-14477-30423.html 129 Su aplicación típica es la protección de sobrecorriente en motores eléctricos, denominándose como relés térmicos de sobrecorriente o de sobrecarga (overload relay). El elemento sensible de un relé térmico responde a una elevación de la corriente, con respecto a un valor de referencia ajustable, que circula por el bimetálico. Con base en lo anterior, cualquier condición de sobrecarga que origine una elevación de la corriente por los devanados de una máquina eléctrica, puede ser detectada por un relé térmico, permitiendo por medio de este su desconexión, antes de que se presente una avería o daño en la máquina. Ciertos elementos o dispositivos eléctricos son susceptibles de admitir sobrecargas térmicas durante cortos periodos de tiempo (segundos o minutos) en su funcionamiento, sin que ello genere una avería o destrucción del componente. En principio, pueden ser sobrecargados aquellos elementos que tienen capacidad térmica (gran tamaño/gran masa), como por ejemplo: máquinas eléctricas (motores, generadores y transformadores), baterías de ácido-plomo de tipo automotriz o estacionarias, conductores de alimentación en acometidas eléctricas y tanques de proceso electrolítico, entre otros. Para el caso de las máquinas eléctricas, particularmente con motores, estos se pueden ver sometidos a diferentes tipos de sobrecargas, como son: Mecánicas, eléctricas y ambientales - Las sobrecargas mecánicas: están relacionadas con un exceso de carga física que sobrepasa los valores nominales de la máquina, como por ejemplo un bloqueo de rotor o un ciclo de trabajo pesado con muchas maniobras de conexión-desconexión en tiempos muy reducidos. 130 - La sobrecarga eléctrica: está asociada a condiciones de sobre o baja tensión, pérdida de fase, cambio de frecuencia y mal conexionado de los devanados del motor, entre otras. - La sobrecarga ambiental: se manifiesta cuando se hace la instalación de un motor en un sitio donde es pobre la ventilación y la temperatura ambiente es muy elevada, o cuando se presenta una falla en los rodamientos de la máquina o un daño en el ventilador del motor. Es causa también de sobrecarga ambiental en los motores, la instalación del motor en sitios donde se tienen polvo y pelusas en suspensión que se adhieren a los bobinados y superficies internas y externas del mismo. Esta situación genera un aislamiento térmico en la máquina, impidiendo que el calor generado internamente pueda salir al exterior, elevando su temperatura y finalmente destruyendo el aislamiento de sus devanados. Los relés térmicos presentan una curva característica de tiempo inverso, a diferencia de los relés electromagnéticos que son de tiempo independiente. Por esta razón, la actuación de los contactos no es inmediata sino retardada, resultando de gran interés para ciertas aplicaciones. La curva característica de tiempo inverso de los relés bimetálicos establece que el tiempo de actuación de sus contactos es inversamente proporcional a la corriente que circula por el elemento sensible (bimetálico). Por consiguiente, si la corriente que circula por el elemento sensible es muy elevada, el tiempo de actuación es muy corto; y por el contrario, si la corriente es pequeña, pero superior a un nivel crítico, el tiempo de actuación es largo. El tiempo de actuación del relé se establece a partir de la curva característica del relé: tiempo = f (corriente), suministrada por el fabricante como se indica la Figura 58. La curva de respuesta está enmarcada dentro de dos asíntotas: la de corriente térmica (Ir) y la de tiempo muerto (tm). 131 Figura 58. Curva característica de un relé térmico. Por debajo del valor ajustado para la corriente térmica (Ir) del relé, sus contactos no se actúan; por encima de dicha corriente, los contactos se actúan siguiendo el comportamiento de tiempo inverso asociado al elemento sensible del relé: a mayor corriente menor tiempo de actuación. Si la corriente que circula por el elemento sensible sobrepasa cierto umbral de referencia, a partir del cual se considera que se entra en un nivel de corto circuito, el tiempo de actuación en los contactos siempre va a ser el mismo y es igual al tiempo muerto (tm), cuyo valor típico es del orden de 4 a 8 s. Una corriente de carga entre tres y doce veces la corriente nominal (In) de la misma, establece el limite a partir del cual se considera una condición de sobrecarga severa que origina generalmente graves daños o la destrucción definitiva del dispositivo o elemento de carga. Se ha estandarizado como nivel práctico de referencia para establecer como rango de sobrecarga para un motor eléctrico el comprendido entre Ir y 6 Ir. Por 132 encima de este último valor se considera que la carga está operando bajo nivel de cortocircuito. Si se analiza la curva del relé puede observarse que el tiempo de respuesta para la actuación de los contactos es demasiado grande, lo que implica que el relé es “lento” para actuar y no garantiza protección para la condición de cortocircuito. Esta condición se puede solucionar empleando un fusible o breaker, elementos que son más rápidos para actuar. Estrictamente, se considera que un motor eléctrico está bajo condición de sobre carga si su corriente se encuentra se encuentra por encima de la nominal (In) y por debajo de la de arranque (Ia). Por encima de , se considera que se encuentra en condición de cortocircuito. La NEMA define varias clases de relés de sobrecarga según el tiempo de actuación para un valor de referencia correspondiente a seis veces la corriente de ajuste del relé (Ir) como se muestra en la Figura 59. En la práctica los relés térmicos se construyen de manera que se pueda ajustar el valor de la Ir, entre un rango amplio de valores, desde un mínimo hasta un máximo ( ) que representa el valor nominal para la corriente del relé. Figura 59. Clasificación NEMA según tiempo de actuación. 133 Un relé clase 30 NEMA indica que el tiempo de actuación de sus contactos se hace en menos de 30 segundos , cuando por el elemento sensible circula una corriente igual a seis veces el valor de Ir ajustado. Este se conoce con el nombre de relé lento (slow trip). Para un relé NEMA clase 20, el disparo se hace en menos de veinte segundos a seis veces la corriente a la cual se ajusta el relé. Finalmente el relé clase 10 es de disparo rápido (quick trip) para el cual la actuación se hace en menos de diez segundos para seis veces la corriente (Ir) a la cual se ajuste el relé. Los relés de uso corriente para protección de motores eléctricos son los de acción lenta (clase 30 o 40). Los aplicación típica de los relés térmicos es la de ofrecer protección de sobrecarga por elevación de corriente en motores eléctricos. Vienen acondicionados con un tornillo de ajuste con graduaciones que permite calibrar la corriente de actuación del relé dentro de un amplio margen; entre 1:3 o 1:4. El punto de ajuste se establece normalmente a la corriente nominal o asignada de la carga (In); siendo este un valor de referencia para la selección apropiada del relé y su ajuste final ( de la carga). Los relés térmicos van equipados con elementos compensadores de temperatura, y por ello, son prácticamente insensibles a las influencias de la temperatura ambiente en un amplio margen (-20ºC a +50ºC). Así mismo, se construyen para que actúen no solo ante sobrecarga simétrica sino por fallas asimétricas generadas por desbalance o perdida de fase. En la Figura 60, se ilustra la estructura básica y la presentación frontal típica de un relé térmico de sobrecorriente. En este dispositivo, la corriente de servicio (Ir) circula por el elemento sensible (cinta bimetálica) sin ocasionar la desconexión de la carga. Cuando se presenta una sobrecorriente (I> Ir) se origina la deformación 134 del bimetálico estableciéndose la apertura de un contacto que en forma indirecta interrumpe la corriente por la carga actuando sobre al bobina del contactor de línea. Figura 60. Estructura básica y presentación frontal de un relé térmico. Para corrientes superiores a 100 A, el elemento sensible del relé térmico se acopla a la línea por medio de transformadores de corriente (TC), según se ilustra en la Figura 61. Esta configuración se ha establecido por razones de índole práctico debido al incremento en el tamaño físico del relé. Los transformadores se seleccionan para una relación de transformación normalizada con salida de 1 o 5 A, así el relé térmico queda definido para una baja corriente y su costo es relativamente bajo. 135 Figura 61. Empleo de transformadores de corriente (TC) para conexión del relé térmico. A modo de ejemplo; si el motor a proteger tiene una corriente nominal de 180A, se pueden escoger transformaciones de 200:5 tipo ventana, ya que esta es la relación de transformación comercial que por encima se encuentra más próxima al valor de corriente que maneja el motor. En consecuencia, el relé térmico debe ajustarse para una corriente de: Este valor entra a definir el criterio para seleccionar convenientemente el rango de ajuste del relé térmico a usar. Es también de gran importancia establecer la diferencia que se presenta entre los relés térmicos y los fusibles. En primer lugar, los fusibles tienen como función la de proteger ante condiciones de cortocircuito toda la instalación eléctrica, en especial a los conductores, y evitar un daño mayor o la destrucción definitiva de los dispositivos de carga. Por el contrario, los relés térmicos tienen como función la de 136 proteger el dispositivo de carga ante una sobrecarga mecánica o eléctrica como el funcionamiento en dos fases por apertura de una de las líneas de alimentación, un sobre o bajo voltaje sostenido; y en general, ante cualquier anomalía que se traduzca en una sobre corriente por la carga. 2.3.3 Relés electrónicos Conocidos también como relés de estado sólido (SSR, Solid State Relays), son ampliamente utilizados como sustitutos directos de relés electromagnéticos. Para la construcción de los SSR se utilizan dispositivos electrónicos de estado sólido como transistores de potencia y tiristores. Los tiristores de uso corriente son los Rectificadores Controlados de Silicio (SCR) y los TRIAC. Estos dispositivos se ponen a trabajar como interruptores estáticos en CD o en CA El tipo de corriente que impone la carga define también el tipo de relé a usar. En general, los SSR construidos con tiristores son diseñados para manejar cargas de CA y los construidos con transistores (bipolares o de tecnología MOS) se diseñan para el manejo de cargas de CD Los SSR funcionan muy bien manejando pequeñas y moderadas cargas tales como: motores de sopladores y ventiladores, lámparas, hornos y calentadores, electroimanes y válvulas solenoide, taladros, máquinas fotocopiadoras e impresoras, sistemas de señalización y alarma, pequeñas máquinas– herramienta, equipos de extrusión y moldeo para plásticos, máquinas lavadoras, etc. 137 Figura 62. Relés electrónicos de estado sólido (SSR). Fuente: http://www.electrical-relay.es/4-solid-state-relay-13.html En la Figura 62 se ilustran formas típicas y aspectos constructivos asociados a los SSR. Sus características especiales se indican a continuación: - Sus contactos no tienen partes móviles, lo cual significa que no están sometidos a la acción del arco ni al desgaste. - Presentan tiempos de conmutación muy cortos (20 a 80 µs), lo cual permite su utilización en circuitos donde el número de maniobras por unidad de tiempo es elevado. - Demanda muy poca energía para la actuación (aún para manejar cargas de elevado consumo). - Se activan con tensiones de entrada que pueden oscilar entre rangos muy amplios tanto en corriente directa como en alterna. - Son resistentes al impacto, la vibración y la acción del medio ambiente. - Son silenciosos durante su operación. - Tiene una vida media muy elevada que puede alcanzar normalmente hasta 10 9 operaciones. 138 - Proporcionan un excelente aislamiento (de 2 y 4 KV) entre los terminales de entrada y salida; un alto voltaje de bloqueo directo (del orden de 600V o mayor); una alta capacidad para el manejo de corrientes máximas no repetitivas; una señalización de estado ON con LED y en algunos modelos, desconexión automática por sobretemperatura. - Finalmente, son de bajo costo y de fácil intercambiabilidad. En la Figura 63 se ilustra un circuito básico de relé de estado sólido de un contacto y su estructura típica. A pesar de todas las ventajas comparativas que ofrecen los SSR, estos tienen algunas limitaciones inherentes que deben considerase antes de realizar su escogencia para una aplicación particular. Entre dichas limitaciones se cuentan: - No son reparables (son unidades cerradas). - Solo aportan un número reducido de contactos (no mayor de tres) y no se ofrecen unidades con contactos normalmente cerrados. De hecho, no es posible configurar un SSR con contactos normalmente cerrados, solo los abiertos están disponibles. Esto es una limitación para configurar la tarea de control que debe realizar una máquina o equipo. - Sobre los contactos se manifiestan mayores caídas de tensión (aprox. 1V), pérdidas de calor y fugas de corriente cuando estos se encuentran cerrados o abiertos. La elevación de temperatura por pérdidas de calor puede llegar a ser una limitante cuando se han de manejar corrientes moderadamente elevadas. Algunas unidades se construyen de fábrica con un disipador de calor incorporado a la estructura del relé, lo cual mejora su comportamiento térmico. 139 Figura 63. Circuito básico y estructura típica de un SSR. 2.3.3.1 Especificaciones técnicas de los relés electrónicos Para la especificación de un relé electrónico se requiere conocer el voltaje de alimentación de la carga, el tipo de corriente y la corriente nominal de la carga. Valores máximos (10 a 75 A) y mínimos (50 a 100 mA) en estado permanente. A partir de esta información se determina: - El , medido en Amp 2 seg, es un parámetro indicativo de la capacidad que tiene el dispositivo para absorber calor sin destruirse al paso de una corriente eficaz. Se usa para definir el fusible de protección para el relé. 140 - El voltaje de control y el tipo de corriente. Esto define el valor máximo y mínimo de voltaje que puede aplicarse a los terminales de entrada (A1, A2) del dispositivo para lograr la conmutación de los contactos del SSR. - Numero de contactos y su valor de corriente y tensión nominal. 2.3.3.2 Relés electrónicos de sobrecarga (Solid State Overload Relays: SSOR) Este tipo de relés se están construyendo con miras a ir sustituyendo gradualmente los relés térmicos tradicionales de tipo bimetálico. En la Figura 64 se ilustra un relé electrónico de sobrecarga de tipo industrial, muy similar en su presentación al relé térmico de bimetálico. Figura 64. Relé electrónico de sobrecarga (SSOR): Fuente: http://www.editores-srl.com.ar/anuario/distribucion/abb_reles_de_sobrecarga Se ha buscado que el diseño de los relés electrónicos sea compatible en un ciento por ciento y pueda ser sustituido e instalado sin ningún problema en remplazo del relé térmico. Esto indica que el dispositivo tiene una presentación y curvas de t vs i similares, además de un comportamiento idéntico. 141 De igual forma como se presenta en los relés bimetálicos, en los relés electrónicos se dispone de: - Selector de modo manual – automático con botón de reposición (reset). - Contactos auxiliares para desconexión y alarma. En otras más avanzadas hay dos contactos extras, que se actúan por falla a tierra u operación próxima a sobrecarga. - Amplio ajuste de corriente de disparo. - Protección intrínseca contra pérdida de fase, falla a tierra y desbalance de fase. - Botón de disparo (trip button o test button) para simular la actuación de relé ante una sobrecarga y botón pulsador de paro o desconexión. - Terminales de conexión rápida para montaje separado o directo sobre contactor. - Protección contra choque eléctrico por contactos con partes del cuerpo. - Diseño para diferentes clases de disparo (trip class) según NEMA. - Señalización con LED cuando hay disparo por sobrecarga o falla a tierra, o para indicar que el relé está en servicio normal sin disparo. - Sistema de monitoreo interno que origina el disparo (trip) del dispositivo en la eventualidad de una falla interna. - Algunos tienen puerto de comunicación para monitoreo a distancia. Los relés electrónicos de sobrecarga (Solid State Overload Relay – SSOR), en principio, son dispositivos de muy bajo consumo de energía y ésta se toma directamente de la red o en algunos casos debe ser suministrada separadamente, según lo indique el fabricante. Normalmente se diseñan como dispositivos tripolares para protección de motores trifásicos que manejan corriente hasta 100 A. Para corrientes mayores se hace 142 necesario el empleo de transformadores de corriente adicionales (usualmente tipo ventana). La medición de la corriente del motor o la carga se hace por medio de transformadores de corriente internos. Un microprocesador verifica los valores de la corriente de cada fase e inicia la acción de disparo (trip) en la eventualidad de una falla por sobrecarga. La corriente de ajuste del relé debe ser igual a la corriente nominal del motor o la carga. Para su utilización se requiere que el circuito principal incorpore dispositivos de protección contra cortocircuitos ya sea por medio de fusibles o de interruptores automáticos. Solo funcionan con corriente alterna senoidal en redes de 50/60 Hz; lo cual representa una limitación para ser usado en la protección de motores de corriente directa. El símbolo utilizado para la representación del relé de sobrecarga de estado sólido se muestra en la Figura 65. Figura 65. Símbolo del relé de sobrecarga de estado sólido. Para utilizar un SSOR tripolar con un motor monofásico, las vías de corriente principal del dispositivo pueden y deben conectarse en serie, según muestra la 143 Figura 66. Esta disposición es también una exigencia para el uso con los relés térmicos de sobrecarga. Figura 66. Circuito básico de conexión del relé para aplicación con motores monofásicos. 2.3.4 Relés temporizados La temporización es un retardo (delay) provocado en la actuación de los contactos de un relé. Esta puede ser de tres tipos: - Al trabajo (on – delay, a la excitación). - Al reposo (off – delay, a la desexcitación). - Al trabajo – Al reposo (on – off delay), la cual es una combinación de las dos anteriores (de poco uso). Se denomina temporización al trabajo aquella que empieza para los contactos al momento de energizarse el elemento sensible o la bobina del relé, y al reposo la que empieza al desenergizarse la bobina del relé. La temporización de ambos tipos pueden ocurrir en un contacto normalmente abierto (NO) o en uno normalmente cerrado (NC). 144 Es deseable que la temporización asociada a los contactos de un relé presente excelentes características de precisión, repetitividad y ajuste de tiempo dentro de rangos amplios. En la práctica, la temporización de los relés industriales se obtiene por los siguientes métodos: - Inductivos (con resistencia, por “camisa de cobre”, con diodo rectificador). - Capacitivos (RC o con dispositivos electrónicos). - Neumáticos (de fuelle). - Térmicos (de bimetálico, de hilo caliente (hot wire relay)). - Mecánicos (con mecanismo de cuerda, por motor). Además, para ciertas aplicaciones puede ser necesario que el relé ofrezca no solo la alternativa de contactos retardados de actuación simultanea sino también de contactos con retardo secuencial. Esto sin embargo, solo en los relés de tipo electrónico o en los de retardo electromecánico de accionamiento por motor, es posible lograrlo fácilmente. En general, en los relés temporizados de tipo electrónico y en los neumáticos se reúnen las mejores características, entre ellas: rangos amplios para el ajuste del tiempo de retardo, buena precisión y repetitividad, disponibilidad para conseguir los dos tipos de retardo que pueden ofrecer los relés temporizados, y relativo bajo costo. Por medio de relés temporizados es posible adelantar o retrasar “con respecto a una señal de mando” una salida para generar una acción de control establecida por una lógica previamente definida en un circuito eléctrico. Un relé temporizado se identifica (según NEMA) por las letras TR (time relay) y los contactos del mismo (sean abiertos o cerrados) por las letras TR–TC o TR–TO. 145 El primer par de letras establecen que son contactos del relé temporizado TR y el segundo par de letras para indicar que el contacto es temporizado para cerrar (TC) o temporizado para abrir (TO) como se muestra en la Figura 67. Figura 67. Simbología y designación normalizada de relés y contactos temporizados. 2.3.4.1 Método de temporización inductivo con diodo rectificador El método inductivo con resistencia o por “camisa de cobre” es actualmente poco utilizado a nivel industrial. Se aplica solo en relés de CD. El retardo por resistencia (conectada ésta en paralelo con la bobina del relé), se inicia al abrir de nuevo el interruptor, cuando la energía almacenada en la bobina se libera gradualmente a través del mismo elemento, puesto que el interruptor abierto permite la circulación de la corriente de descarga originada por la tensión inducida en la bobina del relé, cerrando la corriente está variando por efecto de la 146 desconexión. El sistema presenta la desventaja del consumo permanente en la resistencia, lo cual no es deseable. En el método inductivo por camisa de cobre; la camisa de cobre es una espira en corto formada por una lámina de cobre que rodea el núcleo del electroimán y sobre el cual va devanada la bobina principal. Dicha bobina actúa como el secundario de un transformador de corriente. La magnitud del retardo logrado por efecto de la corriente inducida en la camisa al momento de desenergizar el relé se puede variar ajustando la presión del resorte de armadura o modificando el tamaño de la camisa de cobre. El método inductivo con diodo rectificador se ilustra en la Figura 68. El diodo D permanece polarizado inversamente hasta el momento en que se abre nuevamente el interruptor S y se establece una tensión en la bobina que hace circular la corriente de descarga Ir por el diodo, impidiendo que el flujo decaiga rápidamente. La temporización con diodo rectificador es ampliamente utilizada y como ventaja puede señalarse que protege al interruptor S contra la sobretensión originada en la bobina. 147 Figura 68. Método de temporización inductivo con diodo rectificador. En los relés temporizados inductivamente solo se logra temporización al reposo, y su operación es únicamente para CD. Debe observarse la polaridad correcta de la fuente para no generar un cortocircuito a través del diodo. El tiempo de retardo varía desde unos pocos milisegundos hasta varios segundos y generalmente no es ajustable. 2.3.4.2 Método de temporización capacitivo tipo RC El método de temporización capacitiva es uno de los más empleados puesto que se logran mayores tiempos de retardo. El empleo de condensadores electrolíticos de gran capacidad permite temporización por varios segundos. Sin embargo, cuando se utilizan dispositivos electrónicos como elementos de interface entre el condensador y la bobina del relé, se pueden obtener retardos del orden de minutos, e incluso de horas. El circuito de la Figura 69 ilustra la conexión requerida para lograr temporización al reposo. En éste, al cerrar el interruptor S, el condensador C se carga instantáneamente a la tensión de alimentación V y al mismo tiempo se energiza el relé. Cuando se abre el interruptor, el condensador se descarga lentamente a través de la bobina del relé y en consecuencia la armadura se retarda para caer, 148 lográndose de esta manera que los contactos del relé sigan operados a pesar de que el interruptor se encuentre abierto desde mucho antes. Figura 69. Método de temporización capacitivo. En el diseño del temporizador capacitivo debe evitarse que la corriente de descarga I d sea oscilante, ya que de serlo origina la vibración de la armadura, lo cual no es deseable. Este problema se soluciona montando una resistencia R1 en serie con el condensador, si la resistencia interna del relé (R) no es suficiente. Como se sabe, para funcionamiento sobreamortiguado, debe cumplirse que: Siendo R la resistencia del relé (o cualquier otra incluida en serie con el condensador), L la inductancia asociada a la bobina del relé y C la capacidad del condensador empleado. Conociendo la corriente a la cual se suelta la armadura, puede determinarse la combinación RC requerida para un tiempo dado. El tiempo de caída puede variarse ajustando R. Por lo demás, el método de temporización capacitiva solo es aplicable a circuitos de CD. 2.3.4.3 Método de temporización capacitivo electrónico El empleo de dispositivos electrónicos para lograr grandes retardos se ilustra en la 149 Figura 70. Para el circuito de la Figura 70 a, se emplea un transistor, por ejemplo; al cerrar el interruptor S, el condensador C se carga inmediatamente al voltaje V y circula una corriente de base que lleva al transistor a saturación, haciendo que el relé opere inmediatamente. El valor de la resistencia R que asegura esa condición está dado por la expresión: Siendo β la ganancia del transistor y Rr la resistencia interna del relé. La resistencia variable Rv permite el ajuste del tiempo de temporización. Figura 70. Métodos de temporización empleando dispositivos electrónicos. Cuando se abre el interruptor, el condensador C entra a descargarse lentamente a través de R manteniendo en circulación la corriente de base, impidiendo que el relé se desactive. 150 La descarga de C está representada por la ecuación: donde, Para determinar el tiempo de temporización T (retardo al reposo) suponemos que el relé se desenergiza cuando la corriente por el mismo se reduce a su valor de desconexión (Holding) I H . Bajo esta condición tendremos entones que: Para t = T se cumple que Reemplazando el valor de i B en la ecuación para la descarga de C: De donde: ( ) Para el circuito de la Figura 70 b, que emplea Rectificador Controlado de Silicio (SCR); cuando se cierra el contacto de iniciación S, el condensador C empieza a cargarse a través de R con una constante de tiempo . Después de cierto tiempo T, la tensión en el condensador (Vc) alcanza el valor (Vs) para el cual se presenta la conmutación del diodo de cuatro capas (D4), iniciándose una descarga súbita de C a través de la compuerta del SCR, el cual se conmuta y pone en funcionamiento el relé. El contacto cerrado del relé, en serie con R, inhibe la operación de éste y, lo que es más importante, la resistencia R4 permite la descarga total del 151 condensador para lograr una repetición correcta del tiempo de retardo ajustado con el cursor de la resistencia variable Rv. Como se podrá deducir del análisis anterior, la temporización lograda con este circuito es del tipo on delay o de retardo al trabajo. Para el cálculo del tiempo de retardo T en función de los parámetros del circuito, partimos de la expresión para el voltaje en el condensador: ( ) Para , , donde Vs es el voltaje de conmutación del diodo de cuatro capas. En consecuencia: ( ) De donde: ( ) Muchos otros son los circuitos electrónicos utilizados en la práctica. El análisis del circuito de retardo con el integrado 555 (ver Figura 70.c) se deja como ejercicio al lector. Podrá comprobarse finalmente que el tiempo de retardo es: 2.3.4.4 Método de temporización neumática En el método de temporización neumática, la armadura del relé va acoplada al eje de accionamiento de un fuelle; el cual se moverá lentamente una vez se energice 152 el relé, debido al aumento de la fuerza de reacción originada por la presión del aire al interior del fuelle (ver Figura 71). Figura 71. Método de temporización neumática. El ajuste del tiempo de retardo puede lograrse disponiendo de una pequeña válvula de aguja, con la cual se permite la salida de aire hacia el exterior desde la cámara donde está siendo comprimido el aire por efecto del desplazamiento del eje que cierra el fuelle y que simultáneamente actúa sobre los contactos a retardar. La válvula se acciona manualmente por medio de una perilla de calibración accesible al usuario. Con el método de temporización neumática se logran tiempos de retardo considerables: desde 0,2 hasta 180 segundos (valores típicos) con muy buena precisión de repetición. Se dispone también de relés y contactores a los cuales se les puede adaptar un bloque de contactos auxiliares temporizados neumáticamente. Estos los producen algunos fabricantes para sus propios relés y contactores. Por lo demás, debe tenerse presente que el sistema de fuelle neumático descrito anteriormente no se utiliza en todos los casos. Se han desarrollado también mecanismos con base en cámaras y diafragmas con acción de resorte que cumplen idéntica función. 153 Por el método neumático, es también posible conseguir retardos al reposo, haciendo cambios en la actuación del fuelle para que este reaccione cuando la armadura se suelte y no cuando se atraiga. 2.3.4.5 Método de temporización de tipo térmico La temporización de tipo térmico se fundamenta en el principio del bimetálico, de acuerdo con el dispositivo mostrado en la Figura 72. Al calentar el filamento bobinado sobre el bimetálico, éste inicia una deformación en el sentido de la flecha hasta que finalmente se operan los contactos del relé; consiguiéndose de esta manera un retardo al trabajo. Figura 72. Temporización de tipo térmico. Con los relés térmicos descritos anteriormente se logran retardos hasta de cinco minutos, con la característica que el filamento puede alimentarse tanto con CA como con CD. Sin embargo, no son muy utilizados en cuanto que su tiempo de operación es fijo y no se asegura precisión en la repetición. 154 Para este dispositivo, el fabricante especifica el número de contactos, su disposición eléctrica y los valores de corriente y tensión nominal, así como el valor de la tensión de alimentación del filamento que permite el correcto funcionamiento. 2.3.4.6 Método de temporización electromecánico Este método proporciona retardos considerables y de gran precisión de repetición. Se emplean principalmente en sistemas secuenciales donde la actuación de los contactos debe presentar retardos diferentes, particularmente, en circuitos de semaforización y en general en circuitos asociados a sistemas de procesos continuos que se ejecutan por etapas. Se construyen en variedad de formas y rangos amplios de temporización, como por ejemplo: - De 3 s hasta 100 s. - De 3 min. Hasta 100 min. - De 12 min. Hasta 6 horas. Los relés temporizados mecánicamente se encuentran en dos versiones diferentes: - De accionamiento por mecanismo de cuerda - De accionamiento por motor 2.3.4.6.1 Método de temporización electromecánico de accionamiento por mecanismo de cuerda En este mecanismo, al energizarse la bobina del electroimán se atrae inmediatamente la armadura dando cuerda a un mecanismo de piñones y 155 engranajes que empiezan a operar sobre los contactos, haciendo que estos operen en consecuencia. Al final se agota la energía asociada al mecanismo de cuerda y el actuador del relé se detiene. Al desenergizarse la bobina, los contactos se sueltan inmediatamente y se regresa a la condición inicial. Se obtiene de esta manera temporización al trabajo, aunque en la práctica también es posible por mecanismos similares la temporización al reposo. 2.3.4.6.2 Método de temporización electromecánico de accionamiento por motor En los relés temporizados de accionamiento por motor se emplea generalmente un pequeño motor de velocidad constante que garantiza, con independencia de las fluctuaciones de tensión y temperatura, una buena respuesta en exactitud y repetitividad para los tiempos ajustados. El mecanismo básico de este relé es el mismo que ya se describió para los combinadores de mando de levas, puesto que en última estancia estos dispositivos son interruptores con contactos retardados. 2.3.4.7 Especificaciones técnicas de los relés temporizados Para la especificación de un relé temporizado debe indicarse (como mínimo) lo siguiente: - Naturaleza del retardo (electrónico, neumático, etc.). - El tipo de retardo (al trabajo, al reposo, etc.). - El tiempo de retardo o rango de ajuste de tiempo; así como la posibilidad de escalamiento del tiempo (x1, x10, etc.). 156 - Número de contactos retardados y su disposición eléctrica. - Requerimientos de energía para el funcionamiento del elemento sensible: voltaje nominal y tipo de corriente. - Corriente y voltaje nominal asignado a los contactos y la categoría de empleo. - Grado de protección, tipo de encapsulado y dimensiones físicas. - Precisión del retardo (especificación complementaria). - Repetitividad (especificación complementaria). 2.3.5 Relés de protección Se conocen con este nombre a cierto tipo de relés cuyo elemento sensible se hace responder al cambio que experimenta una variable eléctrica o no eléctrica de interés que pueda afectar el comportamiento de ciertos dispositivos o equipos eléctricos. En principio, la variable considerada debe estar relacionada con una señal de tensión y/o corriente, puesto que ese concepto es el que define su designación como relé. Estos dispositivos son ampliamente utilizados para la protección de máquinas eléctricas principalmente motores, generadores y transformadores, y en general, equipo eléctrico alojado en recintos o tableros asociados a centros de control, tableros de distribución y de fuerza motriz, entre otros. Los relés de protección tienen aplicaciones particulares y específicas. En principio disponen de dispositivos de señalización para indicar condiciones de normalidad, pre-alarma y alarma. Generalmente vienen acondicionados con dispositivos de 157 ajuste para calibrar los valores de referencia según la variable considerada y el tiempo de retardo para el accionamiento de los contactos del relé. Para protección de motores se usan los siguientes relés: de sobrecorriente, de sobre y bajo voltaje, de sobretemperatura, de inversión de secuencia y de pérdida de excitación, entre otros. Para protección de generadores se usan: de sobre y bajo voltaje, de sobre y baja frecuencia, de sobrecorriente, de sobretemperatura, de verificación de sincronismo y de pérdida de excitación, entre otros. Se usan también relés de protección para ser instalados en líneas de transmisión, subestaciones y, en general, en ciertas máquinas de proceso industrial. Algunos de ellos se ilustran en la Figura 73. Figura 73. Relés de protección de uso corriente. Fuente: http://www.directindustry.es/prod/emas/reles.html La Asociación de Manufactureros de Equipo Eléctrico de Los Estados Unidos (NEMA) ha clasificado y codificado los relés de protección con una nomenclatura 158 simple de números y letras que hoy se utiliza ampliamente a nivel internacional, como por ejemplo: - Bajo y sobre voltaje ( código NEMA 27/59) - Sobrecorriente (código NEMA 51) - Sobretemperatura (código NEMA 49) - Sobre frecuencia (código NEMA 81-O) - Bajo frecuencia (código NEMA 81-U) - Inversión de secuencia (código NEMA 47N) - Perdida de excitación (código NEMA 42) - Potencia inversa (código NEMA 32) - Otros Más códigos de identificación para relés de protección pueden consultarse en la tabla 11 del ANEXO A de este libro. Aunque los primeros relés de este tipo se construyeron de naturaleza electromecánica o electromagnética; hoy en día estos son electrónicos y en casi todos se aplican los microcontroladores para conseguir una excelente ajustabilidad y las mejores características de respuesta en estado estacionario y transitorio. En casi todos los relés electrónicos se incorpora: - Señalización de estado para indicar cuando el dispositivo está activado. - Salida digital normalizada por contacto de estado sólido o por contacto de relé. - Tiempos de retardo ajustables en la actuación de los contactos. - Display para visualización de la magnitud de la variable de interés. 159 La estructura básica de un relé de protección es simple. En primer lugar se requiere de un detector (circuito de sensing) que responde a los cambios de la variable de interés. Para temperatura por ejemplo, se utilizan sondas con termistores, termorresistencias o termocuplas. Para el muestreo de una señal de potencia eléctrica se requiere sensar tanto voltaje como corriente; para ello se utilizan transformadores de corriente, y circuitos divisores de tensión resistivos o transformadores de potencial a los niveles exigidos por la electrónica interna del relé. Para los de frecuencia es común el empleo de convertidores de frecuencia a voltaje. Estos convertidores son circuitos integrados que convierten un tren de pulsos de entrada en una señal de voltaje de CD, la cual es comparada con otra de referencia. La salida del circuito de sensing es comparada con una señal de referencia asociada a la variable que se quiere controlar. La señal de salida del comparador puede ser retardada para ignorar variaciones de estado transitorio que no justifican generar una acción de control. Si la señal de salida se mantiene y sobrepasa el nivel de referencia, previamente ajustado, se genera la actuación de los contactos del relé y la señalización respectiva, indicando la presencia de la falla. En el Capítulo 4, se ampliará el empleo de algunos de estos relés en la protección de motores. En la Figura 74 se ilustra el diagrama de bloques de un relé de protección de potencia inversa (NEMA 32), conectado a la red por medio de transformadores de potencial y corriente. 160 Figura 74. Diagrama de bloques de un relé de protección de potencia inversa. 2.3.5.1 Especificaciones técnicas de los relés de protección Para la especificación de un relé de protección se requiere: - Tipo de relé, según variable a controlar. - Tensión y corriente nominal y tipo de corriente. - Rango de ajuste del tiempo de retardo para la actuación. - Rango de ajuste para la variable de referencia (en forma porcentual o en magnitud). - Número de contactos, su disposición eléctrica, valores de corriente, tensión nominal y categoría de empleo. - Grado de protección y tipo de encapsulado. - Disponibilidad de display para medida de la variable. - Disponibilidad de elementos de señalización. 161 2.4 FUSIBLES La unión franca o directa entre dos conductores sometidos a una diferencia de potencial origina la circulación de una corriente que puede alcanzar valores de gran intensidad debido a la baja impedancia del circuito. Esta situación se conoce con el nombre de condición de cortocircuito y a la corriente circulante como corriente de cortocircuito (I SC ). A nivel industrial, las corrientes de cortocircuito generalmente toman valores del orden de kiloamperios, lo que representan situaciones extremadamente peligrosas, no solo por los daños que se pueden originar en los diferentes elementos del sistema eléctrico, sino por el riesgo de que se inicie un incendio. Una condición de cortocircuito debe ser clarificada en tiempos extremadamente cortos del orden de unos pocos milisegundos, tiempo que solo ciertos dispositivos como los fusibles, los breakers u otros más de construcción especial están en capacidad de manejar. Los fusibles son dispositivos utilizados para dar protección contra cortocircuito. En principio, se caracterizan por su simplicidad, facilidad de instalación y bajo costo comparativo. Se conectan siempre en serie con la línea de alimentación o la carga. Su función principal es la de minimizar el riesgo contra incendio y garantizar la integridad física de las personas que puedan encontrarse cerca al punto donde se origina el cortocircuito. Generalmente, una condición de cortocircuito origina corrientes del orden de kiloamperios, ya que normalmente las tensiones de alimentación del circuito son elevadas y la resistencia “que ve la fuente” (asociada al cortocircuito) es prácticamente nula. Esta situación es de carácter destructivo y para evitar daños importantes en los conductores de alimentación así como en los elementos del circuito, se hace 162 necesario cortar o interrumpir muy rápidamente la corriente, en tiempo del orden de milisegundos. Se construyen empleando un hilo o laminilla de material metálico de bajo punto de fusión. En general se usa plomo, cobre, aluminio y algunas aleaciones especiales. Algunas variedades de fusibles comerciales se muestran en la Figura 75. Figura 75. Tipos de fusibles. Fuente: http://www.arqhys.com/arquitectura/fusibles-tipos.html Estos dispositivos presentan una curva característica de tiempo inverso, como la indicada en la Figura 76. 163 Figura 76. Curvas de respuesta tiempo vs corriente de fusibles industriales. La corriente Ie representa la corriente nominal o asignada de fusible, la cual es establecida por el fabricante. Puesto que el fusible se conecta en serie con la línea de alimentación que conecta la carga, la corriente del circuito se debe mantener por debajo de la corriente asignada del fusible para evitar que el elemento se pueda “quemar” y aísle el circuito. Utilizando un fusible de acción lenta, el tiempo de actuación t 1 sería mayor que el tiempo t 2 correspondiente para un fusible de acción rápida, bajo el supuesto de que ambos están sometidos a la misma corriente de cortocircuito I SC . En otras palabras, el fusible lento se demora más tiempo para quemarse que el rápido ante la misma corriente de cortocircuito. Puesto que los tiempos de reacción de los relés de sobrecarga son muy elevados (3 a 4s), ante condiciones de cortocircuito, éstos no están en capacidad de dar la protección inmediata que se requiere. Solo dispositivos que puedan reaccionar 164 abriendo el circuito en el tiempo de unos pocos milisegundos serán los indicados para garantizar el funcionamiento satisfactorio de la protección que se busca. Así pues, los tiempos t 1 y t 2 indicados en la Figura 76 son tiempos que no sobrepasan los 10 o 20 ms, reduciéndose aún más en la medida que la intensidad de la corriente de cortocircuito se hace mayor. De lo anterior nace la necesidad de implementar la protección integral que garantice la desconexión tanto por sobrecarga como por cortocircuito, combinando en serie los elementos apropiados, como por ejemplo, un fusible con un relé térmico (ver Figura 77) o un relé electromagnético de corriente con un relé térmico, o directamente con un solo dispositivos de uso generalizado conocido como cortacircuito o breaker. Figura 77. Curvas de protección integral para fusible-relé térmico. Los fusibles se instalan en bases portafusiles que pueden presentar formas diversas. Los de uso más extendido son los de tipo cápsula y tipo diazed. A nivel industrial se prefieren los fusibles de acción “lenta”, ya que los denominados de acción “rápida” se destinan a la protección de equipos y dispositivos electrónicos 165 de potencia que incorporan transistores y tiristores, los cuales son muy sensibles al efecto de los súbitos de gran corriente que se originan durante un cortocircuito, puesto que los semiconductores no presentan una gran capacidad térmica. Los fusibles se especifican normalmente para una corriente nominal asignada le, a partir de la cual se inicia el efecto de desconexión y aislamiento que proporciona el dispositivo. Por debajo de ese nivel de corriente el fusible nunca actúa. Para todo fusible debe indicarse la corriente máxima de cortocircuito que puede interrumpir con seguridad sin efectos autodestructivos sobre el portafusible y demás accesorios del montaje. Así mismo, el voltaje nominal o asignado para garantizar el aislamiento efectivo entre la red y la carga cuando el fusible se destruye. La corriente máxima de cortocircuito que puede interrumpir un fusible se conoce con el nombre de corriente disruptiva y se debe indicar a un voltaje de línea determinado. Las normas establecen que los circuitos de control o de mando deben llevar un fusible o un dispositivo equivalente por línea “viva” que se utilice; así mismo establecen que no se puede proteger el neutro o el conductor de tierra con fusibles. También se recomiendan que se incorporen protecciones integrales (sobrecarga y cortocircuito) en las líneas principales que alimentan los circuitos de potencia que contienen las cargas. La protección integral para un motor eléctrico se consigue conectando en serie un fusible y un elemento sensible del relé térmico por cada línea “viva” de la acometida usada para alimentar el motor. Para la gráfica de la Figura 77 se tiene lo siguiente: 166 Ir: corriente de ajuste del relé térmico. Debe ser igual a la corriente nominal o asignada para el motor a plena carga, considerando la clase de servicio. le: Corriente nominal o asignada para el fusible. la: Corriente de arranque del motor. El fusible de elección para usar con motores es el fusible de acción lenta, debido a que se puede seleccionar incluso para corrientes (le) menores que la de arranque del motor (la) sin que se destruya al arrancar la máquina. De esta práctica resulta un fusible de menor tamaño y por consiguiente de menor costo. Más adelante, en el capítulo cuatro se dan indicaciones precisas para calcular el tamaño de los fusibles cuando en el circuito a proteger se tiene varios motores. Debe tenerse cuidado en la selección de la clase NEMA y del ajuste de la corriente (lr) del relé de protección para asegurar que el motor pueda arrancar normalmente sin que dichas protecciones se actúen. Para ello es requisito que la curva de aceleración del motor nunca corte la curva de la protección integral y siempre este por debajo de ésta (ver Figura 77). Si se dispone de un relé térmico tripolar para operar con carga trifásica, debe tenerse presente que las curvas características del relé solo tienen validez para una corriente de carga igual en los tres elementos sensibles. Para aplicaciones monofásicas se recomienda conectar en serie dichos elementos, de lo contrario, el tiempo de disparo o actuación no será el deseado, ya que el relé detecta la ausencia de corriente por un elemento sensible como si fuera una pérdida de fase y su actuación se hace más rápida y a menor corriente, desconectando el motor antes de que se ponga en funcionamiento. Algunos diseñadores descartan el empleo de los fusibles y protegen el motor solamente con dispositivos térmicos, pero esto no es aceptado por las normas sino cuando se emplean ciertos dispositivos de protección más sofisticados como 167 los interruptores automáticos (o breakers) que están previstos para dar una protección integral. 2.4.1 Especificaciones técnicas de los fusibles Para todo fusible debe indicarse: - Corriente nominal o asignada (In o Ie): valor eficaz de corriente por encima del cual el fusible empieza su proceso de actuación para aislar el circuito. - Voltaje nominal o asignado (Vn o Ve): tensión máxima sobre la cual puede operar para garantizar el aislamiento efectivo entre la red y la carga cuando el fusible se destruye. - Corriente máxima de cortocircuito (Corriente disruptiva): que puede interrumpir con seguridad el fusible sin efectos autodestructivos sobre los portafusiles y demás accesorios de montaje. Dicha corriente viene especificada en kA, para una tensión máxima de línea sobre la cual puede operar satisfactoriamente. - Capacidad térmica: . Se mide en A 2. seg (valor rms de corriente). Esta especificación es una medida de la capacidad del fusible para actuar con mayor o menor rapidez ante la presencia de un cortocircuito. Los fusibles rápidos (fast action fuse) tienen un valor de I 2 t menor que los lentos (slow action fuses). Si se pretende que la actuación del fusible sea efectiva, el del dispositivo o elemento que se quiere proteger debe ser mayor que el del fusible. - Dimensiones físicas, tipo de encapsulado y portafusible requerido. - Grado de protección. 168 2.5 INTERRUPTORES AUTOMÁTICOS Son interruptores de accionamiento manual para apertura y cierre (ver Figura 78), los cuales se abren automáticamente (“se disparan”) cuando por sus contactos principales circulan corrientes de sobrecarga o cortocircuito que superan umbrales de referencia fija o ajustable. En principio se construyen para corrientes medias y elevadas. Sin embargo, algunos fabricantes los construyen para corrientes bajas y los llaman “mini breakers”. Figura 78. Tipos comerciales de interruptores automáticos. Fuente: http://www.editores-srl.com.ar/taxonomy/term/1143 Se conocen también con el nombre de cortacircuitos y mal denominados, como breakers (ver Figura 79), aunque la palabra es un anglicismo ampliamente aceptado. Estos interruptores están previstos para dar protección a generadores eléctricos (fuentes de energía), y especialmente a los cables y conductores de las acometidas eléctricas de circuitos de carga asociados, entre otros: a sistemas de alumbrado, calefacción y aire acondicionado. Su mayor aplicación se da a nivel 169 industrial, para proteger los circuitos asociados a máquinas o grupos de máquinas, motores o grupos de motores, y equipos auxiliares. Se instalan normalmente en tableros de distribución, de fuerza motriz, de transferencia de carga, tableros centralizados para control de motores y en los denominados tableros multi-breaker, para alimentación de circuitos de alumbrado y tomas corrientes. Figura 79. Dibujo ilustrativo de un interruptor termomagnético monopolar. Sus funciones principales son: - Separar galvánicamente (aislar) de la red o fuente de alimentación todos los componentes eléctricos de un circuito, para minimizar el riesgo eléctrico y facilitar los trabajos de limpieza, mantenimiento y reparación. - Como elemento de protección para máquinas eléctricas, particularmente generadores y transformadores. 170 - Para protección de bancos de baterías estacionarias, como por ejemplo los utilizados en subestaciones, plantas telefónicas y UPS. - Dar protección general a la instalación y en particular a los cables y conductores de las acometidas eléctricas en situaciones de sobrecarga y cortocircuito. - Servir de “interruptores totalizadores” para desconectar completamente la carga en situaciones de emergencia como inundaciones, incendios, etc. Lo anterior indica que no están diseñados como interruptores para maniobra de carga sino como interruptores de circuito que permanecen “cerrados” y eventualmente se “abren” de acuerdo con las situaciones ya indicadas. Normalmente se usan para dos protecciones básicas, la de cortocircuito y la de sobrecarga, como se ilustra en la Figura 80. La protección de cortocircuito es omnipolar, lo que significa que el interruptor se abre aunque el cortocircuito se haya presentado en alguna de las fases, no en todas. Figura 80. Curva t vs i del interruptor termomagnético. 171 Su símbolo normalizado se representa en la Figura 81. Figura 81. Símbolo del interruptor tripolar con disparadores termo-magnéticos por sobrecarga y cortocircuito. Para interruptores de alta corriente, muchos fabricantes los acondicionan con la posibilidad de incorporarles algunos accesorios o mecanismos que permiten complementar su funcionalidad. Los de uso más frecuente son: - Mecanismos de accionamiento por motor para apertura y cierre por mando remoto. - Mecanismos de disparo o apertura por mando remoto mediante un electroimán conocido como bobina de disparo (shunt trip coil) o de emisión de corriente. - Bobina de mínima tensión para apertura del interruptor (con o sin retardo) cuando la tensión aplicada a sus bornes es menor que un valor de referencia. - Mecanismo de bloqueo con cerradura de llave para evitar operaciones de apertura manual no autorizadas, pero sin inhibir la actuación automática del interruptor por sobrecarga o cortocircuito. - Contactos auxiliares (NO/NC) para mando o señalización remota según el estado de cierre o apertura del interruptor. - Mecanismo de ajuste para la corriente térmica o de sobrecarga (Ir) con respecto al valor de la corriente asignada o nominal (In) del interruptor. 172 - Mecanismo de ajuste para la corriente magnética o de cortocircuito (Im) con respecto al valor de la corriente térmica o de sobrecarga (Ir) del interruptor. - Extensión de palanca de accionamiento para facilitar la maniobra de apertura y cierre. - Botón de disparo (trip button) para apertura directa y rápida del interruptor sin necesidad de maniobrar la palanca. - Indicadores digitales de corriente y tensión para las líneas de la red, con el propósito de facilitar la supervisión de la instalación. Con ello se obtienen lecturas directas que indican el grado de cargabilidad de los circuitos que protegen el interruptor. - En interruptores de gran tamaño se tiene la alternativa de escoger dispositivos extraíbles para facilitar su mantenimiento y reparación. Con esta disposición se consigue la mejor alternativa de aislamiento de los circuitos de carga con respecto a la red, sobre todo cuando se trabaja con altos voltajes. Por las severas condiciones de servicio en las cuales deben operar los interruptores automáticos, particularmente durante la maniobra de disparo para despejar corrientes de cortocircuito, resulta evidente que sus contactos deben incorporar materiales y elementos que garanticen la apertura con gran rapidez y con seguridad (sin autodestrucción). Para ello, los fabricantes construyen los contactos y el recinto donde se alojan utilizando: - Contactos de aleaciones de plata en forma de cuerno. - Cámaras apaga chispas con placas seccionadoras (fijas o móviles) que enfrían, fraccionan el arco y garantizan el aislamiento entre polos. - Bobinas de soplado magnético para “expulsar” el arco. 173 Los interruptores automáticos se fabrican en dos versiones: - Con unidad de disparo termomagnética - Con unidad de disparo electrónica En los primeros se utiliza elementos bimetálicos para la protección de sobrecarga y mecanismos de electroimán para la protección contra cortocircuito. En los electrónicos se hace una medición directa de la corriente mediante transformadores de corriente conectados a las barras internas del interruptor. La unidad incorpora un microprocesador, el cual además de recibir las señales de corriente y voltaje presentes en las barras, tiene programada la curva de protección del interruptor. El uso del microprocesador en el dispositivo permite hacer ajustes finos de tiempo y corriente, además de configurar la curva con diferentes zonas de sobrecarga y cortocircuito. De acuerdo con la programación que hace el fabricante, se ofrecen interruptores con curvas de respuesta t vs i de gran ajustabilidad tanto en corriente como en tiempo, como se ilustra en la Figura 81. Con estas curvas pueden ajustarse diferentes zonas de sobrecarga, lo cual resulta de gran importancia para la coordinación de las protecciones de la fábrica. También, y aprovechando las posibilidades que ofrece el microprocesador, los fabricantes le adicionan al interruptor funciones de supervisión (medidas de corriente y voltaje) y protección para apertura por: - Falla de aislamiento (fugas de corriente). - Sobre y/o bajo voltaje. 174 Figura 82. Curvas t vs i para interruptores automáticos con módulo de disparo electrónico. Los interruptores automáticos con módulo de disparo electrónico y funciones complementarias resultan más costosos que los convencionales de tipo electromagnético. Sin embargo, son los que hoy en día ofrecen las mejores características de protección. 2.5.1 Especificaciones técnicas de los interruptores automáticos Para especificar un interruptor automático se debe considerar lo siguiente: - Número de polos o vías de corriente (monopolar, bipolar, tripolar). - Corriente nominal o asignada de servicio. - Rango de ajuste para la corriente de sobrecarga (corriente térmica: Ir) y la de cortocircuito (corriente magnética: Im). 175 - Capacidad de ruptura (corriente disruptiva) y tensión de maniobra. - Naturaleza de la unidad de disparo. - Tipo de bornes de conexión para los conductores o cables. - Funciones complementarias. - Accesorios requeridos. - Tipo de encapsulado (frame) y dimensiones. Ejemplo de selección (consideraciones mínimas): Considérese la utilización de un interruptor automático para proteger en bornes un generador trifásico de 500 kVA, 440 V, 60 Hz, 600 A, cos φ = 0.8. Para ello se puede escoger por catálogo de fabricante un interruptor con las siguientes características: - Termo magnético. - Tripolar. - Corriente nominal (ln): 800 A. - Ajustabilidad térmica: (0.5 a 1) ln. - Ajustabilidad magnética: (3 a 10) lr. - Capacidad de ruptura: 30 KA @ 480 V. - Accesorios: o Bobina de disparo (shunt trip coil) para 24 VCD. o Juego de contactos auxiliares (1 NO + 1 NC). Nota: se supone conocida la corriente de cortocircuito en bornes del generador, la cual se obtiene de datos del fabricante o mediante estudios de corto circuito basados en las impedancias de la máquina y los demás datos de placa. El valor calculado para la corriente de cortocircuito en bornes del generador debe ser 176 inferior al valor seleccionado para la capacidad de ruptura que se ha definido en el ejemplo. Para el ajuste del interruptor se procede de la siguiente manera: In: corriente nominal del generador. Un valor del 300% de la corriente nominal del generador es típico para el ajuste de la corriente de cortocircuito. Sin embargo, debe considerarse las condiciones de operación del generador y el tipo de carga que asocia para definir el mejor punto de ajuste. 2.6 CONTACTORES Un contactor es un interruptor de potencia de uno o varios contactos normalmente abiertos accionado por un electroimán. Los contactos del interruptor están previstos para conectar y desconectar las cargas eléctricas de un circuito de potencia; por ello se dice que el contactor es un interruptor que tiene “capacidad de maniobra”. Se diseñan para operar con corrientes nominales y moderadas sobrecargas. En la Figura 83 se aprecia la presentación de algunos contactores de uso comercial. 177 Figura 83. Presentación típica de contactores. Fuente: http://hpindustrialperu.com/hp_industrial_por_categorias.php?c=2 La NEMA (Asociación de Fabricantes de Materiales Eléctricos de los Estados Unidos), los clasifica en once tipos (00….9) dependiendo de su capacidad de conducir corriente nominal por los contactos, durante ocho horas. Tabla 2. Clasificación NEMA para contactores Tamaño (NEMA) 00 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 In (Amperios) (1) 9 18 27 45 90 135 270 540 810 1215 2250 (1) Corriente para carga resistiva. La Tabla 2 se ha especificado para ejecución abierta, suponiendo que los contactores no se encuentran alojados dentro de un gabinete o cubierta. Para ejecución cerrada, los valores nominales de corriente pueden alterarse. La simbología normalizada de los contactores se indica en la Figura 84. 178 Figura 84. Simbología normalizada para contactores. Su aplicación típica es la de maniobra sobre los motores eléctricos, permitiendo su conexión o desconexión de la línea, o facilitando la realización de tareas complementarias asociadas a los motores, como por ejemplo: aceleración, frenado, pulsación e inversión de marcha, entre muchas otras. También es usado como interruptor de la línea de alimentación asociada al circuito de potencia de otras cargas industriales, como: bancos de condensadores, resistencias de hornos y calentadores, cargadores de baterías, electroimanes de carga, electroválvulas y bancos de lámparas, etc. En todo contactor se distinguen tres elementos básicos que son: - Electroimán - Contactos - Estructura de extinción de arco Como la tensión en la bobina del electroimán puede variar en su estado de funcionamiento normal, éste se diseña de manera que pueda operar correctamente con fluctuaciones entre el 85% y el 110% de la tensión nominal; y 179 estando energizado, ésta puede ser reducida sin originar desenganche a un valor de 65% de la tensión nominal. Puesto que la bobina de un contactor presenta efecto inductivo, la corriente por la misma no llega inmediatamente a su valor nominal cuando se aplica la tensión de operación. La corriente crece gradualmente y esto puede demorar el tiempo de cierre del contactor. El tiempo de cierre (incluyendo el de apertura) está limitado a unos pocos milisegundos (20 ms, típico), lo cual no representa un retardo significativo que pueda afectar el correcto desempeño del circuito. La NEMA también especifica las temperaturas máximas admisibles para diferentes partes de los contactores. - Temperatura máxima de los contactos: 65ºC - Temperatura máxima de la bobina principal: 50ºC - Temperatura máxima de la bobina soplado: 90ºC Para contactores de corriente alterna se manifiesta un fenómeno relacionado con el cambio de reactancia que presenta la bobina del electroimán al conectarse. Con el electroimán desenergizado, la armadura está separada del núcleo, lo cual representa una baja reactancia para la bobina. En consecuencia, al conectar el contactor se demandará una corriente de conexión muy superior a la que normalmente circula por la bobina. Una vez la armadura es atraída por el núcleo de electroimán, la reactancia de la bobina se incrementa y en consecuencia la corriente por la misma se reduce hasta su valor de sostenimiento. Así pues, el consumo (VA) de la bobina del contactor es mayor al momento de conectar que mientras está en funcionamiento normal. Los contactores se clasifican de la siguiente manera: 180 - Con respecto al tipo de corriente por la bobina del electroimán: o De corriente alterna (más usados) o De corriente directa - Con respecto al número de contactos principales: o Unipolar o monopolar o Bipolar o Tripolar (más usados) o Tetrapolar o Pentapolar (usado en aplicaciones especiales) - Con respecto a la disposición eléctrica de los contactos principales: o NA: Normalmente abiertos (la más usada) o NC: Normalmente cerrados - Con respecto a su naturaleza: o Estándar (de uso corriente) o Yuxtapuestos o enclavados mecánicamente o Con retención o memoria o Con bobina de bloqueo o De estado sólido (electrónicos) En la fabricación de los contactos se emplea la plata y diferentes aleaciones de plata con cobre, níquel, oxido de cadmio, etc.; tal como se anotó para los contactos de los relés. Los contactos de plata, o material sintetizado con plata son muy utilizados por su gran resistencia al desgaste por efecto del arco y la corrosión, y por su alta conductividad y su larga vida útil. En general, los contactos principales de un contactor son normalmente abiertos, ya que esta disposición es la que habilita la operación de maniobra para la 181 conexión o desconexión de una carga a la red. Sin embargo, para realizar algunas funciones particulares sobre motores, se requiere el uso de contactos de potencia normalmente cerrados. Para ello, y sobre pedido al fabricante, este se construye y comercializa contactos con esta disponibilidad, pero debe aclararse que en principio no son de uso comercial generalizado. Los contactos deben presentar ciertas características eléctricas y mecánicas: - Eléctricas: o Conducir la corriente nominal sin sobrecalentamiento. o Garantizar la apertura del circuito y el aislamiento de la carga. - Mecánicas: o Ser resistentes a la corrosión y al efecto nocivo del arco. o Cerrar de golpe sin rebote ni vibración. o Resistir los golpes de interrupción sin desgaste. o Garantizar el cierre y la apertura simultánea de todos los contactos en tiempos muy cortos. o Permitir al momento de cerrar, un ligero deslizamiento del contacto móvil sobre el fijo, para eliminar la capa de suciedad que pueda presentarse sobre su superficie por efecto de condiciones ambientales adversas. o Garantizar, estando cerrados, una presión adecuada de los contactos móviles sobre los fijos, para mantener la resistencia de contacto en un mínimo valor. En la Figura 85 se ilustra un contactor monopolar de corriente alterna para alta corriente. La cámara apaga chispas crea un tiro natural (efecto chimenea) que facilita la salida de los gases calientes ionizados por efecto del arco y mejora la acción del soplado magnético cuando se usa. Además encierra los contactos para 182 evitar que el arco se extienda a otros lugares. Materiales cerámicos, resinas epóxicas y en algunos casos el asbesto se emplean en su fabricación. Estas sustancias son incombustibles y antihigroscópicas. Los contactos tienen forma de cuerno, con lo cual se facilita la extinción del arco por elongación. La bobina de soplado va conectada en serie con el contacto fijo y se construye de alambre grueso y pocas espiras. Dicha bobina está dispuesta de tal manera que el campo que produce atraviesa los contactos del contactor perpendicularmente al plano de la figura. El núcleo de hierro dulce sobre el cual va devanada la bobina principal es macizo y de baja remanencia. Cuando el electroimán atrae la armadura, el contacto móvil golpea sobre el fijo y es comprimido por el resorte de presión para evitar el rebote. El contacto móvil sufre una acción de deslizamiento sobre el contacto fijo, que elimina la capa de suciedad y oxido que puedan tener los contactos. La presión del contacto móvil sobre el fijo puede ajustarse en algunos casos con el tornillo de presión. La armadura regresa a la posición original (cuando se desenergiza la bobina) por la acción del resorte de armadura y la gravedad, dependiendo esta última de la posición del contactor. 183 Figura 85. Contactor de CA de alta corriente. La fuerza de atracción que sufre la armadura se mide en kilogramos-fuerza y es directamente proporcional a: NI: Amperios – vuelta de la bobina principal A: Sección transversal del núcleo L: Longitud del entrehierro K: Constante de proporcionalidad Para contactores multipolares de alta corriente (tamaño 5 en adelante, según NEMA) una construcción común consiste en emplear un eje unido a la armadura; sobre el cual se disponen los contactos móviles y a lo largo del mismo se colocan los contra-contactos fijos. Cada contacto fijo lleva bobina de soplado y cámara apaga chispas. 184 La mayoría de los contactores se fabrican con contactos auxiliares diseñados para actuar en los circuitos de control; específicamente para el automantenimiento o retención de la bobina principal y para iniciar acciones de control sobre las bobinas de otros contactores y relés. En la mayoría de los casos, los contactos auxiliares se diseñan como bloques de contactos que puedan ser insertados a la estructura de la armadura para ser accionados cuando el electroimán se energiza. Estos contactos pueden ser instantáneos o retardados (usando bloques neumáticos temporizados). Los contactores de corriente alterna poseen las mismas partes fundamentales del contactor de corriente directa (electroimán, contactos y sistema de soplado) y se clasifican de manera similar. La construcción multipolar es la más frecuente (con tres o cuatro contactos principales) con el objeto de que puedan ser utilizados en sistemas trifásicos y otras aplicaciones (ver Figura 86). Figura 86. Estructura básica de un contactor de CA. 185 La diferencia del contactor de CA con el de CD radica en la estructura magnética del electroimán. Los de CA presentan dos diferencias: - Llevan núcleo laminado (chapas delgadas y aisladas) para reducir las pérdidas de calor por corrientes parásitas. - Llevan polos o bobinas de sombra; que son espiras de cobre en cortocircuito localizadas en la cara polar del electroimán; cerca del entrehierro (ver Figura 87). Cuando se conecta la bobina a una fuente de CA, la corriente magnetizante y el flujo pasan por cero dos veces en cada ciclo. Esto tiende a soltar momentáneamente la armadura en cada inversión del flujo produciendo vibración del electroimán, lo cual es audible y envejece rápidamente el electroimán por los esfuerzos mecánicos a los cuales queda sometido. Figura 87. Efecto de retención por medio de la bobina de sombra. La bobina de sombra está formada por una espira, cuya reactancia y resistencia están proporcionadas de manera que la corriente inducida en ella por efecto de 186 transformador, establece un flujo secundario (φ s ) atrasado aproximadamente 60º con respecto al flujo principal (φ p ). En estas circunstancias, siempre que el flujo principal pase por cero, existirá un flujo adicional los que mantiene cerrada la armadura. Este flujo de todas maneras es mucho menor que el principal pero su efecto es suficiente para retener la armadura y eliminar la vibración. Existen dos diseños fundamentales para la construcción del circuito magnético en los contactores de CA con respecto al movimiento de la armadura. Estos pueden ser: - De desplazamiento angular. - De desplazamiento longitudinal (vertical u horizontal según posición de montaje). Los de desplazamiento angular se emplean en contactores de gran capacidad de conducción de corriente y para altos voltajes de línea, ya que presentan buen aislamiento entre polos. Los contactos móviles se montan sobre un eje que gira cuando la armadura del electroimán es atraída. Los contra-contactos fijos se encuentran dispuestos a lo largo del eje. Cada par de contactos lleva su cámara apagachispas y está suficientemente separado de los otros, con lo cual se logra un buen aislamiento entre circuitos que es lo buscado con este tipo de construcción. El tipo de núcleo más empleado es el laminado en forma de U. Los de desplazamiento longitudinal son los más usados. Se utilizan mucho en los contactores de tamaño pequeño y mediano (por ejemplo, hasta tamaño 7, 8, según NEMA). En éstos, la armadura se desplaza vertical u horizontalmente sobre una guía y arrastra los contactos móviles permitiendo la actuación de los interruptores del dispositivo. 187 El núcleo empleado para el electroimán es generalmente el de tipo acorazado (forma de E), donde la armadura se introduce parcialmente en la bobina y esta va devanada en la parte central. Como ya se indicó, la bobina del electroimán demanda una mayor corriente en el momento de su energización. Cuando la estructura magnética de la armadura se va cerrando, el entrehierro se hace cada vez menor y la reactancia va aumentando con la consiguiente disminución de la corriente. Para el momento en el cual la armadura se cierra, la corriente cae a su valor magnetizante, corriente suficiente para mantener el contactor operado. Cuando se abren los contactos de un contactor se presenta un arco entre los mismos que pueden ser sumamente perjudiciales, especialmente cuando se trata de interrumpir cargas inductivas. Los contactores son diseñados para operar con circuitos no inductivos (lámparas, hornos de resistencia, etc.) o con circuitos altamente inductivos o capacitivos, o moderadamente inductivos y preponderantemente resistivos, tales como circuitos de control, maniobra sobre electroimanes, inducidos de motores de CD, motores de CA, etc. Las cargas resistivas no acumulan energía y en el instante de la interrupción de la corriente la tensión que aparece entre los contactos es igual a la tensión de la fuente de alimentación. Sin embargo, en un circuito inductivo es mucho mejor y se acumula energía y cuando se abre dicho circuito esa energía se disipa en el arco (la mayor parte) que aparece a través de los contactos. Si la corriente se interrumpe muy rápidamente, puede originarse una tensión muy elevada (Ldi/dt) en la inductancia asociada (hasta de varios kV), la cual se superpone con la de la línea y aparece a través de los contactos. En estas circunstancias el arco se puede “cebar” (no se extingue) produciendo un agudo 188 desgaste o erosión en determinados puntos de los contactos o aún peor, logrando que se suelden. Al final se llega a la destrucción de los contactos y del mismo contactor. Para obtener una buena extinción del arco, se emplea un sistema muy efectivo de tipo magnético que se conoce con el nombre de “soplado magnético”. Con este método el arco se extingue rápidamente, eliminando así la elevación excesiva de la tensión en bornes de los contactos. Éstos, al irse separando van aumentando la impedancia del arco y disminuyendo la corriente. Al final, la separación es tal que la tensión a través de los contactos es insuficiente para mantener el arco y éste se extingue. Cualquier arco puede extinguirse por elongación, sin embargo, la separación normal entre los contactos de un contactor puede no ser lo suficiente para extinguir el arco, especialmente cuando se trata de cargas muy inductivas. El soplado magnético es uno de los métodos más efectivos para solucionar este problema. La fabricación de los contactos en forma de cuerno es un medio eficaz para acelerar la elongación del arco y facilitar su extinción. Esta técnica se aplica para los grandes contactores. El principio de funcionamiento del soplado magnético se ilustra en la Figura 88 y se puede resumir así: Cuando se forma un arco entre los contactos se ioniza el aire por efecto del bombardeo de electrones sobre los átomos de los gases que lo conforman. El arco (la chispa) es la manifestación del paso de la corriente a través del aire. El sentido del movimiento de las cargas (q) es el mismo de la corriente (i) que va de un contacto al otro. La bobina de soplado origina un campo magnético (B) 189 perpendicular al plano de desplazamiento de los contactos, y de la interacción de ese campo y la corriente de arco resulta una fuerza mecánica de repulsión (F) sobre las partículas cargadas, la cual es perpendicular a la dirección del campo y a la dirección de desplazamiento de dichas partículas. Esta fuerza hace que el arco se aleje de los contactos y se acerque a los extremos en forma de cuerno donde el arco se extingue por elongación. Téngase presente que el aire ionizado es un excelente conductor de la electricidad. Figura 88. Principio de soplado magnético. Después de la extinción, la fuerza de soplado desaparece puesto que ya no queda circulando corriente por la bobina de soplado que está en serie con el contacto. En algunos contactores esta bobina puede ser de alta impedancia e ir conectada en derivación con la línea; en otros casos podrá sustituirse su efecto por medio de un imán permanente (sólo en CD) localizado en el punto donde debería estar ubicada la bobina de soplado. Cuando se trata de interrumpir una corriente alterna, el efecto de soplado no se altera puesto que la fuerza sigue actuando en la misma dirección en virtud de que el campo y el sentido de circulación de las cargas se invierten simultáneamente. 190 Por lo demás, puede apreciarse que el efecto de soplado es mejor mientras mayor sea la corriente a interrumpir. 2.6.1 Contactores enclavados (yuxtapuestos) Se construyen también los denominados contactores enclavados mecánicamente (interlocked) o yuxtapuestos (ver Figura 89). Son dos contactores estándar montados sobre una base común y acoplados mecánicamente de tal manera que la operación de uno de ellos inhibe el funcionamiento del otro y viceversa. Su empleo es corriente en circuitos cambiadores de velocidad, arrancadores estrella - triángulo, circuitos de frenado de contramarcha y en circuitos para inversión de marcha de motores eléctricos, entre muchos otros. El enclavamiento mecánico se complementa en la práctica con el denominado “enclavamiento eléctrico” el cual evita que la bobina del contactor que no está en operación pueda ser energizada, originando un recalentamiento de la misma, debido a que su circuito magnético permanece abierto y en consecuencia la impedancia de la bobina es baja. Figura 89. Contactor enclavado y estructura básica de los “cuernos de enclavamiento”. Fuente: http://www.foroelectricidad.com/viewtopic.php?f=7&t=3894 191 2.6.2 Contactores con retención o memoria Otro tipo de contactor es el denominado de retención o de memoria (latch contactor). Está constituido con dos bobinas; una de ellas denominada de posición (set) y la otra de reposición (reset). La energización momentánea de la bobina de posición es suficiente para que los contactos se armen en forma permanente. La energización momentánea de la bobina de reposición es suficiente para que los contactos se rearmen quedando en la posición de reposo inicial. El mando de las bobinas se realiza con simples pulsadores de contacto momentáneo y como resulta evidente, con el empleo de este tipo de contactores se logra un ahorro importante de energía. En los contactores de retención o memoria, la retención de los contactos se logra por medios mecánicos o magnéticos, impidiendo que la armadura regrese a la posición de reposo cuando la bobina de set se desenergiza. En los mecánicos, la bobina de reset libera el trinquete de fijación para que la armadura se suelte. En los magnéticos, la fijación se logra por medio de un imán permanente que sostiene la armadura cuando ésta alcanza la posición final del recorrido. En este caso, la bobina de reset está bobinada sobre el núcleo del imán y cuando es energizada reduce el flujo magnético de retención permitiendo la liberación de la armadura y el rearme de los contactos. Algunos contactores incorporan dispositivos de apertura por mínima tensión para permitir el rearme de los contactos cuando se presenta una bajo nivel de voltaje o un corte en el servicio de la energía eléctrica. Debe tenerse la precaución de no energizar permanentemente las bobinas de este contactor ya que su diseño no se hace para servicio continuo, sólo el mando por pulsos es el indicado. Este contactor tiene una estructura similar a la de los relés con retención o memoria indicados anteriormente en la Figura 88. 192 2.6.3 Contactores con bobina de bloqueo Otros tipos de contactores se construyen de funcionamiento especial. Así por ejemplo, se tiene el denominado contactor con bobina de bloqueo, en el cual se tienen dos bobinas denominadas bobina principal o de cierre y bobina de bloqueo. Están conformados por una estructura con doble circuito magnético, como se ilustra en la Figura 90). El circuito magnético principal asocia la bobina de cierre y el circuito magnético auxiliar asocia la bobina de bloqueo. Si la bobina de bloqueo se energiza previamente a la de cierre, esta última queda inhibida para actuar sobre los contactos. Si la bobina de cierre se energiza primero que la de bloqueo, esta última queda inhabilitada para desactivar el contactor y los contactos se mantienen cerrados de forma permanente. Figura 90. Esquema de contactor con bobina con bloqueo. Como se indicó, en este contactor el circuito magnético está diseñado para que la energización previa de la bobina de bloqueo impida la operación de los contactos 193 del contactor cuando se conecte la bobina de cierre. Para lograrlo es indispensable desenergizar nuevamente la bobina de bloqueo dejando conectada la de cierre. Sin embargo, si primero se energiza la bobina de cierre, la bobina de bloqueo ya no realiza ninguna función y el dispositivo opera como un simple contactor. Se utiliza con frecuencia para la aceleración por resistencias de motores de corriente directa. 2.6.4 Contactores de estado sólido (SSC, abreviatura en inglés) Los contactores de estado sólido se construyen con dispositivos semiconductores de silicio, especialmente con los denominados Rectificadores Controlados de Silicio (SCR) y los TRIAC. Con los SCR se consiguen las mejores alternativas de conmutación estática ya que pueden operar con corrientes y tensiones relativamente altas; hasta unos 80A, 600V. En su aspecto constructivo no se diferencian notablemente de los relés de estado sólido (SSR) ya explicados. De hecho, las ventajas y desventajas comparativas de los SSC con relación a los contactores electromagnéticos son las mismas que se han indicado para los SSR y los relés electromagnéticos. La diferencia fundamental radica en una mayor corriente nominal permanente por los “contactos” y en el número de polos que generalmente son tres para permitir el uso del dispositivo con cargas trifásicas. En la Figura 91 se ilustra un circuito básico de contactor de estado sólido resaltando sólo uno de los “contactos” del mismo. 194 Figura 91. Contactor de estado sólido (SSC) Aunque el voltaje de control es de corriente alterna, el módulo de entrada incorpora un rectificador y algunos elementos de protección y limitación de corriente para que los LED de los optoacopladores puedan funcionar satisfactoriamente. Con el enlace óptico entre la interfaz de entrada y el de salida se consigue un excelente aislamiento eléctrico que puede llegar hasta unos 5 kV. De esta forma el circuito de mando no se verá influenciado ni perturbado por los fenómenos adversos que se presenten en la red debido a efectos secundarios de descargas atmosféricas, desconexión de cargas inductivas o ruidos. El “contacto” está formado por la conexión en paralelo inverso de dos SCR. Esta conexión es típica para permitir la circulación de corriente en ambos semiciclos. Se adiciona una red RC para mejorar la respuesta de los dispositivos por velocidad de crecimiento de tensión y un circuito de acople que emplea un optotriac y una resistencia R G para limitar la corriente de las compuertas de manera que el disparo de los SCR se dé justo cuando se aplique la señal de control o mando sobre los terminales A1 y A2 del relé (ver Figura 91). 195 Estos contactores tienen limitaciones que impiden su uso a cualquier tipo de carga. Sólo funcionan satisfactoriamente con cargas resistivas o moderadamente inductivas. Así mismo, para elevadas corrientes se incrementan las pérdidas internas por calor y el dispositivo toma dimensiones que lo hacen no práctico para ser utilizado en espacios reducidos, con poca ventilación. Todos los SSC incorporan un disipador de calor en su estructura, el cual es voluminoso y a veces debe ser refrigerado artificialmente con aire forzado. Son ideales para aplicaciones donde se requiere elevada frecuencia de maniobras como transporte de materiales, mando de lámparas intermitentes, conexión de calefactores e instalaciones sometidas a vibraciones y sacudidas. En principio pueden realizar hasta diez maniobras por segundo sin ningún problema de conmutación. También son ideales cuando se tienen instalaciones sometidas a vibraciones y sacudidas, ya que prácticamente no hay exigencias especiales en estos dispositivos y puede adoptarse cualquier posición de montaje en cualquier ambiente de trabajo. Se construyen para un grado de protección IP20 (típico) que otorga protección contra contactos involuntarios con los dedos y contra contacto por cuerpos sólidos de tamaño mediano. Se pueden diferenciar dos tipos de contactores de estado sólido: - Con conexión en el cruce por cero. - Con conexión instantánea. En los primeros, la carga no se conecta inmediatamente a la tensión de la red cuando se aplica la tensión de control. Esto sucede justo cuando la tensión de la 196 red es menor que un valor límite cercano al cruce por cero. Este modo de operar resulta muy apropiado para cargas resistivas (calefactores o lámparas) ya que se limita la corriente de conexión, lo cual significa una carga reducida tanto para los tiristores como para la red de alimentación puesto que después del cruce por cero la corriente aumenta gradualmente en forma sinusoidal a medida que lo hace la tensión. En los SSC de conexión instantánea, los tiristores conducen inmediatamente se aplica la señal de control, independientemente del valor que tenga la tensión de la red. Esto conlleva a elevadas intensidades de corriente de conexión si la conmutación se realiza con carga resistiva y justamente cuando la onda de tensión tiene un valor cercano al máximo o de pico. Para esta situación, los tiristores utilizados deben ser seleccionados con un alto di/dt. Este modo de operación se prefiere para conectar cargas inductivas; por ejemplo motores, transformadores, electroimanes; porque en estas cargas la variación de la corriente en el tiempo es lenta, lo que implica un bajo di/dt, lo cual asegura que está por debajo del valor asignado para el tiristor. Los SSC se conectan como cualquier contactor convencional y su selección se hace siguiendo las recomendaciones de norma para la clase de servicio y la corriente nominal. Debe especificarse el voltaje de control y el tipo de corriente tanto para la entrada como para la salida, además del número de polos que son requeridos. 2.6.5 Verificaciones y pruebas en contactores Los contactores se someten generalmente a pruebas muy rigurosas de calidad. La mayoría de los fabricantes los construyen de manera que respondan a las 197 prescripciones de los principales organismos de control, en especial los de países de alto desarrollo tecnológico y mayormente industrializado. Para ello, los fabricantes deben tener equipo que permita probar lo siguiente: - Tensión de cierre. - Tensión de apertura. - Aislamiento entre polos. - Corriente permanente y de conexión/desconexión por los contactos principales. - Consumo del electroimán en VA. - Tiempo de cierre y apertura. - Rebote entre contactos. - Funcionamiento silencioso. - Funcionamiento simultáneo de los contactos. - Fuerza de los resortes. - Resistencia al choque y al impacto. - Distancia entre contactos, etc. - Vida útil mecánica. - Vida útil eléctrica. - Otros. A modo de ejemplo y como dato informativo sobre las especificaciones de un contactor típico, consideremos los siguientes valores tomados de un contactor de marca de 35 A con categoría de empleo AC3: - Vida media de los contactos para clase AC3: 1.2 millones de operaciones. - Vida mecánica del contactor (conectado sin carga): 15 millones de operaciones. - Corriente asignada de servicio (le) para clase AC3: 198 o Ejecución abierta: 35 A. o Ejecución cerrada: 27 A. - Bobina principal (sobre base vertical): o Consumo en la atracción: 60 VA. o Consumo en operación: 12 VA. o Voltaje asignado de servicio (Ve): 220 V. o Voltaje de sostenimiento: 0.85 Ve. o Voltaje máximo permisible: 1.1 Ve. o Tiempo de excitación: 10 - 25 ms. o Tiempo de desexcitación: 10 - 20 ms. - Frecuencia máxima de operaciones bajo carga: 120 operaciones / hora. - Voltaje de aislamiento entre polos y masa: 2.5 kV. - Temperatura ambiente máxima para ejecución abierta o cerrada: 60ºC. Los contactores se construyen generalmente de manera que tengan resistencia a los efectos del clima, es decir, que puedan instalarse en sitios donde la temperatura ambiente pueda tener variaciones extremas, la humedad del aire sea superior al 80% y ocurran condensaciones frecuentes; esto se conoce bajo el nombre de Ejecución Tropicalizada. Además, los contactores se hacen insensibles a las diferencias de altura sobre el nivel del mar (hasta 2000 mt); y en especial a las trepidaciones, por lo cual pueden emplearse por ejemplo, en instalaciones de elevación o de laminación, entre otras. La vida útil de los contactos está determinada fundamentalmente por la ausencia de fenómenos de rebote durante el accionamiento y por la intensidad de corriente de conexión y desconexión de los consumidores. En general, los contactos pueden cambiarse fácilmente en la mayoría de los contactores, y durante la vida útil mecánica es posible renovarlos hasta dos y más veces. Los contactos de un 199 contactor se pueden conectar en paralelo para aumentar la capacidad de conducción de corriente. En caso de conexión en paralelo de dos vías de corriente, puede hacerse circular (según normas internacionales IEC) una intensidad de corriente igual a 1.8 veces la corriente asignada (le) de una vía. En caso de conexión en paralelo de tres vías de corriente, puede hacerse circular una intensidad de corriente asignada de 2,5 veces la de una vía. Esto debido a que las dos o tres vías de corriente de un contactor no cierran y abren al mismo tiempo y además las resistencias internas de los contacto, a pesar de ser de bajo valor, no son exactamente iguales. Por ello, una de las vías de corriente debe soportar inicialmente una mayor intensidad de corriente de conexión o desconexión. En consecuencia, la capacidad de conexión o desconexión del contactor no aumenta a su valor máximo esperado por el hecho de realizarse una conexión en paralelo. En la Tabla 3 se indican los valores de intensidad de corriente asignada para conexiones en paralelo en dos o tres vías de corriente, especificando la máxima capacidad de conducción de corriente durante la conexión y desconexión de la carga. En caso de conexión en serie de las vías de corriente, la capacidad de desconexión aumenta debido a la ruptura múltiple del arco. Esto indica que el contactor estará en capacidad de efectuar operaciones de desconexión a tensiones mayores que las del servicio nominal. Sin embargo, la conexión serie carece muchas veces de importancia, puesto que los contactos se construyen con capacidad de conexión y desconexión muy superiores a las especificadas como valores nominales máximos. 200 Tabla 3. Intensidades de corriente para esquemas de conexión de 2 y 3 vías. El empleo de contactores tripolares para maniobra sobre cargas monofásicas o de corriente directa se hace de forma convencional pero estableciendo la conexión serie entre los contactos principales o vías de corriente de la carga, según se indica en la Figura 92. De forma similar se conecta un relé térmico tripolar para proteger motores de CD o monofásicos de CA. Esta disposición resulta ventajosa porque hay un desgaste homogéneo de los contactos y al mismo tiempo se obtiene una mayor capacidad de maniobra para la desconexión de la carga. 201 Figura 92. Conexión de un motor de CD (o CA) a una red bifilar usando contactores tripolares. 2.6.6 Especificaciones de corriente y voltaje para los contactores La capacidad de un contactor para manejar una carga está dada por la intensidad de la corriente que los contactos del dispositivo pueden conectar, bajo condiciones definidas, sin que se suelden los contactos o se recalienten durante la conexión. Así mismo, para condiciones definidas, la capacidad del contactor para manejar la carga tiene en cuenta también la intensidad de la corriente que el aparato puede desconectar sin que haya un desgaste excesivo por la erosión eléctrica que origine el arco que se presente. La vida útil eléctrica de los contactos del contactor está influenciada por el número de maniobras de conexión y desconexión de éste para condiciones de operación con carga. La vida útil de un contactor está determinada por un número máximo 202 de maniobras bajo carga que el contactor puede realizar sin que sea necesario efectuar reparaciones o remplazos de piezas (esta información la ofrece el fabricante). Para precisar mejor el concepto de capacidad de manejo de carga de un contactor, los fabricantes han definido lo que se conoce como la capacidad de conexión asignada y capacidad de desconexión asignada. Capacidad de conexión asignada es la máxima relación de corriente de conexión con respecto a la corriente nominal o asignada de servicio que los contactos del contactor pueden manejar bajo una categoría de empleo, garantizando su vida útil. Capacidad de desconexión asignada es la máxima relación de corriente de desconexión con respecto a la corriente nominal o asignada de servicio que los contactos del contactor pueden manejar bajo una categoría de empleo, garantizando su vida útil. La definición de estas corrientes es la siguiente: - Corriente de conexión (I) Es la corriente que se establece inmediatamente después del cierre de los contactos del contactor (o en general, de un interruptor) al conectar la carga. La corriente de conexión, para la mayoría de las cargas, es varias veces superior a la corriente que se define como nominal o la asignada de la carga. Así por ejemplo: o En las lámparas incandescentes, el pico de la intensidad de la corriente de conexión alcanza un valor aproximado de 15 veces el valor asignado para la lámpara. 203 o Con aparatos para calefacción eléctrica (hornos de resistencia, planchas, estufas, calentadores de agua, etc.) la corriente de conexión puede ser hasta 1,4 veces la corriente asignada. o Cuando se conectan lámparas de descarga gaseosa, la corriente de conexión está entre 10 y 20 veces la corriente asignada, según el tipo de lámpara utilizada. o Al conectar motores eléctricos, la corriente de conexión (corriente de arranque) puede estar comprendida entre 3 y 8 veces la corriente asignada, según sea el tipo de motor. o En la conexión de transformadores de baja tensión, se pueden esperar corrientes de conexión hasta de 30 veces la corriente asignada. - Corriente de desconexión (lc) Es la corriente que circula en el instante en que se abren los contactos del contactor (o de un interruptor). Se incluyen las corrientes de sobrecarga o de cortocircuito. Esta corriente depende de los efectos inductivos o capacitivos asociados a la carga. - Corriente asignada de servicio (le) Es la corriente (R.M.S) que el fabricante especifica en la placa del contactor (o de un interruptor) para una clase de servicio determinada; y que el dispositivo puede conducir en forma permanente bajo condiciones establecidas. La corriente asignada de servicio, conocida también como la corriente nominal (In), tiene en cuenta la tensión y la frecuencia asignadas, así como la vida útil del contactor. Un aparato de maniobra puede tener asignadas diferentes intensidades de corriente según la clase de servicio y la categoría de empleo. 204 - Corriente térmica convencional (lth) Es la máxima corriente permanente (R.M.S.) que pueden conducir al aire libre los contactos de un contactor (o de un interruptor) sin que se supere la temperatura límite o máxima prevista para la cual el dispositivo no funciona satisfactoriamente. - Tensión asignada (Ur) Es la tensión a frecuencia industrial a la cual el fabricante se refiere al especificar la capacidad de ruptura asignada del dispositivo de maniobra. Esta tensión es la que se conoce como la tensión nominal (Vn) de los contactos del contactor y representa el valor máximo por debajo del cual asegura el correcto funcionamiento del circuito principal o de potencia para garantizar las exigencias que impone una norma. - Tensión de servicio asignada (Ue) Es el valor de la tensión a la cual se refieren los valores de la capacidad de cierre (conexión) y de ruptura (desconexión) de los contactos de un contactor (o de un interruptor). En circuitos de carga trifásicos, por lo general, se indica la tensión de línea como la tensión de servicio asignada. - Tensión aplicada (U) Es la tensión que se aplica en los bornes de los contactos del contactor (o de un interruptor) justo antes de que se lleve a cabo la conexión de la carga. El concepto de valor nominal solo se ha dejado para designar valores que define claramente una norma o que se ha estandarizado en forma permanente y universal, como por ejemplo las tensiones y frecuencias de las redes de alimentación. Para aquellos dispositivos que se diseñan para determinadas magnitudes físicas. El concepto de valor asignado es el que se debe seguir utilizando según recomienda y establece la norma IEC 947-..., y las normas DIN / VDE 0660-.... 205 En este libro sin embargo, no se ha querido romper totalmente con el concepto tradicional del valor nominal utilizado para especificar dispositivos eléctricos. Por ello se ha preferido denominar con la referencia de valor nominal o asignado buscando que el lector se familiarice naturalmente con el nuevo concepto. Con base en las definiciones de norma definidas anteriormente, puede darse una indicación más clara y precisa sobre los conceptos de capacidad de conexión asignada y capacidad de desconexión asignada. Un dispositivo de maniobra como un contactor, por ejemplo, tendrá una mayor capacidad de conexión asignada mientras mayores sean las relaciones: l/le y U/Ue para el menor valor de cos Ø o L/R asociado a la carga al momento de hacer la conexión de la misma. Un dispositivo de maniobra para el mismo dispositivo, por ejemplo, tendrá una mayor capacidad de desconexión asignada mientras más elevadas sean las relaciones: lc/le y Ur/Ue para el menor de cos Ø o L/R asociado a la carga al momento de hacer la desconexión de la misma. 2.6.7 Selección de contactores para maniobra sobre motores De acuerdo con las normas NEMA, la selección de contactores se realiza según la clase de servicio que el motor haya de prestar y sus correspondientes valores nominales de potencia y tensión de alimentación. En el ANEXO A se especifican los contactores a elegir para tres categorías de empleo de motor y de su tensión nominal o tensión asignada de servicio. Como es evidente, no deben emplearse para motores cuyas potencias nominales rebasen los valores de la tabla. 206 Obsérvese en las tablas que para determinados tamaños de contactores, pueden emplearse motores mayores a medida que aumenta la tensión. Ello se debe a que los contactos de los contactores están proyectados para máximas intensidades de corriente, las cuales disminuyen en proporción a las tensiones más elevadas del motor. Puede verse también, que cuando el servicio es más exigente se utilizan con los mismos contactores motores de menor potencia, porque las frecuentes paradas con frenado a contra corriente, la inversión del sentido en marcha, avances graduales intermitentes (a pasos), y en general, más de cinco aperturas de contacto por minuto tienden a recalentar el contactor con el consiguiente desgaste y las quemaduras de sus contactos. Para selección de contactores que trabajen ocho horas al día, en ejecución abierta, bajo condiciones medias de servicio, trabajo sin frenado a contracorriente o sin avance gradual, se utiliza la tabla 12 del ANEXO A. Para motores que deben parar y arrancar más de cinco veces por minuto (avance gradual), con frenado a contracorriente o avance gradual, se utiliza la tabla 14 del anexo. Para motores de jaula de ardilla trifásicos, que deben operar a varias velocidades y potencia constante, con frenado a contracorriente o avance gradual, se utiliza la tabla 14 del ANEXO A. Aunque la fabricación y selección de contactores se realiza con base en las normas de cada país: Alemania (DIN/VDE), Francia (UTE), Inglaterra (BS), Estados Unidos (ANSI /NEMA), etc.; el Comité Europeo para la Normalización en el campo de la electrotecnia (CEN) ha conseguido la aceptación de la normativa a través de documentos de armonización que responden en gran parte a las normas internacionales publicadas por la IEC y al mismo tiempo satisfacen a las instituciones de normalización y comités electrotécnicos de los diferentes países 207 europeos. Sin embargo, las normas y disposiciones de Estados Unidos y Canadá, así como las normas australianas aún difieren considerablemente de las publicaciones IEC. En dichos países, determinados dispositivos de maniobra de baja tensión, solo pueden ser comercializados si con anterioridad han sido aprobados por un laboratorio de homologación donde se realicen ensayos autorizados. En general, los contactores se seleccionan teniendo en cuenta la corriente nominal de la carga, el tipo de carga y la clase de servicio, tratando de alcanzar la mayor vida útil de los contactos principales. Las cargas típicas industriales se pueden clasificar en: - Motores de baja tensión - Motores de alta tensión - Condensadores - Electroimanes de potencia (frenos, embragues, electroválvulas, etc.) - Aparatos de calefacción - Instalaciones para iluminación - Transformadores de baja tensión - Equipos de regulación electrónicos (inversores, variadores de velocidad, convertidores CA. / CD. etc.) La clase de servicio está relacionada con el tipo de carga y las condiciones de operación a las que se puede someter dicha carga. En principio, los aparatos de maniobra de baja tensión se diseñan y construyen para servicio permanente con su potencia asignada. Sin embargo, muchas cargas prestan servicio en condiciones diferentes, esto evidentemente altera las condiciones normales de operación y repercute en la vida útil de los dispositivos 208 que hacen la maniobra sobre dichas cargas. Este es el caso típico de operación para los contactores. Teniendo en cuenta esto, es necesario establecer claramente cómo funciona la carga para definir correctamente el contactor que pueda utilizarse. 2.6.8 Clases de servicio Para el caso de motores, la CEN ha definido nueve clases de servicio principales: - S1: Servicio permanente: carga constante a potencia asignada, funcionando continuamente durante un tiempo suficientemente largo para el equilibrio térmico. - S2: Servicio de corta duración: servicio con carga constante en el cual la conexión de la carga es solo de corta duración y no se alcanza el equilibrio térmico. - S3: Servicio intermitente: Servicio de ciclos idénticos formados por un periodo con carga constante y por una pausa; sin influencia de una corriente notoria de conexión ni desconexión. - S4: Servicio intermitente: con carga constante y con notoria influencia de la corriente durante el proceso de arranque, ciclo inicial largo y pausa. - S5: Servicio intermitente: con carga constante y con notoria influencia de la corriente durante el proceso de arranque, y de frenado (eléctrico) Ciclo inicial largo, ciclo de frenado corto y pausa. - S6. Servicio periódico ininterrumpido: formado por una secuencia de ciclos idénticos formados por un tiempo con carga constante y un tiempo en vacío. En este servicio no existe pausa. - S7: Servicio periódico ininterrumpido con arranque y frenado eléctrico: En este servicio no existe pausa ni tiempo de vacío. El motor 209 funciona un tiempo con carga constante, presentando ciclo inicial largo y tiempo de frenado corto. - S8: Servicio ininterrumpido con cambio periódico de la carga y de la velocidad de rotación: Se trata de ciclos idénticos, con tiempo de carga constante a una determinada velocidad y a continuación otro tiempo de carga constante con otra carga a otra velocidad. Por lo demás, se caracteriza de manera similar al S5 para cada una de las velocidades. - S9: Servicio ininterrumpido con cambio no periódico de la carga y de la velocidad de rotación: Se caracteriza de manera similar al S8 pero con ciclos no idénticos con tiempo de carga constante a una determinada velocidad. Una de las divergencias más frecuente en la práctica con respecto a las clases de servicio parte de que la carga no permanece constante durante los tiempos en que se aplica. En dichos casos se acepta considerar una carga promedio calculada como el valor medio aritmético de las cargas individuales. En general, los fabricantes suministran tablas con las cuales es posible seleccionar el contactor que está en capacidad de garantizar una vida útil de contactos determinada para la clase de servicio que se le tenga asignada a una carga. Según las normas DIN EN 60947 4 -1, 3, 5 – 1 y VDE 0660 partes 102, 107 y 200, pueden seleccionarse los dispositivos de maniobra tales como contactores y seccionadores con base en la tabla 15 del ANEXO A, que para categorías de empleo definen dichas normas. La tabla 15 es la preferida entre los usuarios al momento de seleccionar contactores para diferentes cargas. La norma establece diferentes categorías de empleo según la clase de servicio y el tipo de voltaje con que se alimente la carga. Para motores o cargas de 210 corriente alterna se utilizan las categorías AC y para corriente directa las categorías DC. Como puede apreciarse en la tabla 16 del ANEXO A, resulta muy sencillo definir la categoría de empleo para el motor que se quiera utilizar y en consecuencia escoger el tipo de contactor que se debe utilizar. La categoría de empleo, así como la corriente asignada de servicio de los contactos del contactor viene normalmente indicada en el cuerpo del mismo, lo que agiliza la escogencia del dispositivo. Las categorías más ampliamente utilizadas son la AC1 para cargas resistivas y la categoría AC3 para motores de jaula de ardilla con arranque y desconexión durante la marcha. En la tabla 17 del ANEXO A se indican las capacidades de conexión que deben brindar los contactores para las diferentes categorías de empleo. Una mala escogencia del contactor repercute notablemente en la duración de sus contactos y por ende su vida media podrá reducirse considerablemente. 2.6.9 Especificaciones técnicas de los contactores Para especificar técnicamente un contactor debe indicarse básicamente lo siguiente: - Voltaje nominal de la bobina principal y tipo de corriente (CA o CD). - Naturaleza y tipo de contactor. - Número de contactos principales y auxiliares, y su disposición eléctrica. 211 - Tamaño (según NEMA o IEC) o corriente asignada de servicio (Ie o In) para los contactos principales y tensión nominal de los mismos. - Categoría de empleo. - Tipo de ejecución (abierta – cerrada), etc. En relación a las tensiones de alimentación industriales, la norma 38 de la IEC, sexta edición de 1983, denominada Standard voltages define los valores nominales que rigen actualmente en Europa y ciertos países de su influencia y que recomiendan para su aplicación en el resto de países del mundo. La mencionada norma es el resultado de los esfuerzos de armonización a nivel internacional, encaminados a reducir la gran variedad de tensiones existentes en las redes de abastecimiento de energía eléctrica industrial y domiciliaria, así como en las instalaciones de centros de consumo y alimentación de aparatos. - Para redes trifásicas de CA (4 hilos, 50 Hz) se ha establecido: o 400 V / 230 V, 480 V / 277 V, 690 V / 400 V, 1000 V. - Para redes monofásicas de CA (3 hilos, 50 Hz) se tiene: o 240 V / 120 V. - Para redes de CD: o 110 V / 120 V / 62,5 V / 125 V / 250 V / 500 V - Para bajo voltaje tanto en CA como en CD: o 24 V, 48 V. Estas tensiones, particularmente las de red trifásica de CA difieren con las que rigen actualmente en los Estados Unidos y en casi todos los países de América, cuya frecuencia es de 60 Hz. Bajo estas condiciones se tiene entonces que: - Para redes trifásicas de CA (4 hilos, 60 Hz) se ha establecido: o 208 V / 120 V , 416 V / 240 V o 220 V / 127 V, 440 V / 254 V 212 o 240 V / 139 V, 480 V /277 V - Para redes monofásicas de CA (3 hilos, 60 Hz) se tiene: o 220 V / 110 V. Finalmente, la norma DIN EN 60947 establece que los circuitos de mando con todos sus componentes, deben funcionar satisfactoriamente mientras la tensión de accionamiento se mantenga de los siguientes límites: - Para cerrar (energizar): 0.85 V a 1.1 V; donde V es la tensión nominal. - Para abrir (desenergizar, desenganchar): 0.65 V; donde V es la tensión nominal. 2.7 GUARDAMOTORES Un guardamotor es un disyuntor termo-magnético o térmico, este se ilustra en la Figura 93, diseñado para el arranque manual y a plena tensión de motores eléctricos pequeños (arranque directo), en el cual se incorpora una protección térmica de sobrecarga y otra magnética de cortocircuito. El dispositivo está previsto para usarse con motores que tienen un ciclo de trabajo reducido, como podría ser el asociado a sistemas de ventilación y extracción de aire, sopladores, agitadores, molinos, motosierras, cortadoras, etc. En principio es un dispositivo de naturaleza electromecánica, que sustituye a los elementos básicos que conforman un arrancador directo de motor (contactor, relé térmico, pulsadores de mando y lámpara de señalización, entre otros). Su característica principal es su fácil instalación y bajo costo comparado con el de un arrancador convencional. Cuando es de naturaleza termo-magnética, proporciona una curva de disparo integral similar a la que proporciona un relé térmico y un fusible. Internamente su principio de funcionamiento es el mismo de un breaker, pero externamente 213 dispone de un interruptor de muletilla o de dos pulsadores (start-stop) para hacer la conexión o desconexión del motor de la línea. También incorpora un ajuste manual para la corriente térmica, la cual debe igualarse a la corriente nominal del motor para garantizar su protección. Figura 93. Tipos comerciales de Guardamotores. Fuente: http://www.weg.net/co/Productos-y-Servicios/Control-y-Proteccion/Arrancadores-y- Proteccion-de-Motores/Guardamotor El símbolo normalizado para un motor se puede ver en la Figura 94. Figura 94. Símbolo normalizado IEC del guardamotor. 214 2.7.1 Especificaciones técnicas para los guardamotores Para especificar este dispositivo se debe tener en cuenta lo siguiente: - Numero de polos. - Corriente nominal y rango de ajuste de la corriente térmica. - Tensión nominal de servicio. - Tipo de actuador (muletilla o pulsadores). - Disponibilidad de señalización luminosa. - Grado de protección. - Dimensiones físicas y tipo de fijación. 2.8 VÁLVULA SOLENOIDE Es un dispositivo de los que en sistemas de control de procesos se conoce con el nombre de Elementos finales de control. Son utilizados para el control de fluidos en tuberías. Tiene como función principal permitir o restringir el paso de un fluido (líquido o gaseoso tales como: aire, aceite, agua vapor, fuel oil, etc.) por una tubería. En la Figura 95 se ilustran tres formas típicas que presentan las válvulas solenoide, conocidas también con el nombre de electroválvulas, su accionamiento puede hacerse mediante un interruptor manual o por medio de dispositivos de mando digitales automáticos. La válvula solenoide es una combinación de dos unidades básicas: un electroimán con núcleo móvil que representa al actuador de la válvula y un cuerpo de válvula con un orificio en el cual se coloca un disco o tapón para permitir o restringir el paso del fluido. La válvula se abre o se cierra cuando se energiza el electroimán y regresa a su posición original por la acción de un resorte, cuando se desenergiza. 215 En la Figura 96 se ilustra el mecanismo básico de una válvula normalmente cerrada. Figura 95. Válvulas solenoide. Fuente: http://www.valveco.com.co/p/valvula-solenoide-uni-d----vapor_4398453/valvula-solenoide- uni-d--vapor--modelo-us-_4398454 Figura 96. Estructura básica de una válvula solenoide. 216 El cuerpo de la válvula es usualmente de latón forjado, bronce o hierro galvanizado, entre otros. La armadura es de acero inoxidable y los efectos del magnetismo residual se eliminan mediante el resorte de reposición. Los de CA llevan núcleo laminado y bobina de sombra en la cara polar para eliminar la vibración y minimizar las pérdidas de calor. Para asegurar el hermetismo de la válvula y una larga vida, deben utilizarse filtros (cedazos) que impidan el paso de granos o suciedades presentes en el fluido. Si esto ocurre, se obstruye el orificio de la válvula afectando su hermetismo y provocando una fuga. Las conexiones de entrada y descarga no deben invertirse, porque el hermetismo depende, hasta cierto grado, de la presión que ejerce el fluido hacia abajo en la aguja o tapón. El sentido del flujo se indica externamente por una flecha, para asegurar una instalación correcta. Se construyen también válvulas de dos y más vías, con las cuales es posible traspasar el fluido de una tubería a otra. Esto es de gran importancia en muchos procesos industriales. Entre las aplicaciones típicas se pueden mencionar: - Para alimentación del flujo de aire presurizado en sistemas de control para cilindros neumáticos. - Como válvula de admisión o descarga para el control de niveles máximos y mínimos de líquidos en tanques. - Se utilizan para control “on-off” del sistema de alimentación de combustible en motores de combustión interna, particularmente con motores diésel. - Se usan en sistemas dosificadores de líquido para llenado de recipientes en procesos continuos. 217 - Se usan como válvula de paso en la línea de alimentación de agua al tanque de una caldera. Existen muchos tipos de válvulas solenoide. Se pueden agrupar de acuerdo a su aplicación, construcción o forma: - Según su disposición normal: normalmente abierta o normalmente cerrada. - De acuerdo al número de vías: de dos o tres vías. - Según el tipo de corriente por la bobina del electroimán: de corriente directa o de corriente alterna. 2.8.1 Especificaciones técnicas para las válvulas solenoide En principio se deben considerar los siguientes aspectos: - Para el electroimán: voltaje nominal y el tipo de corriente. - Disposición normal de la válvula (abierta o cerrada). - Número de vías. - Diámetro y tipo de conector (rosca o brida). - Material del cuerpo de la válvula. - Tipo de fluido. - Máximas temperatura y presión del fluido a controlar por la válvula. - Grado de protección. REGRESAR AL INICIO DEL DOCUMENTO….. 218 CAPÍTULO 3 SIMBOLOGÍA Y DESIGNACIÓN NORMALIZADA PARA LOS ELEMENTOS DE CONTROL ELECTROMAGNÉTICOS 3.1 INTRODUCCIÓN Los equipos de control se construyen para los usos más diversos. Un equipo de control puede componerse de uno o varios dispositivos o incluso de cientos de ellos. Además, en una misma instalación se puede tener equipos de diferentes marcas. Es de gran importancia disponer de un medio de representación para los equipos y dispositivos de control, por medio de dibujos de aplicación universal que puedan ser entendidos por cualquier persona con conocimientos eléctricos, sin que en ello tenga que ver la marca de fábrica del equipo, ni la forma física, ni las dimensiones. Los dibujos de los equipos de control se denominan diagramas o esquemas y para que sean útiles a quien construye o adquiere los equipos, es de máxima importancia, que dichos diagramas sean normalizados mediante el empleo de símbolos que cualquier persona pueda reconocer y emplear fácilmente. Anteriormente cada fabricante creaba sus propios símbolos, basado sobre todo, en el aspecto físico de los dispositivos. Sin embargo, estos símbolos eran complicados y difíciles de dibujar. Además, quien los empleaba (usuarios del equipo) se encontraba con el inconveniente de tener que identificar diferentes símbolos para un mismo elemento, lo cual originaba gran confusión en las personas encargadas de mantener en funcionamiento los equipos. En la actualidad, se ha progresado mucho en lo que se refiere a proveer a la 219 industria eléctrica de un sistema de símbolos normalizados que toda persona, con conocimiento modesto de electricidad, puede entender. El inconveniente final ha radicado en los símbolos empleados por la industria de los controles eléctricos de una parte, y los empleados por la industria de los sistemas de radiocomunicaciones por otra. El desarrollado independientemente de los mencionados símbolos ha ocasionado serios problemas en la industria eléctrica que cada vez utiliza más dispositivos eléctricos en la implementación de sus controles. De ahí que, tanto los ingenieros como los técnicos, han tenido que irse acostumbrando a distintos sistemas de símbolos. Además, debe considerarse el antagonismo político e industrial que se inició entre varios países a partir de la primera Guerra Mundial hasta la segunda, época donde en esos países se desarrollaron los centros industriales más poderosos del mundo; donde se desarrolló la tecnología en alto grado y donde muchos descubrimientos fueron realizados. Como consecuencia de su influencia política y su poder económico, a los países “dependientes” se les “impuso” la aceptación de las máquinas y equipos producidos por ellos y por consiguiente la “aceptación” de sus propias normas y especificaciones técnicas. Es por esto que en lo referente a la simbología normalizada se impusieron y siguen vigentes los símbolos de procedencia alemana y norteamericana, con ciertas variantes en algunos países industrializados, como Francia, Inglaterra e Italia. No obstante, en la actualidad, la mayoría de países industrializados del mundo tienen sus propias entidades de normalización y han estandarizado sus propios equipos y sistemas para adaptarlos a las condiciones del mercado internacional, del cual ningún país puede desligarse. Bajo este aspecto se han creado entidades internacionales de reglamentación y normalización que pueden consultarse en el aprendizaje de este libro. 220 En este capítulo, en forma resumida, se hacen precisiones y aclaraciones sobre los aspectos más relevantes que deben tenerse presentes, para que los sistemas de control que se diseñan y se implementan físicamente, se acomoden a las disposiciones y a las normas internacionales, que sobre el particular, tienen establecidas las principales entidades de normalización, particularmente aquellas entidades reguladoras de los países más industrializados del mundo. 3.2 DISPOSICIONES Y NORMAS INTERNACIONALES En la Tabla 4 se tienen consignadas las principales entidades que tienen reconocimiento a nivel mundial. Tabla 4. Entidades principales de normalización para simbología eléctrica ABREVIATURA SIGNIFICADO CEN Comité Europeo de Normalización. BS British Standard: Prescripciones Inglesas. DIN Deutsche Ingenier Normen: Prescripciones alemanas UTE Unión Technique de L`Électricité: Asociación Electrotécnica Francesa. VDE Verband Deutscher: Asociación Alemana de Ingeniería Eléctrica. ANSI American Nacional Standards Institute: Instituto Nacional de Normalización de USA (Anteriormente ASA). De ella dependen otros organismos encargados de normalización de equipo eléctrico, tales como NEMA y UL. 221 ABREVIATURA SIGNIFICADO CEMA Canadian Electrical Manufacturers Association: Asociación canadiense de fabricantes de artículos electrotécnicos. CSA Canadian Standards Association: Asociación Canadiense de Determinaciones, la cual otorga aprobaciones y publica determinaciones. EEMAC Electrical and Electronic Manufacterers Association of Canada: Asociación Canadiense de Fabricantes de Artículos Electrotécnicos y Electrónicos. IEC International Electrotechnical Comisión: En la Comisión Electrotécnica Internacional colaboran las principales naciones industriales. Las recomendaciones IEC allí elaboradas son, en parte, directamente tomadas por determinaciones nacionales, o bien, determinaciones nacionales son equiparadas a las recomendaciones IEC. JIS Japanese Industrial Standard: Determinaciones Japonesas. NEMA Nacional Electrical Manufactures Association: Asociación Nacional de Fabricantes de Artículos Electrotécnicos de USA. UL Underwriters Laboratorios Inc: Entidad de USA, la cual otorga aprobaciones y emite determinaciones. 222 El objetivo fundamental de las entidades u organizaciones de normalización es en términos generales: - Definir dimensiones y tolerancias para dispositivos eléctricos. - Definir y aclarar términos relacionados con los parámetros y la especificación de los productos. - Armonizar la relación entre fabricantes y usuarios estableciendo normas que garanticen la calidad de los productos y que eviten malos entendidos entre ellos. - Establecer características de operación y condiciones de seguridad para los usuarios y el equipo. - Definir y establecer la simbología y la nomenclatura para designación de los dispositivos, bornes, terminales, conductores, etc. - Definir y establecer los diagramas eléctricos y su forma de representación. Definir aspectos relativos a los grados de protección que ofrecen los recintos y la calidad de los productos (dispositivos y materiales), con base en normas a cumplir y pruebas que deban realizar los fabricantes. Un buen conjunto de normas genera condiciones favorables para que la industria manufacturera se expanda y atienda los desafíos de competitividad que hay en el medio. En el campo de la ingeniería eléctrica a nivel internacional se destacan entidades como IEC, ANSI/NEMA y DIN (VDE). En Colombia se ha creado al Instituto Colombiano de Normas Técnicas ICONTEC. El objetivo fundamental de estas organizaciones es, en general, el de normalizar todo lo concerniente a: 223 - Definición de nomenclatura para designación de dispositivos, bornes, terminales, símbolos, etc. - Dimensiones y tolerancias de productos fabricados. - Características de operación y condiciones de seguridad. - Aspectos relativos a la calidad de los productos con base en normas a cumplir y pruebas que deban realizar los fabricantes. Se busca con ello eliminar malentendidos entre manufactureros y usuarios, ayudar al comprador en la selección correcta de los equipos, proteger las industrias nacionales ante otros competidores, etc. En la tabla 18 del ANEXO A se hace referencia a publicaciones y prescripciones importantes para aparatos de maniobra de baja tensión según normas IEC, EN, DIN / VDE, NEMA, CSA, JIS. 3.3 HOMOLOGACIONES En algunos países la aceptación de un componente eléctrico está sujeta al cumplimiento de normas legales. La aceptación se obtiene verificando la conformidad con la norma en un laboratorio oficial o en presencia de un perito delegado. Cuando un aparato es homologado lleva impuesto el sello de homologación o de conformidad, que corresponde a un sello que se fija o se graba sobre el dispositivo en cuestión. La presencia de siglas de homologación en un dispositivo busca inducir al comprador para que lo acepte, puesto que ellas le aseguran un producto de calidad. 224 Existe obligación legal por parte de los fabricantes de homologar los aparatos y hacer la inscripción de los mismos en los libros correspondientes de los laboratorios. Ello asegura al usuario que el aparato satisface plenamente las normas nacionales y que es adecuado para el uso requerido. Los laboratorios con carácter oficial tienen peritos que inspeccionan regularmente los productos siguiendo un programa de pruebas definido. En la Figura 97 se muestran algunos de los sellos de homologación más utilizados y de mayor aceptación a nivel internacional. Figura 97. Algunos sellos de homologación reconocidos internacionalmente. 225 3.4 SÍMBOLOS ELECTRICOS NORMALIZADOS DE MAYOR UTILIZACION INDUSTRIAL Para que una simbología sea verdaderamente útil, por lo menos ha de cumplir estos requisitos: - Los símbolos deben ser simples y fáciles de entender no solo por los ingenieros sino también por los instaladores, operadores, etc. - Deben ser concisos. Cada símbolo debe representar uno y solo un elemento. - Los símbolos han de ser flexibles. Para cada elemento debe fijarse un símbolo básico; que permita, sin modificar su esencia, ilustrar las variantes que pueda tener ese elemento. Así por ejemplo, un dispositivo que se convierta de fijo en variable no debe exigir un símbolo diferente. - Deben ser fáciles de dibujar. De lo contrario, el costo de elaboración del diafragma sería importante. En general, deben eliminarse detalles innecesarios que permitan elaborarlos mecánicamente y que faculten su apreciación a simple vista con comodidad. El conjunto de símbolos americanos para equipo eléctrico industrial fue establecido durante la Segunda Guerra Mundial bajo los auspicios del ASA (American Standard Association); hoy ANSI. Estos símbolos se fueron extendiendo y reformando hasta construirse en la primera norma oficial, conocida como la norma Y 32.2 Graphical Symbols for Electrical Diagrams (1975). Hoy en día se tienen normas complementarias como la norma NEMA ICS-1 (1983) o EEMAC 14-2 (1983). 226 Los símbolos alemanes fueron establecidos por las normas DIN 40700 a 40717 y posteriormente complementados con otras normas como DIN 40173 (1972), DIN 40900 (partes 1...., 13), DIN 40719 (parte 2, 1978). Las normas alemanas han tenido una gran influencia en Europa, muchos países las han tomado como modelo de referencia para establecer sus propias normas; adaptándolas a sus respectivas exigencias y necesidades. En la actualidad, con base en las políticas de unificación que se han venido armonizando entre los diferentes países, particularmente los más desarrollados, se han logrado acuerdos significativos para la homologación de productos con base en una normalización de reconocimiento internacional, la cual ha sido establecida por la IEC (Comisión Electrotécnica Internacional) y la ISO (Organización Internacional de Estándares). Hoy en día, las normas IEC (1971), IEC 617 (partes 1,...., 13; 1983) IEC 750 (1983) e IEC 111-3. Son reconocidas y aceptadas por casi todos los países del mundo en lo referente a simbología eléctrica y designación de dispositivos, bornes, terminales y conductores. En el ANEXO A (tablas 19-27) se tiene una información muy completa sobre este tema; la cual debe ser analizada en detalle para facilitar la comprensión de los muchos circuitos que se presentan en este libro. 3.5 DESIGNACIÓN NORMALIZADA DE LOS DISPOSITIVOS DE CONTROL No basta con representar un dispositivo eléctrico mediante un símbolo. En un circuito muchos dispositivos se repiten y cumplen tareas diferentes. En consecuencia, se hace necesario asignarles algún código de identificación que 227 permita reconocerlos no sólo por su naturaleza sino también por la función que realizan en el circuito. De acuerdo con la normalización internacional de la IEC; ampliamente reconocida y aceptada en Europa, y en general por la mayoría de los países industrializados, los dispositivos se deben representar por un código alfanumérico formado por dos letras mayúsculas y un número de orden; tal como se indica a continuación: Primera letra significativa- Número de orden – Segunda letra significativa. Ejemplo: K1T (Relé temporizado número uno). - La primera letra significativa define la naturaleza del dispositivo. - La segunda letra significativa define la función general que desempeña el dispositivo en el circuito. El número central establece un orden según la cantidad de dispositivos de la misma naturaleza presentes en el circuito. En general, el orden se asigna siguiendo la secuencia de operación de los dispositivos. Las tablas 31 y 32 del ANEXO A contienen las letras de identificación según IEC. Debe aclararse que en algunos países aún prevalecen sus propias definiciones de norma porque todavía no se ha logrado fijar una normatividad unitaria que comprenda a todos los comités internacionales. Es el caso por ejemplo de las disposiciones ANSI / NEMA y UL en Estados Unidos, así como las CSA / EEMAC en Canadá, que aún difieren considerablemente de las publicaciones IEC y de las DIN-EN, a pesar de que mucho se ha progresado en la armonización de criterios que hoy ya son de aceptación general. 228 Una de las características negativas que presentan las letras de código IEC para identificación de los dispositivos, radica en que las funciones que se han definido son muy genéricas y en muchos casos se presenta redundancia de información al asignar el código. A modo de ejemplo aclaratorio tenemos: - F (como primera letra significativa) está asignada a dispositivos de protección (relés térmicos, fusibles, etc.). - F (como segunda letra significativa) está asignada a un dispositivo que tiene como función la de dar protección. En consecuencia, al representar un fusible como F1F se estará indicando que se trata del fusible número uno que tiene como función la protección de cortocircuito. Ante esta redundancia, la IEC acepta que en lugar de codificar el dispositivo como F1F se pueda usar también la representación F1 o 1F. La misma redundancia se presentaría con la letra H que se utiliza para representar los dispositivos de señalización. Por lo anterior, y teniendo en cuenta que la normatividad americana es muy precisa para designar los dispositivos y definir la función de los mismos en el circuito, no se ha llegado a un acuerdo formal en este aspecto y en consecuencia la designación americana (Estados Unidos y Canadá) es la mostrada en las tabla 33 del ANEXO A. Puede apreciarse que muchos dispositivos se identifican por su naturaleza, empleando algunas letras que son una abreviatura o la primera letra de la palabra con que se llama al dispositivo en inglés. En otros casos se hace énfasis directo en la función del dispositivo y no en su naturaleza. Cuando el dispositivo se repite, se le asigna un prefijo numérico de orden como se indica a continuación: 229 - 1PB, 2PB, ...., etc. (número de pulsadores) - 1A, 2A, ....., etc. (número de contactores de aceleración) 3.6 DESIGNACIÓN DE BORNES, REGLETAS Y TERMINALES Para facilitar el conexionado físico entre los diferentes elementos de un circuito, es necesario que todos los dispositivos que conforman el circuito tengan claramente marcados sus bornes y terminales. Uno de los grandes logros de la IEC ha sido el de armonizar con casi todos los países industrializados del mundo la normatividad sobre este tema. Al respecto y a pesar de que en los Estados Unidos ya se acepta y es utilizada la designación IEC, algunos fabricantes siguen utilizando las normas antiguas particularmente para la designación de terminales de motor y transformadores, bornes de contactores y relés. Otros, realizan una doble marcación de bornes y terminales siguiendo las indicaciones de la norma IEC y de las normas ANSI/NEMA. En las tablas 29 y 34 del ANEXO A se ilustran claramente la forma como se identifican (según IEC) los bornes de los motores y de los más importantes dispositivos eléctricos que se utilizan en el control eléctrico. 3.7 DESIGNACIÓN DE CONDUCTORES Y CABLES No existe una reglamentación específica para la marcación de cables y conductores. En general se aceptan y aplican recomendaciones que son bastante antiguas pero que tienen validez por su lógica y simplicidad. 230 En general, los conductores principales de línea o de la carga se identifican con los mismos números o letras que tienen los bornes o terminales principales de los dispositivos. Para el resto de los conductores se sigue una numeración en secuencia asignando el mismo número a todos los conductores que forman un nodo o punto común. Esta forma de marcación se ilustra en la Figura 98.Obsérvese que la marcación se hace desde arriba hacia abajo (o de izquierda a derecha) siguiendo el orden o la secuencia de interpretación del funcionamiento del circuito. Para la marcación de los conductores se utilizan cintas adhesivas o anillos plásticos que tienen marcados números, letras o “blancos” (espaciadores o separadores). Todo conductor debe estar marcado en un extremo con el mismo código del borne que conecta además de su número de identificación. Sólo así, podrán reducirse los tiempos de reparación y de mantenimiento del equipo, ya que esta práctica facilita el seguimiento y verificación del correcto conexionado de los elementos del circuito. Si los conductores son largos y hacen un recorrido por el tablero conectando bornes distantes, se recomienda hacer la marcación por tramos cortos utilizando el mismo número de identificación que se le asignó al conductor. Con alguna frecuencia se acostumbra asignar códigos de colores a los conductores como método complementario de identificación. 231 Figura 98. Designación de conductores y cables. 3.8 DIAGRAMAS DE LOS SISTEMAS DE CONTROL ELECTROMAGNÉTICO La información que se requiere de un sistema o equipo de control industrialmente se encuentra contenida en los denominados planos esquemas o diagramas del equipo o la máquina. 232 Los diagramas se preparan teniendo en cuenta finalidades específicas relacionadas con: - Mostrar los circuitos, elementos o las etapas principales que conforman el sistema. - Indicar claramente cómo interactúan las diferentes etapas o componentes para lograr la realización de una tarea específica. - Mostrar e indicar la forma correcta de conectar o interconectar los diferentes elementos o partes de circuito o de un sistema. - Informar en detalle la forma como se instalan las diferentes partes del sistema o cómo se ensamblan tanto interna como externamente las unidades de control. En el estudio de los sistemas eléctricos de control se involucran muchas personas entre ingenieros, técnicos y electricistas de instalación y montaje. En general, cada una de estas tiene intereses diferentes sobre el equipo o la máquina. Así, para el ingeniero es fundamental conocer en detalle lo relacionado con aspectos de diseño y funcionalidad; al técnico que ensambla o construye tableros le compete solo el cableado interno de tableros, más no la operación del conjunto; al instalador le corresponde la interconexión eléctrica entre los tableros y la maquinaria, pero no la conexión entre los componentes internos ni la compresión del funcionamiento del equipo; al operario le incumbe solo la puesta en marcha y el tener conocimiento general de las principales partes o etapas para facilitar la operación de la máquina, etc. Por tales razones se preparan para un mismo equipo varios diagramas, cada uno con datos e información diferente sobre aspectos y características de importancia específica. 233 Los diagramas más utilizados son los siguientes: - De bloques - Unifilar - Elemental o de principio - De conexiones - De interconexión - De instalación y montaje Se dispone también de otros diagramas relacionados con la identificación de bornes externos, diagramas de ensamble, etc. Los fabricantes incorporan los diagramas en un documento en el cual se da información tanto general como detallada sobre las características, especificaciones del equipo, listado de partes y repuestos, indicaciones para realizar ajustes, la puesta en marcha y la operación normal, una guía de instalación y montaje y en general, información sobre el servicio de mantenimiento así como datos generales sobre el fabricante y sus representantes comerciales. Así pues, este documento conocido como Manual de instrucciones es de suma importancia para iniciar cualquier intervención que sea necesaria realizar sobre la máquina. Cuando no se dispone del manual de instrucciones o, este se encuentra incompleto, o está elaborado en un idioma que no es el nativo de las personas que interviene el equipo, resulta muy difícil dar solución eficaz a los problemas que eventualmente se puedan presentar en la máquina. Por consiguiente es una buena práctica exigirlos con todos los requisitos necesarios y suficientes al momento de efectuar la compra de los equipos y conservarlos en sitos seguros y bien administrados. 234 3.8.1 Diagrama de Bloques Es un diagrama de tipo funcional que representa por medio de símbolos geométricos (líneas, círculos, rectángulos, triángulos, etc.) las diferentes etapas o partes componentes de un sistema o equipo de control, y la interacción de unas con otras; mostrando el sentido de flujo de energía o información. En este diagrama no se muestran los detalles de los dispositivos internos que conforman cada bloque sino que se hace énfasis en el comportamiento del sistema como un todo o un solo bloque; con base en la relación entrada – salida. En la Figura 99 se ilustran dos diagramas en bloque, uno para representar el sistema de arranque de un motor de rotor devanado y otro, el de un motor jaula de ardilla con arranque a plena tensión. Para el motor de rotor devanado por ejemplo, se aprecia que el mando es realizado desde una caja de pulsadores que opera sobre el arrancador magnético. Además, se permite la regulación de velocidad mediante un combinador de mando manual que conmuta las resistencias rotóricas. Figura 99. Diagramas de bloques 235 3.8.2 Diagrama Unifilar Es la representación simplificada de un circuito eléctrico sin líneas auxiliares y en la que sólo se tiene en cuenta las partes esenciales del mismo como son los dispositivos de carga y los elementos de medida, protección y maniobra. Este diagrama se dibuja utilizando simbología normalizada, siendo en consecuencia muy ilustrativo y fácil de interpretar. En los diagramas unifilares se permite, y es costumbre, dar información complementaria sobre características y especificaciones técnicas resumidas de los aparatos o dispositivos que integran el equipo relacionado con el diagrama en cuestión. En la Figura 100 se ilustran dos diagramas unifilares que muestran la conexión simplificada de tres motores eléctricos con indicación del tipo de dispositivos de protección y maniobra asociados a dichos motores. Figura 100. Diagramas unifilares. 236 3.8.3 Diagrama Elemental Denominado también diagrama o esquema de principio. En este diagrama se muestran todos los dispositivos y elementos asociados a un circuito que pertenece a una maquina o equipo, y en general a un sistema eléctrico de control. Este diagrama hace énfasis en la relación funcional que existe entre los diferentes componentes eléctricos que conforman el circuito, prescindiendo del arreglo físico de los conductores, de la forma física de los componentes y de su disposición geométrica o localización física dentro del recinto que los aloja. Este diagrama se realiza con base en símbolos normalizados, unidos mediante líneas rectas verticales u horizontales que representan los conductores. Al diagrama elemental se acostumbra “partirlo” en dos diagramas separados (con excepción de circuitos que tienen alimentación de CD) denominados: Diagrama de Control o Mando y Diagrama de Potencia o Fuerza. El diagrama de control tiene forma de “escalera” (ladder) y su alimentación es con CA, monofásica (bifilar) o con CD (bifilar). Las dos líneas de alimentación de los componentes del circuito se representan siempre paralelas en posición vertical u horizontal, según indicaciones de norma. El diagrama de potencia muestra todas las cargas asociadas al circuito, asi como todos los elementos de maniobra, protección y medida de dichas cargas. El diagrama elemental se configura enfatizando en la relación funcional que existe entre los diferentes componentes del circuito, lo cual permite analizar y entender la tarea de control que se realiza sobre las cargas asociadas y conectadas al sistema de control. Esta característica es muy importante para el personal de 237 mantenimiento y en general para los técnicos e ingenieros que realizan tareas de diseño, instalación y montaje de equipos y maquinaria industrial. La acción o tarea de control que realiza una maquina o equipo industrial está definida por ecuaciones de la lógica matemática o por ecuaciones integro- diferenciales; según el tipo de proceso, ya sea de manufactura o de tipo físico- químico. Estas ecuaciones y su solución se configuran en el diagrama o circuito de control mediante la interconexión apropiada entre los diferentes elementos que conforman el circuito. Actualmente se tienen dos opciones de uso generalizado para estructurar la tarea de control: mediante “lógica cableada”, o por medio de controladores programables, lo cual se conoce con el nombre de “lógica programada”. En general, puede afirmarse que el diagrama elemental es el más importante de todos los que se con una maquina o equipo industrial. De hecho, a partir de este diagrama, que es diseñado por ingenieros electricistas y electrónicos, es posible entender el funcionamiento de la maquina; facilitar las tareas de instalación, montaje, puesta en servicio, ajustes, calibraciones e interconexión con otros equipos, y sobre todo, las tareas de mantenimiento y reparación que se deben ejecutar periódicamente sobre el equipo. Para implementar el diagrama de control en el sistema americano (especificaciones ANSI/NEMA), la interconexión de los elementos se realiza sobre líneas horizontales cuyos extremos se unen a un par de líneas verticales que representan la fuente de alimentación. La interpretación del mismo se realiza de arriba hacia abajo; los órganos receptores se ubican a la derecha conectados a un punto común y los órganos de mando se ubican a la izquierda conectados en una lógica que define el comportamiento del circuito. Como ya se indicó, el circuito de mando también se conoce como circuito de escalera o ladder. 238 Para localizar rápidamente un órgano de mando (contacto) perteneciente a uno cualquier de los órganos receptores (relé o contactor), se establece una numeración en secuencia de acuerdo con las diferentes posiciones de maniobra establecidas en el diagrama. Así, el contactor 1M por ejemplo, en la Figura 98, tiene un contacto abierto en la posición 3, y un contacto de reserva normalmente cerrado. El relé CRM en la misma figura tiene dos contactos abiertos en la posición 4 y dos cerrados de reserva. Para facilitar la interpretación de un circuito de control, especialmente cuando estos involucran muchos dispositivos, se recurre generalmente a la especificación de la función o tarea realizada por cada dispositivo, escribiéndola al lado donde este aparece en el diagrama. Lo anterior puede observarse claramente en Figura 98. El empleo de transformador y el interruptor con fusibles (o minibreaker) para la línea de alimentación del circuito de control es de uso corriente, puesto que con ello se aísla la instalación y se adecúa el voltaje de la línea principal a un nivel más seguro y ajustado a los requisitos de suministro impuestos por los elementos de control. Véase la Figura 101. Para la selección del tamaño en VA del transformador de aislamiento o transformador reductor que eventualmente se utiliza para alimentar el circuito de control, se puede aplicar el siguiente criterio: VA mínimo del transformador = 1.25 [suma del total de VA de estado estable de cada uno de los receptores del circuito de control], estos receptores están representados por: bobinas de relés y contadores, lámparas de señalización, solenoides, unidades electrónicas, etc. 239 Figura 101. Diagrama elemental para CA simbología americana. Alimentación del circuito de control mediante el empleo de transformador y fusibles. Sin embargo, no siempre se utiliza transformador de aislamiento ya que los órganos receptores están diseñados para operar a la misma tensión de la carga. En ese caso, el circuito de control se alimenta directamente a través de dos líneas de la red, y es protegida la derivación con dos fusibles, como se indica en la Figura 102. 240 Figura 102. Diagrama elemental para CA en simbología americana con alimentación directa del circuito de control y protección con fusibles. El circuito de potencia, donde van conectados los elementos finales de control o los dispositivos de carga, se realiza por medio de líneas gruesas (para indicar las líneas que llevan la corriente principal) dispuestas horizontal y verticalmente. Para el caso de operación con CA, el circuito de potencia se dispone unido o separado del circuito de control como se ilustra en la Figura 102. Para CD, el circuito es único; y los elementos de potencia se localizan generalmente en la parte superior como se ilustra en la Figura 103. 241 Figura 103. Diagrama elemental para CD en simbología americana Al implementar un circuito de control se deben evitar conexiones como las indicadas en la Figura 104. Dichas conexiones no se acomodan a ninguna disposición de la norma y si se realizan se pueden presentar daños, mal funcionamiento y dificultad para realizar pruebas y verificaciones de campo al interior de los recintos que alojan los componentes del sistema. 242 Figura 104. Conexiones erradas en un circuito de control Algunas de estas conexiones generan cortocircuito, o producen energización permanente del órgano receptor, o inhiben la conexión, o simplemente crean desorden topológico que dificulta el análisis del circuito y confunde a las personas que deben interpretar el diagrama. En el sistema europeo (especificaciones DIN/EN/IEC), la interconexión de los elementos del circuito de mando se realiza sobre líneas verticales cuyos extremos se unen a un par de líneas horizontales que representan la fuente de alimentación. La interpretación del circuito se realiza de izquierda a derecha y para la localización rápida de los contactos de un contacto o relé, se dispone de una tabla 243 indicativa de la posición y de la condición eléctrica de los contactos asociados a dichos elementos. La tabla descrita se localiza en la parte inferior, debajo del símbolo que representa la bobina principal del dispositivo tal como se aprecia en la Figura 105. Y1: Electroválvula de admisión (NC) Y2: Electroválvula de descarga (NC) Figura 105. Control para el vaciado de líquido de un tanque a otro en una misma cantidad. En ella se observa, por ejemplo, que el contactor K1 tiene dos contactos normalmente abiertos en las posiciones 5 y 6, y uno normalmente cerrado en la posición 8. Según normas de la DIN/EN, el dibujo del diagrama elemental debe realizarse sobre un plano dimensionado como el indicado en la Figura 105. Este plano viene numerado de izquierda a derecha, y debajo de cada número deben disponerse los diferentes elementos de control, para así facilitar su rápida localización. Cuando el diagrama requiere un ancho mayor, se recomienda una marcación vertical 244 adicional por medio de letras. Con ello puede establecerse fácilmente un área o zona de localización para cualquier dispositivo. En el diagrama también se acostumbra identificar el tipo de dispositivo escribiendo debajo su nombre, o indicando de qué unidad se trata dentro del conjunto de dispositivos que conforman el equipo o la máquina. Cuando el conjunto de circuitos es bastante numeroso; en especial porque se trate de una máquina sumamente grande o compleja, se hace necesario partir o dividir los dibujos que representan los diagramas. Esta situación no es la más deseable, puesto que se pierde la visión del conjunto y se dificulta el análisis. Sin embargo, cuando se realiza con base en consideraciones de desempeño lógico, el problema se vuelve de menor importancia. Mediante códigos de identificación alfanuméricos asignados ordenadamente a los diferentes diagramas en que se ha dividido el diagrama principal, se tiene la manera de identificar o reconocer un diagrama del conjunto. Se recomienda que la partición se realice con base en el criterio de planos principales y planos secundarios; y en general, tratando que los diagramas sean lo menos relacionados entre sí, para facilitar su análisis y comprensión. El diagrama de potencia se realiza generalmente con líneas gruesas y los elementos de carga se localizan en la parte inferior. Las líneas de alimentación se dibujan paralelas y se disponen horizontalmente. Generalmente el circuito de control viene relacionado aparte y con líneas delgadas. Es recomendable la numeración de bornes; terminales y conductores para facilitar las labores de mantenimiento que se le debe hacer a la máquina; para ello, es conveniente hacerlos sobre una copia del diagrama original para conservarlo sin modificaciones. En caso de que el equipo incluya instrumentos de medida, estos deben identificarse en el diagrama mediante símbolos normalizados. 245 Con el fin de familiarizar al lector con la interpretación y el análisis de un circuito de control, puede referirse al circuito de la Figura 105. Al presionar el pulsador de marcha S1 (para SO en posición de manual) se energiza K1 y se automantiene. Simultáneamente se energiza la válvula Y1 de admisión y el tanque empieza a llenar. Al llegar al nivel h min se actúa S2 y se energiza K2, el cual no hace nada aún. Al actuar S3 se energiza K3 y se desconecta K1 cortando la admisión del líquido al tanque. Al mismo tiempo se abre la válvula Y2 hasta que se alcance nuevamente el nivel mínimo donde se cierra y se reinicia el llenado si el selector SO estuviese en la posición de auto (A). Para la posición H (Hand), el circuito solo realiza un circuito de trabajo. 3.8.4 Diagrama de Conexiones Es denominado también esquema de conexionado. Dicho diagrama proporciona la información suficiente y necesaria para realizar correctamente las conexiones internas de todos los dispositivos que se encuentran alojados en un recinto y que conforman un circuito, ya sea en forma total o parcial. Usualmente, los dispositivos eléctricos y demás componentes asociados (borneras, bandejas o bastidores, canaletas plásticas, bornas de cobre y conductores, entre otras) se instalan se instalan y se fijan sólidamente a la estructura que conforma el recinto, teniendo en cuenta una disposición especial (posición física) que minimice y facilite el cableado, la interconexión, la inspección, las verificaciones y el mantenimiento, además de aspectos relacionados con el peso y la ventilación; particularmente cuando se tienen dispositivos que generan calor o son sensibles a la temperatura. 246 El diagrama de conexiones se realiza a partir del diagrama elemental (circuito de control y potencia) asociado al sistema eléctrico que se desea implementar físicamente. Dicho diagrama debe redibujarse marcando sobre el mismo todos los bornes y terminales de los dispositivos, asi como todos los conductores que conforman los diferentes nodos o puentes comunes de conexión que tome el circuito. Igualmente todo los componentes deben estar claramente identificados de acuerdo a la designación de la norma utilizada. En este diagrama, todos los elementos que forman parte de la unidad se ven en el interior de una línea a trazos que esquematiza el recinto donde se encuentran alojados. La Figura 106 muestra el diagrama ilustrativo de conexiones para un arrancador de motor trifásico con inversión de marcha, protección térmica de sobrecarga y mando por pulsadores. Como puede observarse, en el tablero de contactores se ilustra la localización física relativa de los conductores, de las bobinas y contactos de los contactores, del relé de sobrecarga, y de las borneras que facilitan la conexión del tablero con la caja de pulsadores. Téngase presente que en la práctica, se da información complementaria sobre la ubicación espacial de las canaletas portacables y sobre el conexionado de los elementos ubicados en el recinto que aloja los contactos. Nótese la fácil realización del diagrama de conexiones a partir del diagrama elemental o esquemático, si en este se han marcado e identificado adecuadamente todos los terminales de los elementos y los cables de conexionado. Como ya se indicó, puede verificarse que el diagrama de conexiones se ha estructurado a partir del diagrama elemental del circuito asociado al motor, el cual 247 se modificó, asignándole a los cables, bornes y terminales un código de identificación normalizado a partir del cual se facilita el cableado e identificación de partes y componentes. El diagrama de conexiones debe mostrar el sistema tal como lo encuentra el instalador en la realidad; si la conexión es trasera, será una vista posterior; si se trata de una conexión delantera, la vista será la anterior. Al igual, se distinguirá siempre entre el circuito de potencia (línea gruesa) y el circuito de control (línea delgada). Debe tenerse presente que los elementos se han de disponer en forma tal, que el cableado sea tan sencillo, directo y mínimo como sea posible. En la Figura 107, se ilustran dos diagramas de conexionado para un arrancador estrella – triangulo, mediante mando por combinador de tambor (Master Switch); y para un conmutador de voltímetro de cuatro posiciones, según indicaciones IEC. Obsérvese que el diagrama de conexiones no es apropiado para interpretar el funcionamiento de un circuito; para ello, debe recurrirse siempre al diagrama elemental o esquema de principio. 248 Figura 106. Diagrama ilustrativo de conexiones. 249 Figura 107. Diagrama de conexiones (de cableado) para un motor trifásico y un conmutador de voltímetro. Existe un caso especial del diagrama de conexión, llamado Diagrama de Conexión sin hilos, derivado de la situación en la que el sistema es muy complejo, pudiendo surgir la pregunta de si se justifica la representación física de todas las conexiones. Un diagrama de conexión sin hilos muestra la disposición física general de los dispositivos en un equipo de control, sus bornes de conexión y los terminales de los tableros para el conexionado externo. Tales conexiones se muestran en forma tabulada y no por medio de líneas. Debe ser acompañado de un diagrama elemental que facilite la realización y verificación del conexionado. Normalmente cada conductor se enumera y los dispositivos que conecta se muestran en una tabla. El diagrama se complementa, en muchos casos, con especificación de un código de colores y otras convenciones. 250 Otra forma simplificada es el denominado Esquema de bornes, el cual es una figura que indica los bornes sin hacer énfasis en el cableado interno del tablero. Se acompaña generalmente del diagrama elemental, pues este sirve para verificar las conexiones. Lo indicado anteriormente se muestra en la Figura 108. Figura 108. Esquema de bornes 3.8.5 Diagrama de Interconexión Es una forma especial del diagrama de conexión que muestra solamente las conexiones externas entre las unidades de control y la maquinaria asociada, el equipo y los demás componentes externos. La Figura 109 ilustra el diagrama de interconexión para las partes de un arrancador de motor trifásico de jaula de ardilla con inversión de marcha; de acuerdo con el esquema indicado en la Figura 106. El diagrama se denomina también Diagrama de conexiones externas y como podrá observarse, resulta de gran importancia para el técnico encargado de la instalación eléctrica de los equipos y sus partes componentes. Su utilización, sin embargo, está restringida a sistemas de control complejos. Diagrama elemental 251 Figura 109. Diagrama de interconexión (esquema de bordes y conductores) 3.8.6 Diagrama de Construcción Es un diagrama que indica la forma de instalar los elementos y demás partes componentes de un equipo de control o una máquina con base en una disposición física establecida. Se elabora de acuerdo a una guía de ensamble que debe seguirse en orden y paso por paso. El propósito de este diagrama es netamente constructivo y su objetivo fundamental es mostrar la manera como se construye o ensambla un equipo en forma ordenada, simplificada y en el menor tiempo posible. Un diagrama de construcción se complementa generalmente con dibujos ilustrativos y fotografías. También, en dicho diagrama se tienen en cuenta la forma 252 y tamaño (dimensiones) de los elementos, incluyendo todo lo relacionado con cables y herrajes. 3.8.7 Diagrama de Instalación Es aquel donde se ilustra la forma de hacer la instalación física (el montaje) de los equipos, y el tendido de los conductores o cables de acometida eléctrica para la alimentación de potencia a dichos equipos. Este diagrama se confecciona exactamente con arreglo a las posiciones en un plano arquitectónico del edificio o construcción y emplea símbolos normalizados para instalaciones eléctricas que son diferentes a los símbolos para los circuitos asociados a los diagramas elementales. En un diagrama de instalación se enfatiza en la localización de los tomas de energía, las bandejas portacables, el diámetro de las tuberías para los conductores eléctricos, el calibre de los conductores, el número de los conductores por tubería y en general, en la forma de hacer la instalación y el montaje de los equipos y sus partes componentes, incluyendo la instalación de los circuitos de alumbrado y tomas corrientes para las áreas de trabajo en el sitio donde se va a ubicar la maquinaria o los equipos. 3.8.8 Bases y recintos para la ubicación de elementos Las partes eléctricas que forman el circuito de control y de potencia de un equipo o de una máquina de uso industrial se instalan e interconectan sobre una base común o soporte que tiene usualmente forma de bandeja o de bastidor (rack). 253 Después de esta fase, la bandeja con el conjunto de componentes se encierra en un recinto que según la forma y tamaño recibe el nombre de: - Caja - Tablero o gabinete - Consola Todas estas estructuras se construyen generalmente usando lámina de hierro (cold rolled). En ciertos casos se utilizan diferentes materiales tales como plástico, aluminio y acero, entre otros. Figura 110. Tablero de control, con dispositivos de señalización luminosa, pulsadores, conmutadores y medidores. Fuente: http://www.tecnolok.com.ar/archivos/espanol/cor-rebo_spa.php Todo recinto incorpora en su parte frontal una cubierta o tapa removible, o una puerta embisagrada, que facilita las tareas de reparación, inspección y mantenimiento. 254 La función principal de los recintos es: - Dar protección (en especial a las personas) contra contactos fortuitos del cuerpo humano con partes energizadas. - Dar protección a los componentes contra agua en sus diferentes manifestaciones: lluvia, goteo, salpicaduras, condensación, chorro, inmersión, granizo y hielo. - Dar protección a los componentes contra la acción del medio ambiente clima, temperatura, humedad, óxido, corrosión, humos, polvo, fibras, arenilla, atmósfera inflamable, gases explosivos, vibraciones, oscilaciones e impactos; además de insectos y animales rastreros. - Dar una visión de conjunto que armonice con el entorno y que sea agradable a la vista. - Facilitar las tareas de maniobrabilidad y monitoreo por parte del operario y las labores de inspección, mantenimiento y reparaciones por parte del personal técnico encargado para este fin. Las Cajas son recintos pequeños o medianos diseñados para alojar un número reducido de componentes. Se instalan directamente sobre la máquina o en un muro; y en casos especiales son colgantes. En su parte delantera o “panel frontal” se encuentran generalmente dispositivos de mando manual como pulsadores, dispositivos de señalización y eventualmente elementos con posibilidad de ajuste. Las denominadas cajas de pulsadores, guardamotores y programadores de ciclo etc.; son ejemplo de este tipo de recintos, los cuales por su tamaño y costo reducido se construyen con mucha frecuencia de materiales termoplásticos o duroplásticos de alta resistencia al impacto, a la llama y a los efectos del clima. 255 Los Tableros eléctricos, denominados a veces gabinetes o armarios son recintos de mayor tamaño que alojan muchos dispositivos. Los de tamaño menor generalmente se instalan sobre muro en posición vertical o inclinada para facilitar la observabilidad y maniobrabilidad por parte del operario. Este tipo de montaje se conoce con el nombre de Sobreponer. Los de gran tamaño se colocan sobre el suelo y se conocen como estructuras Autosoportadas. Estas deben realzarse del piso para evitar el contacto directo con el agua en caso de inundación. Los tableros autosoportados se construyen utilizando un soporte estructural en el cual se utilizan ángulos y perfiles metálicos que facilitan la instalación de puertas de acceso y de tapas fijas o removibles en cualquiera de las caras de la estructura. Al interior se le pueden dejar espacios o compartimientos en los cuales se deben instalar partes pre-ensambladas sobre bandejas o ciertos módulos funcionales construidos directamente en fábrica, como placas de circuito impreso o equipo electrónico especial. En general, la distribución y ubicación de los elementos en un tablero se realiza de la manera siguiente: - Elementos como relés, contactores, fusibles, relés térmicos, transformadores, controladores, electrónicos, etc., se instalan en el interior sobre bandejas. - Pulsadores, dispositivos de mando como interruptores de muletilla o palanca, dispositivos de señalización, instrumentos de medida, controladores de panel, dispositivos de ajuste y reposición, entre otros, se instalan en la parte delantera o “panel frontal” del tablero; teniendo en 256 cuenta las alturas que permitan la observabilidad y maniobrabilidad con comodidad y seguridad para los operarios. En general, los tableros deben ser ergonómicos y en su instalación se debe garantizar su conexión efectiva a tierra para minimizar el riesgo eléctrico para las personas Figura 111. Tableros de control. Fuente: http://tienda.insumosdecontrol.com/index.php?cPath=37 Por lo demás, las puertas deben emplear cerradura de llave para restringir el acceso al interior a personas no autorizadas. También es frecuente que al interior se utilicen interruptores límite o de posición que al abrir la puerta activen una lámpara interna para facilitar las tareas de inspección y mantenimiento o simplemente que desconecten la energía del equipo. En instalaciones especiales y con el fin de facilitar la supervisión de un proceso complejo, delicado o peligroso, se acostumbra localizar en un mismo sitio, o mejor, en una misma sala denominada Centro de control o Sala de control, cierto número de tableros o gabinetes dispuestos en forma ordenada. 257 Esta disposición a pesar de su costo elevado y del riesgo intrínseco que conlleva centralizar el cableado de campo, es muy utilizada en procesos continuos de fundición, en subestaciones y centrales eléctricas, y en general, donde las condiciones ambientales no son las mejores para que el personal pueda desplazarse con seguridad por el sitio donde se encuentran las máquinas. En los centros de control y aun directamente instaladas al lado de las máquinas se utilizan frecuentemente las denominadas consolas de mando, desde donde el operario; ya sea de pie o sentado, supervisa y maniobra con comodidad toda la máquina o el proceso. El nombre que se le da a este tablero autosoportado de construcción especial se debe a que es una combinación de tablero y escritorio con panel frontal, donde se encuentran instalados los dispositivos de mando, ajuste, medición y señalización. En los centros de control modernos se ha introducido el concepto de Centro de control modular y el de Estructura normalizada, donde todas las conexiones internas se efectúan en la fábrica. Como resultado de ello, se ha bajado el costo de instalación y montaje, se ha facilitado el mantenimiento y sobretodo, se le ha dado más flexibilidad al equipo para futuras modificaciones o ampliaciones. Pueden anotarse las siguientes ventajas y desventajas de tener el equipo centralizado: - Protección de todos los elementos contra la acciones del medio ambiente, ya que estos se encuentran dentro de un ambiente “confortable”. - Facilidad de supervisión, maniobra y mantenimiento, ya que el equipo no está disperso. - Flexibilidad ante futuras ampliaciones. - Mejoramiento del aspecto estético, presentándolo agradable a la vista del observador. 258 - Mayor seguridad y comodidad a los operarios por estar alejados del proceso y en ambiente confortable. - Debido a la alta concentración de cables de potencia y señal, el sistema se vuelve muy vulnerable ante posibles incendios y atentados. - El sistema se torna ruidoso por fenómenos de inducción electromagnética. - Deberán elaborarse planos con identificación clara y precisa de todos los conductores, pues de lo contrario, se corre el riesgo de perder mucho tiempo en las reparaciones y en el seguimiento de las señales. 3.9 GRADOS DE PROTECCION PARA APARATOS ELÉCTRICOS Los fabricantes de equipo eléctrico están obligados a realizar los diseños de los recintos siguiendo disposiciones de norma que buscan salvaguardar la integridad física de las personas y al mismo tiempo dar protección a los equipos contra la acción del medio ambiente donde se van a instalar con el propósito de lograr una vida útil en operación confiable y duradera. Así pues, antes de comenzar un diseño es necesario aclarar que disposiciones y normas se deberán tener en cuenta, con base en las condiciones ambientales del sitio de instalación de las máquinas y equipos, para saber a cuales se verán sometidos. Las normas de fabricación se encuentran separadas en diferentes categorías: - Normas fundamentales: generales, pero de estricto cumplimiento. - Normas constructivas: materiales, presentación física y acabados. - Normas sobre equipamiento: según el tipo de dispositivos a utilizar. - Normas de montaje: ubicación de partes, cableados y conexiones de tierra, entre otros. - Normas de verificación: para realizar pruebas y ensayos. 259 Dentro de las normas fundamentales se establece que todos los equipos eléctricos deben estar convenientemente instalados y acondicionados para dar protección a las personas y a los animales contra contactos directos e indirectos. Para ello el fabricante tendrá que definir en el diseño algunos de los siguientes aspectos: - La tensión de funcionamiento. - El aislamiento entre partes activas. - La protección con tapas o envolventes. - La protección con obstáculos. - La protección por distancia. - La protección mediante la desconexión o señalización. - La protección mediante aislamiento total. - Otros. En general, la protección debe quedar garantizada por el equipamiento en sí mismo y/o la aplicación de medidas de protección realizadas durante o después de la instalación y montaje del equipo. Para que todo funcione bien, como lo definen y exigen las normas, los fabricantes e ingenieros de diseño, instalación y montaje necesitan información precisa y confiable en relación con las condiciones de servicio de los equipos. 3.10 GRADOS DE PROTECCION POR MEDIO DE CUBIERTAS (CODIGO IP) Los grados de protección por medio de carcasas, cubiertas o envolventes, conocidas como Grados de protección IP ya han sido normalizados de manera uniforme en casi todo el mundo desde el año 1992. Esta norma ha sido publicada como la norma IEC 529 la cual fue también adoptada sin modificaciones por la 260 norma europea EN 60529 a partir del mismo año, y por el instituto de Normalización Alemana como la norma DIN/VDE 0470 – 1 de 1992. Tabla 5. Tabla de Código IP. 261 En la tabla 5 se muestra la disposición y el significado del código internacional IP como hoy se aplica. Ejemplos: - IP23CM: (2) protección a las personas y contra la penetración de elementos de >12,5 mm de diámetro, (3) protege al equipo en el interior contra el agua proyectada de cualquier dirección, agua rociada, máximo 60°, (C) Protege a las personas contra el acceso a herramientas, alambres etc., con diámetro o espesor superior a 2,5 mm, (M) se ensaya , para garantizar la protección contra los efectos perjudiciales causados por la penetración de agua, estando sus partes móviles en movimiento. - IPX5: (X) la protección contra cuerpos extraños no se considera, (5) protección contra chorros de agua. En la Figura 112 se ilustran varias formas constructivas donde se muestran diferentes tipos de encerramiento para lograr diferentes grados de protección IP. Las normas americanas (Estados Unidos y Canadá) difieren apreciablemente de las normas de protección internacional y en general no es posible efectuar una comparación exacta ya que el ensayo de protección y los criterios de análisis son diferentes. La NEMA ha clasificado las cubiertas o recintos en trece tipos, los cuales a su vez pueden asociar una letra para designar grupos con variantes constructivas significativas. En la tabla 35 del ANEXO A se presenta información de tipo comparativo sobre la normatividad americana e internacional en este aspecto. 262 Para uso general en interiores se utilizan normalmente cajas o recintos del tipo NEMA 1 que tienen cierto grado de equivalencia con la protección IP20. Para uso industrial se usa el recinto NEMA 4 y NEMA 4X, para dar protección contra el polvo y agua; estos recintos tienen una equivalencia internacional IP65. Para atmósferas explosivas o inflamables se utilizan normas complementarias del NEC y la NFPA americana, las cuales clasifican las atmósferas en grupos según el grado de peligrosidad; aspectos importantísimos que deben considerarse antes de iniciar la construcción de cualquier recinto. Figura 112. Ilustración de tipos de encerramiento para diferentes grados de protección IP 263 En Figura 113 se ilustran tomacorrientes construidos con alto grado de protección. En ella se visualizan cierres herméticos con empaquetaduras de caucho que impiden la entrada de agua y el contacto con partes energizadas. Figura 113. Dispositivos con protección IP55. Fuente: http://www.avecolombiana.com.co/?opt=store&sub=699&cat=12 3.11 INDICACIONES PARA EL ENSAMBLAJE DE EQUIPOS DE CONTROL Los elementos principalmente utilizados para la construcción de las bases o soportes donde se disponen elementos de potencia y control son: una lámina de hierro estirada en frío (cold rolled), lamina de aluminio o acero, y tejidos prensados con base de resinas fenólicas. La lámina de hierro es el material más usado, básicamente por su costo moderado, su alta resistencia mecánica y por el hecho de poder conectarse a tierra. Para el alambrado de control se utiliza cable multifilar #12, #14 y #16 AWG, normalmente con aislamiento termoplástico para 600 V. Frecuentemente se usa el siguiente código de colores: - Negro o gris: Para el cableado de circuitos de potencia y control en corriente alterna. 264 - Rojo (+) y negro (-): Para la alimentación de circuitos de corriente directa. - Blanco y azul. Ordinariamente para circuitos de distribución o conexión de instrumentos de medida. - Verde: Para conexión de tierra. Las conexiones del circuito de potencia se efectúan mediante barraje de cobre o por cable aislado, según la conveniencia. Aunque no existen normas generales, habrá de tenerse en cuenta como orientación al efectuar el diseño del panel o tablero, las siguientes consideraciones: - El tamaño: Lógicamente, mientras más pequeño sea el panel o el tablero, será más económico y ocupara menos espacio, pero siempre han de considerarse distancias mínimas. - El aspecto: Aunque no se pretende que el panel o el tablero sea una obra de arte, la disposición simétrica y ordenada de los componentes es útil para facilitar verificaciones de campo y el mantenimiento. - Las conexiones internas: Han de ser tan cortas y tan rectas como sea posible. Se recomienda el empleo de canalizaciones plásticas de distribución por las cuales se llevan los conductores que se derivan fácilmente a los puntos de conexión. - Las conexiones externas: Han de realizarse en puntos de fácil acceso y empleando borneras terminales. - Bornes, terminales y conductores deben marcarse de acuerdo con las normas, según se indicó anteriormente. En la Figura 114 se ilustran dos presentaciones físicas de tableros construidos siguiendo indicaciones o recomendaciones de norma y en la Figura 115 se ilustra 265 un tablero de uso industrial antiguo. De igual manera existen tableros que no cumplen con las normas como se muestra en la Figura 116. Figura 114. Tableros eléctricos de uso industrial Fuente: http://www.sistelat.com/emsanbledetableroselectronicos.html Figura 115. Tablero eléctrico de uso industrial antiguo (sin consideraciones de riesgo, según normas actuales). Fuente: http://electrocomercialcastro.blogspot.com/ 266 Figura 116. Tableros eléctricos de uso industrial sin cumplimiento de normas Fuente: http://www.afinidadelectrica.com.ar/articulo.php?IdArticulo=32 La disposición de los elementos en el recinto se efectúa de acuerdo con las normas adecuadas y utilitarias para el caso en particular, así: - Los dispositivos de mayor peso se colocaron en la parte inferior. - Los dispositivos con fluido líquido se dispondrán en la parte inferior para que en caso de presentarse goteras no afecten otros componentes. - Los elementos que requieren ajuste se han de situar a una altura tal que este se facilite. - Los interruptores de palanca han de abrir hacia abajo, a una altura tal que sea apropiada para su accionamiento. Los fusibles siempre han de ir en el lado de la carga para permitir su reposición con seguridad. - Los instrumentos de medida se colocarán a la altura de la vista. - Los elementos sensibles al calor o cambios de temperatura, se situarán en la parte inferior del recinto para evitar que el calor generado por otros dispositivos los afecte. - Los contactores que generen arco se dispondrán en la parte superior para impedir que este se propague hacia otros componentes. 267 Figura 117. Montaje de elementos sobre bastidor siguiendo indicaciones de norma. Fuente: http://www.elmundo.es/elmundo/2012/05/14/paisvasco/1336980408.html Se recomienda para el diseño de los paneles el uso de plantillas para definir previamente la correcta posición y fijación de los componentes. En la Figura 117 se ilustra un tablero de control móvil (tipo bastidor) para realizar pruebas de campo a motores en el sitio de instalación, sin necesidad de desmontarlos. 3.12 INSTALACIONES ELÉCTRICAS INDUSTRIALES La energía eléctrica llega a una industria a través de un alimentador principal y generalmente a un nivel de tensión elevado que no es el indicado para la alimentación de las cargas. Allí, en el sitio conocido como una subestación, se acondicionan los niveles de tensión de la red para la distribución a los diferentes puntos de aprovechamiento. 268 En toda subestación industrial se encuentran, entre otros, los siguientes elementos básicos: - Transformadores reductores de tensión de gran capacidad. - Dispositivos de protección (fusibles, pararrayos, etc.), como el ilustrado en la Figura 118. - Dispositivos de maniobra (seccionadores, interruptores, etc.), como el ilustrado en la Figura 118. - Dispositivos de medida (voltímetros, amperímetros, contadores de energía, kilovatímetros, medidores de factor de potencia, etc.), o instrumentos universales como el indicado en la Figura 119. - Dispositivos de señalización y alarmas, como el ilustrado en la Figura 120 Figura 118. Dispositivos de protección y maniobra. Fuente: http://medellin.olx.com.co/dps-suprexor-protector-contra-efectos-del-rayo-iid-222448043 269 Figura 119. Dispositivo de medida digital tipo UDI. Fuente: http://n-tel.com.ua/doc/sum/SML_SMM_and_SMN33-Manual-v4-eng.pdf Figura 120. Panel anunciador de alarmas. Fuente: http://www.boherdi.com/boherdi/detalle.php?id=31 3.12.1 Cargas industriales Estas se clasifican en: - Cargas no esenciales - Cargas esenciales (denominadas también como cargas de emergencia) Las cargas esenciales se clasifican en dos categorías: - Cargas de reservas legal - Cargas de reserva opcional 270 3.12.1.1 Cargas no esenciales Estas cargas son aquellas que no intervienen directamente en el proceso productivo y su conexión o desconexión no afecta el desarrollo de las actividades importantes de la empresa ni la seguridad e integridad física de las personas. Algunas cargas no esenciales son: el alumbrado de exteriores, escaleras eléctricas, algunos ascensores, algunos sistemas de aire acondicionado, etc. Las cargas no esenciales pueden permanecer sin servicio de energía por tiempos prolongados, como los originados por racionamiento, reparaciones en la red y en general cualquier anomalía que implique la suspensión del servicio de energía. 3.12.1.2 Cargas esenciales Éstas son conocidas también como cargas de emergencia, las cuales son cargas que por su naturaleza requieren la disponibilidad permanente de un suministro ininterrumpido de energía, o en casos especiales, con interrupciones de muy corta duración (pocos segundos o minutos). 3.12.1.2.1 Cargas esenciales de reserva opcional Son cargas que define el usuario o propietario de la instalación, y representan cargas asociadas directamente al proceso productivo, para las cuales debe garantizarse un servicio continuo de energía, con el propósito de minimizar perdida de materia prima o de productos terminados, y en general daños en maquinaria o incumplimiento de entregas. 271 Son cargas esenciales de reserva opcional, por ejemplo: Equipos de refrigeración para la conservación de alimentos como carnes, productos congelados, etc. procesos de calentamiento y fusión de materiales termoplásticos; centros de cómputo, etc. Se consideran también cargas esenciales de reserva opcional aquellas que sin estar conectadas deben tener la disponibilidad inmediata de energía, como por ejemplo bombas de agua, extractores de humo y olores, compresores de aire, etc. Algunas cargas de reserva opcional, asociadas a cajeros electrónicos, centros de cómputo y sistemas de alarma (en bancos, centros comerciales, supermercados, etc.), son críticas y requieren también la disponibilidad permanente de energía. 3.12.1.2.2 Cargas de reserva legal Son aquellas que por ley o reglamentación oficial deben tener disponibilidad inmediata de una fuente de energía con el propósito de salvaguardar la integridad física de las personas y animales, y la preservación del medio ambiente. Ejemplos de estas cargas son: sistemas de alumbrado de emergencia para facilitar la evacuación de personas, sistemas de alarma contra incendio, máquinas elevadoras de personal en minas de profundidad, quirófanos, unidades de cuidados intensivos y especiales, salas de neonatos, pistas de aterrizajes y torres de control de aeropuertos. etc. Dentro de las cargas de reserva legal, algunas designadas con el nombre de carga críticas, no admiten la interrupción del servicio de energía; como es el caso de los quirófanos y unidades de cuidados intensivos y especiales, incluida la sala de neonatos. En la práctica, estos casos son atendidos por fuentes ininterrumpidas de potencia, conocidas comúnmente con el nombre de UPS’s. 272 Igual situación se presenta con algunas cargas, especialmente en minas de profundidad y en instalaciones de alumbrado y radiocomunicación en aeropuertos. Para atender la solicitud de energía que demandan las cargas esenciales y en particular las cargas críticas se recurre generalmente al empleo de un segundo alimentador o de un grupo electrógeno, el cual se ilustra en la Figura 121, estos últimos pueden atender la carga mediante el empleo de un interruptor de transferencia de carga de operación manual o automática, como se indica en la Figura 122 a y b. Figura 121. Grupo electrógeno (con cabina insonorizada) para respaldo de energía (tipo stand-by). Fuente: http://www.directindustry.es/prod/gesan/grupos-electrogenos-diesel-capo-e-insonorizados- 18701-695907.html 273 274 Figura 122. a) Sistema de distribución de energía con respaldo para la totalidad de la carga. b) Sistema de distribución de energía con respaldo para cargas esenciales únicamente. 275 Existe una diferencia fundamental entre los dos sistemas de alimentación de carga mostrados anteriormente. De acuerdo con la Figura 122 a, toda la carga de la empresa industrial tiene asegurada la disponibilidad de energía; no importa si dichas cargas son esenciales o no. Esta disposición es costosa ya que el grupo electrógeno y los equipos de maniobra sobre la carga resultan de gran capacidad y tamaño y se demanda más cantidad de combustible. Esta situación se presenta generalmente en industrias en las cuales no se tuvo en cuenta el empleo de un segundo alimentador al diseñar la instalación eléctrica de la planta. Aquí la reforma de las instalaciones para separar las cargas no esenciales y esenciales resulta prácticamente imposible, dado lo exagerado del costo; de tal forma que deben desconectarse manualmente las cargas no esenciales si ha de recurrirse al empleo de un grupo electrógeno con capacidad para atender únicamente las cargas esenciales. 3.12.2 Tableros eléctricos El interruptor de transferencia, instalado en un recinto conocido como TTC: Tablero de Transferencia de Carga, conecta la carga sólo a uno de los alimentadores ya sea la red normal o el grupo electrógeno. Los circuitos de carga se conectan de un barraje general ubicado en el tablero de distribución principal (TD) desde el cual salen las acometidas eléctricas con las respectivas protecciones de sobrecarga y cortocircuito que proveen los breakers o interruptores automáticos totalizadores (CB). De la Figura 122 se aprecia claramente que el grupo electrógeno solo maneja las cargas esenciales cuya alimentación principal viene de un interruptor totalizador instalado en el tablero de distribución principal. Para cargas críticas que no admiten interrupción del servicio 276 de energía; estas se deben conectar a través de una UPS con suficiente respaldo o autonomía en tiempo. Figura 123. Tableros de distribución principal. Fuente: http://www.editores-srl.com.ar/taxonomy/term/1183 En los tableros de distribución, como se ilustra en la Figura 123, pueden incorporarse además de los interruptores de protección los siguientes dispositivos: - Transformadores de corriente y de potencial para medida. - Amperímetros, voltímetros, cosenofimetros e incluso kilovatímetros y contadores de energía. - Conmutadores o selectores de amperímetro y/o voltímetro. - Dispositivos de señalización y alarma. Las cargas esenciales o de emergencia se podrán alimentar de un segundo tablero de distribución de área o de zona que incorpora un interruptor totalizador (opcional) y los respectivos interruptores automáticos para cada carga o circuito. 277 En una instalación industrial se dispone de muchos otros tableros diferentes de los de distribución o de transferencia para llevar la energía a las cargas. Los más utilizados son: - Tablero de fuerza motriz (TFM) - Tablero arrancador de motor (TAM) - Tablero centralizado para control de motores (CCM) - Tablero de control (TC) - Tablero multibreaker (TMB) - Tablero de medida (TM) - Consola de mando (CM) - Tablero de señalización y alarmas (TSA) Los Tableros de fuerza motriz tienen una estructura interna similar a la de los tableros de distribución. De ellos se derivan las acometidas a las máquinas y los equipos de una zona o área de producción de la empresa. Además del interruptor totalizador de la máquina, puede incorporar dispositivos de señalización y medida, incluidos contadores de energía para cada máquina o grupo de estas. Se alimentan de una acometida proveniente de un tablero de distribución. 3.12.2.1 Tableros Arrancadores de Motor Son unidades de tipo electromagnético o electrónico que incorporan dispositivos de protección, de mando y de maniobra o regulación; incluidos elementos de señalización y medida, para operar directamente sobre un motor aislado. Se 278 utilizan para la maniobra sobre bombas, compresores, extractores de gases, molinos, entre otros. La alimentación se obtiene de una acometida eléctrica que se deriva del barraje de un tablero de distribución de área o también de un tablero de fuerza motriz. 3.12.2.2 Tableros de Control Centralizado de Motores son estructuras de gran tamaño en las cuales se tienen compartimientos donde se alojan arrancadores de motor independientes que utilizan los mismos componentes que incorpora un TAM, los cuales se conectan a un alimentador de red común que incorpora un interruptor totalizador. Esta disposición es muy conveniente cuando se tienen grupos de motores concentrados en un área de proceso y se requiere de una buena supervisión y fácil maniobrabilidad por parte de los operarios. La alimentación proviene del tablero de distribución de área o zona más cercano. 3.12.2.3 Tableros de control Son aquellos desde los cuales se hace el mando y la supervisión de una maquina o equipo por parte de un operario. La mayoría son de sobreponer y en algunos casos tienen forma de consola de mando, tipo pupitre o escritorio. Generalmente estos tableros son construidos de fábrica y vienen incorporados directamente con la máquina. 279 3.12.2.4 Tableros multibreaker Éstos se reparten por todas las áreas con el propósito de alimentar los diferentes circuitos de alumbrado y tomacorrientes en áreas comunes, oficinas, centros de cómputo, talleres, etc. La alimentación proviene del tablero de distribución de zona más cercano. Generalmente son del tipo de sobreponer. 3.13 ACOMETIDAS ELÉCTRICAS Se denominan acometidas eléctricas al tendido de conductores principales que llevan la energía eléctrica desde un tablero alimentador hasta un equipo, máquina o en general una carga. Las acometidas eléctricas se llevan generalmente por: - Tuberías - Bandejas portacables - Cárcamos - Canaletas con tapa - Blindobarras Figura 124. Acometidas eléctricas por tubería y bandeja portacables. Fuente: http://bugalagrande.olx.com.co/bandeja-portacable-tipo-malla-iid-153870009 280 3.13.1 Tubería El tendido de la tubería se hace expuesto sobre techo o muro con el propósito de facilitar el mantenimiento de la red y posibilitar futuras ampliaciones como se ilustra en la Figura 124. El empleo de tuberías rígidas o flexibles se realiza para acometidas menores, en las cuales el número de cables es reducido. Se emplea usualmente tubería plástica (PVC), tubería metálica de acero (EMT) o tubería galvanizada (IMC). Esta tubería se conoce como tipo conduit. El tendido de la tubería se hace expuesto sobre techo o muro con el propósito de facilitar el mantenimiento de la red y posibilitar futuras ampliaciones. 3.13.2 Bandejas portacables Estas son ampliamente utilizadas, son estructuras en forma de escalera que se ensamblan por tramos y se llevan por todos los puntos de la fábrica donde sea necesario (ver Figura 124); soportándolas sobre muro o techo con herrajes esenciales que se diseñan para esa aplicación, las hay de dos tipos principalmente como se ilustra en la Figura 125. Las bandejas no solo se usan para guiar las acometidas principales, también son el medio ideal para soportar conductores que llevan señales de mando y la energía a las cargas directamente desde el tablero de control. Con este tipo de montaje resulta fácil inspeccionar la instalación y hacer modificaciones y ampliaciones cuando sea necesario. 281 Figura 125. Tipos de bandeja portacables. Fuente: http://www.brasil.cablofil.com/content.aspx?page=64&section=2&language=3 3.13.3 Cárcamos Los cárcamos son construcciones en el piso en forma de pequeños “canales” que sirven para llevar las acometidas entre los tableros o entre un tablero y una máquina. Se utilizan para tramos cortos y en general cuando el espacio disponible no permite el empleo de bandejas portacables. Los conductores se soportan sobre varillas metálicas como muestra la Figura 126, con el propósito de evitar el contacto directo de los mismos con agua u otros líquidos que puedan correr por el piso en caso de inundaciones o derrames. El acceso se hace levantando la tapa que cubre el cárcamo. La utilización de cárcamos tiene una ventaja, no se requieren herrajes ni estructuras especiales de montaje. 282 Figura 126. Tendido de conductores por cárcamo. 3.13.4 Canaletas con tapa Son utilizadas generalmente para llevar conductores de señal o control que son sensibles a los efectos de inducción electromagnética y a los fenómenos de conmutación de las cargas eléctricas de la empresa. Se construyen de materiales termoplásticos, como se ilustra en Figura 127, o de lámina de hierro. Al tapar la canaleta se consigue un efecto de blindaje electrostático y electromagnético que evita la inducción de cargas eléctricas y campos magnéticos en los conductores que llevan las señales de bajo nivel. Figura 127. Canaleta termoplástica con tapa. Fuente: http://www.sergiozuniga.cl/02/como_puedo/indice.htm 283 3.13.5 Blindobarras El sistema de Blindobarras (ver Figura 129) es definido por NEMA como un “Sistema de distribución eléctrica mediante elementos prefabricados compuesto por ramales de barras recubiertos de una carcasa protectora, incluyendo tramos rectos, ángulos, dispositivos y accesorios". Normalmente las Blindobarras se conectan a uno o varios transformadores. Los barrajes pueden ser de aluminio o cobre, estos son envueltos en una cinta dieléctrica que los mantiene unidos, posteriormente se instalan dentro de un cerramiento que les brinda protección y soporte, como se ilustra en la Figura 128. Figura 128. Barrajes de un sistema de Blindobarras. Fuente: http://www.electroingenieria.com/productos/baja_tension/main_bajatension.html 284 Figura 129. Sistema de distribución de energía con Blindobarras. Fuente: http://www.blindobarras.com/ Las Blindobarras pueden ser categorizadas en dos tipos: - Blindobarras de Distribución: Son las más utilizadas para distribuir potencia a un área determinada. Éstas pueden ser verticales, horizontales o combinación de las anteriores. - Blindobarras de Potencia: Se utilizan para la interconexión entre tableros conmutadores o entre conmutador y transformador. Los sistemas de Blindobarras son más económicos usarlos especialmente para altas corrientes, donde se necesitan múltiples conductores para transportar la corriente nominal y cumplir con los requerimientos de regulación de tensión. 285 Las ventajas de este sistema son: • Seguridad: Cuando se utilizan las barras apropiadas para su diseño eléctrico, las posibilidades de fallas, incluyendo incendios, se reducen a menos de un 10% en comparación con los sistemas tradicionales. • Versatilidad: Las derivaciones, incluyendo circuitos ramales, se pueden realizar en cualquier momento, a una fracción de lo que costarían con sistemas tradicionales y en muy corto tiempo. Su simplicidad lo hace comparable con conectar y desconectar un tomacorriente pero con la capacidad eléctrica de un sistema industrial. • Inversión: Las instalaciones con blindobarras, también conocidas como electrobarras pueden ser mucho más económicas que los sistemas tradicionales, pueden ser desmanteladas y reubicadas aprovechando 100% el material. Este hecho convierte a la instalación eléctrica en un activo fijo 100% reutilizable. REGRESAR AL INICIO DEL DOCUMENTO….. 286 CAPÍTULO 4 CONTROL DE MOTORES ELÉCTRICOS Y DE OTRAS CARGAS INDUSTRIALES 4.1 INTRODUCIÓN Parece difícil ante la cantidad de soluciones existentes para problemas específicos, establecer un método ordenado de estudio para este tema. El asunto es de mayor gravedad, ante el comportamiento dinámico de los sistemas de control puesto que los problemas son cada día más críticos y las soluciones más variadas. Un posible método es estudiar independientemente el circuito de control de un motor asociado a una máquina; pero esto nos lleva, en último término, a particularizar la solución del problema. Lo correcto para abordar el estudio de los circuitos con motores es adoptar un método general que gradualmente nos lleve a una familiarización completa con la máquina o el equipo, y nos permita asumir la intervención que se requiera. Para ello es necesario: - Conocer las funciones básicas a realizar sobre la máquina y su ciclo de trabajo. Estos aspectos definen la clase de servicio para la selección de los de los contactores que manejan las cargas de la máquina. - Familiarizarse con las formas de realizar tales funciones. - Conocer los dispositivos y los elementos de carga de la máquina. Para abordar los diseños debe tenerse conciencia del papel que debe desempeñar el ingeniero. 287 La ingeniería de control maneja el uso de los conceptos y técnicas requeridas para ensamblar un grupo de dispositivos e interconectarlos de modo que el sistema resultante realice una función dada en forma aceptable. El principio de acción de la ingeniería de control puede resumirse en tres preguntas que ha de formularse siempre el ingeniero de control: ¿Cuáles son las funciones a realizar? ¿Con cuales dispositivos se han de efectuar? ¿Cómo operan estas funciones y componentes en el sistema: Control-Motor- Máquina? Resueltas estas cuestiones, se pasa a la síntesis y diseño. A la habilidad de dirigir un problema de control según estas directrices, va unida la necesidad de usar los componentes disponibles en la mejor forma, ya que generalmente no es posible utilizar nuevos componentes para cada instalación. Esto es cierto en los aspectos relativos a la máquina, que desafortunadamente no siempre se construye desde el punto de vista de la controlabilidad. En este capítulo se enfatiza en los factores que deben considerarse para que la maquinaria industrial y sus cargas asociadas puedan realizar la tarea de control que de ellas se tiene prevista, teniendo en cuenta los dispositivos, el operador, la carga y la máquina. También se hace énfasis en las funciones básicas de control de los motores, en el diseño circuital y en los criterios técnicos de selección para todos los dispositivos asociados al sistema de control. 288 4.2 FACTORES A CONSIDERAR EN EL DISEÑO DE UNA INSTALACIÓN Teniendo presente que un equipo industrial es un conjunto que se encuentra integrado en términos generales por Máquina-Motor-Control (ver Figura 130)), la operación del sistema dependerá de la interrelación adecuada entre los componentes indicados. Figura 130. Máquina, control, motor. Fuente: http://buenos-aires.all.biz/fideeras-russo-srl-e10033 Así, los principales factores a considerar en el estudio de la elección de un sistema de control industrial dado son, en orden más o menos lógico: 289 - La máquina o equipo (Ver Figura 131) Figura 131. Máquina. Fuente: http://www.solostocks.com/venta-productos/maquinas-herramienta-metal/tornos/torno- reconstruido-amutio-cazeneuve-hb575x3000-con-ce-6176428 - La fuente de energía disponible (tensión de alimentación), tipo de corriente, número de fases y capacidad en KVA (Ver Figura 132) Figura 132. Fuente de energía disponible por medio de transformador acondicionador. Fuente: http://www.directindustry.es/prod/chint-electric-co-ltd/transformadores-distribucion- inmersos-aceite-69106-583754.html 290 - El motor u otra carga asociada (Ver Figura 133) Figura 133. Motor. Fuente: http://www.energiaycontrol.com.mx/index.php?option=com_ content&view=article&id=49&Itemid=66 - El operador y el dispositivo de control (Ver Figura 134) Figura 134. Operador y dispositivo de control. Fuente: http://www.emb.cl/electroindustria/articulo.mvc?xid=2020 291 Asociado a toda máquina o equipo existe un documento conocido con el nombre de manual de instrucciones. Este documento lo suministra el fabricante al comprador y en él se tiene consignada información técnica muy importante y necesaria para que el “usuario” (operadores, personal técnico de mantenimiento y personal administrativo) pueda abordar con propiedad todos los aspectos relacionados con la instalación y el montaje, la puesta en servicio y ajustes, la operación y el mantenimiento y la comunicación efectiva con el fabricante o empresas representantes del mismo, con el propósito de adquirir suministros y repuestos, o aclarar aspectos varios asociados a la maquina o equipo, incluido el soporte técnico y garantías. En principio, todo manual incluye y debe incluir información relativa a: - Identificación de la maquina: fabricante, nombre, tipo, modelo, características y especificaciones. - Esquemas ilustrativos y fotografías de la máquina y sus partes. - Diagramas de tipo eléctrico (de bloques, unifilar, elemental o de principio, conexiones, interconexión e instalación y montaje). - Diagramas de tipo mecánico, instrumentación e instalación y montaje. - Explicación completa y detallada de la operación, ajustes y puesta en servicio. - Indicaciones precisas para dar solución a los problemas más comunes que pueda presentar la máquina. - Indicaciones sobre el mantenimiento (guías y rutinas). - Referencias comerciales sobre los insumos o repuestos de la máquina. - Direcciones, teléfonos, correos electrónicos y páginas web para servicio al cliente. En cuanto al motor, habrán de considerarse todos los factores relacionados con la fuente de alimentación y el grado de controlabilidad y regulabilidad que ofrece el 292 motor, asociados estos aspectos a las funciones de: arranque, paro, inversión de marcha, aceleración, frenado y regulación de velocidad, incluidos los dispositivos de protección y seguridad. Así mismo, debe considerarse para los contactores que hacen la maniobra de conexión-desconexión del motor la clase de servicio, asociada ésta a las funciones o tareas que debe ejecutar el motor sobre la maquina o el equipo. El tipo de corriente está íntimamente ligado con el motor. Puede quedar impuesto por la necesidad de usar una clase dada de motor o viceversa. Normalmente, para cada caso, es posible encontrar el tipo de motor adecuado. En caso contrario, es necesario efectuar una conversión: rectificación, inversión o cambio de frecuencia. También es necesario el conocimiento de sus especificaciones y características con el objeto de obtener su máximo rendimiento. Los motores de inducción de CA son de diseño simple, confiables y económicos y adicionalmente la casi universal disponibilidad de potencia trifásica, los hace de uso muy frecuente, pero solo para aplicaciones básicas dadas sus características limitadas de poca regulabilidad. Los motores de CD no son de uso generalizado debido a su costo y mantenimiento. Se emplean para propósitos especiales donde se requiere amplia regulabilidad y controlabilidad. La asignación de funciones al operador está asociada a la máquina y su grado de complejidad. En principio dependen de la responsabilidad que se le quiera conferir. Vienen dictadas por la seguridad requerida, la importancia de los posibles daños, de un nivel mínimo de capacitación, de su formación académica y experiencia, y del número de otras instalaciones que debe supervisar y manejar. 293 Conocidos los factores anteriores, se elige el control, el cual, si es sencillo, puede escogerse directamente de catálogo. Si es especial, habrá de diseñarse utilizando los dispositivos con los cuales se dispone comercialmente. 4.3 REQUISITOS DE UN SISTEMA DE CONTROL Sea un sistema simple o complejo, su diseño debe llenar los siguientes requisitos: - Buen diseño; en el sentido de cumplir las especificaciones descritas. - Sencillez: deben tener excelente acabado, con un número mínimo de componentes y un cableado ordenado. - Fácil mantenimiento: sus partes y componentes deben ser fácilmente ajustables, separables y reemplazables. - De fácil operación y puesta en servicio. - Su seguridad operativa debe ser razonable y continua en condiciones normales y deben “fallar con seguridad” en condiciones anormales. Se aplica este concepto, por ejemplo, cuando un fusible se quema ante un evento de cortocircuito, sin que se destruya al mismo tiempo el portafusible que lo contiene. Ello se consigue, si el fusible se definió correctamente al especificar su capacidad disruptiva. 4.4 TIPOS DE SISTEMAS DE CONTROL DE MOTORES - Según la demanda de energía, el sitio de la instalación, el tipo de procesos a realizar y las condiciones de seguridad que se exigen en la instalación, el sistema de control puede ser: Centralizado o Distribuido. 294 - Según la función a realizar y el grado de complejidad del sistema de control este puede ser: Manual, Semiautomático o Automático. 4.4.1 Control manual En este tipo de control todas las funciones básicas son realizadas por dispositivos operados a mano, (ver Figura 135). El más simple será un interruptor de cuchilla con fusible; el más popular será el arrancador manual a pleno voltaje para motores pequeños. Uno de apariencia más complicada, será un arrancador manual estrella-delta que emplee combinador de tambor, etc. Figura 135. Interruptor sencillo de cuchilla con portafusible incorporado. Fuente: industria.siemens.com.mx/Construcci%C3%B3n/html/interruptores%20de%20seguridad 295 4.4.2 Control semiautomático En éste control las funciones son realizadas automáticamente. En general, incorporan un arrancador magnético y uno o varios dispositivos de mando manuales; siendo los más comunes los pulsadores. De esta manera, se incrementa la flexibilidad en la posición del control, ya que el operador inicia el mando del proceso desde una localización remota con respecto al sitio de funcionamiento. Como ejemplo, puede citarse el circuito de control para inversión de marcha de un motor de jaula de ardilla; el cual se estudia más adelante en este capítulo. 4.4.3 Control automático En éste tipo de control el arrancador eléctrico está actuado por uno o varios dispositivos de mando automáticos, pudiendo ser el arranque inicial, automático o manual. El circuito de control de nivel, mostrado en la Figura 98, es un ejemplo ilustrativo de este tipo de control. Resumiendo: en el control manual el operador debe ir hasta la localización física para iniciar la operación de la máquina y controlarla directamente para que ejecute las tareas que deben realizarse; en el control semiautomático, parte de las acciones de control las realiza el operario y el resto son de actuación automática. En el sistema automático se elimina el operador y este solo inicia la puesta en servicio y supervisa. 296 4.5 FUNCIONES DE UN SISTEMA DE CONTROL DE MOTORES Básicamente, un sistema de control de motores ha de tener las siguientes características: - Arrancar y detener el motor conectándolo y desconectándolo directamente de la línea, mediante el empleo de contactores y dispositivos de mando manuales o automáticos. - Ofrecer protección de cortocircuito y sobrecorriente para asegurar el correcto funcionamiento del motor, de los circuitos asociados y del operador. Pueden incluirse también otras protecciones para bajo y alto voltaje, inversión de secuencia, etc. Además, debe ofrecer la posibilidad de que el motor realice cualquiera de las tareas que sean necesarias para la máquina, como: - Funcionamiento a pasos o pulsación: Con el propósito de obtener a criterio del operario pequeños movimientos del sistema que es arrastrado. - Inversión de marcha: Para cambiar el sentido de giro o rotación del motor cuando sea necesario. - Frenar el motor: Al efectuar la desconexión, al final de su recorrido o en un punto determinado, de acuerdo con requisitos impuestos por el sistema. - Variación y rregulación de la velocidad del motor; ya sea por encima o por debajo de la nominal, en forma continua o escalonada. - Aceleración del motor, con el propósito de limitar la corriente de arranque, limitar el torque y limitar la caída de tensión en la línea. 297 4.6 CIRCUITOS BÁSICOS DE CONTROL DE MOTORES 4.6.1 Circuitos para conexión y desconexión (arranque-paro) de cargas motor a la red En la Figura 136, se ilustran dos circuitos de potencia para la maniobra de conexión-desconexión de uno y de dos motores eléctricos. Figura 136. Circuitos básicos de potencia para la operación de arranque-paro con motores eléctricos. En la Figura 137 se ilustran varios circuitos de control (1-14), utilizando simbología ANSI, que permiten la maniobra a plena tensión sobre uno o dos motores trifásicos de jaula de ardilla, tal como lo muestra la Figura 136. Cada motor incorpora la protección básica de sobrecarga por medio de un relé térmico o electrónico (1OL, 1OL – 2OL). La actuación de dicho relé abre el contacto 1OL (o 2OL) que se encuentra al lado de la bobina del contactor de línea 1M (o 2M), o del relé auxiliar CR. Esto hace que en algunos de los circuitos se pierda la retención, y el motor se desconecte. La maniobra la realizan los contactores de línea (1M, 1M-2M), los cuales deben estar dimensionados teniendo en cuenta el tamaño del motor que conectan y la 298 clase de servicio a la cual se somete. Lo anterior permite definir la categoría de empleo para los contactos del contactor a usar. Los circuitos del 1 al 10 solo incorporan al contactor de línea 1M y en consecuencia están previstos para la maniobra sobre el motor M presentado. Los circuitos del 11 al 14 llevan dos contactores de línea; uno para la maniobra del motor M1 y otro para la del motor M2. En los circuitos de potencia no se hace énfasis en otras posibles protecciones que podrían implementarse para una operación más segura y confiable. El objetivo del siguiente análisis es mostrar diferentes alternativas de mando mediante conexiones simples con interruptores manuales y automáticos. 299 Figura 137. Circuitos básicos de control para arranque y paro de motores eléctricos. 300 En el circuito de la Figura 137.1 se ilustra la forma de energizar el contactor 1M mediante un simple interruptor de mando que puede ser del tipo de palanca o muletilla. El motor M funciona mientras el interruptor SW se mantenga cerrado. En el circuito de la Figura 137.2, el contactor 1M se puede energizar o desenergizar maniobrando cualquiera de los interruptores 1SW o 2SW, los cuales se encuentran ubicados en posiciones diferentes. Esto permite al operario la comodidad de maniobrar al motor M desde dos puntos. En el circuito de la Figura 137.3, se incorpora un interruptor 1SW de tres posiciones; con el cual es posible manejar las siguientes opciones: Manual (MAN) – apagado (OFF) – automático (AUTO). Se establece el funcionamiento automático cuando el interruptor de nivel 1LS se cierra y el interruptor 1SW se encuentra conmutado en la posición AUTO. Con esta disposición lógica, el funcionamiento del motor M queda condicionado por las variaciones de nivel con respecto al punto de control del nivóstato. Así mismo, el operario queda desligado de la maniobra sobre el motor y su función será únicamente la de supervisar el correcto funcionamiento del mismo. En el circuito de la Figura 137.4 se incorpora un pulsador retenido de doble apertura para la actuación sobre la bobina 1M del contactor. Al presionar el botón pulsador de marcha se cierran los contactos del pulsador y el contactor 1M se energiza conectando el motor M a la línea. Si después de esta maniobra se presiona el botón pulsador de paro, los contactos del pulsador se abren y la bobina del contactor 1M se desenergiza desconectando el motor de la línea. En el circuito de la Figura 137.5 circuito se utilizan dos pulsadores de contacto momentáneo. Al presionar el pulsador de marcha se energiza 1M y de inmediato 301 queda retenido a través de su contacto conectado en paralelo con dicho pulsador. De esta forma, puede soltarse el botón del pulsador en cuestión y el motor permanece conectado a la línea. Al presionar el pulsador de paro se interrumpe la corriente por la bobina del contactor perdiéndose la retención; en consecuencia se desenergiza el contactor 1M y el motor se desconecta de la línea. El circuito de la Figura 137.6 es una variante del circuito anterior. La única diferencia funcional se origina si los dos pulsadores son presionados simultáneamente. En este caso, el circuito anterior proporciona una condición de mayor seguridad, ya que el motor no se conecta a la línea, como si ocurre con el empleo de este. El circuito de la Figura 137.7 es una variante circuital de los circuitos con pulsadores vistos anteriormente. Se utiliza cuando se quiere efectuar la maniobra del motor desde dos puntos diferentes. En este caso los pulsadores de MARCHA 1 y PARO 1 estarán alojados en una caja, separada de la primera y solo se requiere de tres cables por caja para hacer el conexionado. En el circuito de la Figura 137.8 la conexión del motor se retarda con el propósito de dar prioridad a otras tareas que previamente debe iniciar el relé de control CR. Para el retardo se utiliza un relé temporizador al trabajo. El mando se realiza por medio de pulsadores como ya se ha indicado. En el circuito de la Figura 137.9 se retarda la desconexión del motor con respecto al momento de realizar la maniobra con el pulsador de paro. De esta manera, el motor podrá continuar en funcionamiento durante el tiempo que se haya definido para el relé temporizado al reposo, TR. En el circuito de la Figura 137.10 se ilustra la forma de desconectar un motor cuando este quede sometido a condición de embalamiento o sobre velocidad. 302 Para ello se utiliza un interruptor de velocidad OSS (Over Speed Switch) que abre el circuito de autorretención para la bobina del contactor 1M. En el circuito de la Figura 137.11 se utiliza un relé de retención o memoria CR (Latch Coil Relay o set-reset relay) que incorpora dos bobinas (set y reset) para actuar sobre un único juego de contactos; uno de los cuales se utiliza para actuar sobre la bobina del contactor 1M que hace la maniobra del motor M sobre la línea. Al presionar el pulsador de marcha se energiza la bobina set del relé CR, permitiendo que los contactos del relé se conmuten y se retenga, aún después de que el pulsador se suelte y la bobina no reciba energía. Al presionar el pulsador de paro o por la actuación del relé de sobrecarga, la bobina de reset del relé se conecta a la línea y hace que los contactos retenidos se liberen y regresen a la posición original, desenergizándose 1M y desconectando el motor M de la línea. Puesto que las bobinas de los relés con retención o memoria solo se diseñan para energización transitoria y no permanente; es necesario garantizar que esta última situación no se presente. Ello ocurre, por ejemplo, si el contacto auxiliar del relé térmico, 1OL, permanece cerrado cuando se da la condición de sobrecarga; o si ocurre que los pulsadores se mantengan presionados durante un tiempo prolongado. Estos inconvenientes se solucionan colocando contactos del mismo relé en serie con las bobinas set y reset como se indica en la Figura 137.11. En el circuito de la Figura 137.12 se adiciona el contactor 2M con el propósito de maniobrar sobre dos motores; M1 y M2. Con este circuito se consigue un arranque forzado con retardo a la conexión, ya que el motor M2 no puede conectarse a la línea si previamente no se energiza el contactor 1M que conecta al motor M1 y transcurre el tiempo de retardo que impone el relé temporizador TR. Las lámparas 303 de señalización 1L y 2L permiten al operario determinar si los motores están en uso. El circuito de la Figura 137.13 presenta características similares al descrito anteriormente; la diferencia radica en que el contactor 2M se energiza cuando se alcance la presión de actuación para la cual se opera el presóstato PS o en general, cualquier otro dispositivo de mando automático que responda al cambio en una variable de interés. La actuación por sobrecarga para cualquiera de los relés térmicos desconecta simultáneamente los dos motores. Con el circuito de la Figura 137.14 se consigue también un arranque forzado ya que el motor M2 solo puede conectarse a la red si primero se ha conectado el motor M1. Puede observarse que al presionar el pulsador de MARCHA 2 el contactor 2M no puede energizar si previamente no se ha energizado el contactor 1M y éste se encuentre retenido a través de su contacto en paralelo con el pulsador de MARCHA 1. 4.6.2 Protección del motor y de los circuitos auxiliares Todas las entidades de normalización establecen condiciones mínimas de norma para dar protección a las cargas, a los circuitos y a las personas. Para los motores se indica lo siguiente: - Todo motor debe ir provisto de un elemento de protección contra sobrecarga con relé térmico o electrónico que debe incorporar un elemento sensible en cada línea “viva” de la red de alimentación y estar conectado directamente a los bornes del motor. La actuación del relé de sobrecarga debe desconectar al motor de la línea; lo cual se logra abriendo el circuito de retención que sostiene energizado el contactor de línea del motor. 304 - La carcasa del motor debe conectarse sólidamente a tierra (ver Figura 138) mediante un conductor de tierra (PE) y al mismo tiempo debe incorporar protección internacional IP21 (o mejor) contra contacto accidental con partes activas peligrosas, contacto con partes en movimiento y contra penetración de agua por goteo. Figura 138. Carcasa del motor conectada a tierra. Fuente: http://articulo.mercadolibre.co.cr/MCR-418217683-motor-electrico-trifasico-14hp-_JM Para los circuitos de potencia se indica lo siguiente: - Todo circuito de potencia debe incorporar un desconectador totalizador que aísle completamente las cargas (todos los consumidores) y demás elementos del circuito de las líneas de alimentación, con el propósito de permitir operaciones de inspección, reparación y mantenimiento con seguridad plena para las personas encargadas de estas labores. - El circuito de potencia debe estar acondicionado con una protección global de corto circuito utilizando un elemento sensible en cada línea “viva” de la red de alimentación esta protección puede estar incorporada en el mismo dispositivo desconectador principal o separada de este. Para ello se puede recurrir al empleo de fusibles, breakers termo-magnéticos; interruptores 305 automáticos con acondicionamientos especiales según las cargas a proteger y su importancia. El empleo de breakers o interruptores automáticos garantiza la protección integral contra sobrecarga y cortocircuito; particularmente para los conductores de la acometida principal. El neutro nunca se protege ni se interrumpe salvo casos muy especiales. Para la selección de un fusible totalizador (tripolar) en una instalación donde las cargas son motores trifásicos puede aplicarse la aplicación de norma del Código Eléctrico Nacional de los Estados Unidos (NEC 430-53 C). - Tamaño máximo del fusible = 1.75 (La corriente nominal del motor de mayor tamaño) + suma de la corriente nominal de cada uno de los motores restantes. Para la selección de un interruptor automático o breaker totalizador en una instalación donde las cargas son motores trifásicos puede aplicarse la recomendación de norma del Código Eléctrico Nacional de los Estados Unidos. - Tamaño mínimo (NEC 430-110) del interruptor automático = 1.15 (Suma de la corriente nominal de todos los motores). - Tamaño máximo (NEC 430-53C) del interruptor automático = 2.5 (Corriente nominal del motor de mayor capacidad) + Suma de la corriente nominal de cada uno de los motores restantes. Téngase presente que los conductores de acometida para la alimentación de las cargas asociadas al circuito que protege el interruptor automático, deben seleccionarse de un calibre cuya corriente nominal este dentro del rango de ajuste de la corriente térmica del breaker. 306 El conductor se escoge con un calibre de alambre (de referencia comercial) cuya corriente nominal se encuentra entre el mínimo y el máximo que se indicó por las normas anteriores. Para los circuitos auxiliares o de control se establece lo siguiente: - Todo circuito de control debe llevar protección de cortocircuito en las líneas “vivas” mediante fusibles o aún mejor con disparadores rápidos de cortocircuito, cuyo símbolo se ilustra en la Figura 139. Estos son interruptores de naturaleza electrónica o electromagnética que sensan la corriente que pasa a través de sus elementos sensibles y reaccionan rápidamente abriendo el circuito cuando dicha corriente sobrepasa un umbral que define condiciones inadmisibles para el circuito. Con ello se elimina la necesidad de reponer fusibles fallados y se asegura una reposición más rápida del servicio después de una falla seguida del disparo de la protección. Figura 139. Símbolo IEC para un desconectador rápido En los disparadores rápidos la apertura rápida se logra por desconectadores de tipo magnético o mediante un mecanismo interno que aprovecha las grandes fuerzas de repulsión entre conductores que llevan una corriente; tal como la que se presenta en una situación de cortocircuito. 307 - Si el circuito de control se alimenta a través de un transformador de aislamiento, deben instalarse fusibles o un disparador rápido en el lado del devanado primario del mismo, sin importar el hecho de que se tengan fusibles para la protección del circuito de control en el lado del secundario. - El circuito de control se debe derivar de las líneas principales después del interruptor totalizador y antes de los contactos de los dispositivos que maniobran las cargas. En la Figura 140 se ilustra la disposición de los elementos de protección para un circuito cuya carga es un motor eléctrico. La norma estipula que los bornes de marcación impares deben ir conectados siempre hacia el lado de las líneas y los pares hacia el lado de las cargas. Con este ordenamiento se facilita la verificación del cableado y se da seguridad al efectuar pruebas y mediciones de campo. Muchas otras protecciones pueden implementarse en los motores industriales, dependiendo no solo del tamaño del motor sino también de la importancia de la función que este realice en el proceso productivo. Figura 140. Conexión de relé de sobre y bajo voltaje o de relé inversión de secuencia 308 En la tabla 34 del ANEXO A se indican algunas de las protecciones del código NEMA que pueden incorporarse al circuito del motor. Entre las más comunes están: - La protección contra elevación de temperatura en los devanados del motor. Esta protección es la NEMA 49 y se consigue utilizando sondas térmicas (con termistores) ubicadas en las ranuras del núcleo que aloja los devanados de la máquina. - La protección de bajo voltaje, sobrevoltaje o ambas. Un relé NEMA 27/59 conectado como indica la Figura 141 y cuyo contacto de alarma se conecta en serie con la bobina del contactor 1M como muestra la Figura 141.a, permite la desconexión del motor si la tensión de la red se sale de los límites mínimos y máximos que previamente han sido ajustados en el relé. Estos relés adicionan un efecto de retardo en la actuación para ignorar variaciones transitorias de la tensión de la red. 309 Figura 141. Circuitos para protección de motor contra la variación de tensión - La protección contra inversión de secuencia de fase. Esta condición origina un cambio en el sentido de rotación del motor (solo para motores trifásicos) que puede comprometer el funcionamiento normal de la carga acoplada al mismo. El empleo del relé NEMA 47N, conectado en forma similar al relé NEMA 27/59, da la protección requerida, impidiendo que el motor se pueda arrancar si la secuencia de fase es incorrecta. Otros circuitos de diseño simple y bajo costo que con frecuencia se utilizan para proteger motores contra el efecto de las caídas de tensión en la red (bajo voltaje), se ilustra en la Figura 141 b y Figura 141 c. 310 El circuito de la Figura 141 b incorpora una resistencia limitadora de corriente en serie con el contacto de retención de la bobina del relé de control UV (Under Voltage) que energiza al contactor de línea 1M que a su vez conecta al motor. Dicha resistencia se calcula para que la corriente por la bobina de dicho relé tenga un valor ligeramente mayor que el de mantenimiento, para que el circuito se haga sensible a las caídas de tensión en la red y el motor se desconecte de la línea. Si se diseña la resistencia para que la corriente circulante sea ligeramente mayor a la de mantenimiento (I H ) del relé UV; este queda muy sensible a la reducción de tensión en la red, dejando que ante una eventualidad su armadura se suelte y rearme los contactos desconectando a continuación el motor. Puede observarse del circuito que al momento de la conexión del relé UV, a este se le aplica plena tensión ya que el pulsador de marcha da paso directo de corriente sin que la resistencia tenga efecto alguno. Esto es necesario para garantizar el enganche del relé. El circuito de la Figura 141.c utiliza un condensador de gran capacidad que se carga a través del diodo D a una tensión cercana a la de pico de la línea. Ante una caída de tensión en la red, el diodo se bloquea y el condensador se descarga lentamente a través de la bobina del relé UV, impidiendo que su contacto abierto conectado a la bobina del contactor 1M se abra rápidamente, evitando que el motor se desconecte de la línea. Lógicamente, esta situación no se podrá sostener por mucho tiempo, y en consecuencia, si la tensión no alcanza a normalizarse en un tiempo previsto, el motor debe desconectarse definitivamente de la red. Para que el circuito funcione como se desea es necesario que el contactor de línea del motor y los relés de control 1CR y el de corriente directa UV (de alta impedancia), tengan voltajes de desenganche relativamente bajos para permitir que sus contactos se retengan cuando se presente la caída de tensión. El 311 funcionamiento del circuito es simple. El presionar el pulsador de marcha se energiza inmediatamente el relé UV, el cual a su vez energiza al relé 1CR que permite la conexión del motor a la línea a través del contactor 1M. El relé UV se alimenta con corriente directa obtenida de una rectificación simple de media onda con filtro capacitivo. Si se presenta una caída de tensión, el voltaje de la red se hace menor que el del condensador, y en consecuencia, el diodo D se abre, dejando que el voltaje del condensador siga alimentando al relé UV, ignorando el problema que se está presentando en la red. Si la tensión se normaliza, todo regresa a las condiciones iniciales y el motor continua funcionando. Si la caída de tensión se hace sostenida, llega un momento en que el voltaje aplicado a la bobina del relé UV es insignificante (menor que el de desenganche) y los contactos del relé se rearman desconectando a 1CR y en consecuencia al motor. 4.6.3 Circuitos de control para el funcionamiento “a pasos” Con este servicio se pretende obtener pequeños desplazamientos o movimientos del motor que impulsa la máquina. La operación se hace manualmente y los intervalos de tiempo se toman a criterio del operario. El funcionamiento “a pasos” se conoce también como la función pulsación (o J og) y representa un modo de servicio intermitente para el motor. Para algunas máquinas, cuando los desplazamientos que origina el motor son muy pequeños es costumbre denominar a esta función inch. 312 El funcionamiento a pasos implica conectar el motor por corto tiempo una o más veces; por tanto, los dispositivos de maniobra tienen que interrumpir la corriente en la fase transitoria donde la corriente del motor todavía no se ha estabilizado y aún tiene un valor elevado. Esto trae como consecuencia un fuerte desgaste de los contactos debido al arco de desconexión, de ahí que para la selección del contactor, que hace la maniobra sobre el motor, es de gran importancia usar la categoría de empleo como indica la tabla 15 del ANEXO A. El servicio intermitente para funcionamiento a pasos se presenta por ejemplo en máquinas-herramienta, elevadores de carga, en bandas transportadoras, máquinas enrolladoras y en general en aquellas maniobras donde el operario debe realizar operaciones de empalme o de “pesca” de ciertos materiales (telas, hilos, alambres, etc.) en máquinas de proceso continuo. Figura 142. Bandas transportadoras accionadas por motores eléctricos. Fuente: http://predictivo-industrial.com/spm/products/online/mg4apps/bandastrans.htm El motor preferido para realizar la función a pasos es el motor de corriente directa debido a sus excelentes características de regulabilidad tanto en velocidad como en torque. Con los motores de corriente alterna de jaula de ardilla, realizar esta función se dificulta un poco ya que para ellos resulta costoso la utilización de equipos que permitan la maniobra a baja velocidad. 313 Téngase presente que si el operario debe efectuar la maniobra del funcionamiento a pasos es conveniente que el motor funcione a baja velocidad; y para cargas inerciales, adicionalmente implementar también la función frenado. De esta manera el operario podrá realizar pequeños movimientos y ajustar con precisión la posición deseada de la máquina, de forma que le facilite las tareas que debe cumplir. Actualmente, todos los variadores electrónicos de velocidad para motores del CD y CA incorporan la función J og lo cual hace que estos equipos sean más versátiles y de mayor utilidad para el usuario final. En la Figura 143, se ilustra un circuito para el mando de un motor de corriente directa en el cual se incluye el funcionamiento a pasos a baja velocidad mediante una resistencia en serie con la armadura del motor. Esta resistencia se conecta al circuito cada vez que el contactor j (jog) se energiza, reduciendo la tensión en bornes de la armadura del motor, logrando de esta manera que la velocidad de la maquina se reduzca en un valor de fácil maniobrabilidad para el operario. Figura 143. Circuito para el mando de un motor de corriente directa que incorpora la función jog. 314 En este circuito el pulsador de marcha cumple una doble función: a pasos y de marcha. Sin embargo, el funcionamiento a pasos solo se consigue en la fase inicial, antes que el interruptor límite LS, que es actuado por la máquina en movimiento, alcance cierta posición de referencia. A partir de ese momento el contactor J no se vuelve a energizar y el motor queda conectado a la línea directamente a través del contactor 1M. Obsérvese que el relé de control 1CR, que maneja a 1M, queda automantenido una vez que el interruptor LS actúa. Con el circuito de la Figura 144 se consigue la función jog con independencia de la posición que tenga la máquina. En este circuito se incorporan el frenado dinámico y el funcionamiento a baja velocidad. El frenado se consigue mediante la resistencia R2 que se conecta en paralelo con la armadura del motor al momento de presionar el pulsador de paro. Para el efecto de frenado se requiere que el campo de motor permanezca conectado después de desconectar el motor de la línea. El efecto de la resistencia R1 sobre la velocidad del motor es el mismo que se indicó para el circuito anterior que utiliza un interruptor límite o de posición. Obsérvese que se utilizan pulsadores separados para la MARCHA y el funcionamiento A PASOS. 315 Figura 144. Circuito con función Jog Al presionar el pulsador de marcha se energiza 1M, se automantiene y conecta el motor a la línea a plena tensión. Al presionar el pulsador de funcionamiento a pasos se desenergiza 1M (si previamente estaba conectado) y se pierde la posibilidad de la retención o auto mantenimiento. Al mismo tiempo se energiza el contactor J, que comanda directamente a 1M y el motor se conecta a la línea con la resistencia R1 incluida, permitiendo que pueda funcionar a baja velocidad. Como no hay retención del contactor de línea, es evidente que el motor se conecta y se desconecta a voluntad del operario. La operación del relé térmico por sobrecarga hace que se desenergice el contactor de línea y el motor se desconecte de la alimentación. 316 4.6.4 Circuitos para inversión de marcha Se requiere con frecuencia invertir el sentido de giro de los motores. Esta función se hace necesaria en monta cargas y ascensores, máquinas elevadoras de personal, máquinas herramientas juegos mecánicos, lavadoras, enrolladoras, bandas transportadoras y puertas automáticas, entre otras (ver Figura 145). Figura 145. Esquema ilustrativo de un elevador de personal o de carga. Fuente: http://www.arquigrafico.com/tipos-de-ascensores-para-las-edificaciones/ Para la inversión de marcha en motores trifásicos se requiere simplemente invertir la secuencia de fase (para cambiar el sentido del flujo giratorio), lo cual se consigue intercambiando dos cualesquiera de las líneas de alimentación del motor 317 (sin importar cuales de ellas se cambien). Para ello puede utilizarse el circuito de potencia de la Figura 146, que utiliza dos contactores de línea F y R. Puede apreciarse que si está energizado el contactor F, los bornes del motor quedan conectados así: L1-T1, L2-T2, y L3-T3. En cambio, si esta energizado el contactor R, los bornes quedan conectados así: L1-T3, L2-T2 y L3- T1. Con ello se garantiza la inversión del flujo giratorio y la inversión de marcha. Para el cambio de sentido de giro en motores de corriente directa, se debe invertir la conexión de uno de los devanados del mismo, ya sea la armadura o el campo de excitación. Sin embargo, debido a que este último es muy inductivo se prefiere la conmutación de la armadura; que es más resistiva que inductiva. Con esto, a pesar de que implica conmutar una corriente mayor, se evitan problemas como: - Un fuerte arco (con efecto destructivo) sobre los contactos del contactor que se utiliza para la conmutación del campo excitador. - Reducción notoria del torque de arranque, debido a la “lentitud” con que crece la corriente de excitación, lo cual conlleva generalmente a que actúen las protecciones de sobrecarga o de cortocircuito asociados al motor. Figura 146. Circuitos para inversión de marcha de un motor de CD. 318 En la Figura 146, se muestra el circuito de potencia con la conexión de la armadura del motor a través de un puente formado por los contactos F y R. El devanado de campo se conecta directamente a la línea (lógicamente debe disponerse de un interruptor totalizador a la entrada de las líneas de alimentación con lo cual se garantiza que el arranque del motor se hará a pleno campo sin limitar el torque inicial). En los motores de corriente directa, la inversión de polaridad en los terminales del inducido o del campo excitador origina un contratorque que hace girar el motor en sentido contrario. En los motores de CD, el torque del motor es directamente proporcional al producto de las corrientes de la armadura y del devanado de campo; por consiguiente, la inversión del sentido de circulación de la corriente, ya sea por el devanado de armadura o del de campo origina la rotación del motor en sentido contrario. De los circuitos de potencia puede deducirse fácilmente que por ningún motivo pueden energizarse simultáneamente los dos contactores principales F y R, ya que esta situación originaria un corto circuito entre líneas. Por ello, como lo indican los circuitos anteriores, se hace necesario disponer de ciertas seguridades como: - Enclavamientos eléctricos - Enclavamientos mecánicos NOTA: Los circuitos con paro previo se recomiendan para frenado con cargas inerciales. Los circuitos sin paro previo se recomiendan para cargas friccionales. Estos enclavamientos se pueden apreciar en los circuitos de mando de la Figura 146. Cualquiera de estos circuitos puede operar en los circuitos de potencia descritos anteriormente para realizar la función 319 Ambos circuitos llevan los respectivos pulsadores de “Avance” y “Retroceso” así como los contactos auxiliares de la sobrecarga, retención y enclavamiento. Observe que si uno de los contactores se encuentra energizado; al otro le es imposible hacerlo, ya que el contacto de enclavamiento se encuentra abierto y el bloqueo de enclavamiento está activado para impedir la simultaneidad. La diferencia fundamental entre los dos circuitos se manifiesta en el momento de iniciar la maniobra de inversión, si el motor se encuentra previamente energizado. Con el circuito de la Figura 146 es necesario presionar previamente el pulsador de paro para habilitar la maniobra. Si se emplean pulsadores de doble contacto, no es necesario detener el motor; la maniobra de inversión la puede efectuar libremente el operario sin necesidades de operar el pulsador del paso. El empleo de uno u otro circuito lo define el tipo de carga que debe manejar el motor. Si la carga es friccional, cualquiera de los circuitos puede emplearse sin restricciones. Sin embargo, con cargas inerciales (por ejemplo máquinas centrifugadoras), la inversión se debe iniciar con el motor desconectado y detenido, ya que de no hacerlo así, se originan fuertes contra torques, con elevados picos de corriente de conexión. Esto da origen a fuertes perturbaciones en la red y más grave aún, puede originar daños de tipo mecánico en el acople motor-carga, debido a los enormes esfuerzos de cizalladura a los cuales se somete. En los motores de corriente alterna monofásicos (de fase partida o con dos devanados) la inversión de marcha se logra intercambiando la conexión de los terminales del devanado principal. 320 4.6.5 Circuitos para frenado de motores eléctricos Con la función Frenado, se consigue detener rápidamente el motor a partir del momento que se presiona el pulsador de paro y que este se desconecte de la red. Al presionar el pulsador de paro para desconectar un motor de la línea, este no se detiene en forma inmediata ya que hay energía almacenada debido la inercia de la carga. Cuando se trata de cargas inerciales (gran momento de inercia y bajo coeficiente de fricción) la energía cinética asociada al motor resulta demasiado elevada y en consecuencia el motor demora un tiempo considerable para detenerse. Una vez haya transformado toda esa energía, ya sea en calor por efecto de la fricción, o en mover aire al interior del motor por efecto del ventilador que todo motor tiene incorporado; el motor se detiene. El tiempo de detención de un motor que no incorpora la función frenado puede llegar a ser del orden varios minutos; particularmente cuando la carga es una máquina centrifugadora o un ventilador, por ejemplo, para cargas que se encuentran sometidas a la acción de la fuerza de gravedad, el proceso de frenado es más complejo, ya que debe incorporarse un mecanismo de bloqueo para impedir que la carga se mueva una vez que se frene y se detenga. Para cargas friccionales (con elevado coeficiente de fricción y baja inercia, como un molino de piedras, por ejemplo) el tiempo de detención del motor es de pocos segundos, ya que la energía cinética que tiene asociada el motor se transforma muy rápidamente. Para estos casos se deja que el motor se detenga naturalmente. El objetivo de la función frenado es la de detener rápidamente el motor y la carga asociada a partir del instante en que dicho motor es desconectado de la línea. En la práctica, se dispone de varios métodos de frenado, como son: 321 - Frenado dinámico - Frenado de contra marcha - Frenado electromagnético o por inyección de corriente directa - Frenado electromecánico - Otros 4.6.5.1 Frenado dinámico Éste solo es aplicable a motores de corriente directa y a motores de corriente alterna sincrónicos. En la Figura 147 se muestra el circuito típico para llevar a cabo esta función en un motor de CD. Figura 147. Circuito típico para frenado dinámico de un motor de CD. 322 Consiste en lograr que el motor trabaje como generador una vez se desconecte de la línea. Para ello se debe garantizar que el devanado de campo de excitación permanezca energizado hasta que el motor de haya detenido. El circuito emplea un contactor de línea M que tiene dos contactos principales 1NO + 1NC. El contacto cerrado se conecta a través de la resistencia R, colocada en paralelo con la armadura del motor. De esta manera, cuando el motor se desconecta de la línea, la máquina (que entra a funcionar como generador ya que tiene el campo conectado y está girando por inercia), transforma la energía cinética asociada a su eje en energía eléctrica y esta a su vez en calor en la resistencia R que tiene conectada, acelerando el proceso de frenado. Obsérvese que la resistencia de frenado permanece desconectada mientras el motor se encuentra en funcionamiento normalmente. Para el cálculo de la resistencia R es necesario conocer el valor de la fuerza contraelectromotriz que tiene el motor al momento de la desconexión. Esto se calcula por la expresión: a CD R I V V × ÷ = Donde I es la corriente que pasa por el motor antes de desconectarlo (posiblemente es la corriente nominal del motor si este opera a plena carga), la resistencia R a es la resistencia óhmica de la armadura; valor que se supone conocido o se puede calcular muy fácilmente. Después de determinar el valor de V es necesario definir qué valor máximo de corriente I d debe hacerse circular por la resistencia. En general se acostumbra tomar valores de corriente entre 1.5 y 3 veces el valor de la corriente nominal o de placa del motor 323 Si deseamos calcular R para n d I I 3 = , puede aplicarse la siguiente ecuación a a CD n d R R R I V V I I + × ÷ = = = 3 Con el valor de R despejado de la ecuación anterior, debe verificarse que el tiempo de frenado sea satisfactorio para los propósitos del usuario. Finalmente, la expresión para I d podrá tener algunas restricciones de diseño si el motor incorpora un variador de velocidad y al momento de desconectarlo está girando a baja velocidad. El funcionamiento de circuito de mando no requiere comentarios adicionales, puesto que es similar a los que han sido analizados anteriormente. 4.6.5.2 Frenado de contramarcha Este método es aplicable tanto a motores de corriente directa como de corriente alterna. En este método, el frenado se logra invirtiendo dos fases (en motores de CA) o intercambiando la conexión del devanado de armadura (en motores de CD). Dicha operación origina un contra torque en el motor, el cual reduce inmediatamente su velocidad y trata de invertir el sentido de marcha. Sin embargo, justo antes que el motor haya alcanzado una velocidad cercana a cero, este se desconecta definitivamente de la línea y termina por detenerse naturalmente, sin permitirle la inversión del giro. Los circuitos que se utilizan para realizar esta función incorporan enclavamientos tanto eléctricos como mecánicos para evitar condiciones de cortocircuito en la línea. Así mismo, utilizan comúnmente un interruptor de velocidad que se acopla al 324 eje del motor y es el encargado de dar la orden de desconexión general cuando ya el motor está girando a muy bajas revoluciones y su energía cinética asociada no es de valor importante. El circuito de control utilizado para manejar el motor de CD es el mismo que para el motor de CA, alimentándolo con CA. El empleo de un interruptor de velocidad (Speed Switch: SS) es fundamental para impedir que el motor gire en sentido contrario. No se recomienda obviar este dispositivo y hacer la maniobra en forma manual o por límite de tiempo; ya que las condiciones de la carga pueden ser variables y la maniobra no asegura que el motor no pueda invertir la marcha, originando serios problemas en la máquina o en las tareas que se ejecutan. En los circuitos de potencia de la Figura 148 a y b se muestra la conexión respectiva para un motor de CA y otro de CD. 325 Figura 148. Circuitos para frenado de contramarcha en motores de CA y CD. (a) Circuito de potencia. (b) Circuito de control. El circuito de corriente alterna es idéntico al de inversión de marcha; sin embargo, obsérvese que los contactores no se denominan con la misma nomenclatura. En este caso M es el contactor de línea para la operación del motor en un solo sentido de giro, y B (Brake) es el contactor de freno que cumple una función, muy diferente a la de inversión. El circuito de corriente directa tampoco difiere apreciablemente del circuito correspondiente utilizado para la inversión de marcha visto anteriormente. La resistencia R, conectada en serie con uno de los contactos del contactor de freno (B), es utilizada con frecuencia para limitar la contracorriente originada por la reconexión del motor, cuando se quiere detener dicho motor. Esta corriente puede tomar valores sustancialmente elevados debido a que al momento del paro, la fuerza contraelectromotriz se suma a la tensión de la línea y el motor solo puede 326 limitar la corriente por la resistencia que presenta la armadura; la cual es muy pequeña. Puede usarse el circuito de control que muestra la Figura 148.b para el frenado de ambos motores tanto el de CD como el de CA. Obsérvese que el contactor B tiene enclavamientos eléctrico y mecánico con el contactor M para inhabilitar la operación simultánea. Al presionar el pulsador de marcha se energiza el contactor M, se automantiene, inhibe a B y el motor se conecta a la línea. Cuando esto ocurre, el interruptor de velocidad se cierra (aproximadamente a una velocidad menor de 100 RPM), pero ya está inhibida la operación de B. Al presionar el pulsador de paro, se desenergiza el contactor M, pierde su retención y habilita el circuito del contactor B. Este se energiza y automantiene, puesto que el interruptor de velocidad permanece cerrado debido a que el motor aún se encuentra girando por inercia. En ese momento se hace la inversión de las conexiones del motor y este reduce rápidamente la velocidad debido al contratorque que origina la circulación de corriente en sentido contrario al establecido originalmente para la marcha normal. Sin embargo, antes de que el motor pueda girar en sentido contrario, y cuando su velocidad es ya cercana a cero, el interruptor de velocidad se abre nuevamente y hace que el contactor B se desenergice y pierda retención. Esto trae como consecuencia la desconexión definitiva del motor y su detención en forma inmediata. El circuito de la Figura 149 a y b es una variante utilizada para frenar por contracorriente o contramarcha un motor de corriente alterna, incluyendo la posibilidad de la inversión de marcha. En este caso el circuito de potencia no se diferencia del utilizado para la inversión ya que los contactores F y R tienen una función principal. Sin embargo, los mismos contactores pueden utilizarse para 327 ejecutar la tarea que hace el contactor de freno B empleado en los circuitos para operación en un solo sentido de giro. Figura 149. Inversión de marcha con frenado de contramarcha. (a) Circuito de potencia. (b) Circuito de control. Como puede apreciarse en el circuito de control que se muestra en la Figura 149.b se trata de un circuito típico de inversión al cual se le ha adicionado la conexión del interruptor de velocidad SS. Este debe tener contactos de un polo dos posiciones donde cada contacto se cierre dependiendo del sentido de giro que se le dé al motor, según indica la figura. Si se presiona el pulsador de “AVANCE”, se energiza el contactor F y se automantiene, inhibe a R y el motor arranca en la dirección hacia adelante (forward), y el interruptor de velocidad se cierra hacia el lado marcado como F. Al presionar el pulsador de PARO (y dejándolo sostenido hasta que el motor se detenga) se desenergiza F, pierde su retención y habilita la bobina del contactor R para que se energice a través del contacto del interruptor de velocidad. Puesto que el pulsador de paro permanece presionado, no hay manera de que R se auto mantenga, en consecuencia; cuando el interruptor de velocidad SS se abre y R se desenergiza en forma definitiva, dejando al motor desconectado de la línea y detenido. Obsérvese que si el pulsador de paro se suelta antes de tiempo, el motor iniciará la marcha en sentido opuesto al que tenía inicialmente. Esta 328 situación se debe evitar, y si es del caso inhibirse mediante un contacto temporizado que desligue al operario de la maniobra con el pulsador de paro presionado. De todas formas, téngase presente que este frenado es muy rápido y la maniobra solo requiere de muy pocos segundos. El análisis del funcionamiento para la operación de frenado del motor, cuando esté en marcha hacia atrás o en retroceso, es similar a la descrita anteriormente y podrá entenderse sin dificultad. 4.6.5.3 Frenado electromagnético o por inyección de corriente Este es un método muy efectivo para frenar motores de corriente alterna. Además es ampliamente utilizado en máquinas centrifugadoras en particular en máquinas secadoras de ropa industriales que aplican el principio de la fuerza centrífuga para sacar el agua de la ropa lavada. También se utiliza como medio de frenado para reducir la velocidad de “caída” en cargas que están sometidas al efecto de la gravedad. Es el caso, por ejemplo de los elevadores de personal en minas de profundidad, montacargas y grúas. El método consiste en aplicar corriente directa a dos cualesquiera de las terminales de motor que cierren circuito, justamente después de desconectarlo de la línea principal. Cuando se aplica corriente directa a los terminales del motor se establece un flujo magnético estacionario que corta los conductores que forman las bobinas del rotor. Como dicho rotor está en movimiento debido a la inercia de la carga, en él se inducirán corrientes parásitas que generan flujos de reacción y tratarán de impedir el movimiento, por lo que el motor se detendrá rápidamente. Con este método mientras mayor sea la velocidad, más alto será el contratorque y más efectivo será el frenado. Cuando el motor se detiene, las fuerzas de reacción desaparecerán porque ya no se inducen corrientes rotóricas, por lo que es el 329 momento justo para retirar la alimentación de corriente directa, ya que de no hacerlo se corre el riesgo de recalentar los devanados del motor, debido a que no presentan la resistencia suficiente para limitar la corriente a un valor de seguridad. Téngase en cuenta que con CD no cuenta el efecto reactivo de los devanados para limitar la corriente. En los circuitos de la Figura 150.a y b se indica la forma de conseguir el frenado electromagnético. Al presionar el pulsador de marcha S1 se energiza el contactor de línea K1; se automantiene, inhibe la actuación de K2 y conecta el motor a la línea. Al presionar el pulsador S0, se desenergiza K1, y a continuación se energiza K2 y K3T; los cuales se retienen; el motor se desconecta de la línea de corriente alterna y es reconectado por los contactos principales de K2 a la línea de corriente directa a través de dos sus terminales. Esto origina la rápida detención del motor. Después de un corto tiempo (muy pocos segundos) y justo al momento de la detención del motor, es el instante indicado para que el relé temporizado K3T desconecte definitivamente el motor de la línea de corriente directa. La actuación del relé térmico desconectará sin frenado el motor de las líneas independientemente de que esté conectado en CA o CD 330 Figura 150. Frenado de motor por inyección de corriente directa (a) Circuito de potencia. (b) Circuito de control. 4.6.5.4 Frenado electromecánico Es bastante utilizado no solo para detener rápidamente el motor sino para bloquear el rotor e impedir su movimiento. Esta característica es muy importante para cargas que están sometidas a la acción de gravedad y deban mantenerse estacionarias en una posición determinada. Este es el caso, por ejemplo de grúas, ascensores, montacargas y vagonetas que trasportan pasajeros o materiales. Para el bloqueo se utiliza un freno de banda o “zapata” similar al utilizado en el sistema de freno de los automotores. Estas bandas son construidas con un material que presenta un elevado coeficiente de fricción y su accionamiento se logra por medio de un electroimán de freno que mantiene firmemente asentados 331 dichas bandas sobre un disco especial que se encuentra acoplado al eje del motor. De esta manera, la carga asociada al motor queda impedida de movimiento y se garantiza la condición necesaria de la retención o el bloqueo. Como indica la Figura 151.a, el electroimán de freno (tipo serie) se conecta directamente a los bornes de los contactores de línea (up y down) que hacen la maniobra sobre el motor, como se observa en la figura. De esta forma, se garantiza que el freno queda conectado en serie y va a actuar simultáneamente con el motor cuando este se conecta a la línea. La energización del freno separa las bandas del disco y libera al rotor para que este pueda girar libremente. Tenga en cuenta que si el freno no actúa al conectar el motor a la línea, el rotor quedará bloqueado y en consecuencia solo la protección que da el relé térmico podrá evitar que este pueda sobrecargarse. También, para reducir los tiempos de accionamiento del freno, no se recomienda que este se conecte a través de un contactor independiente manejado sobre el circuito de control (ver Figura 151.b). Esta situación puede originar recalentamiento de los devanados del motor particularmente si este tiene un ciclo de trabajo intermitente. Las demoras en liberar el freno serán las causantes de recalentamiento. Un circuito de motor que utiliza freno electromagnético de corriente directa como el mostrado en la Figura 151.a y b es el que usan con frecuencia algunas grúas o montacargas. 332 Figura 151. Empleo de freno electromagnético de CD para un motor de CA. (a) Circuito de potencia. (b) Circuito de control. Nótese que el electroimán del freno tiene una bobina de corriente con derivación central de pocas espiras y alambre grueso usando dos diodos rectificadores conectados como la figura. Con ellos se logra hacer una rectificación de la corriente de línea para permitir la actuación del electroimán, esta conexión de freno en serie no genera una caída de tensión importante para la fase del motor donde está instalado; y en cambio, tiene la ventaja que tiene una constante de tiempo muy pequeña y su actuación será inmediata; sin retardos que puedan originar el recalentamiento de los devanados del motor y eventualmente la actuación del relé térmico. El circuito de potencia se diseña para permitir la actuación del motor en dos sentidos de giro con el propósito de que pueda subir (Up) o bajar (Down) la carga. Como se requiere que el operario tenga un control directo de los movimientos que se hacen con el motor, en el circuito de control no se tiene previsto el automantenimiento o la retención de los contactores D y U que hacen la maniobra sobre el motor. Esta forma de operación ya fue analizada y es la que denominamos: funcionamiento a pasos. 333 Generalmente, los pulsadores de mando y el interruptor SW se instalan dentro de una caja colgante que el operario pueda desplazar fácilmente de un sitio a otro dentro del área donde se encuentra la grúa. R P 4.6.6 Circuitos para variación y cambio de velocidad en motores eléctricos La variación o cambio de velocidad de los motores, es una de las maniobras más requeridas a nivel industrial. La manera de variar o cambiar velocidad de un motor es una característica propia de cada motor. Se entiende por variación de velocidad a la operación que permite ajustar manualmente y en forma continua la velocidad del motor. A los equipos que permiten realizar esta función se les conoce con el nombre de variadores de velocidad (ver Figura 152). Se entiende por cambio de velocidad la operación que permite cambiar en forma discreta, entre valores definidos, la velocidad de un motor. A los circuitos utilizados para llevar a cabo esta función se les conoce con el nombre de cambiadores de velocidad. No debe confundirse un variador o un cambiador de velocidad con un regulador de velocidad. Los cambiadores o variadores no necesariamente mantienen constante la velocidad del motor ante las variaciones de la carga; simplemente son los que modifican algún parámetro del motor cuya dependencia con la velocidad está definida por una relación física que puede establecerse matemáticamente. Con un empleo de un variador o un cambiador, las variaciones de carga del motor no mantienen su velocidad constante, como si lo hace el regulador, ya que esta es su función principal. En un regulador de velocidad, el operario ajusta la velocidad de trabajo del motor; y una vez realizada esta operación, el motor mantiene constante esta velocidad independientemente de las variaciones que experimente la carga asociada. 334 Figura 152. Variadores de velocidad. Fuente: http://www.directindustry.es/prod/yaskawa-europe/variadores-ac-sistemas-elevacion- 14471-856779.html Lo anterior nos indica que los reguladores de velocidad son dispositivos automáticos y no manuales, como muchas veces así se piensa. Para variar la velocidad de los motores de CD, se pueden hacer cambios en la corriente de excitación del devanado del campo o simplemente variar el voltaje aplicado a la armadura. Por variación de la corriente de excitación solo es posible ajustar la velocidad por encima de la nominal. Por el contrario, si se varía la tensión de la armadura, la velocidad podrá cambiarse ampliamente entre cero y la nominal. Esto en principio es lo deseado y lo que más se aplica. Existen varios métodos que se utilizan para la variación de velocidad de los motores de corriente directa: - Por medio de resistencias variables (reóstatos), (ver Figura 153). - Por medio de “variacs” de corriente directa (ver Figura 153). - Por medios electrónicos, efectuando regulación de fase (PPM o PWM) con la ayuda de rectificadores controlados. - Mediante un circuito variador tipo “Ward- Leonard” 335 Figura 153. Dispositivos de regulación usados con motores de CD. Fuente: http://www.eletele.com/Reostatos_e.htm y http://www.temcotransformer.com/variac.html Figura 154. Circuitos para variación de velocidad de motores de CD. En la Figura 154.a, se muestra la forma de conectar un reóstato de campo para reajustar la velocidad del motor por encima de la nominal. En los motores de CD, la velocidad varía inversamente con el valor de la corriente de excitación. El contacto cerrado FF debe colocarse en paralelo con el reóstato para garantizar 336 pleno campo durante la maniobra de arranque. Después de ello, el contacto debe abrirse en forma retardada, o en su defecto deberá ser un contacto del último contactor de aceleración, usado cuando el motor se conecta a la línea por medio de resistencias limitadas de la corriente de arranque. El circuito de la Figura 154.b, muestra la manera de conectar el reóstato Rv en el lado de la armadura de un motor de excitación independiente. Para el circuito de la figura indicada, la velocidad se puede variar manualmente por debajo de la velocidad de diseño; conocida también como la velocidad nominal. A través de la resistencia del reóstato se presenta una caída de tensión que reduce el valor efectivo de la misma sobre la armadura. Esto trae como consecuencia la disminución de la velocidad del motor. El circuito de la Figura 154.c, se ilustra la forma de conectar el reóstato Rv cuando se trata de un motor serie de corriente directa. En este caso la variación del reóstato afecta en mayor o menor grado la corriente que circula por el campo serie del motor (y muy poco la de armadura); la cual podrá verse aumentada en la medida en que el reóstato disminuye su resistencia. Con esta conexión es disminuir la velocidad del motor a partir de la máxima o nominal. Con la resistencia R F se evita que la armadura del motor se ponga en corto cuando . Con motores de mediana y baja potencia es posible utilizar también un variac (transformador de tensión de salida ajustable) acoplado a dos circuitos rectificadores en puente, como indica la Figura 155. En la conexión mostrada, el campo se alimenta en forma independiente a la tensión del rectificador U2. La armadura se conecta en forma separada al rectificador U1. Sin embargo, la conexión del puente rectificador U1 se hace a través del cursor del autotransformador, lo cual permite variar manualmente la tensión de salida aplicada a la armadura. Con ello, podrá variarse en forma manual y continua la velocidad del motor desde cero hasta la asignada o nominal. 337 Figura 155. Empleo de una variac para variación manual de la velocidad de un motor de CD Para el caso de los motores de corriente alterna la situación es diferente. En principio, si se trata de motores de inducción de jaula de ardilla; no es posible modificarle la velocidad con variaciones de tensión sobre sus devanados principales. Los motores de jaula son por naturaleza motores de velocidad constante; y esta depende básicamente de la frecuencia de la línea y del número de polos. Solo los motores de inducción de rotor devanado permiten la variación de velocidad mediante el empleo de resistencias rotóricas externas e idénticas en cada fase, como muestra la Figura 156. La introducción de las resistencias externas modifican la relación X/R de rotor; haciéndola más pequeña, logrando inclinar más las curvas de Velocidad vs Torque de la máquina. 338 Figura 156. Variación de velocidad por medio de resistencias rotóricas ajustables, para un motor de rotor devanado (motor de anillos rozantes) Para mayor resistencia externa y con carga constante, la velocidad del motor se reduce e incluso pude llegar a cero. Este método resulta muy efectivo ya que con las resistencias externas no solo se puede variar la velocidad del motor, sino que también se puede limitar la corriente de conexión y al mismo tiempo garantizar un torque de arranque elevado. La variación de velocidad por variación de frecuencia de la red es algo que hoy en día se hace por medios electrónicos utilizando tiristores (SCR). Con estos equipos es posible ajustar con precisión la frecuencia de la tensión aplicada al motor dentro de rangos muy amplios; desde valores relativamente bajos hasta valores muy por encima de la nominal. Prácticamente, todos los variadores electrónicos de velocidad incorporan la regulación automática de la velocidad. Con ello el operario simplemente ajusta la velocidad de trabajo en el valor deseado y el equipo la mantiene sustancialmente contante a pesar de las variaciones de carga. 339 La relación entre la velocidad del motor y la frecuencia de la tensión aplicada es: Donde; ω: velocidad en revoluciones por minuto (rpm) f: frecuencia de la línea (Hz) P: número de polos del motor Obsérvese que existe una relación lineal entre ω y f que asegura una variación uniforme de la velocidad del motor dentro de todo el rango de variación de la frecuencia que permita el equipo utilizado para tal fin. Finalmente, puesto que la reducción de la frecuencia disminuye la reactancia de los devanados del motor, se hace necesario reducir en la misma proporción la tensión de alimentación del motor con el propósito de limitar el incremento de la corriente de funcionamiento. La utilización de variadores electrónicos de velocidad con regulación automática se ha venido incrementando. Cada vez son más los motores de corriente alterna que la usan, tanto en número como en mayor capacidad (HP). El uso de cambiadores de velocidad es otra alternativa muy utilizada en la industria. Con su empleo es posible operar el motor a diferentes y definidas velocidades (2 o 3 usualmente). En los motores trifásicos de jaula de ardilla se puede cambiar la velocidad conmutando el número de polos. Para hacer esto se requiere que el motor haya sido construido de fábrica con esta posibilidad. 340 Existen diferentes formas constructivas para obtener diferente número de polos en un motor trifásico: - Construcción con 2 devanados separados (independientes): 2 velocidades. - Construcción con un devanado en conexión Dahlander (relación de 1:2). - Construcción con un devanado conmutable (para conexión Dahlander) y un devanado independiente: 3 velocidades. - Construcción con dos devanados conmutables (para conexión Dahlander): 4 velocidades. Las diversas posibilidades de la conexión Dahlander dan potencias diferentes con par o torque constante para las diferentes velocidades. Los motores con devanados independientes permiten teóricamente cualquier relación entera de velocidad; aunque se construyen corrientemente para conmutación de polos a potencia constante. En consecuencia, una disminución de la velocidad conlleva a un aumento del torque y viceversa. Para la frecuencia de 60 Hz las velocidades normalizadas son las siguientes: Tabla 6. Velocidades normalizadas para frecuencia de 60 Hz Cuando se conmutan polos para dos velocidades, estas se denominan simplemente “Alta” y “Baja” (lenta), independientemente de la magnitud de la 341 velocidad. Para tres velocidades se denominan “Alta” (rápida) “Media” y “Baja” (lenta). El circuito de la Figura 157.a y b ilustra la conexión Dahlander en un motor trifásico de jaula para dos velocidades y un sentido de giro. Puede apreciarse del circuito de potencia que el motor se conecta en triángulo (∆) para la velocidad baja y en doble estrella (YY) para la velocidad alta. Para la velocidad baja debe estar energizado el contactor K1 y permanecer desenergizados K2 y K3. Para velocidad alta están energizados K2 y K3 y K1 desenergizado. El contactor K2 hace la conexión del neutro de la doble estrella uniendo los bornes 1V–1U–1W y el contactor K3 hace la conexión del motor a la línea a través de los bornes 2V–2U–2W. Cada conexión de motor define un número determinado de los polos manteniendo siempre la relación de 1:2 a par constante. El circuito de control para la conexión Dahlander funciona de la siguiente manera: Al presionar el pulsador de marcha de velocidad baja S1; se energiza K1, se automantiene, inhibe a K2 y K3 y conecta el motor a la línea en baja velocidad. Si en lugar de S1 se presiona el pulsador de “Alta S2; se energiza K2, conecta el neutro de la doble estrella, energiza a K3, se automantiene, hay inhibición de K1 y el motor gira a la velocidad mayor. Al presionar el pulsador de paro S0 o si actúa uno cualquiera de los relés de sobrecarga (según la conexión de trabajo); se corta la alimentación de corriente para los contactores que estén energizados, se pierde la retención, y el motor se desconecta de la línea. 342 Puede observarse que el circuito de control permite arrancar el motor en cualquier velocidad (control selectivo), pero el cambio de una velocidad a la otra solo es posible con la desconexión previa del motor mediante la actuación del pulsador de paro. Los fusibles F1 y F2, y los relés térmicos F3 y F4 se seleccionan en conformidad con las corrientes asignadas del motor para ambas velocidades. Cuando la diferencia de las corrientes asignadas para las dos velocidades es pequeña y pueden utilizarse relés de sobrecarga con el mismo rango de ajuste, se admite la protección de cortocircuito con un sólo juego de fusibles (F1). 343 Figura 157. Circuito de Cambiador de dos velocidades en un motor trifásico en conexión Dahlander ∆-YY. (a) Circuito de potencia. (b) Circuito de control. La utilización de motores en conexión Dahlander ofrece un mayor rendimiento que la conmutación de polos para motor con devanados separados porque para cada velocidad se usan todos los devanados. Como se indicó anteriormente, existen diferentes conexiones Dahlander que posibilitan cambios de velocidad con buena adaptación al par antagónico o de carga. Las más usadas son: - Conexión triángulo / estrella–estrella; ∆ / Y-Y (2 velocidades, par variable) - Conexión estrella–estrella / estrella; YY / Y (2 velocidades, par constante) 344 Pueden consultarse las referencias bibliográficas para ampliar la información sobre los circuitos de motor para todas estas conexiones, con o sin inversión de marcha, así como las relaciones de potencia y características de par ofrecidas. Finalmente, en la Figura 158 se ilustra un circuito alternativo de control en el cual se utiliza un interruptor de mando de muletilla con retención en lugar de pulsadores, para el arranque del motor en conexión Dahlander. Figura 158. Mando con interruptor de muletilla con retención (Sistema Dahlander) El interruptor S1, según sea su posición, conecta o desconecta los contactores K1 o K2 y K3, en los cuales se incorporan los respectivos enclavamientos eléctricos. Los circuitos de potencia y de mando o control para la maniobra sobre un motor trifásico de jaula de polos conmutables, con dos bobinados separados (conexión típica YY), dos velocidades y un sentido de giro, se muestran en la Figura 159 a y b. 345 Este método se conoce también como método de cambio de velocidad por devanados parciales. Obsérvese que el motor incorpora doble protección térmica, doble contactor de línea y doble protección de cortocircuito. Esto es necesario porque en principio, por el hecho de ser construido con dos devanados estatóricos independientes, se trata de una doble máquina que puede representarse como si se tratará de dos motores en uno. Por consiguiente, los contactores K1 y K2 no pueden actuar simultáneamente y los elementos de protección y maniobra deberán dimensionarse para las corrientes originales de “cada motor”. 346 Figura 159. Circuitos para cambiador de dos velocidades en un motor trifásico por devanados parciales. (a) Circuito de potencia. (b) Circuitos de control. Al presionar el pulsador de paro S0 se desenergiza y pierde la retención el contactor que esté en funcionamiento; esto hace que el motor se desconecte de la línea y se detenga. La actuación de los relés de sobrecarga hace la misma función del pulsador de paro. Aunque en los circuitos analizados anteriormente no se utilizan señalizaciones, es necesario emplear lámparas indicadoras con el propósito de que el operario pueda reconocer fácilmente la velocidad a la cual opera la máquina. Los circuitos de mando para cambio de velocidad pueden realizar la tarea de conmutación de los polos en el motor de varias maneras: 347 - Conmutación selectiva - Conmutación forzada - Conmutación progresiva El control selectivo permite al operario conectar el motor a la velocidad que desee partiendo de cero. También es posible pasar de la velocidad lenta a la rápida o viceversa y a cero (desconexión) desde cualquiera. Algunos circuitos de este tipo incorporan restricciones de cambio de alta a baja; debiendo previamente desconectarse el motor o retornar a velocidad cero. El control forzado obliga al operario a arrancar el motor en baja velocidad y solo cuando el motor está girando en esta, es posible la conmutación a la velocidad mayor. De ahí en adelante puede cambiarse de alta a baja o viceversa, y cero sin restricciones. El control progresivo permite al operario conectar el motor a cualquier velocidad de las disponibles. Sin embargo el arranque del motor se da inicialmente a baja velocidad y un tiempo después se cambia automáticamente a la velocidad mayor seleccionada. De ahí en adelante puede cambiarse de alta a baja o viceversa, y a cero sin restricciones. Para velocidades intermedias con motores de 3 y 4 velocidades (media, media alta o media baja) pueden definirse las mismas acciones de control descritas anteriormente, incorporando las restricciones que imponga la máquina para realizar convenientemente la tarea asignada. En la Figura 161 a y b se ilustra el circuito de potencia y control para la maniobra (control selectivo) de velocidad sobre un motor de rotor bobinado (o de anillos rozantes) a dos velocidades y en un solo sentido de giro. El cambio de velocidad se consigue mediante las resistencias externas (R) conectadas al circuito del rotor. 348 El motor gira a baja velocidad si las resistencias no están cortocircuitadas por los contactos del contactor H. En caso contrario, velocidad del motor es alta. El valor de las resistencias R está definido por el tipo de carga, y evidentemente por el tamaño del motor. Al presionar el pulsador de “Baja” se energiza el contactor L, se automantiene e inhibe a H y conecta el motor con las resistencias rotóricas incluidas permitiendo que el motor gire a baja velocidad. Si se presiona a continuación el pulsador de “Alta”; se desenergiza L, el motor se desconecta de la línea, e inmediatamente se reconecta nuevamente debido a la energización del contactor H, el cual se automantiene y a su vez inhibe la actuación de L. Al presionar el pulsador de paro o presentarse la actuación del relé de sobrecarga; se desenergiza el contactor que esté en servicio, pierde la retención, y el motor se desconecta de la línea. El funcionamiento es análogo para el arranque inicial a la velocidad mayor. Si se desea un control selectivo con la restricción del paro previo para un cambio de velocidad, con el propósito de evitar los picos de corriente que se originan en el circuito del motor justo al cambiar de velocidad, pueden eliminarse los contactos cerrados que tienen los pulsadores de mando para alta y baja velocidad. Las lámparas de señalización conectadas en paralelo con las bobinas de los contactores dan indicación al operario de la rapidez con que gira la máquina. En la Figura 161 c y d se ilustran los circuitos de potencia y control para cambiar la velocidad de un motor de rotor bobinado mediante el empleo de resistencias rotóricas R. Con el circuito de mando es posible realizar la maniobra de control forzado. 349 Obsérvese que al pretender arrancar la máquina en “Alta” no es posible la energización del contactor H que conecta las resistencias R, puesto que para ello se requiere que el contactor L se haya energizado previamente y se encuentre retenido. En consecuencia, el operario solo podrá arrancar la máquina a baja velocidad, y solo después de ello tendrán la posibilidad de pasar de alta o de alta a baja y viceversa, y a cero, esto implica que se trate de un control forzado de velocidad. Del circuito de potencia se ve claramente que es el contactor L el que conecta el motor de la línea y que el contactor H sólo tiene la función de conectar o desconectar las resistencias R para permitir el cambio de velocidad. Con las lámparas 1L y 2L se puede visualizar la rapidez de giro del motor. Figura 160. Control selectivo de velocidad para un motor de rotor devanado. (a) Circuito de potencia. (b) Circuito de control. 350 Figura 161. Control forzado de velocidad para motor de rotor devanado. (c) Circuito de potencia. (d) Circuito de control. En la Figura 162, se ilustra un circuito de potencia para la maniobra sobre un motor serie de corriente directa, en el cual es posible variar en forma escalonada su velocidad mediante un combinador de mando que conmuta las derivaciones de una resistencia limitadora de corriente que reduce la tensión en bornes del motor. Con esta disposición pueden seleccionarse cinco velocidades de trabajo además de la desconexión del motor. Dependiendo del valor que tenga la resistencia con derivaciones, el circuito puede emplearse también para el arranque o aceleración del motor con el propósito de limitar la corriente de conexión. 351 Figura 162. Cambiador manual de velocidad para un motor de CD mediante combinador de mando. 4.6.7 Circuitos para arranque de motores con limitación de la corriente de conexión (función aceleración) 4.6.7.1 Introducción La conexión de un motor a la línea demanda una cantidad extra de energía para que este pueda desarrollar el torque acelerador que conduce a la máquina a su velocidad de estado estable. Al momento de arrancar, la carga le impone al motor dos torques: El torque acelerador y el torque de fricción. El primero depende de la inercia (J) de la carga y el segundo del coeficiente de fricción o de rozamiento (B) asociado también a la carga. En condiciones de equilibrio dinámico se debe cumplir la relación: 352 Dónde: T M : Torque Motor T L : Torque de carga : Aceleración angular : Torque acelerador ω: Velocidad angular Bω: Torque de fricción Cuando un motor se conecta a la línea, experimenta un cambio de velocidad desde cero hasta su velocidad final de trabajo para condiciones estacionarias. Mientras se presenta el cambio de velocidad, se demanda de la línea gran cantidad de energía, manifestada por medio de un aumento exagerado de la corriente que toma el motor. Esta corriente puede estar comprendida entre 3 y 8 veces el valor de su corriente nominal o asignada. Una vez el motor estabiliza la velocidad, desaparece el torque acelerador y la maquina solo toma de la línea la energía necesaria para vencer la fricción; la cual demanda una corriente que es igual o menor a su valor nominal asignado, según la carga que tenga conectada. Varios efectos se manifiestan por el súbito de corriente durante la conexión del motor: 353 - Caída de tensión en la línea; lo cual perjudica notoriamente el funcionamiento normal de otras cargas conectadas. - Elevado torque de carga; lo cual puede originar daños en materiales que están en proceso de producción y esfuerzos de cizalladura muy elevados que pueden dañar los sistemas de acople motor – carga. - Sobrecarga térmica en los devanados del motor; si este funciona con un ciclo de trabajo intermitente. La solución a estos inconvenientes se consigue dejando que el motor se acelere gradualmente limitando la corriente de arranque a valores inferiores muy por debajo del valor máximo que toma el motor cuando se conecta directamente a la línea a plena tensión. Con valores limitados, comprendidos entre 1.5 y 3 veces la corriente nominal o asignada del motor, se conseguiría una solución satisfactoria. Sin embargo, no siempre es posible reducir la corriente de arranque a dichos valores, debido a que ello depende del tipo de motor y el método de arranque o aceleración utilizado. Debe tenerse presente que la magnitud de la máxima corriente de arranque de un motor es un valor constante que está definido directamente por los parámetros internos de la máquina. Así pues, por el hecho de que un motor se conecte en vació o a plena carga, no implica que va a tomar de la línea una menor o mayor corriente; lo único que se consigue es disminuir o aumentar el tiempo que dura la perturbación mientras la corriente pasa de su valor máximo de conexión hasta su valor de estado estable. Ese tiempo, denominado tiempo de aceleración o tiempo de establecimiento, es del orden de cuatro veces la constante de tiempo (J/B) de la carga asociada al motor. En la práctica, puede ser tan pequeño como dos o tres segundos para carga de vacío, y de algunos minutos para plena carga. De todas maneras, es el tipo de carga que mueve al motor el que define e impone en última instancia la forma como debe acelerarse la máquina y en consecuencia la duración del estado transitorio perturbador. 354 Se dispone de varios métodos para limitar la corriente de arranque de los motores industriales, tal como se indica a continuación. - Para motores de corriente alterna: o Arranque a voltaje reducido:  Por resistencias estatóricas  Por reactancias estatóricas  Por autotransformador  Estrella – Triángulo (Y-∆)  Por medios electrónicos o Arranque a potencia reducida:  Por devanados parciales  Por resistencias rotóricas (para motores de rotor bobinado) - Para motores de corriente directa: o Por resistencias en el circuito de la armadura o Mediante transformadores de tensión ajustable (variac) o conmutable (con derivaciones) que incorporan un circuito rectificador de corriente o Por medios electrónicos El arranque con limitación de la corriente de un motor se puede hacer en forma manual o automática. En la operación manual debe permitirse que el motor siga los pasos de aceleración en forma gradual y se respeten los tiempos de conmutación que impone el proceso o la máquina. Para ello deben darse instrucciones precisas al operario que va a ejecutar la maniobra. En la práctica, se prefieren los arranques automáticos ya que proporcionan una mayor seguridad y confiabilidad de maniobra. 355 4.6.7.2 Arranque de motores de corriente alterna a plena tensión (sin limitación de corriente) El arranque directo de motores solo debe realizarse con máquinas de potencia reducida para no perturbar el sistema. En general, para motores monofásicos, que por sus limitaciones y características son de baja potencia, no es necesario aplicar métodos de arranque especiales, y lo usual es conectarlos directamente a la línea a través de un guardamotor. Para motores trifásicos de inducción de jaula de ardilla de baja potencia (hasta 10 HP) que operan en líneas industriales de 220 V y 440 V es permisible el arranque directo sin consideraciones especiales. En la Figura 163 se ilustra el circuito de potencia y el de control para la conexión directa o a plena tensión de un motor trifásico, mediante mando por pulsadores. Figura 163. Arranque directo (a plena tensión) de un motor trifásico. (a) Circuito de potencia. (b) Circuito de control. 356 Obsérvese que el motor tiene las protecciones de sobrecarga y cortocircuito, y la maniobra de conexión-desconexión la ejecuta el contactor K1. Si se presiona el pulsador de marcha; se energiza el contactor K1, se automantiene, y conecta el motor a la línea. Si se presiona el pulsador de paro o actúa el relé de sobrecarga; se desenergiza el contactor K1, pierde la retención, y el motor se desconecta de la línea. Esta es la forma más simple y segura de conectar un motor a la línea. Para motores de tamaño reducido (baja potencia), la mayoría de los fabricantes de dispositivos eléctricos industriales han desarrollado unidades compactas que incorporan en una caja de tamaño reducido todos los elementos de protección, maniobra y mando que lleva un arrancador electromagnético de motor de construcción en tablero. Estas unidades, conocidas con el nombre de Guardamotores, son muy económicas y de fácil instalación. Se construyen generalmente en caja moldeada de material termoplástico, y son de peso y tamaño reducido. Disponen de los pulsadores de mando para arranque y paro y del medio de ajuste para la corriente de sobrecarga. Algunos incorporan un dispositivo de señalización y en otros se puede adicionar una bobina de disparo para desconexión por mando remoto o a distancia. Se utilizan con mucha frecuencia para motores aislados; particularmente en bombas, molinos, ventiladores, etc. 4.6.7.3 Arranque a voltaje reducido por medio de resistencias y reactancias estatóricas El arranque de motores trifásicos con limitación de la corriente por medio de resistencias o reactancias estatóricas y aceleración por límite de tiempo, se utiliza con motores de tamaño mediano que no han de conectarse inicialmente a la línea a plena carga, y en funcionamiento no intermitente. 357 Se pueden diseñar las resistencias o las reactancias para las tensiones de conexión que recomienda la NEMA, las cuales son: 50%, 65% y 80% del voltaje asignado o nominal de diseño. - 50% Vn: para cargas ligeras o en vacío - 65% Vn: para cargas medianas - 80% Vn: para plena carga La corriente de arranque del motor origina una caída de tensión variable en las resistencias o reactancias. Por lo tanto, el motor arranca con una tensión reducida que se incrementa a medida que este gana velocidad. Para el cálculo de las resistencias se puede recurrir a los siguientes diagramas fasoriales, indicados en la Figura 164. 358 Figura 164. Diagramas fasoriales del circuito del motor para el cálculo de las resistencias o reactancias limitadoras. Utilizando el circuito equivalente por fase del motor se tiene que: V M : Voltaje de conexión del motor (para e = 0). El valor asignado lo define el grado de cargabilidad que tenga el motor al arrancar, y se puede escoger de acuerdo con las recomendaciones de la NEMA. En el mismo porcentaje se verá reducida la corriente de conexión con respecto al valor máximo o de arranque a plena tensión. Este valor se puede determinar a partir de los KVA de arranque (Start KVA o SKVA) del motor; el cual se supone conocido. V RM : Es la caída de tensión en la parte resistiva del devanado del motor. V XM : Es la caída de tensión en la parte reactiva del devanado del motor. u o : Ángulo del factor de potencia del motor con el rotor bloqueado o al momento de conectar (e = 0). Se supone conocido o puede calcularse fácilmente mediante una prueba de laboratorio. 359 V R : Caída de tensión en la resistencia limitadora. V X : Caída de tensión en la reactancia limitadora. V F : Tensión de fase de la línea de alimentación del motor. u: Ángulo del factor de potencia del circuito. I a : Corriente de arranque de valor limitado. Puesto que son conocidos todos los valores de interés que son necesarios para el cálculo, y ellos están indicados en los diagramas fasoriales; resulta simple determinar mediante sencillas operaciones algebraicas y trigonométricas, los valores para V R y V X . Con estos valores, puede calcularse la resistencia o la reactancia limitadora aplicando las siguientes expresiones: Donde es la corriente de la conexión a la tensión reducida. Para el cálculo de la potencia de las resistencias limitadoras, puede escogerse el criterio del 10% (aproximado) de la potencia máxima o de pico (l a 2 R), ya que dichas resistencias se conectan a la línea por muy corto tiempo y en intervalos relativamente espaciados. En caso de usar reactancias, estas tienen la característica y ventaja que no disipan potencia importante, ya que se trata de elementos reactivos. Las pérdidas de calor asociadas a estos elementos se reducen a un mínimo si es utilizado el calibre de alambre apropiado para la corriente de conexión del motor. Para 360 funcionamiento del motor en forma intermitente, resulta económica y eficiente la limitación de corriente por medio de reactancias en vez de resistencias. Los circuitos de la Figura 165 a y b ilustran la forma de conectar las resistencias o reactancias al motor. Obsérvese que se utiliza un elemento por línea “viva”. Todos ellos deben ser de igual valor e idénticas características. La conexión del motor a corriente limitada se hace inicialmente a través de los contactos de potencia del contactor K1. Después de un tiempo, cuando el motor haya ganado velocidad y esta se encuentre en un valor cercano a la de trabajo para condiciones estacionarias, se procede a energizar al contactor K2; el cual cortocircuita las resistencias, dejando conectado el motor a plena tensión. A continuación, el motor acelera a su velocidad de trabajo estacionario y en ella permanece. Puesto que el contactor K1 ya cumplió su función en el circuito, se impone desconectarlo para ahorrar energía. Esta tarea la realiza el circuito de control de la Figura 165 c. Al presionar el pulsador de marcha, se energiza K1, se automantiene, y conecta el motor a la línea con los dispositivos limitadores incluidos. Al mismo tiempo, se energiza el relé temporizado al trabajo K3T, el cual después de cierto tiempo, cuando ya el motor este girando a una velocidad cercana a la de régimen estacionario, iniciará la energización del contactor K2, el cual se automantiene, desenergiza a K1, conecta la lámpara de señalización y cortocircuita las resistencias o reactancias limitadoras permitiendo que el motor funcione a plena tensión. La actuación del pulsador de paro o del relé de sobrecarga, desconecta los elementos del circuito de mando y hace que el motor se detenga. 361 Figura 165. Circuito acelerador en transición cerrada, para maniobra sobre un motor trifásico. (a) y (b) Circuitos de potencia. (c) Circuito de control. Obsérvese que la conmutación de las R o X limitadoras se hace en transición cerrada, esto es deseable para evitar los picos de corriente al momento de la reconexión a la plena tensión. La transición cerrada no desconecta el motor de la 362 red al momento de cortocircuitar las resistencias de aceleración para que este opere a plena tensión. La conmutación en transición abierta origina fuertes perturbaciones en la red y es la causa número uno por la cual se deterioran y se reduce la vida útil de los contactos del contactor de marcha K2. En la transición abierta, se desconecta el motor momentáneamente para luego hacerle la conexión a plena tensión. El contactor de arranque K1 se selecciona para el 100% de la potencia del motor en la categoría de empleo que esté definida para las condiciones de operación que impone la carga. El contactor de marcha K2 podrá seleccionarse para categoría de empleo AC1 para la corriente asignada o nominal del motor. Algunos diseñadores utilizan una sola resistencia limitadora en una de las líneas del motor. El circuito de potencia es el mismo que se ha analizado previamente pero eliminando dos de las resistencias. La conexión es conocida como conexión KUSA y aunque el motor funciona transitoriamente con desbalance de corrientes que pueden ser elevadas, resulta bastante económica y fácil de implementar. 4.6.7.4 Arranque a voltaje reducido mediante transformador En este método, el motor se conecta durante el arranque a una de las derivaciones de un autotransformador dispuesto en conexión estrella. Las recomendaciones de la NEMA para diferentes grados de cargabilidad del motor señalan valores de tensión del 50%, 65% y 80% con relación al de la línea de alimentación. Las recomendaciones de los diseñadores europeos sugieren un valor del 70% de la tensión nominal de la línea, en cuyo caso el par de arranque, que es proporcional al cuadrado de la tensión del motor, se ve reducido a un 49% del valor que se tendría si el motor arrancara a plena tensión en conexión directa. 363 La selección de tensión del 50%, 65% y 80% se hacen con base en las mismas recomendaciones para los arrancadores por resistencia o reactancia. El arranque por autotransformador tiene la ventaja de ser un arranque suave, de corrientes de línea balanceadas, y que solo requiere de motores con tres terminales y no de seis como lo exige por ejemplo el arranque estrella – triángulo. Se utiliza para motores medianos y grandes que pueden tener asociada su carga nominal al momento de la conexión. Para el arranque por autotransformador en transición cerrada y por límite de tiempo se pueden utilizar los circuitos de potencia y control que ilustra la Figura 166 a y b. Figura 166. Arranque de un motor trifásico a tensión reducida mediante autotransformador. (a) Circuito de potencia. (b) Circuito de control, en transición cerrada. 364 De acuerdo con el funcionamiento del circuito del control; si se presiona el pulsador de marcha S1; se energizan K5 y K4, se automantienen, y se energiza a continuación K1. La operación de K1 permite que los bobinados del autotransformador se conecten en estrella, y a continuación, una vez K2 se energice y automantenga, se conecten a la línea. En estas circunstancias, el motor arranca a la tensión que tenga indicada la derivación del autotransformador. Una vez haya transcurrido cierto tiempo (definido por el ajuste sobre K4) y el motor se encuentre a una velocidad cercana a la de régimen estacionario, el contactor K1, se desenergiza, retira la inhibición sobre K3, desconecta la estrella del autotransformador y permite la energización de K3. Con ello el motor se conecta a plena tensión sin desconectarse de la línea, ya que la conmutación de los contactos principales de K3 se ha hecho sobre las bobinas de la parte superior del autotransformador. A continuación se desenergiza K2 y el autotransformador queda por fuera y disponible para próximas maniobras. Cuando se presiona el pulsador de paro o se da una condición de sobrecarga; K5 se desenergiza pierde la retención y el motor se desconecta de la línea deteniéndose. Para el circuito, los contactores de estrella K1 y de arranque K2 se eligen para el 49% de la potencia del motor (si se utilizó una derivación del 70%). Para otras derivaciones debe establecerse previamente el porcentaje de reducción de la potencia del motor. El contactor K3 se elige para el 100% de la potencia del motor, para categoría de empleo AC1, si K1 y K2 se han de elegir para categoría AC3. 365 4.6.7.5 Arranque a voltaje reducido mediante conexión estrella – triángulo En todas las conexiones de arranque a tensión reducida, en los devanados del motor, el par de arranque decrece en función del cuadrado de la reducción de tensión, mientras que la corriente disminuye linealmente. En el arranque estrella–triángulo de motores asincrónicos, la intensidad de la corriente por el motor se reduce a la tercera parte del valor que tendría en el caso de un arranque directo. Esta es una de las ventajas más interesantes que ofrece este tipo de arranque. Este resultado puede determinarse fácilmente teniendo en cuenta que al arrancar en estrella la tensión de los devanados del motor es veces más pequeña que la conexión directa a la línea. En la misma proporción lo es también la corriente de fase con respecto a la de línea, si el motor se conecta en triangulo o delta. Sin embargo, este arranque solo puede utilizarse en motores cuya tensión asignada para los devanados del motor en conexión triángulo (o delta) coincida con la tensión nominal de la red. Así mismo, se requiere que los bornes terminales de sus tres devanados se lleven por separado a la caja de conexiones del motor. De igual manera, la reducción de la tensión aplicada inicialmente a los devanados del motor (57%Vn) en un factor de , hace que el par de arranque se reduzca a un valor del orden de una tercera parte del que tendría en arranque directo. Con esto se asegura una aceleración suave que no es sometida a esfuerzos bruscos que reducen la vida útil de la máquina. En la Figura 167 se ilustran las curvas típicas de velocidad vs torque de un motor trifásico de jaula cuando se hace la conexión estrella – triángulo. 366 Figura 167. Curvas de aceleración del motor trifásico de jaula de ardilla en arranque estrella–triángulo. El área bajo la curva asocia la potencia mecánica del motor; e s es la velocidad sincrónica y Ta es el torque de arranque a e (rotor bloqueado). Inicialmente se conecta el motor al 57% del voltaje nominal. Para que el arranque sea exitoso se requiere que el torque de arranque (Ta 1 ) sea mayor que el torque de oposición (To) al momento de la conexión (e ). Si esto se cumple, el motor se acelera por su propia curva y se estabiliza en el punto Q1 a la velocidad ω 1. Es justo en ese momento, cuando la velocidad que ha alcanzado el motor es cercana a la de régimen que impone la carga (e 2 ), que debe efectuarse la maniobra de conmutación para permitir que el motor se conecte en triángulo a plena tensión (100%). A partir de ese momento, operando en el punto Q2, podrá atender sin dificultades las variaciones de carga hasta valores limitados únicamente por la corriente asignada o de diseño del motor. 367 Téngase presente que el arranque estrella–triángulo solo puede usarse cuando el par resistente (o de oposición de la carga) aplicado al motor es reducido al momento de arrancar. Si esto no se cumple, el motor no logra alcanzar una velocidad cercana a la de régimen; que es la recomendada para hacer la conmutación a conexión en triángulo y que debe llegar como mínimo al 90% de la de régimen estacionario. Esto origina fuertes picos de corriente de reconexión que muchas veces sobrepasan la capacidad de conexión de los contactores y cuya consecuencia puede ser la soldadura de los contactos. En general, el arranque Y- ∆ se recomienda para motores que al arrancar lo hagan en vacío o a media carga. El arranque estrella–triángulo se puede implementar para conmutación en transición abierta o en transición cerrada. La primera es la forma más utilizada por ser la más simple y económica. Para el arranque en transición cerrada se requiere el uso de tres resistencias adicionales y de un cuarto contactor. En la Figura 168 a, se ilustra el circuito de potencia para la conexión de un motor trifásico de jaula de ardilla en conexión estrella – triángulo. Para ello es necesario efectuar correctamente el conexionado de los devanados del motor siguiendo las indicaciones del fabricante, las cuales generalmente están consignadas en su caja de bornes. La secuencia de conmutación de los conectores debe ser la siguiente: al presionar el pulsador de marcha S1; debe actuar primero K2 para conectar los devanados del motor en estrella, a continuación debe energizarse K3 para hacer la conexión del motor a la línea en estrella. Después de un tiempo de retardo (ajustable) proporcionado por el relé temporizado al trabajo (K4T) el contactor K2 se debe desenergizar seguido de la energización del contactor K1, que reconecta el motor a la línea en triángulo. El circuito de control de mando por pulsadores, indicado en la Figura 168 b, realiza las tareas descritas anteriormente. 368 Figura 168. Arranque de un motor trifásico de jaula de ardilla en conexión estrella– triángulo. (a) Circuito de potencia. (b) Circuito de control. 369 Al presionar el pulsador de paro S0 o si se actúa el relé de sobrecarga los contactores de línea K4 y K3 se deben desenergizar; perdiendo la retención y al mismo tiempo desconectando el motor de la línea. El contacto K2 en serie con la bobina del contactor K1 se usa como enclavamiento eléctrico para impedir la actuación de K1 mientras K2 se encuentra energizado. Los contactores del circuito (incluido el relé térmico de sobrecarga F1) se deben seleccionar de acuerdo con los siguientes valores: el contactor de red K1 se selecciona para el 58 % de la corriente asignada de servicio del motor; el contactor K3 se selecciona con el mismo criterio. El contactor K2 que hace la estrella inicial y que solo se energiza durante un corto tiempo mientras dura la fase transitoria del arranque, puede dimensionarse para una tercera parte (33 %) de la corriente asignada de servicio de motor. Sin embargo, para motores que operan con una elevada frecuencia de maniobras, es conveniente seleccionar el contactor K2 para el 58% de la corriente asignada de servicio de motor; de esta manera se satisfacen los requisitos impuestos por la carga sin menoscabar la vida útil de los contactos del contactor. 4.6.7.6 Arranque de motores trifásicos con limitación de corriente por reducción de potencia Algunos motores se diseñan de fábrica para operar a dos tensiones nominales como son, por ejemplo 220 V y 440V. Esta interesante alternativa resulta muy ventajosa para los usuarios que disponen de la doble tensión en las instalaciones de la planta. Para el efecto, los fabricantes construyen los motores con una doble bobina de igual voltaje por fase. En consecuencia, el motor podrá tener doce terminales al exterior; aunque por lo general, estos vienen preconectados de 370 fábrica de tal forma que con 6 o 9 terminales es posible hacer la conexión a la tensión que sea requerida. Lo anterior nos permite implementar con este tipo de motores muchas alternativas de arranque con limitación de corriente a la tensión de trabajo que se elija. Una de esas alternativas se presentan para la conexión en baja tensión cuando se separan las bobinas del motor en dos grupos de tres y con ellas, ya sea conectadas en estrella o en triángulo (según la tensión que pueda soportar sus devanados), es posible hacer lo que se conoce con el nombre de arranque por devanados parciales. En este método, el motor se conecta primero a la línea con un solo grupo de bobinas; lo que corresponde al arranque de “medio motor”. Por consiguiente, esta conexión solo demandará un 50% de la potencia asignada o de placa de la máquina. A continuación, y después de un tiempo de retardo que proporciona un relé temporizado al trabajo, y cuando ya la velocidad del motor es cercana a la de régimen estacionario, se conecta el segundo grupo de bobinas en paralelo con las primeras, para permitir que la máquina asuma su plena potencia y pueda atender las exigencias de la carga. Obsérvese que aquí no se hace ninguna reducción de la tensión del motor y sus devanados operan a la tensión de régimen; además, no le altera la velocidad de régimen estacionario, solo el torque del motor que se ve reducido a la mitad, y lo mismo sucede con la corriente que toma el motor de la línea. En la Figura 169 a y b ilustran los circuitos de potencia y de control para la conexión de un motor trifásico con limitación, aplicándole método de arranque por devanados parciales. 371 El sistema de marcación de bornes del motor se muestra en la Figura 169.c. Obsérvese que cada fase tiene dos devanados iguales que se pueden conectar en serie para operar a una tensión mayor (440V) o en paralelo para la operación a tensión menor (220V). Si el motor ha de operar a baja tensión (220V), se pueden hacer conexiones doble estrella o doble delta paralelo (de uso normal). Si el motor se va a operar a doble tensión, se pueden hacer conexiones sencillas en estrella o en triángulo (de uso normal); conectando previamente las dos bobinas de fase en serie aditiva. Para el arranque por devanados parciales que muestra la Figura 169, tanto las tres bobinas exteriores como las tres interiores se conectan generalmente en delta, y lo que hace el circuito de control es ponerlas en paralelo para que así el motor pueda entregar su máxima potencia. NOTA: los devanados del motor se diseñan para 220V. Si se conectan los dos devanados de una fase en serie, se puede operar la maquina a 440V. Si se conectan los dos devanados de una fase en paralelo, se puede conectar la maquina a 220V. La conexión típica es en delta. 372 Figura 169. Motor trifásico de jaula de ardilla con arranque por devanados parciales. (a) Circuito de potencia. (b) Circuito de control. (c) Esquema de bornes. Para el circuito de control, al presionar el pulsador de marcha (ver Figura 169.b); se energiza el contactor de línea 1M, se auto mantiene, y el motor arranca en conexión delta, a media potencia. En estas circunstancias la corriente de conexión será la mitad de la misma para plena tensión, cuando las dos deltas (∆) se conecten en paralelo. De igual forma, el torque del motor se reduce a la mitad puesto que la velocidad no cambia. Un tiempo después de que el motor esté funcionando a una velocidad cercana a la nominal, con la conexión en delta, el contacto de acción retardada del contactor de 373 línea 1M se cierra y el contactor 2M se energiza actuando sus contactos de potencia y permitiendo que las dos deltas queden conectadas en paralelo y el motor pueda asumir la carga plena. Para la protección completa del motor se requiere el empleo de los relés de sobrecarga separados; uno para cada “medio” motor. Sin embargo, la actuación de uno cualquiera debe hacer la desconexión completa del motor. También debe evitarse la conexión con la fase invertida al momento de energizar 2M, ya que el motor se bloquearía y dispararía la protección térmica. La actuación del pulsador de paro desenergiza los contactores 1M y 2M y el motor se desconecta de la línea. Esta conexión tiene la ventaja de que no demanda dispositivos externos para la limitación de corriente, y la conexión es bastante simple y económica. Se puede aplicar a cualquier tipo motores que al arrancar lo hagan en vacío o media carga. 4.6.7.7 Arranque suave de motores trifásicos por medios electrónicos Una forma de regular la tensión aplicada a un motor es mediante el uso de seis rectificadores controlados de silicio (SCR) dos en cada línea, conectados en paralelo inverso como muestra la Figura 170. 374 Figura 170. Conexión reguladora de tensión para motores trifásicos mediante SCR El circuito de control para generar la señal de mando de las compuertas de los tiristores se realiza en la práctica por medio de un procesador, el cual tiene su programa grabado de una memoria EPROM. En este circuito se hace un control de regulación de fase ajustando el ángulo de disparo de los SCR. Si éste se ubica inicialmente en un valor elevado, los pulsos de compuerta se aplican tardíamente, y el valor eficaz de la corriente de conexión se ve reducido, obteniendo el efecto deseado. Es evidente que la disminución de la corriente solo podrá llevarse hasta el mínimo necesario que asegure el arranque del motor. A partir de ese momento, el pulso de disparo empieza a desplazarse gradualmente hacia cero grados a una rata de aceleración que puede ser definida y ajustada por el usuario; con ello es posible establecer el tiempo que demore el motor en cambiar su velocidad desde cero hasta la de régimen. Para este momento, el motor tiene en bornes la plena tensión de la línea, ya que el ángulo de disparo está localizado muy próximo a cero grados. Justo en ese instante, cuando ya el motor ha alcanzado una velocidad cercana a la del régimen, el microprocesador da la orden para que actúen los contactos del contactor K y 375 saquen de servicio a los tiristores, dejando conectado el motor a la línea a través de dichos contactos. Con ello se limita el tamaño físico de los semiconductores y la unidad electrónica puede construirse de bajo costo, y de tamaño y peso reducidos. El contactor K está incorporado en la unidad electrónica; y es también de tamaño pequeño, ya que sus contactos no realizan maniobras de conmutación bajo tensión. En la Figura 171 a se ilustra un circuito de arranque suave de motor con unidad electrónica. 376 Figura 171. Arranque de motores trifásicos de jaula de ardilla mediante arrancadores suaves electrónicos. (a) Circuito de potencia. (b) Circuito de control. En general, todo arrancador suave incorpora fusibles para dar protección de cortocircuito a los tiristores. Se trata de fusibles especiales seleccionados con base en la capacidad l 2 t de los SCR. El interruptor automático Q1 da la protección integral de sobrecarga y cortocircuito para los conductores y cables de la instalación. El contactor K1 es el contactor de línea del motor, y la maniobra de conexión – desconexión se puede ejecutar mediante un circuito estándar de mando por pulsadores, como indica la Figura 171.b. 377 - En una unidad electrónica estándar es posible ajustar manualmente: - El tiempo de rampa o tiempo de aceleración del motor. - La magnitud de la corriente limitadora dentro de rangos muy amplios. - La tensión inicial que se aplicará a los bornes del motor; expresada como un porcentaje de la tensión nominal de la línea. - El tiempo de parada. Una opción bastante interesante que permite detener suavemente el motor una vez que se presiona el pulsador de paro S0. En adición, aprovechando las ventajas que ofrecen los microprocesadores, los fabricantes de arrancadores suaves electrónicos incorporan (no siempre) en estas unidades numerosas funciones de protección y mando, entre las cuales se pueden mencionar las siguientes: - Protección electrónica contra sobrecarga del motor. - Supervisión del tiempo de arranque con limitación de corriente. En este caso, el proceso de arranque se interrumpe cuando el motor no alcanza la velocidad de régimen estacionario en el tiempo asignado. - Supervisión de la temperatura del disipador de los SCR’s mediante el uso de una sonda de termistor. Cuando la temperatura sobrepasa un umbral prefijado, se bloquea cualquier intento de arranque hasta que el disipador se enfríe. - Capacidad de sobrecarga hasta de un 15% una vez que el motor esté funcionando en régimen permanente. - Detección de pérdida de fase. - Interfaz de comunicación tipo serial (RS232) para comunicaciones con PC. Para seleccionar los arrancadores suaves de tipo electrónico es necesario tener datos precisos sobre el motor en cuanto a: potencia, velocidad, corriente y par asignados, momento de inercia, variación del torque motor e intensidad de la 378 corriente en función de la velocidad. Además, la máxima frecuencia de arranques por hora, y datos de la red en cuanto a tensión y frecuencia, y temperatura ambiental. En principio, los arrancadores suaves pueden arrancar cualquier motor trifásico siempre y cuando se den unas protecciones circuitales mínimas y se garantice que la corriente asignada del motor a controlar es superior en más de un 20% a la corriente asignada o nominal de la unidad electrónica. Téngase presente que un arrancador suave electrónico no es un elemento de conmutación, de protección ni de regulación para servicio continuo. Estos equipos se diseñan para funcionamiento solo con motores durante cortos periodos. En caso de existir condensadores de compensación para mejorar la regulación de la tensión en la red durante la conexión del motor, estos se deben conectar antes de la unidad ya que el arrancador no admite carga capacitiva en su salida, solo el motor. Finalmente, debe destacarse que también se construyen arrancadores suaves colocando únicamente tiristores en dos de las fases de la red de alimentación trifásica; la tercera línea se conecta sin interrupción directamente al motor. Esta variante tiene características similares a la analizada anteriormente y al igual que en ella, una vez finalizado el arranque se “puentean” los semiconductores con un contactor interno (K) manejado por el microprocesador. Deben leerse con detalle las especificaciones de catálogo que ofrecen los fabricantes de estos equipos con el propósito de facilitar la correcta selección de la unidad que requiere el motor. No debe olvidarse que los arrancadores suaves introducen distorsión de las ondas de corriente que circulan por el motor y la línea; en consecuencia, será necesario la utilización de filtros especiales para evitar ruidos e interferencias; particularmente en los sistemas de radiocomunicación. 379 4.6.7.8 Arranque con limitación de corriente para motores de rotor devanado o de anillos rozantes Un motor de rotor devanado o de anillos rozantes, con los terminales rotóricos en cortocircuito puede ser conectado en principio como cualquier motor de jaula de ardilla. Sin embargo esta opción nunca se realiza en la práctica ya que el motor desarrolla un torque de arranque muy reducido que impide el arrastre de la carga. Solo con la inclusión de resistencias externas en el circuito del rotor se puede conseguir un aumento significativo del torque de arranque para permitir la maniobra de la carga, tal como ilustra la gráfica de la Figura 172. Figura 172. Curvas de aceleración del motor trifásico de jaula de anillos rozantes o de rotor devanado, a tensión de línea constante con resistencia rotórica. 380 Puesto que al motor no se le cambia el voltaje en los terminales principales del estator, el torque máximo no varía y para todas las curvas se tiene el mismo valor. Sin embargo, la inclusión de una mayor resistencia rotórica genera una reducción del área efectiva bajo la curva velocidad vs torque, y en consecuencia la potencia que demanda el motor de la línea para manejar la carga es menor. Esto trae como consecuencia, una reducción importante de la corriente estatórica, y aunque parezca paradójico, un incremento notorio del torque motor a expensas de una disminución de la velocidad. La forma de variación del torque de arranque (Ta) con la resistencia externa que se instala en el rotor, se muestra en la Figura 173. Figura 173. Variación del torque de arranque con la resistencia rotórica externa para un motor de anillos rozantes o rotor devanado. 381 Para resistencia cero el torque es mínimo; a medida que aumenta la resistencia externa el torque empieza a crecer, y para un valor critico de resistencia igual a R3, este alcanza su valor máximo. A partir de ahí, aumentos posteriores de la resistencia generan nuevamente la reducción del torque de arranque. Todo lo anterior se puede visualizar observando nuevamente la Figura 172. Los motores de rotor devanado tienen la particularidad de que la relación Ta max /Ta min es extremadamente elevada y muy superior a la misma relación que tiene un motor trifásico de inducción de jaula de ardilla de la misma potencia e igual tensión asignada. Esto implica que un motor de rotor devanado puede, en principio, funcionar para arrancar cargas muy elevadas, para las cuales un motor de jaula común, y de igual potencia, no está en capacidad de operar. Para conseguir este efecto basta conectar el motor con una resistencia rotórica de valor igual o aproximado al crítico, y el motor desarrollará un torque bastante elevado que permite arrastrar la carga (a baja velocidad) con la ventaja inherente de que demandara una corriente reducida de conexión. Por supuesto, lo deseable es lograr que el motor pueda funcionar con la carga a una velocidad mayor, lo cual se logra utilizando los circuitos de la Figura 174 a y b. 382 383 Figura 174. Circuitos para el arranque de un motor de rotor devanado. (a) Circuito de potencia. (b) Circuito de control. Del circuito de potencia puede apreciarse que el motor se conecta a la línea por el lado de los devanados estatóricas en la forma convencional, mediante el empleo de un contactor de línea K1M y las respectivas protecciones térmicas y de cortocircuito F2F y F1F. El relé térmico debe ajustarse para la corriente nominal del motor: del motor. En el circuito del rotor se utiliza una resistencia con derivaciones cuyo valor total debe ser igual al crítico ( ) para garantizar el arranque a torque máximo, puesto que se pretende arrancar el motor a plena carga, como se muestra en las Figura 172 y Figura 173. Cuando el contactor de aceleración K11A cortocircuita el primer paso de resistencia, el valor resultante (de acuerdo con las curvas de la Figura 172) debe ser . De forma similar, cuando opere el contactor de aceleración 384 K12A, la resistencia resultante debe ser: R1= R3A. Con ello, el motor podrá acelerarse gradualmente hasta la velocidad deseada de régimen estacionario correspondiente a ω4. Para el punto Q4, ya el contactor de aceleración K13A ha cortocircuitado la totalidad de las resistencias rotóricas y el motor queda operando a régimen de carga normal. Este método de aceleración se conoce en la práctica como aceleración por límite de tiempo. El funcionamiento de circuito de control se entiende fácilmente observando la Figura 172 y es el siguiente: Al presionar el pulsador de marcha S1; se energiza K1M se automantiene y conecta el motor a la línea con todas las resistencias incluidas. Esto permite que el motor se acelere por la curva de R3 y gane velocidad hasta alcanzar el punto Q1 donde se estabiliza. A continuación, y justo después del tiempo de aceleración actúan los contactos retardados del relé temporizado K2T, permitiendo la energización y el automantenimiento de K11A; con ello se cortocircuita el primer paso de resistencia y el motor sale de Q1 gana velocidad por curva de R2 hasta alcanzar el punto Q2 donde se estabiliza. Justo en ese instante, se actuará el contacto del relé temporizado K3T; permitiendo que se energice el contactor K12A y cortocircuite el segundo paso de resistencia quedando solo R3A en el circuito del rotor. Esto hace que el motor gane velocidad y se acelere por la curva R1 hasta llegar al punto Q3 donde se estabiliza. El procedimiento se repite en forma similar para la actuación K4T y K13A entonces al final el motor quedará conectado a la línea a plena tensión y sin resistencia rotórica trabajando a una velocidad de régimen estacionario elevada y plena carga (punto Q4). 385 Obsérvese en el circuito de control que la actuación en secuencia de los contactores de aceleración hace que se vayan desconectando gradualmente los relés temporizados y los contactores de aceleración que van cumpliendo la tarea de conmutar la resistencia retórica. Al final solo el contactor de aceleración K13A permanecerá energizado junto con K1M y todos los demás elementos del circuito quedarán desconectados; con ello se consigue un ahorro significativo de energía. Para el motor de rotor devanado se pueden utilizar formas alternas de eliminar las resistencias rotóricas durante el proceso de aceleración. Existen tres métodos: - Aceleración por límite de tiempo (el más usado) - Aceleración por límite de frecuencia - Aceleración por comparación de tensión El segundo método utiliza relés sensibles a las variaciones de frecuencia que experimenta la tensión de la salida en bornes del rotor. Estos relés comparan la frecuencia de la salida rotórica con un valor de frecuencia previamente ajustado. Así, a medida que la frecuencia de la señal va disminuyendo debido al incremento de velocidad que experimenta el motor, se van actuando los relés y al mismo tiempo se van eliminando las resistencias hasta quedar el rotor en cortocircuito. El método por comparación de tensión mide y compara la tensión inducida en los devanados rotóricos del motor. A medida que el motor se acelera, la tensión rotórica, al igual que la frecuencia, disminuye proporcionalmente con la velocidad, hasta anularse cuando este gire a la velocidad de sincronismo. Esta variación gradual de la tensión comparada en un valor de referencia, es la utilizada para activar por etapas los relés de tensión, de manera que vayan eliminando en secuencia (por medio de los contactores) las resistencias de aceleración incorporadas en el circuito del rotor. 386 Finalmente, puede observarse que las curvas de velocidad vs torque del motor de rotor devanado se hacen tanto más inclinados cuanto mayor es la resistencia que se inserta. Esto significa que habrá mayor cambio de velocidad con los cambios de la carga, pero al mismo tiempo se tendrá la posibilidad de efectuar variaciones o regulación de la velocidad de la máquina muy fácilmente, mediante el empleo de resistencias ajustables, como se ilustró anteriormente. La conexión de la resistencia rotórica puede efectuarse en 2, 3 o más escalones de arranque o pasos de aceleración, variando para las mismas condiciones el valor de paso de la resistencia que se debe conmutar, y sin alterar el valor critico que garantiza el máximo torque al arrancar. El resultado de esta operación es un arranque mucho más suave y gradual. En general, es de uso corriente arrancar el motor de rotor devanado en cuatro pasos de aceleración utilizando tres contactores, como se analizó anteriormente a partir del circuito de la Figura 174.a Las características del motor de rotor devanado lo hacen muy aconsejable en accionamientos en los que el par motor debe ser elevado, con picos de corriente de conexión reducidos. Tal es el caso, por ejemplo, de bandas transportadoras, ascensores, grúas, montacargas, máquinas elevadoras, molinos etc. 4.6.7.9 Arranque del motor sincrónico Los motores sincrónicos son máquinas reversibles ya que pueden operar también como generadores sincrónicos. Estos motores disponen de dos tipos de devanados. Uno de ellos se conoce como inducido (usualmente devanado en el estator) y debe ser alimentado con CA; y el otro denominado de campo o de excitación (devanado en el rotor, generalmente) el cual debe ser conectado a un suministro de CD. También tiene un tercer 387 devanado que normalmente se encuentra cortocircuitado y tiene la finalidad de proporcionar el par de arranque; además de asegurar que los cambios momentáneos de carga no saquen la máquina de sincronismo. Este devanado se construye alrededor de los polos de excitación y es conocido con el nombre de devanado compensador o amortiguador. La construcción típica del motor sincrónico de uso industrial es la de inducido fijo o estacionario y campo giratorio. Las tensiones típicas para la alimentación del campo son 115V o 230V de corriente directa. Las tensiones de inducido son las industriales (220V/440V) pero pueden llegar a ser tan altas como 13.2KV Mecánicamente es ventajoso tener estacionario el devanado del inducido pues resulta más fácil de aislar y proteger; además de que no tiene la limitación que por intensidad de corriente presentan los anillos rozantes cuando el motor es de gran tamaño. El devanado de excitación puede ser de rotor liso o de polos salientes. La gran mayoría de motores sincrónicos son de este último tipo. La velocidad de un motor sincrónico viene determinada por el número de polos de la máquina y por la frecuencia de la tensión de suministro. La fórmula para la velocidad es: Son velocidades típicas: 1.800,1200, 900, 720, 600 rpm. El motor solo funciona a esta velocidad, conocida también como velocidad sincrónica, y si hay un cambio brusco en la carga, habrá un cambio transitorio de 388 muy corta duración en dicha velocidad y la velocidad media será la misma. Es decir, el motor sincrónico es una máquina de velocidad constante con independencia de las variaciones de carga, tal como lo indica la curva de la velocidad vs torque (ω= f(t)) que muestra la Figura 175. Figura 175. Curva característica de velocidad vs torque del motor sincrónico. Como puede apreciarse, el motor sincrónico no tiene en sí (no desarrolla) par de arranque; de ahí la necesidad ayudarlo en el arranque por medio de un motor impulsor o construirlo acondicionando con un devanado amortiguador. Para llevar el motor a la velocidad sincrónica se utiliza a veces un pequeño motor de inducción que tenga menos polos que los del motor principal para garantizar que si puede alcanzar la velocidad necesaria. Evidentemente, el motor sincrónico debe arrancarse en vacío, pues en caso contrario el motor impulsor se bloquearía, ya que por su tamaño no está diseñado para suministrar un par de arranque elevado. 389 De otra manera, un motor equipado con devanado amortiguador y con el circuito de excitación desenergizado, arranca por inducción como si fuera un motor de jaula de ardilla y alcanza una velocidad ligeramente por debajo de la de sincrónica; esto puede apreciarse en la Figura 175 indicada anteriormente. Sin embargo, para el arranque como motor de inducción solo se le puede conectar una carga ligera y nunca a plena carga. Si la resistencia del devanado amortiguador es relativamente baja, el par de arranque (Ta) será alto y el motor se aproximará más fácilmente a la velocidad de sincronismo. El devanado de baja resistencia es el más efectivo para asegurar la sincronización de la máquina. Si el par requerido por la carga excede el valor máximo, el motor se saldrá de sincronismo. Cuando esto sucede el par promedio se anula y el motor queda en reposo. En estas circunstancias deben actuar las protecciones que incorpora el circuito del motor. La subexcitación del devanado de campo, hace que el motor tome corriente en atraso. La sobreexcitación da lugar a que el motor tome corriente en adelantado. La excitación necesaria para mantener un factor de potencia dado con la carga conectada, varía en aumento a medida que se incrementa la carga. La posibilidad de funcionar el motor con factor de potencia en adelanto es una gran ventaja, ya que la máquina, además de estar cumpliendo su tarea de impulsar la carga, está mejorando el factor de potencia de la instalación. Los motores sincrónicos son de construcción robusta tanto eléctrica como mecánica y su eficiencia para operar sobre cargas ligeras es mayor que la de un motor de inducción en igualdad de condiciones. Además la velocidad constante puede ser una ventaja si conviene para la aplicación. 390 Los motores sincrónicos son ideales para velocidades constantes en servicio continuo en las que el par de arranque que impone la carga al arrancar sea bajo. Aplicaciones típicas son: Comprensores de aire y amoniaco, bombas centrífugas, sopladores, machacadores y en general muchas máquinas de proceso continuo. Cuando el torque de arranque requerido es demasiado grande para el motor puede instalarse un embrague entre el motor y su carga. Se lleva entonces el motor a la velocidad sincrónica en vacío y después se aplica la carga por medio del embrague. Para arrancar un motor sincrónico debe llevarse a la velocidad sincrónica o muy cerca de ella, sin excitación de corriente directa, debiendo aplicarse la excitación justo a la velocidad de sincronismo o a una muy próxima, para poner el motor a régimen. En la práctica, la mayoría de los motores sincrónicos son polifásicos y van provistos del devanado amortiguador, y lo usual es arrancarlo como motor de jaula de ardilla y no con un motor impulsor, siendo suministrado el par de arranque por la corriente inducida en dicho devanado. Al igual que los motores de jaula de ardilla, la máquina sincrónica puede ser conectada directamente a la línea o arrancada con tensión reducida ya sea por autotransformador, o por medio de resistencia o reactancias estatóricas como se ha analizado anteriormente. Sin embargo, estos métodos de aceleración no se aplican generalmente. La aplicación de la excitación de corriente directa se hace justo cuando se haya terminado todo el ciclo de arranque y el motor se encuentre conectado a plena tensión, girando a una velocidad superior al 95% de la sincrónica. Solo en estas circunstancias, el motor será capaz por sí mismo de sincronizarse y funcionar como máquina sincrónica. 391 Como el devanado de excitación de corriente directa tiene muchas espiras, deben tomarse precauciones especiales para asegurarlo contra la elevada tensión que se induce en él durante el arranque. La práctica general consiste en cortocircuitar la excitación a través de una resistencia de descarga durante el arranque. El valor de la resistencia es determinado por el fabricante del motor, ya que tiene un marcado efecto sobre el par de sincronización. Para sincronizar un motor a la línea, o mejor para conectar adecuadamente el devanado de campo excitador, se pueden utilizar varios métodos a saber - Por límite de tiempo; mediante el empleo de relés temporizados (es el más utilizado). - Por la variación de frecuencia que experimenta la tensión inducida en el devanado del campo excitador a medida que el motor se acelera. - Por límite de corriente; sensando la magnitud de la corriente de línea que toma el motor al arranque y esperando a que ésta se fije en un valor predeterminado para iniciar la maniobra de sincronización. De todos los métodos, el más utilizado por su sencillez y bajo costo, es el de sincronización por límite de tiempo. En la Figura 176 a y b se ilustran los circuitos de potencia y control para llevar a cabo la maniobra de conexión y sincronización de un motor sincrónico por límite de tiempo. 392 Figura 176. Arranque del motor sincrónico con sincronización por límite de tiempo. (a) Circuito de potencia. (b) Circuito de control. Al presionar el pulsador de marcha S1, el motor se conecta directamente a la línea a través de los contactos del contactor K1 y arranca como una máquina de inducción con un torque Ta. La aceleración se hace por la curva a trazos que se muestra la Figura 175. Después de un breve tiempo, y justo cuando el motor se encuentra girando a una velocidad cercana a la de sincronismo, el relé temporizado K3T cierra su contacto sobre la bobina del contactor K2 permitiendo que el campo se conecte a línea de corriente directa. Esto hace que la máquina se enganche y alcance el sincronismo. A partir de ese momento desaparecen las corrientes inducidas en el devanado amortiguador, y el motor se moverá a velocidad constante, independientemente de las variaciones de carga. 393 Obsérvese que al operar el contactor de sincronismo K2 también saca de servicio la resistencia R de descarga del campo cuyo efecto protector contra sobretensiones ya se analizó anteriormente. A los motores sincrónicos también se les puede invertir la marcha de la misma manera que a un motor de inducción. En general, son muy pocas las aplicaciones donde se requiere realizar esta maniobra. Más bien se emplea el frenado de contramarcha para obtener un paro rápido. El método es el mismo que para un motor de inducción de jaula de ardilla. Los motores sincrónicos pueden ser llevados rápidamente al reposo por medio del frenado dinámico, aplicando el mismo principio analizado con los motores de corriente directa. La única diferencia importante es que se requiere el empleo de tres resistencias iguales; una por cada fase. Estas resistencias se conectan en estrella o delta y sus extremos libres se llevan a los contactos principales del contactor de frenado que a su vez está conectado a los bornes del motor. El frenado se consigue si al desconectar el motor de la línea, este conserva el campo de excitación y las resistencias se reconectan inmediatamente después a los bornes del motor. En estas circunstancias la máquina funciona como generador y podrá transformar rápidamente la energía cinética asociada a la carga en energía calorífica, por medio de las resistencias de frenado del motor. Finalmente, una vez se detenga el motor, un relé temporizado abre el contacto de la excitación y a su vez desconecta el contactor del freno, dejando el motor disponible para la próxima maniobra. 394 4.6.7.10 Aspectos a considerar para la escogencia de un método de aceleración con limitación de corriente La escogencia del método de aceleración para un motor está definida en principio por lo siguiente: - El tipo de carga a conectar - El par resistente que impone la carga al momento de la conexión - El tamaño de motor - El tipo de motor - El tipo de instalación Si la red de la instalación no tiene una buena regulación de voltaje, no es permitido el arranque directo de ningún motor de tamaño mediano o mayor. Incluso, hasta con motores pequeños se podrán presentar serios inconvenientes. En este caso, será necesario recurrir al empleo de arrancadores con limitación de corriente. En principio todo arrancador con limitación de corriente debe proyectarse de forma que de valores adecuados del par que se necesita para garantizar el arranque de la carga, y de la corriente que se toma de la línea. Así mismo debe tenerse en cuenta los tipos de conexión de los devanados del motor y de la conmutación que impone el arrancador tanto para el motor como para los dispositivos de maniobra. Así por ejemplo, el método de arranque estrella- triángulo exige del motor que sus devanados tengan todos los terminales al exterior. Esto será una limitante para muchos motores que de fábrica se construyen únicamente con tres terminales de salida. 395 Por otro lado, aunque en el método de arranque estrella – triángulo la corriente de conexión está limitada a una tercera parte de la que tomaría en conexión directa; el par de arranque, que es del 33% resulta ser muy reducido, y en consecuencia, el método no podrá aplicarse a cargas que demanden torques importantes al momento de la conexión. También, el arranque estrella – triángulo es poco flexible en cuanto que permite la conexión a solo una tensión reducida; y además, tiene el inconveniente de que la conmutación de estrella – triángulo se hace a transición abierta, lo que puede originar un serio deterioro de los contactos del contactor que efectúa la conexión final en triángulo; sobre todo, si el relé temporizado no se calibra bien o el motor no alcanza con la carga conectada velocidades por encima de 85 % de la velocidad de régimen permanente. Sin embargo, éste es un arranque ampliamente utilizado en la industria, particularmente por su fácil implementación y bajo costo, teniendo en cuenta que no asocia elementos que disipan energía como pérdidas para realizar la tarea de limitación de la corriente del motor. El arranque por autotransformador es el procedimiento que mejor satisface las condiciones de arranque de un motor y de su carga asociada; y por tanto, el sistema de arranque más conveniente. En efecto presenta la particularidad de poder modificar el par de arranque inicial según la toma o derivación del autotransformador que se elija, cosa que no es posible realizar en el arrancador estrella – triángulo. Además con respecto al arrancador mediante resistencias estatóricas presenta la ventaja de no ocasionar pérdidas de potencia exteriores durante el arranque. Téngase presente que, la corriente que circula por la línea en el instante del arranque, se reduce en la misma proporción que tiene definida el tap del autotransformador al cual se conecta el motor; y puesto que éste se construye con diferentes tomas, será posible fijar con comodidad la corriente de enganche y el 396 par de arranque más adecuado para la máquina accionada. En la práctica, se utilizan tomas o derivaciones al 50%, 65%, y 80% de la tensión nominal de la línea. Esto permite, inclusive, el arranque del motor conmutado en varias etapas, con dos o más derivaciones. La única desventaja que puede anotársele al método de arranque por autotransformador es que demanda un costo relativamente elevado, teniendo en cuenta que el autotransformador es un elemento extra y su diseño es especial y particular para el motor con el cual debe trabajar. En los motores de rotor devanando se podría pensar también en el uso de arrancadores como los empleados con los motores de inducción de jaula de ardilla. Sin embargo, para el motor de rotor devanado se tienen opciones diferentes muy ventajosas, cuando se emplean resistencias rotóricas para realizar esta función. Otra consideración con respecto al arrancador mediante reactancias estatóricas, es que presenta la ventaja de no ocasionar pérdidas de potencia exteriores durante el arranque. Con los arrancadores suaves de estado sólido (soft starters), se consiguen importantes ventajas comparativas. Son muy diferentes de cualquier otro tipo tradicional de arrancadores a potencia reducida debido a que: - No requieren de resistencia, reactancias o autotransformadores externos y tampoco de construcción o alambrado especial del motor. - No incorporan dispositivos electromecánicos de maniobra para la conexión o desconexión del motor a la línea. El control de las desconexiones tiene lugar en un circuito electrónico de baja potencia en el cual los “contactos” 397 son de estado sólido garantizando la ausencia de arco y mínimo mantenimiento. - Operan sólo durante el arranque del motor (y algunas veces en el paro) y luego se aíslan sin desconexión evitando fenómenos de conmutación como los originados en los arrancadores de motor que operan en transición abierta y en transición cerrada. - Son compactos, de fácil instalación y montaje, y sobre todo de tamaño reducido y poco peso; características ideales para un buen arrancador. - Tienen como ventaja la posibilidad de aportar a voluntad y en forma continua la corriente de arranque dentro de rangos relativamente amplio; de 150% a 450% de la corriente a plena carga del motor. - Para estar seguros de que el motor arranca, algunos arrancadores suaves proporcionan una rampa de corriente en el tiempo entre dos tipos de ajuste, con rangos de tiempo típicos de uno a treinta segundos. - Algunos arrancadores con rampa de corriente proporcionan al motor un breve pulso inicial de corriente a su valor más elevado; esto permite, arrancar cargas con alta fricción estática en forma inmediata. Después del pulso la corriente se salta a la variación de rampa desde el límite inferior. - Algunos arrancadores monitorean, además de controlar el voltaje del motor. Con esto un voltaje reducido produce corriente reducida y también un par reducido. A cualquier velocidad la reducción de corriente es proporcional a la reducción de voltaje; y el porcentaje de reducción del par es proporcional al cuadrado de la reducción del voltaje. - La rampa de tiempo es generalmente ajustable. Si el motor tiene que arrancar con una carga de alta inercia, la corriente debe ser alta si la rampa es breve. Una rampa más larga da al motor más tiempo para acelerar carga y en consecuencia la corriente podrá ser reducida. Como se puede deducir, se tiene en los arrancadores electrónicos para motores de corriente alterna, la alternativa de un dispositivo que incorpora funciones muy 398 importantes para la aceleración y desaceleración de los motores; funciones que los arrancadores de tipo convencional no están en capacidad de proporcionar. Puede asegurarse que en poco tiempo, y a pesar de su mayor costo comparativo, estas unidades estarán sustituyendo muchos de los arrancadores que hoy en día y desde hace muchos años se han venido utilizando regularmente en la industria. 4.6.7.11 Métodos de aceleración para motores de corriente directa Los motores de corriente directa se construyen de muchos tipos y con muchas formas de devanados, pero todos ellos encajan dentro de dos clases generales. Cuando el devanado principal de excitación se diseña para conexión en paralelo con la armadura o inducido, la máquina se conoce como motor de derivación, o motor shunt. Cuando el devanado principal de excitación se diseña para ser alimentado independientemente de la tensión que se le aplica a la armadura, al motor se le conoce con el nombre de motor de corriente directa de excitación independiente. Cuando el devanado de excitación se proyecta para conexión en serie con la armadura o inducido, la máquina se conoce como motor serie. Para un motor en serie la corriente del inducido pasa también por el devanado de excitación y por tanto la intensidad del campo y la velocidad varían ampliamente con la carga. La máquina en derivación no se ve afectada por los cambios de corriente del inducido, y la velocidad del motor es relativamente constante para diferentes cargas. Para un motor en serie la corriente del inducido pasa también por el 399 devanado de excitación y por tanto la intensidad del campo y la velocidad varían ampliamente con la carga. Muchos motores son construidos a la vez en derivación y en serie, y su comportamiento cae siempre en el de la máquina en derivación o en el de la máquina en serie; dependiendo de la intensidad relativa de la corriente que circula por los dos campos. Esta máquina se conoce con el nombre de motor compuesto o compound. Este es el motor de corriente directa típico de la industria. Se construye en general con una excitación en derivación predominante y una excitación relativamente menor en serie. El ligero campo en serie se añade para aumentar el par de arranque y hacer que la velocidad caiga un poco para las cargas fuertes. El campo de excitación en derivación se construye de alta impedancia y es fuertemente inductivo. El campo de excitación serie se construye de baja impedancia y es más resistivo. El Par de giro o Torque motor desarrollado (T) para cualquier motor de CD es proporcional al producto de las corrientes del inducido o armadura (Ia) y del campo de excitación (Ic). Al recibir la tensión el inducido del motor, el único factor que limita la corriente (I) en éste es la resistencia óhmica (Ra) del inducido. Tan pronto como comienza a girar, sus conductores empiezan a cortar el campo de excitación y se induce en los conductores del inducido una tensión opuesta a la de la línea aplicada. Esta tensión, conocida como fuerza contraelectromotriz (V) es proporcional a la velocidad del inducido (ω) y a la intensidad de la corriente del campo (Ic). La velocidad final del motor no puede alcanzar nunca completamente la velocidad necesaria para producir una tensión igual a la de la línea, porque entonces no habría ni corriente por el inducido ni par motor. La velocidad final alcanzada está exactamente por debajo de este valor para que la diferencia entre la tensión de la 400 línea y la opuesta generada por la máquina, haga pasar corriente a través del inducido para proporcionar el par motor necesario que hace girar el rotor y arrastra la máquina. El par motor dependerá de la carga acoplada a la máquina. De lo analizado anteriormente pueden escribirse dos ecuaciones simples para el par motor y la velocidad o la fuerza contraelectromotriz del motor: (1) (2) Una tercera expresión es la ecuación del circuito del motor, cuando este se encuentra conectado a la línea a la tensión V cd: (3) Combinando las ecuaciones anteriores puede deducirse fácilmente que: Utilizando convenientemente todas estas ecuaciones pueden determinarse los datos necesarios para dimensionar los elementos limitadores al momento de arrancar el motor. En principio, es satisfactorio el arranque de algunos pequeños motores de CD conectándolos directamente a la línea. Sin embargo, con motores grandes, la mayoría de las instalaciones necesitan la limitación de la corriente de arranque para reducir todos los efectos negativos que se producen al demandar grandes picos de corriente de conexión. 401 Para el efecto se utiliza usualmente una resistencia en serie con el inducido, que luego se cortocircuita en una o más etapas. Otra alternativa es utilizar arrancadores electrónicos suaves que rectifican la corriente alterna que proviene de la línea, y en forma gradual, mediante el método de regulación de fase, van aplicando al inducido del motor una tensión en aumento que permite llevar la máquina a la velocidad de régimen establecida. Estos dispositivos funcionan de manera similar a los utilizados con motores de corriente alterna, con la diferencia de que se regula como una corriente rectificada; pues así lo exige la máquina. En muchas instalaciones se necesita una aceleración suave como por ejemplo, en ascensores, elevadoras de personal, y en máquinas jaladoras y enrolladoras de papel, hilo, telas, etc. El motor de corriente directa resulta ser la máquina ideal para estas aplicaciones, por las excelentes características de regulabilidad que ofrece. Naturalmente estos requisitos van en importancia de acuerdo con la aplicación y las exigencias del proceso o de la máquina que arrastra el motor. Cuando un motor de CD inicia la marcha, no ha desarrollado aún su fuerza contraelectromotriz; puesto que ésta depende de la velocidad del motor. Como ya se ha dicho, la fuerza contraelectromotriz (f.c.e.m) se opone a la tensión de la línea, y en consecuencia, la corriente que circula por el circuito del motor se verá limitada. Téngase presente que si un motor se arranca a plena tensión (sobre todo si es de gran capacidad), puede causar serios trastornos en el propio motor, en la red de alimentación y en la carga misma. En el arranque directo o a plena tensión de un motor de CD, la corriente inicial es muy elevada en virtud de que solo está limitada por la resistencia interna del 402 inducido. En consecuencia, durante el tiempo que dura el arranque hasta que se alcanza la velocidad nominal, y sobre todo si éste es repetido, los devanados del motor pueden sufrir una fuerte elevación de temperatura que si bien no produce daños visibles, sí reduce su vida media útil. Así mismo, la gran corriente de arranque origina una gran caída en la tensión de la línea, por efecto de su impedancia interna asociada. Esto puede causar oscilaciones en los sistemas de alumbrado u originar la desconexión de otros equipos conectados a la misma línea. También, la maquinaria acoplada al motor podrá sufrir graves fallas mecánicas u originar daños de consideración en el proceso, en virtud del elevado torque de arranque con el cual inicia su movimiento. Con el control de aceleración se busca reducir al mínimo estos inconvenientes y proporcionar un arranque suave hasta que el motor alcance su velocidad nominal; donde su aceleración será nula. El método regular que se sigue en la práctica para el control de la aceleración, consiste en conectar una o varias resistencias limitadoras de corriente en serie con el inducido del motor. Estas resistencias se irán cortocircuitando, ya sea manual o automáticamente, a medida que el motor gana velocidad. Un método de aceleración manual por conmutación de resistencias, para un motor de CD puede emplear también un combinador de mando como el utilizado en el circuito de la Figura 13, capítulo 2 o el de la Figura 162, capítulo 4. Sin embargo, los métodos de uso corriente para aceleración son automáticos, como los que se analizan a continuación. 403 El circuito básico para control automático de la aceleración de un motor de CD se ilustra en la Figura 177. En este circuito, las resistencias de arranque se van cortocircuitando a medida que operan los contactores de aceleración 1A, 2A, 3A; cuyas bobinas no están representadas en la figura. Cuando se presiona el pulsador de marcha; se energiza el contactor de línea 1M, se automantiene, y conecta el motor a la línea con todas las resistencias incluidas; al final del proceso de aceleración el motor quedará conectado a la línea directamente. Por lo demás, puesto que el campo excitador es muy inductivo, éste se conecta previamente para que la corriente Ic tenga un valor elevado al momento de conectar la armadura, y el torque de arranque no se ha disminuido inicialmente, y el tiempo de estabilización del motor no se incremente, generando actuaciones comprometedoras de los dispositivos de protección asociados al motor y la red. Figura 177. Circuito acelerador por etapas para un motor de CD shunt mediante la conexión en serie de resistencias limitadoras en el inducido o armadura. El proceso de aceleración se podrá entender fácilmente a partir de las curvas indicadas en la Figura 178: 404 Figura 178. (a) Proceso de aceleración gradual de un motor de CD por cambio de las resistencias en el circuito del inducido. (b) Variación de la corriente del motor por efecto de la conmutación, en función del tiempo. (c) Variación de la velocidad del motor por efecto de la conmutación, en función del tiempo. 405 De acuerdo con la curva velocidad vs torque (Figura 178.a), el motor arranca con una corriente limitada (Ia) y se acelera por la curva característica para Vcd1 (para R1+R2+R3) incluidas. Cuando se llega al punto a, el par motor (o torque motor) se iguala al par resistente (o torque de carga T1) y el par acelerador desaparece, dejando que el motor gire con velocidad constante. Sin embargo, si en el momento en que se llega al punto a (podría ser un poco antes o un poco después) opera el contactor 1A, la resistencia R1 se cortocircuita y queda aplicada al motor una mayor tensión; correspondiente a Vcd2 (para R1+R2) incluidas. En consecuencia, el motor se acelera nuevamente (par acelerador > par resistente) y gana velocidad. Al llegar al punto b, el par acelerador desaparece y el par motor se iguala al par resistente (TM = TL), girando de nuevo el motor con velocidad constante. Si en este punto se cortocircuita el segundo paso de resistencia (R2), el motor gana nuevamente velocidad hasta ωc, y el proceso se repetirá una y otra vez hasta que al final el motor queda conectado directamente a la línea. Como puede observarse de las curvas de velocidad vs tiempo y corriente vs tiempo, la velocidad ha aumentado gradualmente en cuatro etapas, hasta alcanzar la de régimen. Además, la corriente de arranque (la) y la de conmutación (Im) se ha restringido, en cada etapa, a un valor de seguridad que en la práctica se toma generalmente entre 1.5 y 3 veces la corriente asignada de servicio del motor (le o In). Obsérvese también en la Figura 178.b como la corriente se incrementa súbitamente en el momento de la conmutación de un paso de resistencia, y como se va reduciendo gradualmente a medida que el motor gana velocidad. La derivada o pendiente de la curva velocidad vs tiempo mostrada en la Figura 178.c, representa la magnitud de la aceleración del motor. 406 Puede entenderse fácilmente que con un mayor número de resistencias el grado de aceleración será menor y la velocidad crecerá más lentamente, es decir; tendremos lo que se busca, un arranque suave. Los valores para las velocidades a las cuales se conmutan las resistencias de aceleración (ωa, ωs, etc.) pueden definirse cuando se termina el diseño para el cálculo de las resistencias limitadoras. El número de resistencias empleadas para el control de la aceleración puede ser tan alto como 12. Sin embargo los valores típicos están comprendidos entre 2 y 4. El número de etapas de aceleración (n) es R+1, siendo R el número de resistencias conectadas al motor. Básicamente, la aceleración de un motor de CD se puede efectuar por tres métodos: por límite de tiempo, por fuerza electromotriz o límite de velocidad, y por límite de torque o de corriente; empleando relés serie o contactores con bobina e bloqueo. A continuación se ilustran algunos circuitos prácticos que se utilizan en estos métodos. - Aceleración por fuerza contraelectromotriz o límite de velocidad Este método utiliza relés de tensión, de enganche ajustable, que operen a las tensiones indicadas que recomienda la NEMA. De acuerdo con la Figura 179; los relés van conectados en paralelo con el inducido del motor; calibrándolos para que cada uno cierre al alcanzar la tensión un valor determinado proporcional al de la fuerza contraelectromotriz V. Así, por ejemplo, el primero cerrará al llegar hasta el 50% de la tensión nominal; el segundo al alcanzar el 65%; y el tercero el 80%. 407 Al presionar el pulsador de marcha; la bobina 1M se energiza, cerrando el contacto 1M de línea, y conectando el motor con todas las resistencias incluidas. También cierra el contacto 1M auxiliar en paralelo con el pulsador de marcha, produciendo el automantenimiento del contactor. El motor se acelera desarrollando gradualmente tensión, hasta alcanzar el valor determinado para el cual cada contactor auxiliar (1Ax, 2AX, etc.) cierra su contacto, energiza el respectivo contactor principal, y cortocircuita la correspondiente resistencia de aceleración. Figura 179. Circuito de aceleración por fuerza contraelectromotriz o límite de velocidad, para un motor de CD tipo shunt. - Aceleración por límite de corriente De acuerdo con el circuito de la Figura 180; los relés de corriente conectados en el 408 circuito del inducido del motor, tienen sus contactos de control normalmente cerrados, en serie con las bobinas de los contactores de aceleración 1A, 2A y 3A. Estos relés se han dimensionado y calibrado de modo que si la corriente a través de sus bobinas es superior a la nominal o asignada del motor, sus contactos actuarán. Así, al dar marcha, el pico inicial de corriente que circula por 1S hace que se abra su contacto en serie con la bobina 1A, y justo después se cierre el contacto 1M que es ligeramente retardado respecto a la actuación de su contacto principal. Al disminuir la corriente del motor hasta el valor nominal o asignado; el contacto 1S cierra, permitiendo la energización de la bobina del primer contactor de aceleración 1A. Esto hace el cortocircuito de la primera resistencia y del primer relé serie, circulando la siguiente irrupción por 2S, el cual abre su contacto antes de que el contacto temporizado 1A se cierre. Al disminuir nuevamente la corriente, 2S cierra y 2A se energiza; el mismo ciclo se cumple para el tercer paso hasta llevar el motor a la velocidad de régimen. Un método alterno utilizado con frecuencia para acelerar motores de corriente directa es el que emplea contactores con bobina de bloqueo; dispositivos considerados dentro del tema de los contactores, ya visto en el capítulo 2. 409 Figura 180. Circuito de aceleración por límite de corriente con relés serie, para un motor de CD tipo shunt. De acuerdo con el circuito de la Figura 181, las bobinas de bloqueo están conectadas en paralelo con las resistencias de aceleración. Para las bobinas de cierre, su energización tendrá un ligero retraso debido a la inclusión del contacto 1M –TC perteneciente al contactor de línea y conectado en serie con ellas. 410 Figura 181. Circuito de aceleración por límite de corriente, empleando contactores con bobina de bloqueo, para un motor de CD tipo shunt. Al presionar el pulsador de marcha; se energiza el contactor de línea 1M, se auto mantiene, y conecta el motor a la línea con todas las resistencias incluidas. Justo en ese instante, y debido a la magnitud que tiene la corriente de conexión, las bobinas de bloqueo tendrán un voltaje relativamente elevado entre bornes, el cual está definido por el valor de la resistencia que tienen conectadas a sus terminales dichas bobinas. De esta manera, las bobinas de bloqueo están impidiendo la actuación de las de cierre, ya que fueron energizadas primero que estas. Solo cuando la corriente del motor se reduce lo suficiente, después de que pase cierto tiempo y ya el motor esté girando a cierta velocidad, la tensión en bornes de la 411 bobina 1AB será insuficiente para mantener inhibida la bobina 1AC, y el contacto 1A se puede cerrar cortocircuitando la primera resistencia. En otras palabras, la bobina de cierre tendrá predominio para permitir la actuación del contactor y cortocircuitar el primer paso de resistencia R1. Con esto, el motor se vuelve a acelerar, y el pico previo de la corriente de conmutación hace que las bobinas 2AB y 3AB mantengan retenidos los contactores y no puedan actuar. Solo cuando la corriente baja lo suficiente, la bobina 2AB no tendrá ya la fuerza que necesita para seguir reteniendo y entonces la bobina de cierre 2AC, que está conectada a plena tensión, puede predominar sobre la de bloqueo y hacer que se actúe el contacto de potencia de los propios contactores. - Aceleración por límite de tiempo De acuerdo con el circuito de la Figura 182, al presionar el pulsador de marcha se energiza el contactor 1M, se auto mantiene y conecta el motor a la línea con todas las resistencias incluidas. Después de un corto tiempo, cuando el motor haya ganado cierta velocidad, se cerrará el contacto 1M-TC, y energizará el contactor de aceleración 1A, cuyo contacto de potencia pondrá en corto la resistencia R1; permitiendo que el motor se acelere e incremente su velocidad. A continuación, y después de cierto tiempo, se cerrará el contacto 1A-TC, permitiendo que el contactor 2A se energice y cortocircuite la resistencia 2A a través de su contacto de potencia en el circuito del motor. El proceso de aceleración continúa hasta que finalmente energiza 3A, éste se automantiene, y cortocircuita la última resistencia R3, dejando conectado el motor a plena tensión y girando a su velocidad de régimen. A su vez desconecta los contactores previos de aceleración puesto que ya han cumplido su tarea en las etapas de aceleración. Con ello se consigue un ahorro de energía pues sólo quedan funcionando el contactor de línea 1M y el último contactor de aceleración 3A. 412 Lo anterior sólo es posible si se disponen los contactos de potencia sobre las resistencias de aceleración en la forma como indica la Figura 182. Figura 182. Circuito de aceleración por límite de tiempo empleando bloques de contactos con retardo neumático, para un motor de CD tipo shunt El circuito de la Figura 183 es una variante de la Figura 181Figura 182, en el cual se emplea un relé temporizado de tipo electromecánico de accionamiento por motor. Al presionar el pulsador de marcha se energiza al contactor de línea 1M, se auto mantiene y conecta el motor en la línea con todas las resistencias incluidas. Al mismo tiempo, se energiza y se pone en funcionamiento el relé temporizado TR, el cual, en forma gradual (secuencial) va cerrando los contactos TR-TC1, TR- TC2 y TR –TC3 permitiendo que los contactores de aceleración 1A, 2A, y 3A vayan entrando en secuencia retardada y de esta manera sus contactos de potencia puedan cortocircuitar las resistencias de aceleración en forma 413 escalonada, lo que permite que el motor gane la velocidad lentamente hasta alcanzar la de régimen permanente. El circuito acelerador por límite de tiempo tiene la ventaja de que si el motor no puede arrancar con una carga fuerte en el primer paso o quizás tampoco en el segundo, el circuito acelerador seguirá conmutando resistencias hasta que el motor arranca. Esto no ocurre en los otros circuitos, si la carga es elevada y el motor no se mueve cuando se conecta a la línea con todas las resistencias de aceleración. Figura 183. Circuito de aceleración por límite de tiempo, empleando un relé temporizado por motor con contactos de retardo secuencial, para un motor de CD tupo shunt. 414 4.6.7.12 Cálculo de las resistencias de aceleración para un motor de corriente eléctrica Para el cálculo de las resistencias limitadoras se parte del circuito acelerador que ilustra la Figura 177, definiendo previamente el número de etapas de aceleración que se desee. Tomemos en consideración el circuito que muestra la Figura 177; con tres resistencias y cuatro etapas de aceleración. Para el cálculo suponemos un motor con los siguientes datos de placa: - Voltaje nominal o asignado: - Potencia nominal o asignada: - Corriente nominal o asignada: - Resistencia de inducido: - Operación: a plena carga A continuación, asúmase un valor de corriente de conexión limitado a 1.5 veces la corriente nominal o asignada de servicio. Con este criterio de diseño el pico de corriente en la conexión quedará limitado a: Obsérvese que si el motor se conectara directamente a línea tomaría una corriente máxima de valor: Esto representa una corriente de 5,8 veces mayor que la asignada del motor, en consecuencia, el valor asumido como criterio de diseño resulta razonable para 415 garantizar un arranque suave sin perturbar apreciablemente la instalación. Sin embargo, téngase en cuenta que no siempre el valor asumido podrá dar la solución correcta y el problema deberá ser replanteado. A esta situación se desea llegar para cuestionar alternativas de solución. El valor de la resistencia total de aceleración ( ) puede determinarse de la expresión: Sin embargo: , ya que al momento de arrancar no existe fuerza contraelectromotriz ya que . De esta expresión: Este valor está repartido entre las tres resistencias de aceleración. Una vez conectado el motor de éste, se acelera como muestra la Figura 178 c. Al llegar el motor a la velocidad ω a , la f.c.e.m (fuerza contra electromotriz) inducida tiene el valor V 1 y es justo en ese instante que se debe hacer la conmutación de la primera resistencia (R1), pues para el punto indicado, suponemos que la corriente por el motor ya se ha estabilizado en el valor In=180A (ver Figura 178 b). Por consiguiente: 416 De donde Nuevamente, al cortocircuitar la resistencia R1 por la actuación del contactor de aceleración 1A (en el tiempo t1), la corriente de conexión toma el valor (la) y para esta situación: Por consiguiente: Y el valor de la primera resistencia será Como al quitar R1 el motor se vuelve a acelerar, la corriente de conexión empieza a disminuir. Cuando el motor alcanza la velocidad ω b , ya la corriente se ha reducido hasta el valor In y la f.c.e.m inducida tiene el valor V 2 , que puede calcularse así: De donde; 417 De nuevo cuando la f.c.e.m. inducida tiene el valor de V 2 calculado para ω b , con Im=180, es el momento de cortocircuitar la segunda resistencia de aceleración R2, y al hacerlo (en el tiempo t2) se cumple que: De donde, , lo que implica que Aparentemente el problema de cálculo ha finalizado, pues ya se conocen los valores de las resistencias del circuito. No obstante, debe verificarse que el último pico de corriente de conexión que se presenta al cortocircuitar R3 no sobrepase en exceso el valor de corriente límite (la) asumida para el cálculo. Cuando se cortocircuita R2, el motor vuelve a acelerarse hasta llegar a ω c; valor para el cual la corriente se estabiliza nuevamente en In y la f.c.e.m inducida es V 3. Este valor se puede determinar a partir de la siguiente expresión: O + O ÷ = = 158 . 0 22 . 0 3 230 180 V V A I n De donde: V V 96 . 161 3 = Al cortocircuitar la resistencia R3 por medio de contactor 3A, justo en ese punto, al tiempo t 3 , el pico de corriente de conexión será: A V V I a 27 . 309 22 . 0 96 . 161 230 = O ÷ = ' 418 Como este valor sobrepasa en exceso (mayor de 10%) el valor asumido para la limitación de la corriente en 270A, resulta claro que con tres resistencias de aceleración no se puede conseguir este objetivo. En principio, se acepta como criterio de diseño que el último pico de corriente de conexión no debe sobrepasar un 10% del valor asumido previamente. Sin embargo, este valor puede modificarse si el diseñador lo considera pertinente. De todas maneras, y con base en lo indicado, lo mejor es replantear el problema y reiniciar los cálculos asumiendo una o dos resistencias más, o mejor simplemente aumentar el valor de la constante de limitación; con lo cual no será necesario hacer modificaciones circuitales ni emplear más contactores de aceleración que resulta costoso. Se deja como ejercicio al lector replantear y solucionar el problema de diseño para las dos opciones siguientes: - Asúmase n a I I 2 = - Adiciónese una resistencia (R4) en el circuito de aceleración. Para ambos casos saque conclusiones de tipo funcional e indique en forma comparativa las ventajas y desventajas que aporta cada solución. 4.6.7.13 Empleo de contactores para la conexión de cargas industriales no motores Las cargas industriales podrían clasificarse en tres grandes grupos: - Cargas representada por motores - Cargas representadas por no motores - Carga mixta concentrada 419 Entre las cargas no motores pueden destacarse: - Aparatos para calefacción eléctrica - Bancos de lámparas en instalaciones de iluminación - Bancos de condensadores para corrección del factor de potencia - Electroimanes de potencia para frenos, embargues, y de levantamiento de carga (por ejemplo, chatarra de hierro), etc. Para la maniobra de conexión –desconexión de todas estas cargas, es posible emplear contactores. Sin embargo, se hace necesario conocer claramente las características y especificaciones de cada tipo de carga para asegurar la correcta selección de los contactores que se han de utilizar en la instalación. Los calefactores eléctricos se utilizan, por ejemplo, para la calefacción de ambientes, en los hornos de resistencia, en calentadores de agua, en máquinas extrusoras de plástico, y en instalaciones de aire acondicionado, entre otras. En caso de resistencias de alambre, la corriente de conexión puede ser del orden de 1.4 veces la corriente asignada. Si se tienen en cuenta variaciones (en exceso) de la tensión de la red del 10% (valor típico) se debe prever el aumento de corriente de servicio que tendrán los elementos de resistencia por este concepto. Para la maniobra de la carga mediante contactores se toma como categoría de empleo la AC1 en el caso de corriente alterna y la DC1 en el caso de corriente directa. Con frecuencia, los circuitos de calefacción son monofásicos a 220V o 440V de CA. En estos casos, dos vías de corriente de los contactos se conectan en serie para manejar la corriente de carga, con el propósito de hacer uso de todos los contactos principales; suponiendo que se trata de un contactor tripolar. 420 En las instalaciones de iluminación (conexión de lámparas en grupo) los contactos de los contactores pueden ser sometidos a elevadas corrientes de conexión al cerrar el circuito. Para lámparas incandescentes el valor de estas corrientes alcanza niveles superiores hasta del 15% de su valor nominal asignado. Se recomiendan contactores seleccionados como mínimo para categoría de servicio AC5b. Si los contactores se utilizan para la conexión de condensadores como es el caso en equipos correctores de factor de potencia, debe tenerse en cuenta que estos últimos se cargan a su valor estacionario acompañados de fenómenos transitorios. Mientras ocurren estos fenómenos pueden producirse picos muy elevados de la corriente, con señales transitorias de frecuencias que van desde algunos cientos hasta varios miles de Hertz. Esto impone requisitos especiales a los contactores que hacen la maniobra de conexión-desconexión de los condensadores, para evitar que los contactos del contactor se vean fuertemente exigidos, con el riesgo que se presenten efectos de soldadura, originando serios problemas en el funcionamiento del equipo. Cuando un condensador se conecta a un banco de condensadores, como por ejemplo, de un equipo corrector automático de factor de potencia, se producen fenómenos muy adversos para los aparatos de maniobra, dado que los condensadores ya conectados a la red hacen las veces de fuente adicional de energía. En estas circunstancias, pueden producirse picos de corriente de conexión de más de dos veces los que producen los condensadores si están descargados. Esto hace que los contactos del contactor se vean fuertemente exigidos, con el riesgo de que se presenten efectos de soldadura originando serios problemas para el funcionamiento del equipo y el contactor. 421 Una solución parcial a este problema se consigue intercalando inductancias adicionales en la línea de alimentación del equipo. Sin embargo, hoy en día muchos fabricantes de contactores han desarrollado una versión constructiva de este contactor con miras a esa aplicación, la cual proporciona la mejor alternativa para la conexión confiable de condensadores en bancos correctores de factor potencia. Estos contactores, conocidos como contactores con contactos de actuación adelantada, son dispositivos de ocho contactos; tres principales, tres auxiliares de pre conexión y dos auxiliares para retención y señalización. En la Figura 184 se ilustra el circuito para la conexión de condensadores utilizando contactores con contactos de actuación adelantada. Las resistencias Rd (ver Figura 184) conectadas en paralelo con cada condensador, permite la descarga de los mismos cuando se desconectan de la línea. Estos garantizan la conexión sin energía almacenada, lo cual favorece la conmutación ya que se reducen los picos de corriente de conexión. Se supone que al energizar la bobina del contactor de línea K1, actúan primero los contactos de conexión adelantada (posición inferior) que están en serie con las resistencias limitadoras de carga (Rv) de los condensadores. A continuación, varios milisegundos después, se cierran los contactos principales (posición superior) cortocircuitando las resistencias de precarga, y prácticamente sin hacer ninguna perturbación a la red. Estas unidades de contactores incorporan muchas veces los fusibles de protección y las resistencias. Un valor típico para estas resistencias se indica en la Figura 184. Cuando se utiliza este método, se puede prescindir de las inductancias, mínimas que en condiciones normales es necesario incorporar en los bancos de condensadores 422 Figura 184. Empleo de contactores con contactos de conexión adelantada para maniobra de bancos de condensadores. REGRESAR AL INICIO DEL DOCUMENTO…. 423 CAPÍTULO 5 INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS ELÉCTRICOS DE CONTROL EMPLEANDO LAS TÉCNICAS DE COMPUTADOR 5.1 INTRODUCCIÓN. En este capítulo se hace énfasis en La sustitución de la tecnología electromagnética y electrónica convencional por la tecnología digital, representada en los denominados Controladores lógicos programables (PLC) o Autómatas programables; dispositivos que fueron introducidos en la década de los 70’s, y hoy ya perfeccionados, tienen gran relevancia e importancia en el control de los procesos de manufactura, procesos físico – químicos y en la solución de automatismos lógicos. Los PLC (ver Figura 185) se analizan a partir de una estructura interna general, prevista para resolver tareas de control que pueden ser programadas; donde los cambios se pueden introducir fácilmente y donde se requieren menores tiempos para ejecutar las acciones, así como una mano de obra más ligada a tareas de supervisión y de puesta en servicio. Para el estudio formal de los PLC, se hace necesario conocer su estructura interna y funcionamiento básico, estudiar los lenguajes básicos de programación, las estructuras de control soportadas con PLC con base en las tareas que realizan, establecer los criterios de selección técnica y conocer las instalaciones de la empresa, enfatizando en las redes de comunicación que interconectan diferentes controladores y en los periféricos que se utilizan corrientemente para supervisar el funcionamiento de la máquina y para documentar el proceso. 424 Figura 185. Presentación física típica de un tablero eléctrico industrial con empleo de un PLC. Fuente: http://www.plccontrolsystems.com/plc-pc-based-control.html En el ANEXO B se resuelven problemas típicos y en el ANEXO C hay un cuestionario para que el estudiante asimile claramente los conceptos que sobre programación de PLC se plantean. 5.2 AUTOMATIZACIÓN La automatización es la realización de tareas y funciones mediante máquinas de funcionamiento autónomo, sin la intervención directa del hombre. La automática estudia los métodos y procedimientos que permiten la sustitución del operador humano por un operador artificial en la ejecución de una tarea física o mental, previamente programada. La importancia de la automatización proviene del hecho de asumir las máquinas la parte más dura del trabajo, la menos inteligente, y por tanto, la menos humana, originada esta por el esfuerzo, el desgaste físico y la repetición sin variaciones. PLC 425 Con la automatización el hombre se reserva para sí la actividad creadora y el empleo de la inteligencia. La automatización industrial no es un fenómeno reciente, el proceso se ha visto acelerado por el advenimiento de la electrónica de los semiconductores y las nuevas teorías del control automático. Con los primeros computadores se inicia una nueva revolución industrial: el desarrollo de la electrónica digital. La expansión de la informática y la aparición de los microcomputadores permiten la aplicación de la automatización a nuevas tareas e impulsan la creación de máquinas tales como: los PLC (Controladores Lógicos Programables), los reguladores PID procesados digitalmente y los robots, entre otros. Las ventajas más significativas de la automatización son: - Asume la parte más dura del trabajo y por consiguiente la menos inteligente. - Aumenta la homogeneidad y calidad de los productos - Disminuye los tiempos muertos y los costos de producción. El trabajo se realiza en forma contínua y en serie, y se racionalizan los recursos y las materias primas. Se obtiene como resultado una industria más productiva y competitiva. 5.2.1 Sustitución de la tecnología electrónica convencional (analógica) por la digital La creciente complejidad de los procesos y la necesidad de controladores más potentes y con mayor número de funciones, obligaron a sustituir la tecnología 426 convencional analógica, por la tecnología digital, como se indica en la Figura 186, para mejorar así los métodos de diseño de los sistemas de control. Tradicionalmente, los automatismos a base de relés han sido diseñados con base en métodos de ensayo y error; sin embargo, la disponibilidad de estos y de otros sistemas digitales más potentes, con bloques funcionales más complejos que un simple relé, como comparadores, contadores, registros de desplazamiento; obligan al empleo de métodos de diseño más globales y sistemáticos. Figura 186. Tecnología electrónica análoga y digital. Fuente: http://lewistecheng.com/PLC.htm La tecnología digital ha permitido el empleo de los microprocesadores y los computadores, el desarrollo de mejores sensores y dispositivos para la adquisición y transmisión de datos; como también el desarrollo de técnicas de regulación más eficaces. Cuando el elemento controlador o regulador de un proceso involucra en su construcción un computador o un microprocesador, los algoritmos de control se plasman en los denominados programas, quedando los parámetros almacenados como constantes que pueden modificarse fácilmente, ya que se puede alterar la 427 forma de la ecuación matemática que define la acción de control, o sus parámetros. En los controladores con microprocesadores se incluyen algoritmos que tienen como finalidad resolver el problema de saturación del controlador y el paso de manual a automático. Además es posible desarrollar algoritmos de control PID con no linealidades e incluso implementarlos como bloques funcionales. Cuando es preciso controlar más de una variable de salida es posible recurrir con facilidad a diferentes técnicas de control: control en cascada, control anticipatorio (feed forward), control de proporción (o fracción o ratio), control override (para manejar dos o más variables con un solo controlador). Además, es importante mencionar que en los procesos actuales, en un mismo automatismo coexisten elementos de tipo electromecánico, neumático, hidráulico, electrónico, etc. Esto hace necesario utilizar modelos y herramientas de diseño que permitan un tratamiento y análisis común de todos ellos para poder hacer un estudio global del sistema de control y la planta. 5.2.2 Planeación y supervisión global del control de la fábrica Con el sistema de control por computador o con microprocesadores es posible: - Garantizar un funcionamiento continuo de la fábrica manteniendo las condiciones fijadas y facilitando la supervisión o manejo de cualquier emergencia (incluso previniéndola). - Realizar correcciones, paros y puestas en servicio automático - Cambiar las condiciones operacionales en función de: el mercado, las características de los productos y criterios económicos. 428 Además se consigue: - Una alta flexibilidad de adaptación al proceso - Un hardware estándar para distintas aplicaciones - Altas posibilidades de ampliación - Poca interconexión y cableado exterior. - Facilidad de modificaciones. - Fácil estructuración en bloques independientes. 5.3 CONTROL DE PROCESOS MEDIANTE COMPUTADOR Desde que se dispone de los computadores se ha intentado utilizarlos para el control de equipos y máquinas industriales. Algunos procesos complejos requieren sistemas de control con una gran capacidad de cálculo, conexión a estaciones gráficas, múltiples canales de comunicación, capacidad de multiproceso, facilidad de adaptación, etc. Para ello, a nivel industrial, se han venido utilizando miniordenadores a los que se han adaptado interfaces específicas para la planta a controlar. Actualmente, esta solución, no está descartada, pero resulta económicamente cara y poco estándar, sobre todo por el hecho que el ordenador no suele disponer de interfaces adecuadas para recoger y enviar las señales a la planta. Así pues, la tendencia actual en el control de procesos complejos es utilizar un computador central y como periféricos los PLC en red, con lo cual, se combina la potencia de cálculo del computador y la facilidad de interfaces estándar que ofrece el PLC para la óptima utilización de los recursos disponibles por la empresa con el máximo rendimiento. 429 5.3.1 Ventajas del empleo del computador y los microprocesadores en los sistemas de control La automatización de un proceso por computador o microprocesador proporciona: - Gran velocidad de procedimiento de la Información. - Gran capacidad de almacenamiento de la Información. - Posibilidad de establecer un diálogo directo hombre –máquina a través de consolas HMI. - Posibilidad de la toma automática de decisiones. - Posibilidad de efectuar un control centralizado donde sea posible la supervisión general y el control del programa. - Racionalización en el consumo de materia prima y recursos - Optimización de la Instalación. - Gran Cantidad de software estándar para manipulación de datos y gestión de la producción. - Sistemas de comunicación estándar LAN (red de área local) o WAN (red de área ampliada). - Fácil mantenimiento por secciones. - Posibilidad de visualizar el proceso en tiempo real. 5.4 TIPOS DE CONTROL DE PROCESOS Existen diferentes tipos de control según: - La tarea de control o Local o Supervisorio 430 o Digital Directo - Las instalaciones físicas de la Fábrica o Centralizado o Distribuido o Jerarquizado 5.4.1 Según la tarea de control 5.4.1.1 Control local o de vigilancia Es la forma más simple del uso del computador. Este se emplea como elemento controlador o regulador, en cuyo caso da la solución en tiempo real a ecuaciones booleanas o maneja algoritmos P, PI, PID etc. Tiene además a su cargo la adquisición y acondicionamiento de los datos de los sensores, comparándolos con los límites o valores de referencia y determinando la señal a enviar a los actuadores que manejan la carga y también elaboran informes de la evolución del proceso. Cada máquina del proceso tiene un computador independiente instalado sobre ella, pero este actúa como un elemento “ciego” es decir; no genera informes ni da visualización o indicaciones del estado de las variables y sus desviaciones. El diagrama de bloques de este control se ilustra en la Figura 187. Figura 187. Diagrama de bloques de un control local o de vigilancia. 431 5.4.1.2 Control supervisorio Es un control similar al anterior en el cual el computador además comprueba los valores de las variaciones y sus tendencias, generando las alarmas oportunas si se sobrepasan de los valores fijados y tomando las acciones correctivas necesarias para eliminar las tendencias anómalas. En este control el computador puede sacar todo tipo de informes acerca del proceso, especialmente informes sobre producción, paros, materia prima y otros. El diagrama de bloques de este control se ilustra en la Figura 188. Figura 188. Diagrama de bloques para un sistema de control supervisorio. 5.4.1.3 Control digital directo El computador se hace cargo directamente de la adquisición de datos, de la elaboración de órdenes de control y de su envío a los actuadores, y del acondicionamiento de las señales de entrada y salida. El computador ejecuta los algoritmos y estrategias establecidas, incluyendo la toma de decisiones lógicas y las correcciones complejas. Los convertidores son generalmente de tipo análogo/digital (A/D). El empleo de multiplexores (selectores de datos de entrada o 432 salida) permiten al computador repartir su potencia y tiempo entre varios loops de control que tenga la máquina, conectándolos secuencialmente. En este tipo de control el computador elabora mímicos, gráficos, informes, permite salida por impresora y puede comunicarse con otros computadores. En principio el computador se aprovecha al 100%, pero es un control muy costoso y vulnerable. 5.4.2 Según las instalaciones físicas de la Fábrica 5.4.2.1 Control centralizado Este control se presenta cuando el computador supervisor, junto con todos los componentes auxiliares (convertidores, multiplexores, controladores analógicos y/o digitales, consolas indicadoras etc.), se encuentran situados no junto al proceso sino en una sala central de control, como se muestra en la Figura 189. Todo este sistema se encuentra comunicado individualmente con cada sensor y actuador situados en el campo. Es una forma de conexión donde el computador reparte su velocidad (memoria) y su tiempo en manejar varios procesos o máquinas simultáneamente, actuando sobre cada proceso como un computador local o supervisorio. El computador debe poseer mucha capacidad de memoria. 433 Figura 189. Sala de control de un sistema de control centralizado. Fuente: https://www.emasa.es/?page_id=220 El control centralizado se emplea cuando: - Cada loop del proceso depende de los demás y es preciso que el operador tenga una visión global, con la posibilidad de actuar sobre cada uno de ellos individualmente, supervisando el comportamiento de los demás. - Se deben operar los equipos en un local que ofrezca mejores condiciones ambientales (temperatura, humedad, etc.) o de seguridad para los operarios. Este tipo de control presenta ciertas desventajas que lo hace poco utilizable: - Se debe tener una red de datos y de comunicación muy costosa y compleja. - Las concentraciones de líneas (cables o conductores) y redes de datos en un solo punto, a distancia del proceso lo hacen muy vulnerable a ruidos y a daños pudiéndose paralizar la fábrica. Es poco utilizado actualmente debido a su vulnerabilidad y dificultad de supervisión. El diagrama de bloques de este control se ilustra en la Figura 190. 434 Figura 190. Diagrama de bloques de un sistema de control digital directo centralizado. 5.4.2.2 Control distribuido El control distribuido consiste en repartir los recursos de cálculo y control por toda la fábrica, aproximándolos a los lugares donde se necesitan (control local). Sin embargo, se sigue teniendo un lugar de mando individual del proceso donde se tiene, se resuelve y se envía la información que permite la supervisión y coordinación general de todas las secciones de fábrica. Existe un computador supervisorio al que van conectados los computadores locales y el cual eventualmente pueden sustituir a un computador local. Está en capacidad de transferir información, enviar reportes, monitorear estados, hacer programación remota y en general administración de la producción y de los recursos. Adicionalmente, es posible hacer la comprobación del funcionamiento, el monitoreo de las variables del sistema, arranque y paro de los PLC locales y programación de secuencias particulares. En el sistema de control es fundamental una red de comunicaciones entre los distintos computadores locales y la sala central. Dicha red puede tener una 435 conexión radial o en anillo. El diagrama de bloques de este sistema de control se ilustra en la Figura 191. El control distribuido es muy confiable y se puede realizar en forma modular, donde cada módulo es normalizado para ajustarse a diferentes necesidades funcionales. En este tipo de control es fácil la puesta en marcha, la instalación y el mantenimiento. Se usa con bastante frecuencia por su elevada flexibilidad. En casos particulares, se tiene la posibilidad de que el computador central puede intervenir directamente sobre el computador o controlador de campo o proceso, incluyendo la posibilidad de reemplazo ocasional. Figura 191. Diagrama de bloques de un sistema de control distribuido empleando una red de comunicación radial. 436 5.4.2.3 Control jerarquizado o control integral jerarquizado Es el resultado de un sistema control global de todas las actividades de una empresa, empleando una estructura con diversos tipos de controladores, microcontroladores, reguladores, computadores, etc., conectados todos ellos por una red de comunicación de datos y organizados por niveles de control con una estructura jerarquizada o piramidal, como se ilustra en la Figura 192. - Primer nivel: de Control local Es el nivel más bajo; tiene como objetivo el control por realimentación o la solución de automatismos lógicos. El computador que lo realiza tiene las funciones del control local o de vigilancia: Utiliza comandos individualizados, uno por cada máquina o proceso. - Segundo Nivel: de Supervisión En este nivel el computador comprueba los valores de las variables generando alarmas oportunas si se sobrepasan los valores fijados, tomando acciones correctoras necesarias para eliminar las tendencias anómalas. Hace también el papel de coordinación de los controladores o reguladores locales de nivel inferior (se comunican con los computadores locales). Los computadores de este nivel forman parte de la estructura de control distribuido. - Tercer nivel: de Coordinación de área El computador que lo realiza esta comunicado con los computadores del nivel anterior. Su finalidad es la de controlar la producción de toda el área mediante un balance de materiales, insumos, mano de obra y energía que se encarga de optimizar. Según esto, el computador establece las condiciones de operación de cada uno de los procesos del área, enviándolas a los computadores de los niveles 437 supervisores. En este el computador también programa el mantenimiento de las máquinas y puede utilizar comandos generalizados para las máquinas o procesos. - Cuarto nivel: de Gestión de materiales y producción El computador integra todas las áreas y planifica la producción del conjunto, con la secuencia adecuada para las distintas secciones. Hace también el papel de coordinador entre todas las secciones. Elabora diversos informes como: Archivo de datos, reportes de fallas de producción, estadísticas del proceso, gráficas de la planta (empleando editores gráficos) , análisis de datos, documentación de la planta, comunicaciones, manejo de temas de trabajo, etc. - Quinto nivel: de Gestión empresarial o superior En este nivel, con base en una información económica y técnica, el computador establece los planes de producción y la política a seguir por la empresa (manejo de personal, materias primas, órdenes de compra, etc.). En este nivel hay una planificación global de la gestión empresarial. Los programas se diseñan de acuerdo con la necesidad específica de cada proceso y con las características administrativas de la empresa. En general se incluyen las siguientes capacidades: Bases de datos con reporte de los procesos de producción, de inventarios y de fallas. Es de anotar que a medida que se asciende de nivel se requiere un computador de mayor capacidad y potencia. 438 Figura 192. Estructura del sistema de control integral jerarquizado asistido por computador 5.5 ANÁLISIS COMPARATIVO DEL EMPLEO DEL COMPUTADOR EN EL CONTROL DE PROCESOS Y EN PROCESAMIENTO DE DATOS En general en los niveles cuatro y cinco de gestión empresarial se manejan lenguajes informáticos, a diferencia de los niveles 1, 2 y 3 donde se utilizan lenguajes específicos. Lo anterior establece en principio diferencias notables y características particulares para los computadores empleados en dichos niveles. En la Tabla 7 se hace un análisis comparativo de lo que es el empleo del computador en el control de procesos y en el procesamiento de datos. 439 Tabla 7. Análisis comparativo del empleo del computador en el control de procesos y en el procesamiento de datos CONTROL DE PROCESOS PROCESAMIENTO DE DATOS Los programas se ejecutan continuamente mientras dure el proceso. Los programas se ejecutan bajo petición del usuario. Los tiempos de ejecución son cortos. Los tiempos de ejecución son largos. En el plan de tiempos de ejecución de los programas es esencial la rapidez de respuesta a los sucesos exteriores y/o interiores, y la ejecución debe realizarse en períodos fijos de tiempo. En el plan de tiempos de ejecución de los programas, la rapidez de respuestas a los sucesos exteriores y/o interiores no es crítica y admite retrasos (tiempo absoluto). Se tiene poca salida por impresora. Son más comunes los mímicos de proceso por pantalla. Se produce gran cantidad de salida por impresora. Se emplean computadores medianos o pequeños Se emplean grandes computadores El computador va conectado directamente a la planta. El computador no tiene conexión directa a la planta Se analizan datos actuales para controlar y supervisar el proceso. Se analizan datos históricos para informar lo que sucede. Los datos se procesan tan pronto como se puede y necesitan (en tiempo real). Los datos se acumulan en ficheros hasta que puedan usarse y se pueda correr el programa (tiempo de computador). Se emplean varios computadores (control distribuido). Generalmente se emplea un solo computador. Se manejan lenguajes específicos. Se utilizan lenguajes informáticos. 440 5.6 FUNCIONES EN UN SISTEMA DE CONTROL DE PROCESOS INTEGRAL ASISTIDO POR COMPUTADOR Un sistema de control de procesos integral de cualquier tipo debe realizar, en principio, tres acciones sobre el sistema en forma automática. - Debe estar dirigido hacia un funcionamiento continuo de la fábrica, manteniendo unas condiciones fijadas de antemano y la función supervisora para garantizar el manejo adecuado de las condiciones de emergencia. - Debe ser capaz de generar pre-alarmas y alarmas en los diferentes niveles, permitir la puesta en marcha y el paro en forma manual y automática. Y en casos de emergencia debe tener la posibilidad de realizar acciones correctivas. - Debe estar en capacidad de permitir el cambio de condiciones operacionales en función del mercado, de las características y especificaciones de los productos y de criterios económicos. Las dos primeras acciones se deben implementar en los niveles inferiores (primero y segundo) del sistema del control jerarquizado. La tercera corresponde a tareas de los niveles inmediatamente superiores. Las funciones que se deben realizar en los niveles inferiores en un control de procesos por computación son: - Adquisición y acondicionamiento de datos - Control de las variables del proceso - Comunicación con el operador - Supervisión - Documentación 441 Con estas funciones el computador hace la toma de datos, su tratamiento, el análisis para la generación de acciones correctivas y de alarmas, la ejecución de algoritmos de control y el envío de señales a los actuadores. Además permite la obtención de informes sobre producción, materia prima procesada y tiempo de paro de la máquina. 5.6.1 Adquisición y acondicionamiento de datos Las señales de los sensores rara vez pueden ser utilizadas directamente por el sistema de control y por ello deben someterse a diversas transformaciones. Si son señales analógicas deben muestrearse y digitalizarse de manera periódica. Si son señales digitales pueden ser utilizadas directamente por el sistema de control. Aunque algunas veces este tipo de señales es necesario acondicionarlas y normalizarlas previamente si se trata de señales generadas por interruptores. En general las señales se someten a un pre tratamiento que comprende: nivelación de tensión o corriente, filtrado (ruidos, antirrobote, etc.), comprensión de datos con miras a un almacenamiento, agrupación de valores y parámetros para el caso que deba reproducirse la señal original, transmisión de la señal a distancia si es necesario y multiplexaje de la misma. En este punto la señal se puede introducir al sistema de control para su tratamiento y análisis. 5.6.2 Control de las variables del proceso Es el aspecto más importante de todo el sistema de control. Involucra el tratamiento de la información obtenida en el proceso de adquisición de datos, el cual se hace mediante un conjunto de algoritmos que definen el tratamiento que 442 debe dársele a la información para lograr un comportamiento satisfactorio del sistema que está controlándose. Todo algoritmo debe disponer de una base de datos que tenga la información de los parámetros que necesita para funcionar. Estos datos pueden darse de antemano o ser obtenidos mediante otros programas a partir de medidas realizadas. Hoy en día se dispone de algoritmos PID y de muchos otros sofisticados. 5.6.3 Comunicación con el operador Se hace mediante terminales de pantalla con teclado situados en la sala de control. Estos dispositivos suministran información oportuna después de un tratamiento conveniente. El sistema de comunicación presenta la información necesaria y requerida, con excepción de las salvaguardadas. El operador puede, además, inicializar o alterar los valores de consigna, modificar los parámetros de los algoritmos de control (constantes PID), modificar los algoritmos de adquisición o control y cambiar las supervisiones de control. 5.6.4 Supervisión y documentación En general, cuando se tiene una estructura jerarquizada, las funciones supervisoras más rápidas y más críticas en el tiempo se encomiendan a los niveles más bajos, mientras que las más complejas pero menos críticas en el tiempo quedan en los niveles superiores como ya se indicó. La supervisión y la documentación del proceso son quizás las tareas más relevantes que pueda realizar un computador. Es precisamente esto lo que hace que cada vez se imponga y se utilice más esta máquina electrónica que no tiene su equivalente en el campo mecánico, neumático o hidráulico. 443 5.7 SOPORTE LÓGICO PARA EL CONTROL DE PROCESOS POR COMPUTADOR El soporte lógico para el control de procesos se conoce como el software de procesos (programas de computador para el funcionamiento de procesos), mientras que los equipos se conocen como el hardware. El software ha evolucionado muchísimo en los últimos años; el desarrollo y el diseño de programas ha experimentado un cambio radical en cuanto a su filosofía y en cuanto a la solución de problemas de funcionamiento, potencia y seguridad. Los programas permiten que los equipos instalados puedan operar en forma satisfactoria y correcta. Desde el punto de vista de su función, y con respecto a los equipos, el software lo podemos clasificar así: 5.7.1 Normalizado Se refiere a programas para resolver los algoritmos internos de control, el tratamiento de señales y datos, y el programa de sistema operativo. Hacen funcionar los equipos de cómputo independientemente de la aplicación que se les dé. No son programados por el usuario. 5.7.2 Particular Se relaciona con programas de aplicación específica para el funcionamiento correcto del conjunto proceso-control. Pueden ser programados o no por el usuario. 444 5.8 ANOTACIONES SOBRE LOS LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN PARA EL CONTROL DE PROCESOS Los lenguajes de programación para control de procesos tienen como misión, definido el problema que se quiere resolver, el control de un proceso estableciendo su forma de actuar (la tarea de control) para todas actividades y cálculos. Los lenguajes representan el “Idioma” con el cual el usuario puede comunicarse con la máquina. Según el grado de interpretabilidad por la máquina se clasifican en tres niveles: - Lenguajes de bajo nivel: Es el denominado “lenguaje de máquina”, el cual es un lenguaje binario de interpretación directa por la máquina. - Lenguajes de medio nivel: Es el assambler, el cual se realiza con palabras simbólicas, es decir, instrucciones en forma de palabras cortas que tienen un significado muy completo de lo que puede hacer el computador. Es poco usado actualmente. - Lenguajes de alto nivel: En los lenguajes de alto nivel el computador recibe instrucciones más detalladas que el mismo se encarga de pasar al lenguaje de máquina. Con ello el operario realiza más fácilmente las tareas de programación. No todos los lenguajes de alto nivel son iguales, algunos son de mayor nivel y se clasifican en: - Clásicos: Fortran (no usado actualmente) - Específicos: Grafcet, Booleano, Ladder. 445 - Multitarea: Modula, Pascal concurrente. - Avanzados: Basic, Pascal, Cobol. - De simulación: Se apoyan mucho en herramientas gráficas, tales como ACSL, CSSL, DARE, etc. 5.8.1 Clásicos Son de tipo secuencial en los que las acciones tienen un estricto orden en el tiempo, como el Fortran, por ejemplo. 5.8.2 Específicos Son orientados a problemas concretos como la adquisición de datos, el acondicionamiento de señales, la linealización, la comprobación de alarmas, el manejo de los algoritmos de regulación, el control en cascada y el control secuencial: Grafcet, Booleano, Escalera ( Ladder) etc. 5.8.3 Multitarea Donde coexisten diferentes programas con relaciones de cooperación o de competencia: Modula, Pascal, Concurrente. 5.8.4 Avanzados Caracterizados por ser de tipo estructural con procedimientos abstractos: Basic, Pascal, Cobol. 446 5.8.5 De simulación Sirven para la realización de pruebas, verificaciones y entrenamientos que no siempre se pueden realizar sobre los equipos por el riesgo que esto significa. . Se apoyan mucho en herramientas gráficas: ACSL, CSSL, DARE, etc. Hoy en día los lenguajes para PLC son lenguajes específicos de alto nivel que se manejan bajo ambiente Windows; por lo cual resultan amigables y de muy fácil comprensión por parte de ingenieros y técnicos. 5.9 CONTROL SECUENCIAL 5.9.1 Introducción Como ha ocurrido con la regulación, aplicada al control de procesos físico- químicos; el desarrollo de los sistemas de control secuencial (aplicable a los procesos de manufactura) ha sufrido una gran evolución desde sus comienzos. Esta evolución se manifiesta en la mejor comprensión de sus fundamentos teóricos (tablas de verdad, manejo de ecuaciones booleanas, diagramas de secuencia y de tiempo, mapas de Karnaugh, redes grafcet, etc.) y en desarrollo acelerado de equipos y dispositivos, mediante los cuales se pueden implementar sistemas óptimos para el control de los procesos industriales. En un control secuencial, no interesa tanto que las variables mantengan un valor fijo frente a las alteraciones externas o sigan una evolución prefijada, sino que el conjunto de acciones posibles, se ejecute de acuerdo con una lógica o una secuencia dada, teniendo en cuenta a la vez estados internos y situaciones externas. 447 La técnica del control secuencial es la utilizada para definir los problemas de automatismos lógicos. Un sistema secuencial puede considerarse como un conjunto de sistemas combinacionales unidos por retardos temporales. En el control secuencial las variables son todas binarias (solo pueden tomar uno de dos posibles estados) y sobre ellas, se pueden aplicar toda la teoría del álgebra de Boole, la que permite manejar dos tipos de problemas: - Problemas combinacionales: Son aquellos donde se da una relación estática entre las entradas y las salidas, independientemente del tiempo. Los valores que toman las salidas dependen exclusivamente de los estados de las entradas en ese momento, sin incluir para nada los estados anteriores (sin memoria). - Problemas secuenciales: Son aquellos donde el estado de las salidas depende no solo de las entradas actuales sino también de las entradas y de los estados internos anteriores. Esto implica que el sistema tiene memoria; o mejor, recuerda estados anteriores en los que interviene el tiempo. 5.9.2 Definiciones 5.9.2.1 Entrada Es una señal de estímulo al sistema, el cual en respuesta origina una salida. Con las entradas se buscan salidas o comportamientos determinados. Sin embargo, existen entradas perturbadoras que originan salidas no deseadas y pueden afectar el sistema adversamente. 448 En general toda señal de entrada debe ser acondicionada previamente para garantizar el correcto funcionamiento del sistema. A las entradas también se les conoce como las señales de mando, y son producidos por los denominados órganos de mando o sensores. 5.9.2.2 Salida Salida es la respuesta de un sistema a un estímulo dado, la cual está en concordancia con la entrada aplicada. 5.9.2.3 Órganos receptores Los órganos receptores son elementos que consumen energía cuando los dispositivos de mando que generan las señales de entrada así lo disponen. Los órganos receptores representan las salidas del sistema y pueden ser: Externos - Lámparas - Válvulas - Motores - Resistencias de hornos y calentadores - Otros NOTA: Los órganos receptores externos representan las verdaderas salidas (outputs) del sistema. 449 Internos - Bobinas de relés - Relés temporizados - Contadores - Otros 5.9.2.4 Convertidores de señal Las señales de entrada a un sistema pueden tener dos categorías: - Análogas - Digitales Las señales análogas presentan una variación continua en el tiempo. Para poder aplicarlas a un sistema de control secuencial debe hacerse a través de una interface conversora análoga/digital (A/D). Las señales digitales presentan variación discontinua en el tiempo, con dos estados normalizados definidos. Para poder aplicarlas a un sistema de control continuo y debe emplearse una interface conversora digital/análoga (D/A). 5.9.2.5 Selectores de datos Los selectores de datos son circuitos empleados para seleccionar una señal de entrada o salida de un puerto determinado donde están presentes varias señales del proceso. Se utilizan frecuentemente en instalaciones de control industrial. 450 5.10 ESTRUCTURA DEL CONTROL SECUENCIAL La estructura de un control secuencial moderno (automatizado) se muestra en la Figura 193 Figura 193. Estructura de un control secuencial. La parte más importante es la unidad de procesamiento lógico donde se resuelven las ecuaciones que definen el comportamiento del sistema. Las entradas están representadas por las órdenes del operador y la información que envían los sensores instalados en la máquina. La salida del procesador son las órdenes que reciben los actuadores (elementos finales de control) u órganos receptores, una de cuyas funciones es la de modificar las condiciones lógicas del proceso para dar una salida deseada. Con los periféricos se puede supervisar el sistema. 451 5.10.1 Diseño de un sistema de control secuencial El diseño de un sistema de control secuencial debe realizarse teniendo en cuenta dos aspectos: - La definición del funcionamiento normal del proceso - El estudio y la definición de las etapas de arranque y parada, en condiciones normales y anormales (interrupciones y reconexiones de la fuente de energía). Para conseguir una descripción correcta es preciso descomponer el problema general en subproblemas y abordarlos uno tras otro. 5.10.2 Solución de un problema de control secuencial La solución de un problema de control secuencial se realiza por niveles. - Nivel 1: Especificaciones funcionales Consiste en describir el comportamiento de la parte de control operativa. Con ello el diseñador comprende claramente lo que ha de hacer el automatismo frente a las distintas situaciones que puedan presentarse. También incluye el aspecto de las seguridades de funcionamiento. - Nivel 2: Especificaciones tecnológicas Consiste en determinar las condiciones de funcionamiento de los dispositivos y de los materiales. En este nivel debe considerarse: la naturaleza de los sensores y de los actuadores, las características y limitaciones de los mismos, las especificaciones técnicas de los dispositivos a escoger y las condiciones ambientales (temperatura, humedad, suministro de energía, etc.). 452 - Nivel 3: Especificaciones operacionales Consiste en determinar el comportamiento del automatismo a lo largo de su existencia, considerando ausencia de fallas destructoras para el controlador o para el proceso, disponibilidad de los materiales, posibilidades de modificación (ante cambios en la parte operativa), facilidad de mantenimiento, comunicación hombre- máquina, etc. - Nivel 4: Desarrollo del automatismo Se puede realizar mediante tratamiento matemático (ecuaciones) o gráficos (diagramas de estado, diagramas de tiempo, tablas de verdad, esquemas de contactos, logigramas, etc.). - Nivel 5: Implementación del automatismo Desarrollo de un prototipo efectuando verificaciones y pruebas a través de un simulador. 5.11 CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMABLES (PLC) 5.11.1 Generalidades En los sistemas de control secuencial el progreso se ha sentido particularmente a nivel de la unidad de procesamiento lógico hoy conocida y denominada Unidad de Procesamiento Central (CPU). Inicialmente la unidad de procesamiento central se construyó mediante relés. Los equipos resultantes de esta tecnología son relativamente lentos, grandes, pesados y difíciles de ensamblar y mantener. Emplean lo que se denomina una lógica cableada, caracterizada por el empleo de elementos independientes conectados entre sí mediante cables, exigiendo mucha mano de obra en su construcción y en 453 las modificaciones posteriores. Actualmente se emplea cuando los automatismos son muy sencillos. En los últimos años se ha recurrido al empleo de los semiconductores (transistores, tiristores, y diodos) como una excelente alternativa para los relés. Al principio se aplicaron como simples sustitutos (interruptores estáticos), por las ventajas de alta velocidad de conmutación, la ausencia de arco y de ruido, el menor consumo de energía, elevada vida media, etc. Esta técnica se conoce como técnica del control estático, y emplea también la lógica cableada. Posteriormente aparecieron los circuitos integrados que permitieron la realización de funciones lógicas a mayor velocidad, ocupando menor espacio y con menor consumo. Con ellos aparecen también dispositivos de registro, conteo, temporización, memorias, etc., con los cuales se puede abordar muy fácilmente la realización de automatismos secuenciales más complejos, a bajo costo, livianos, pequeños, libres de mantenimiento y confiables. Se comienza a abandonar los esquemas de relés como elementos descriptivos y se usan en su lugar, las ecuaciones lógicas. Se desarrollan sistemas de control con los denominados PLA (Arreglos Lógicos Programables), que consisten en una reunión de compuertas organizadas en forma matricial y contenidas en un “chip”, en las que se implementa la ecuación booleana deseada. Con el empleo de los circuitos integrados se reduce considerablemente el cableado de los elementos internos. En la Figura 194.a se ilustra el circuito básico para el mando de un compresor de aire. Un arreglo con compuertas lógicas básicas como alternativa de diseño para 454 el circuito de control electromagnético que maneja el motor- compresor es el que muestra la Figura 194 b. Figura 194. Circuito de control electromagnético que maneja un compresor de aire, para ser implementado con un arreglo utilizando circuitos integrados con compuertas lógicas. 455 Del circuito electromagnético puede deducirse fácilmente lo siguiente: - Órganos receptores: 4 o Internos: Relés de control k2 y k3 o Externos o salidas: k1; contactor de línea del motor compresor y H1; lámpara de señalización. - Órganos de mando o entradas: o S0: Pulsador de paro (entrada manual) o S1: Pulsador de marcha (entrada manual) o F2: Contacto auxiliar relé de sobrecarga (entrada automática) o S2: Presóstato de mínima presión (entrada automática) o S3: Presóstato de máxima presión (entrada automática) - Ecuaciones booleanas una por cada órgano receptor o K1= k2.k3 (salida) o K2= (S1+K2).S0.F2 o K3= K2. (S2.k3+S3) o H1= K2.k3.K1 De estas ecuaciones puede deducirse que la salida H1 es idéntica a la salida k1 puesto que H1= (k2.k3).k1.k1= k1. Esto implica que la interface de salida para la señal H1 puede omitirse y es posible conectar directamente la lámpara a la línea usando un contacto auxiliar de contactor k1. Sin embargo, considérese el circuito electrónico con compuertas como un esquema ilustrativo que muestra simplemente las posibilidades que ofrece la electrónica de sustituir la unidad lógica construida con relés convencionales con otros dispositivos más económicos, de bajo consumo, de vida media muy elevada, libres de mantenimiento y sobretodo, de tamaño y peso muy reducidos, como son los circuitos integrados. Debe aclararse también que en los circuitos prácticos que eventualmente se construyen con compuertas lógicas, temporizadores, contadores, etc.; se utilizan 456 comúnmente temporizadores y compuertas de un solo tipo (NAND o NOR) y temporizadores al trabajo. Esto permite simplificar notoriamente cualquier circuito electrónico que represente al “procesador lógico”. La llegada de los microprocesadores aparece como una alternativa mejor a la lógica cableada existente y a la lógica de los semiconductores y circuitos integrados convencionales. Con los microprocesadores se configura la lógica programada. Con ella, el automatismo no está implementado por una interconexión de componentes básicos mediante cables sino mediante una sucesión de instrucciones que se almacenan en la memoria interna de la máquina, y que generalmente se introducen por un teclado. La lógica programada está ligada íntimamente con el secuenciador, llamado también ordenador, que asocia al automatismo la noción de ejecución paso a paso en un orden previsto. Comercialmente hay dos tipos de máquinas que realizan el automatismo mediante lógica programada: - Los computadores. - Los Controladores Lógicos Programables (PLC), o simplemente controladores programables. La diferencia radica en que el computador emplea lenguajes informáticos; mientras que el PLC emplea lenguajes específicos. En general, el computador es empleado para campos de acción más diversos y no solo para aplicaciones industriales. La arquitectura de ambos es similar. 457 El lenguaje utilizado en la programación del PLC depende del problema que se esté considerando, y puede ser, entre otros: booleano, de contactos (ladder o escalera), Grafcet, literal, etc. Actualmente, los fabricantes de PLC han incorporado lenguajes de programación que permiten programar los PLC bajo ambiente Windows utilizando un computador y el teclado convencional usado con el mismo. 5.11.2 Definición Un controlador lógico programable (PLC) es una máquina electrónica programable, por personal no informático, destinada a cumplir funciones de automatismos lógicos y control de procesos de manufactura, en ambiente industrial y tiempo real, tanto automatismos de tipo combinacional como secuencial. Con un PLC se pueden implementar funciones específicas tales como: funciones lógicas, funciones secuenciales, temporizaciones, conteo y aritméticas; para el control de máquinas o procesos por medio de módulos de entradas o salidas digitales o análogas. Esta definición no debe interpretarse en forma rigorosa ya que los controladores lógicos programables modernos tienden a incorporar funciones especiales no solo de tratamiento lógico sino también de cálculo numérico (función aritmética: suma, resta, multiplicación, logaritmos, exponencial, trigonometría, etc.), de regulación PID y de monitoreo, diagnóstico de máquina, manejo de materiales y de comunicación con otros PLC, entre otras. Incluso muchas funciones matemáticas se aplican para tratamientos estadísticos y manipulación de datos. 458 5.11.3 Ventajas de su empleo - Utiliza la lógica programada y no la cableada. - Permite introducir cambios fácilmente, según sea el desarrollo (evolución) de la máquina o del proceso. - Emplea menor tiempo de realización y menor mano de obra. - Facilita la implementación de sistemas de control distribuido o de control jerarquizado. - Tanto los costos, como el peso, el tamaño, el volumen de los componentes, el mantenimiento y la mano de obra, son menores. - Aumenta la confiabilidad. - Se puede instalar en cualquier tipo de ambiente. EL PLC es diseñado para aplicación industrial y puede estar sometido a influencias físicas, eléctricas y químicas (temperatura, humedad, vibración), ruidos, cortes de energía, contaminantes ambientales como el polvo, etc. - Permite la simulación de procesos, alarmas y fallas, sin influir en forma directa sobre las máquinas. 5.11.4 Estructura interna básica La estructura interna básica de un controlador lógico programable se puede representar mediante el diagrama de bloques que se muestra en la Figura 195. 459 Figura 195. Estructura interna básica de un PLC mediante una representación en diagrama de bloques. 5.11.5 Aspecto físico y presentación Existen dos formas constructivas típicas para los controladores programables: - Compacta: La forma compacta (ver Figura 196) se utiliza generalmente en automatismos lógicos con equipos pequeños y donde se tiene un número fijo de entradas y salidas (I/O). 460 Figura 196. PLC en presentación compacta. Fuente: http://apuntes-ibf.blogspot.com/p/plc.html - Modular: La forma modular se emplea más frecuentemente en aplicaciones industriales. Los módulos son desmontables tal y como se ilustra en la Figura 197, y el sistema tiene la posibilidad de expandirse en entradas y salidas (I/O) tanto digitales como análogas. Figura 197. PLC en presentación modular. Fuente: http://www.rocatek.com/forum_plc1.php 461 5.11.6 Aplicaciones generales Los PLC tienen infinidad de aplicaciones en la industria, entre ellas se pueden destacar las siguientes: - Control de movimientos en máquinas–herramienta (avanzar, retroceder, girar, doblar, plegar). - En prensas, estampadoras, trefiladoras, embutidoras, máquinas de soldadura. - En procesos de manufactura como: embotellado, embalaje, etiquetado, pesaje, dosificación. - En diferentes aplicaciones donde se requiere el control de automatismos lógicos, tales como: ascensores, bombas, compresores, hornos industriales, señalización (semáforos), grupos electrógenos, manejo de materiales (metalurgia, siderurgia), calderas, programación de energía, lavadoras, control de motores, etc. - En subestaciones eléctricas para la operación de actuadores, seccionadores, interruptores y en coordinación de protecciones en fallas de alta tensión. - Para regulación, en procesos fisicoquímicos, cuando el controlador programable está configurado con bloques funcionales PID. 5.11.7 Componentes básicos 5.11.7.1 Secuenciador El secuenciador realiza operaciones de tiempo (retardo y temporización), de secuencia, de combinación, de auto mantenimiento o retención, etc.; en forma análoga a como lo hacen los sistemas convencionales de relés. El secuenciador emplea códigos binarios para actuar. Al interior del secuenciador encontramos las 462 interfaces I/O, las memorias los acumuladores y registros, los medios de comunicación interna (bus de control, de datos, de dirección, de comunicación.) y la unidad de procesamiento central (CPU). 5.11.7.2 Interfases I/O Las interfases de entrada /salida I/O (input / output), son circuitos mediante los cuales el controlador puede comunicarse con el mundo exterior. Una interfase adecua las señales de entrada y salida, de tal modo que estas se puedan acomodar a los circuitos o dispositivos que conecta. Todas se implementan con señalización por led. Las interfaces de entrada permiten adecuar a la lógica interna las señales que provienen de los sensores (análogos o digitales) del proceso. Evitan el rebote de contactos, normalizan los niveles de tensión, y acondicionan la señal para reducir el efecto de señales de ruido e interferencia. Las interfaces de salida permiten adecuar las señales de salida del PLC para el funcionamiento correcto de los actuadores, que son los que manejan las cargas que van a modificar las condiciones del proceso de acuerdo con una acción de control predeterminada. Las interfaces de salida R aíslan el mundo de la lógica interna con el de la carga. Acoplan una salida de bajo nivel a una de alto nivel y generalmente, son optoacopladas (con separación galvánica). Más adelante se analizan diversos circuitos típicos empleados en la implementación física de interfaces para controladores programables. 463 5.11.7.3 Memorias Las memorias son dispositivos electrónicos integrados que contienen en forma binaria las instrucciones que constituyen el programa y los datos que deberán utilizarse durante la ejecución del mismo. Existen muchos tipos de memorias: - Memorias de solo lectura (Read Only Memory ROM) Estas memorias sólo pueden ser leídas. El usuario tiene acceso a la información de la memoria pero no la puede alterar. Se fabrican con los datos ya escritos. Son memorias no volátiles (no se borran ante un corte de energía). Hacen que el PLC actúe de la forma para la que ha sido diseñado y que ejecute correctamente lo contenido en la memoria. Son programadas por los fabricantes y definen las capacidades y posibilidades del equipo. - Memoria de lectura y escritura (Random Acces Memory RAM) Se conocen como memorias de usuario, es donde el programador almacena o deposita su programa, son memorias de acceso aleatorio, más complicadas que las ROM. En ellas se puede tanto leer como escribir, se puede entrar y/o sacar y/o modificar datos. Son memorias volátiles; es por esto que se deben sostener con baterías cuando no se quieren correr riegos por posibles interrupciones del fluido eléctrico. Una batería proporciones respaldo por períodos de cuatro a cinco años y es usual que se implemente con una alarma de preaviso. - Memorias PROM (Programmable Read Only Memory) Son memorias ROM programables por el usuario pero no borrables por este. Una vez el usuario introduce los datos solo puede leerlas. 464 - Memorias EPROM (Erasable Programable Read Only Memory) Son memorias PROM borrables y reprogramables. Su borrado se hace con rayos ultravioleta. - Memorias EAPROM (E2PROM) Son memorias PROM borrables electricamente y reprogramables. - Memorias EAPROM Este tipo de memorias son alterables electricamente, y pueden borrarse por sectores o secciones y no en su totalidad como la EPROM. 5.11.7.4 Acumuladores y registros En los acumuladores y registros se memorizan y guardan por un momento los datos antes y después del tratamiento. Los datos que se van a procesar se extraen de la memoria central o principal y se llevan a los acumuladores y a los registros, los cuales van proporcionando los datos que necesita la unidad de procesamiento central (CPU). Estos datos se van entregando en forma ordenada. Para lograr un almacenamiento prolongado se emplea la memoria central. 5.11.7.5 Medios de comunicación interna Los medios de comunicación interna están conformados por: - El bus de control - El bus de datos 465 - El bus de dirección - El bus de comunicación El bus de control es la conexión mediante la cual la unidad de procesamiento central (CPU) envía las instrucciones (órdenes) a los demás componentes y recibe de ellos las señales de respuesta. El bus de datos es la conexión física mediante la cual se transmiten los datos entre el procesador, la memoria, las interfaces I/O y el programador. El bus de dirección es la conexión por donde van las señales que constituyen la dirección, es decir, la localización en la memoria o el puerto I/O en el que deben ser escritos o leídos los datos. El bus de comunicación es el bus que sirve para la comunicación con otros periféricos o sistemas computarizados. 5.11.7.6 Unidad de procesamiento central (CPU) Es el elemento más complejo del controlador programable; está construida alrededor de un sistema microprocesador y es la encargada de ejecutar el programa de usuario y de ordenar las transferencias de información en el sistema de entradas/salidas. Adicionalmente, puede también establecer comunicación con periféricos externos, como son la unidad de programación, otros PLC u ordenadores, etc. Se divide en dos partes principales; cada una con funciones diferentes (ver Figura 198): 466 - Unidad de comando Rige el comportamiento de todos los demás componentes, da las órdenes y los comandos que implican la ejecución de operaciones, e interpreta (decodifica) y ejecuta las instrucciones. - Unidad de tratamiento Efectúa los cálculos y las operaciones lógicas y aritméticas. Figura 198. Conformación de la CPU. Al interior de la CPU se hacen las operaciones lógicas, y matemáticas, como también todos los cálculos, se procesa la información, y se reciben y envían los datos. La CPU contiene gran cantidad de registros, contadores, y acumuladores. Si la CPU está contenida en un solo circuito integrado, se le llama microprocesador. El primer microprocesador desarrollado fue en 1971 por la INTEL Co. Dentro de las funciones que en un controlador programable realiza la CPU están: - Operaciones lógicas y matemáticas entre dos datos. - Comparación entre dos datos y consiguiente elección. 467 - Transferencia y memorización de datos. - Tratamiento de palabra y manejo de texto, en los equipos más avanzados. 5.11.7.7 Programador (PG) El programador es el dispositivo mediante el cual es posible programar y controlar la operación del secuenciador. Es el medio que tiene el usuario para comunicarse con el procesador. Contiene un teclado con comandos lógicos y de servicio, además de un display o pantalla de cristal líquido. Desde el programador también es posible monitorear los estados y el funcionamiento de todos los dispositivos de entrada y salida. La operación del programador es de tipo instruccional y se efectúa por lo que se denomina pasos de programación. Una vez se tiene todo el sistema configurado, se puede desmontar el programador. 5.11.7.8 Periféricos Los periféricos sirven para documentar los programas o para hacer supervisión del proceso. Son todos los dispositivos que no forman parte de los circuitos internos, tales como: - Cinta magnética (casette) - Impresora - Pantalla monitor (video) - Graficadores (plotters) - Unidad de disco - Pantallas alfanuméricas (LCD) 468 - Leds - Teclados o interfaces Hombre-Máquina (HMI) - Puerto de salida para comunicación con otros equipos - Otros sistemas 5.11.8 Ciclo de tratamiento de un controlador programable El ciclo de tratamiento del programa del PLC, el cual es establecido por el fabricante, tiene como función básica la solución de la función aritmética o de la ecuación booleana que define la tarea de control, tomando en cuenta los valores lógicos que tengan las variables en un instante determinado (ver Figura 199). Para hacer un ciclo, desde la primera hasta la última instrucción, el PLC se gasta un tiempo (scan time) del orden de microsegundos a milisegundos. La memoria del programa (la que contiene las instrucciones) se lee en forma secuencial (paso a paso), a una velocidad determinada, recurriendo a un contador de programa y a unos registros y acumuladores que van entregando la información a la CPU. Debe tenerse presente que el PLC ejecuta siempre una tarea a la vez y no realiza eventos simultáneos. El ciclo de tratamiento se repite continuamente. 469 Figura 199. Ciclo de tratamiento de un controlador programable. 5.11.9 Manejo de la información La información (señales) que se procesa en un programa está caracterizada por tres aspectos: - Instrucción Expresa la acción a realizar. Se maneja a través del bus de control. - Dato Contenido de información con base en la cual se realiza la acción; manejado a través del bus de datos. 470 - Dirección Localización o punto a donde puede o debe enviarse la información; manejada a través del bus de dirección. Los códigos de instrucción, datos y direcciones se escriben en las memorias del sistema. En el momento de conectar la máquina o cuando se inicia una tarea, la CPU toma la primera instrucción, la ejecuta, pasa a la segunda, y así sucesivamente. Las instrucciones tienen lugar de acuerdo con una secuencia de operaciones denominada ciclo. Todo ciclo se gasta un cierto tiempo (scan time) para realizar la orden (menor a 20 ms). 5.11.10 Selección de un Controlador Lógico Programable (PLC) 5.11.10.1 Criterios de selección Existen diferentes criterios generales para la escogencia de un controlador lógico programable (PLC): - Criterios funcionales: Según sea la tarea a realizar. - Criterios tecnológicos: Permiten adecuar correctamente el equipo con el entorno. - Criterios operacionales: Dependen de las limitaciones del equipo (espacio, evolución, producción, mantenimiento). 471 Para seleccionar correctamente un PLC se deben comparar diferentes modelos y considerar los siguientes aspectos: 5.11.10.2 Ficha de identidad Documento donde incluye la marca, el modelo, el tipo, el fabricante, el representante en el respectivo país, el año de aparición en el mercado y la documentación técnica disponible. 5.11.10.3 Tecnología empleada Se debe considerar el tipo y el tamaño de la memoria que se posee, la extensión de la palabra que maneja la memoria (número de bits), la naturaleza de los circuitos Integrados (TTL o CMOS) que utiliza, el tipo de alimentación que requiere, su consumo de energía, las condiciones ambientales para las cuales está fabricado, el tamaño de sus tarjetas o módulos y su forma física de presentación (compacta o modular). 5.11.10.4 Órganos de comunicación externa Se deben tener en cuenta las especificaciones de las entradas y de las salidas (I/O) del PLC, es decir; el número mínimo y máximo que posee, las características de éstas (optoacopladas, por relé, por SCR o TRIAC, etc.) , la rapidez con que responden, el tipo de acopladores con que cuentan (con o sin aislamiento), si tienen o no entradas y salidas análogas normalizadas (0-20mA, 4-20mA, 0-10V, etc.) las I/0 especiales con que cuenta (conexión a periféricos, conexión con otros PLC o con un computador determinado, etc.). 472 5.11.10.5 Lenguajes de Programación Se debe saber que lenguaje de programación emplea el PLC, lógico, booleano, literal, escalera, Grafcet, de flujo, de etapas (step), etc. 5.11.10.6 Tipo de programador Es importante considerar el tipo de instrucciones que reciben y la forma en que ejecuta el programa, el ciclo de tratamiento que emplea, el juego de instrucciones básicas y especiales que acepta, las funciones lógicas, aritméticas de salto que puede hacer, el manejo de palabra (texto), el tipo de comandos (teclado) que posee, el manejo de bloques funcionales o algoritmos PID, el manejo de códigos de error de acceso y de borrado que puede tener, la posibilidad de alteración, búsqueda, monitoreo, chequeo de errores y forzado de datos, etc. Hoy en día, muchos PLC se programan directamente bajo ambiente Windows empleando un computador y su teclado. 5.11.10.7 Soporte lógico El soporte lógico es de suma importancia puesto que permite conocer el número de elementos que puede configurarse en el PLC , a saber: relés auxiliares comunes (retenidos o no), relés especiales, temporizadores, timers, contadores ascendentes, descendentes y de conteo diferencial, registros de desplazamiento y de datos, bloques funcionales PID, secuenciadores, comparadores, conversores de código, funciones aritméticas, trigonométricas, logarítmicas, etiquetas (label) para identificación de tareas, etc. 473 5.11.10.8 Medios de diálogo con el operador (Periféricos) Es importante analizar los periféricos que permiten interconectar: unidad de disco, impresora, consola de diálogo, monitor de video, plotter, fax, display, modem, etc. También los puertos para comunicación con otros PCL o computadores y la unidad de comprobación y de puesta a punto que dispone. 5.11.10.9 Consideraciones económicas Son de gran relevancia y ellas influyen varios factores: el precio del equipo incluyendo los periféricos, el costo de la capacitación del personal, del mantenimiento y de la mano de obra necesaria, el extra costo por reserva para futuras ampliaciones. 5.11.10.10 Diseño con controladores lógicos programables Para hacer un diseño que permita obtener la solución óptima de un problema con controladores lógicos programables, se requiere además de escribir una serie de instrucciones, seguir una serie de pasos. Las siguientes sugerencias resultan de gran ayuda a pesar de que cada persona tiene su propia manera de diseñar. 5.11.10.11 Definición del problema Lo primero que se debe hacer para empezar a solucionar un proceso de automatización es definir el objetivo de control y fijar el alcance del trabajo. 474 La definición de la tarea del control la deben realizar las personas que están familiarizadas con la operación de la máquina o el proceso. Si el proceso ya se está realizando, lo primero que se debe hacer es revisar posibles mejoras que se puedan implementar. Los controladores lógicos programables son de gran utilidad siempre y cuando se utilicen de manera organizada y se haga una correcta planeación. 5.11.10.12 Análisis del sistema El análisis del sistema consiste en hacer un estudio profundo que permita: - Conocer globalmente el sistema - Dividir el sistema en subprocesos Para poder comprender la operación global del sistema es necesario conocer los sistemas que se interrelacionan con él, las personas que lo operan y el medio ambiente donde funciona. Se debe hacer una descripción general del sistema para obtener una idea del funcionamiento del proceso a controlar, teniendo en cuenta: uso, ciclo de trabajo, medios de obtener la información, tiempos respuesta, sitios donde se genera la información y sitios a donde se envía, rapidez, etc. Se deben identificar todos los equipos que intervienen en la operación del sistema, las condiciones que lo caracterizan y la información que necesitan para operar adecuadamente. Se deben conocer los datos de producción, los formatos que utilizan para su almacenamiento, la frecuencia con que se toman y las formas de mantenimiento y actualización de los archivos. Para lograr un mejor conocimiento del proceso es necesario dividirlo en subprocesos como lo ilustra la Figura 200, y a cada subproceso se le hace el 475 tratamiento descrito. Si existen subsistemas muy grandes se debe continuar subdividiendo hasta donde se considere necesario, mientras más se subdivida es mejor. La descripción del sistema se hará incluyendo los estados de falla y las acciones correctivas que han de tomar cuando éstas se presenten. Figura 200. División del proceso en subprocesos. 5.11.10.13 Pre-diseño En esta etapa se plantean alternativas de solución, siendo el resultado más importante la definición de los subprocesos que serán controlados por el controlador lógico programable. Algunos criterios para que un proceso no sea involucrado en el control por el PCL son: - Procesos que no tienen relación directa con el objeto de control (por ejemplo la iluminación). - Variables analógicas para regulación especial - Variables digitales que generen alarmas o pre alarmas de ocurrencia poco frecuente. Esta fase del proceso depende en gran parte de la habilidad y de la experiencia del diseñador. 476 5.11.10.14 Diseño Esta etapa del proceso depende en gran parte de la habilidad y de la experiencia del diseñador. Los puntos a considerar en esta actividad son: - Representación del proceso - Asignación de direcciones - Definición de circuitos independientes del controlador - Documentación - Representación del proceso Las técnicas más comunes para representar un proceso son los diagramas de flujo y los lenguajes de programación. Los diagramas de flujo se usan para describir de una manera secuencial el proceso y para ayudar a recordar, analizar y tener rápida información del problema. Es conveniente realizarlos antes de elaborar la programación. Después de tener el diagrama de flujo se emplea el lenguaje de programación disponible en el controlador (booleano, Grafcet, escalera, etc.) 5.11.10.15 Asignación de direcciones La asignación de direcciones, tanto para los dispositivos de entrada y de salida, como para los dispositivos internos, es muy importante para la documentación del diseño. Dicha información servirá para el cableado, el mantenimiento y para ampliaciones futuras. 477 5.11.10.16 Conexionado del PLC La conexión típica de un PLC se muestra en la Figura 201. El equipo se instala como un elemento más de los que son de uso corriente para la implementación de los circuitos de control, tipo escalera o ladder. Tanto los dispositivos de señalización como los de protección y de mando manual (pulsadores), incluidos también relés auxiliares, aseguran que el proceso se pueda parar sin el controlador (por si este falla). Figura 201. Circuito básico para conexionado de un PLC. En resumen, para la selección de un PCL se requiere: 478 - Conocer con detalle el proceso. - Tener en cuenta futuras ampliaciones. - Decidir cuáles funciones del PCL son necesarias. - Determinar el número y el tipo de dispositivos de campo a utilizar. - Definir el número de entradas y salidas. - Definir si se requieren módulos de propósito especial (módulos para conteo de alta velocidad, contadores de paso módulos para RTD y termocuplas, etc. - Determinar requerimientos de memoria. - Determinar la disposición del PLC en el sistema de acuerdo con la tarea de control y las instalaciones de la empresa. - Conocer el ambiente industrial (temperatura, humedad, vibraciones, ruidos RF, EMI, etc.) - Determinar necesidades de soporte del sistema (baterías, UPS, etc.). - Determinar el tamaño del PLC (gama alta, media o baja; compacto o modular). - Documentación. En la etapa de diseño también se deben considerar los diagramas de cableado y el manual de operación y mantenimiento. Los diagramas de cableado informan sobre la cantidad de conductores que van de un sitio a otro, el calibre la identificación el tipo de señal, etc. Estos diagramas sirven como base del diseño de los ductos y sus rutas, y son vitales para los electricistas en la construcción y posterior mantenimiento. El manual de operación y mantenimiento debe constar de dos partes. La primera debe estar dirigida a los operarios y debe hacer referencia a la operación normal y 479 a los procedimientos en caso de alarmas. La otra debe tratar labores de mantenimiento predictivo y correctivo. 5.12 INTERFACES 5.12.1 Introducción Las interfaces I/O, de entrada/salida (Input/Output) son circuitos mediante los cuales los elementos que realizan la lógica interna del PLC pueden comunicarse con el mundo exterior. Toda interface debe proporcionar un aislamiento eléctrico entre la parte externa y la parte interna para garantizar el óptimo funcionamiento del microprocesador. El aislamiento debe ser por encima de 2 kV; y este se logra por medio de optoacopladores o por contactos de relés convencionales. En principio se descarta el empleo de transformadores. Una interface adecúa las señales de entrada y salida, de tal modo que se puedan acomodar a los dispositivos que conecta. Todas se implementan con señalización por led. Las interfaces de entrada adecuan las señales de entrada que provienen de los sensores (análogos o digitales) del proceso. Evitan el rebote de contactos, acoplan los niveles de tensión y, conforman y acondicionan la señal para reducir el efecto de señales de ruido e interferencia. Las interfaces de salida adecuan las señales de salida para el funcionamiento correcto de los actuadores, los cuales modifican las condiciones del proceso de acuerdo con la acción de control predeterminada. Su función es aislar el mundo de 480 la lógica interna de los circuitos de carga. Acoplan una salida de bajo nivel a una de alto nivel y generalmente son optoacopladas (con separación galvánica). Para su funcionamiento requieren de una fuente de polarización interna (sink) o externa (source) que puede ser de corriente alterna o de corriente directa, según el tipo de dispositivos que se conecten. 5.12.2 Interfaces de entradas digitales (circuitos típicos) Son muchos los circuitos desarrollados por los fabricantes de interfaces. Algunos de los más típicos se ilustran a continuación. - Interface de entrada digital tipo source, 110/220 VCA (ver Figura 202) En general las entradas vienen en grupos de cuatro u ocho y cada grupo tiene un punto común (C) que permite manejar diferentes tensiones y disminuir el cableado de campo. Figura 202. Versión de interface de entrada digital tipo sourse. 481 - Interface de entrada digital tipo Sink (ver Figura 203) Figura 203. Versión de interface de entrada digital tipo sink. 5.12.3 Interfaces de salida digitales (circuitos típicos) - Interface de salida digital tipo source con relé de estado sólido (ver Figura 204) El relé debe ser de CD de alta sensibilidad de 4 a 6 mA, y de 5 o 12V 482 Figura 204. Interface de salida digital tipo source. - Interface de salida digital por relé electromagnético tipo source (ver Figura 205) Figura 205. Interface de salida digital por relé tipo source. 483 5.12.4 Interfaces análogas Las interfaces de entrada y salida análogas se emplean en la implementación de controladores análogos muchos de los cuales vienen ya configurados en los PLC modernos como bloques funcionales P, PI, PD, PID. En ellos se puede visualizar su operación indicado el valor de entrada, los puntos de preset programables y el estado de la salida. Es posible también modificar el set point de los controladores, lo mismo que el valor de los parámetros que definen la acción de control. Para definir una interface análoga se debe especificar el tipo de alimentación, el número de canales, el direccionamiento, la resolución del convertidor y el tiempo de conversión. Las interfaces de entrada análogas reciben información de tipo análogo, del proceso; tales como: temperatura, velocidad, peso, humedad, distancia, etc., las cuales deben estar convertidas a señales normalizadas de: - 4-20 mA - 0-20 mA - 0-10V Las interfaces de salida análogas permiten el manejo de elementos finales de control de tipo análogo, tales como: válvulas, indicadores, posicionadores, etc. Producen salidas normalizadas de: - 4-20 mA - 0-20 mA - 0-10 V 484 5.13 PROGRAMACIÓN DE UN PLC 5.13.1 Introducción El funcionamiento interno de un PLC está determinado por el programa monitor. El usuario no tiene la posibilidad de acceder a dicho programa. Con el programa de usuario se logra la adaptación del proceso. El programa de usuario se escribe en la memoria del usuario, en el lenguaje exigido por la unidad y por medio del programador. Inicialmente el programa se escribe en una memoria RAM no volátil (respaldada con una batería), y luego se puede grabar, imprimir o traspasar a una memoria EPROM. La CPU (Unidad de Procesamiento Central) tiene la facultad de leer el programa del usuario y ejecutar las instrucciones contenidas, ejecutar el estado de las entradas, configurarlas y transmitir el resultado a las salidas, para así controlar el proceso en la forma deseada. Para hacer la programación debe ejecutarse una serie de instrucciones, según el lenguaje de programación exigido por el PCL. 5.13.2 Comandos El teclado del programador se divide en tres partes: los comandos lógicos, los comandos de servicio y los comandos alfanuméricos, con los cuales se pueden introducir datos. 485 5.13.2.1 Comandos lógicos En código internacional los comandos lógicos que se emplean para la programación del PLC en leguaje Booleano son: - STR o LOAD Inicio de una rama con un contacto NO - STR NOT Inicio de una rama con un contacto NC - AND Conexión en serie de un contacto NO. - AND NOT Conexión en serie de un contacto NC 486 - OR Conexión en paralelo de un contacto NO - OR NOT Conexión en paralelo de un contacto NC - XOR Operación OR exclusiva; impide la simultaneidad de las entradas (en conexión paralelo) en estado 1 - OUT (o =) Conexión de una salida sobre una línea. - TMR (o TR) Identificación de un temporizador 487 - OUT TMR ó TMR - AND TMR - AND NOT TMR - CNT (o CN) Identificación de un contador (de 2 o 3 entradas) - OUT CNT ó CNT - AND CNT 488 - AND NOT CNT - SFR (o SR) Identificación de un registro - OUT SFR ó SR - AND STR Conexión en serie de dos ramas. - OR STR Conexión en paralelo de dos ramas. 489 - MCS (Master Control Set) Derivación de un circuito para el control de un grupo de salidas. - MCR (Master Control Reset) Fin de un grupo de salidas controladas por un MCS. Tanto el comando MCS como el MCR permiten el ahorro de memoria al hacer la programación. Con estas funciones se pueden conectar varios órganos receptores que inician la lógica desde una sola línea. 5.13.3 Comandos de servicio Se les conoce también como instrucciones de servicio. Los más utilizados en la programación del PLC son: - NEXT o STEP+ Comando para saltar paso a paso en avance una línea de programa. Permite ver el contenido de dicha línea. 490 - PRV o STEP- Comando para saltar paso a paso en retroceso una línea de programa. Permite ver el contenido de dicha línea. - MON Comando para monitorear o supervisar los estados lógicos de las variables de entrada o salida, temporizadores, contadores, registros, etc.; en ejecución del programa (modo RUN). - SCH o SCR Comando para encontrar rápidamente una instrucción de programa o para saber en qué paso del programa está una información específica. - CLR Comando para limpiar o clarificar el contenido de una línea en el display. No sirve para borrar la memoria. - DEL Comando para borrar instrucciones de programa en la memoria. - ENT Comando para entrar y validar una instrucción de programa en la memoria. Con la validación se pasa a la siguiente instrucción. - INS Comando para insertar una instrucción de programa en la memoria. - SET y RST o RES Comandos para forzar el estado lógico de entradas, salidas y relés internos. 491 - SHF Comando con el cual se habilita el teclado que define una doble información - STEP SET Instrucción para buscar información en una línea de instrucción deseada; es una función de salto, la poseen algunos PLC. - F Comando especial para hacer funciones aritméticas; no todos los PLC lo poseen. - R Comando para introducir constantes o parámetros en los registros de datos. Al igual que el comando anterior, no todos los PLC lo poseen. - READ Comando para pasar a la memoria el contenido de un casette o un disco. El selector de funciones debe estar en LOAD. - WRITE Comando para manejar periféricos tales como impresora, plotter y otros. - CHECK Comando para verificar la transferencia adecuada del programa en el manejo de periféricos. 5.13.4 Lenguajes Los lenguajes utilizados en los PLC son específicos y de alto nivel. Los más empleados son: Booleano, Escalera o Ladder y Grafcet. 492 5.13.4.1 Booleano Es un lenguaje donde las ecuaciones booleanas del circuito se escriben como lista de instrucciones en forma literal. Las ecuaciones se suponen conocidas. Para emplearlo es necesario conocer la configuración circuital o el diagrama de control. Es el lenguaje más utilizado. 5.13.4.2 Escalera o Ladder Este lenguaje se apoya en el Booleano. Los programadores empleados en los PLC que utilizan el lenguaje de Escalera están configurados con un menú de símbolos normalizados que se trasladan a la pantalla por medio de una tecla de comando y se posicionan a voluntad, en cuatro direcciones, con la ayuda de cursores, para configurar finalmente el circuito de control deseado. Al representar cada dispositivo se le asigna un código de identificación o instrucción y luego se válida hasta tener el circuito totalmente configurado y listo para que se ejecute la tarea que tiene asignada. Los símbolos empleados en un diagrama de escalera están configurados con símbolos básicos tomados del código ASCII. 5.13.4.3 Grafcet Es un lenguaje de diseño para procesos secuenciales que se apoya en el lenguaje Booleano pero que no requiere conocer ni las ecuaciones booleanas en su totalidad ni el diagrama escalera. 493 Se desarrolla con base en un diagrama funcional denominado Grafcet o Gráfico funcional de etapas y transiciones. Está concebido para la descripción, análisis, diseño y solución de automatismos lógicos, donde se resaltan las acciones y los fenómenos ligados a la evolución del proceso. Los programadores empleados en los PLC que utilizan el lenguaje Grafcet están configurados con un menú de símbolos normalizados que se trasladan a la pantalla por medio de una tecla de comando y se posicionan a voluntad, en cuatro direcciones, con ayuda de los cursores, para configurar finalmente el diagrama funcional deseado. - Diagrama funcional Grafcet En él se describe el proceso de fabricación de un producto, haciendo una descomposición del proceso en etapas y transiciones. - Etapa Es representada por medio de un cuadro, como se ilustra en la Figura 206. En cada etapa se debe precisar la acción a realizar (acción asociada), describiéndola en un rectángulo conectado a dicha etapa, la cual no se realizará hasta que ésta sea activada. Únicamente la etapa inicial puede no tener acción asociada. Figura 206. Acción asociada a una etapa. 494 Las etapas se enumeran en orden, de la número 0 o 1 en adelante. De acuerdo con el desarrollo secuencial del proceso, y partiendo de la etapa inicial, las etapas se activan y desactivan una tras otra. La situación de un sistema automatizado estará completamente definida por el conjunto de etapas activas y etapas inactivas. - Transición Es el paso de una etapa a otra. Las condiciones de transición indican las posibilidades de evolución entre etapas (a cada transición está asociada una condición lógica). Una etapa no puede llegar a activarse hasta que la anterior no lo sea y se cumpla la transición. En estas condiciones la etapa en cuestión pasa hacer activa, desactivándose la anterior. Lo anterior implica que para que la secuencia pueda efectuarse, no debe existir más que una etapa activa a la vez (exceptuando la condición de simultaneidad) sobre la misma línea de flujo. La transición se representa por el símbolo de la Figura 207: Figura 207. Transición de GRAFCET Se entiende siempre que la secuencia se ejecuta en orden y de arriba hacia abajo. 495 La condición de transición entre etapas proporciona el RESET de los actuadores activados en la etapa anterior y da el SET a los actuadores que deben operar en la etapa siguiente. - Direccionamiento condicional Es una elección condicional entre varias secuencias posibles que se pueden presentar en un automatismo lógico en función de datos del operador o del proceso (ver Figura 208). Ejemplo: Figura 208. Direccionamiento condicional. A partir de la etapa cinco es posible la realización de tres secuencias: - Si se da la condición (transición) X se realiza la secuencia 6-7-11. - Si se da la condición Y se realiza la secuencia 8-11. - Si se da la condición Z se realiza la secuencia 9-11. Sólo una de estas tres secuencias será la que se realice, es decir, las condiciones x, y, z son excluyentes, sólo una de ellas será la que efectúa la elección y el inicio de la secuencia correspondiente. 496 - Salto entre etapas Es un direccionamiento específico que permite pasar de una etapa a otra saltando varias etapas cuando por condiciones específicas no es necesario efectuar las acciones de estás. El salto de etapas puede efectuarse en el sentido de desarrollo de la secuencia (salto de etapa) o viceversa (retroceso de etapa), como se muestra en la Figura 209. Siempre debe existir salto de la última etapa a la etapa inicial. Figura 209. Salto entre etapas - Secuencia simultaneas Un proceso puede en un momento determinado necesitar el desarrollo de varias secuencias simultáneas cuyas etapas no tengan ninguna interrelación. 497 El funcionamiento simultáneo se presenta por dos tramos paralelos dibujados al principio y al final de la secuencia (ver Figura 209). La desactivación de las ramas o secuencias ramales se efectuará cuando ambas se hayan realizado y la secuencia común tenga que continuar. Figura 210. Secuencias simultáneas - Simbología para representar un diagrama funcional grafcet o Etapa inicial (etapa 0, etapa de reposo) 498 o Etapa cualquiera (indicada con un número de orden) o Transición entre etapas (condición lógica q) o Transición por frente ascendente (01) o Transición por frente descendente (10) 499 o Transición por tiempo: Retardo de x segundos activado en la etapa 10 o Transición incondicional: es una transición natural de una etapa a otra (paso directo) o Acción simple: acción asociada a la etapa x, se activa en dicha etapa 500 o Acciones simultáneas: acciones asociadas a la etapa x o Acción condicionada: condicionamiento de la acción, no de la transición o Direccionamiento condicional: estando en la etapa a con la condición X se pasa a la etapa b y con la Y a la etapa c. Estando en la etapa b o en la c con las condiciones Z y W respectivamente, se pasa a la etapa d. 501 o Salto: va a, o viene de la etapa especificada dentro del círculo. o Secuencias simultáneas: estando en la etapa 5, con la condición f se activan simultáneamente las etapas 6 y 8, y se desactiva la 5. Si las etapas 7 y 8 están activas y aparece la condición x, se desactivan dichas etapas y se activa la etapa 9. 502 Ejemplo: Diagrama funcional Grafcet para el control de un brazo motorizado que permite el paro de vehículos a una zona de parqueo. S4: Pulsador activado por el conductor del vehículo. S2: Interruptor límite para posición del brazo arriba. S1: Interruptor límite para posición del brazo abajo (posición normal) S3: Interruptor fotoeléctrico para impedir movimiento del brazo si el vehículo está detenido. A: Contactor de línea para apertura (sube brazo). C: Contactor de línea para cierre (baja brazo). 503 5.13.5 Errores en la configuración de un diagrama de escalera La escritura de ecuaciones en lenguaje booleano con base en un diagrama de escalera está normalizada. Los errores más comunes en la configuración de un diagrama escalera se indicaron en el capítulo 2. Además de esos errores de configuración debe evitarse el diseño de circuitos con lógica compartida, tal como se muestra a continuación: Si se usa lógica compartida, ésta debe separarse para cada salida como se ilustra para el ejemplo anterior: 504 5.13.6 Estructura básica del lenguaje booleano La programación en lenguaje booleano se hace por medio del teclado del programador y consiste en una agrupación de instrucciones literales que definen la ecuación booleana de cada órgano receptor. La ecuación booleana se obtiene del diagrama de escalera según normas ANSI/NEMA. Cada instrucción en el programa del usuario consta de una línea de programación, en algunos casos de dos. Cada línea de programación contiene tres tipos de información: STEP, CODE Y DATA. - STEP Indica del paso de programación o número de la línea. Con este número se identifica la posición o dirección de la instrucción en la memoria del usuario. Se incrementa automáticamente. Puede definirse con dos o más dígitos. - CODE Representa la instrucción u operación que debe ejecutar el PLC. El código de la instrucción puede introducirse de dos formas y varía de un fabricante a otro: o Código alfabético: Con Abreviaturas de la expresión en inglés o en otro idioma, para la instrucción correspondiente. Es el sistema más empleado internacionalmente y más comprensible. o Código Numérico: Utiliza números de un dígito. Hay algunos PLC que emplean números de dos dígitos, pero son poco empleados. - DATA Indica el dato o la información relacionada con las entradas u órganos de mando, con las cuales el PLC debe ejecutar la operación que se le ordena. 505 Los datos son códigos propios de cada PLC y se introducen en forma numérica o alfanumérica. La información se introduce con el código de identificación del elemento considerado Ejemplo: STEP (Paso de programa) CODE (Instrucción) DATA (Dato) 000 STR NOT 02 ENT 001 AND 01 ENT 002 STR 20 ENT ENT es la tecla con la cual se valida la instrucción. - Ejemplos de programación en lenguaje booleano 1. 000 STR 01 ENT 001 AND NOT 02 ENT 002 OR 20 ENT 003 AND 04 ENT 004 AND NOT 03 ENT 005 OUT 20 ENT 506 2. 000 STR NOT 02 ENT 001 STR 01 | ENT 002 OR 20 ENT 003 AND STR ENT 004 OUT 20 ENT 3. 000 STR 20 ENT 001 AND NOT 03 ENT 002 OR NOT 02 ENT 003 AND 01 ENT 004 OUT 20 ENT 507 Otra forma de hacer la programación para este mismo circuito es la siguiente: 000 STR NOT 02 ENT 001 STR 20 ENT 002 ANDO NOT 03 ENT 003 OR STR ENT 004 AND 01 ENT 005 OUT 20 ENT 4. 000 STR NOT 02 ENT 001 AND 01 ENT 002 STR 20 ENT 003 STR NOT 05 ENT 004 OR 07 ENT 005 AND STR ENT 006 OR STR ENT 007 AND 03 ENT 008 OUT 20 ENT 508 5. 000 STR NOT 01 ENT 001 AND 02 ENT 002 STR 04 ENT 003 STR 03 ENT 004 AN NOT 05 ENT 005 OR STR ENT 006 AND 06 ENT 007 STR 03 ENT 008 AND 20 ENT 009 OR STR ENT 010 AND STR ENT 011 OUT 20 ENT 5.13.7 Programación de circuitos con varias salidas - Ejemplos de programación con función de control principal La función de control principal (Master Control Function) es una instrucción conformada por dos códigos: MCS (Master Control Set) y MCR (Master Control Reset). Con esta función se puede ahorrar tiempo y memoria en la programación 509 porque permite conectar varios órganos receptores que inician la lógica desde una sola línea sin necesidad de separar la lógica. No todos los PLC la poseen. Ejemplos 1. 000 STR 01 ENT 001 MCS ENT 002 STR NOT 02 ENT 003 OUT 20 ENT 004 STR 03 ENT 005 OR 20 ENT 006 OUT 21 ENT 007 MCR ENT Si no se tuviese la función de control principal, habría que independizar las bobinas así: 510 000 STR 01 ENT 001 AND NOT 02 ENT 002 OUT 20 ENT 003 STR 01 ENT 004 STR 03 ENT 005 OR 20 ENT 006 AND STR ENT 007 OUT 21 ENT 2. 000 STR NOT 01 ENT 001 STR NOT 04 ENT 002 AND 20 ENT 003 OR 03 ENT 511 004 AND STR ENT 005 MCS ENT 006 STR NOT 24 ENT 007 OUT 20 ENT 008 STR 05 ENT 009 OR 22 ENT 010 MCS ENT 011 STR 21 ENT 012 OUT 21 ENT 013 STR NOT 20 ENT 014 OUT 23 ENT 015 MCR ENT 016 MCR ENT El máximo número de líneas horizontales que se pueden derivar de una línea inicial y el número de órganos de mando que se pueden agrupar en una misma línea, están definidos por el fabricante del equipo y no se deben sobrepasar para evitar la generación de errores de programación. - Programación con contadores Los contadores se identifican con un código dado por el fabricante, donde ofrecen contactos abiertos o cerrados, como elementos de salida, donde el número de esta está limitado por la capacidad de memoria del PLC. El contacto puede ser ascendente o descendente y pueden responder al flanco ascendente (cuando se cierra el contacto). Siempre, al lado del contador, se define el número hasta el cual debe contar. 512 Ejemplo: 000 STR 01 ENT 001 OR 03 ENT 002 AND 22 ENT 003 STR 05 ENT 004 OR XX ENT 005 OUT CNT 00 ENT 006 55 ENT 007 STR CNT 00 ENT 008 OUT 20 ENT 009 STR NOT CNT 00 ENT 010 AND 04 ENT 011 OR 20 ENT 012 OUT 21 ENT 513 XX: Es un pulso de RESET con código definido por el fabricante e implementado en la mayoría de los PLC. Se usa para borrar el contador si hay un corte de energía. - Programación con temporizadores Los PLC manejan muchos tipos de temporizadores: - Al trabajo (típico) y/o al reposo. - Base de tiempo de 0.01/ 0.1/ 10/ 100/ 1k (típicas) - Conteo ascendente o descendente - Contactos de salida con temporización simultánea o secuencial. A todo temporizador se le debe definir el tiempo o duración del retardo. Sus contactos son limitados únicamente por la capacidad de memoria y pueden ser abiertos o cerrados. Se identifican por un código dado por el fabricante. Al lado de cada temporizador se escribe el tiempo que define el retardo. Ejemplo: 514 000 STR 01 ENT 001 OR 03 ENT 002 AND 22 ENT 003 OUT TMR 600 ENT 004 10.5 ENT 005 STR TMR 600 ENT 006 MCS ENT 007 STR NOT 02 ENT 008 OUT20 ENT 009 STR NOT TMR600 ENT 010 OUT 21 ENT 011 MCR ENT - Programación con secuenciadores Un secuenciador es un contador paso a paso que permite activar de modo repetitivo un número determinado de salidas en un orden preestablecido. Al utilizar los contactos no se llama contador, para que la orden la tome como secuenciador. Con un secuenciador se pueden programar tablas de verdad que establezcan comportamientos de cualquier circuito lógico o secuencial. Las diferentes posiciones se logran con un pulsador o una lógica de entrada aplicada al terminal de conteo. Ejemplo: Para la siguiente tabla de verdad, realizar el circuito del secuenciador (selector de dos salidas, cuatro posiciones): 515 PASO (Step) 20 21 1 2 3 4 0 0 1 1 0 1 1 0 - Salidas: 20, 21 - Pasos: 1, 2, 3, 4 000 STR 01 ENT (programación del conteo: C) 001 STR 00 ENT (programación de la reposición: R) 002 OUT 605 ENT 003 5 ENT 004 STR 605 ENT 005 3 ENT 006 OR 605 ENT 007 4 ENT 008 OUT 20 ENT 009 STR 605 ENT 010 2 ENT 011 OR 605 ENT 012 3 ENT 013 OUT 21 ENT 516 - Programación con registros Un registro de datos se utiliza para almacenar información binaria. Se pueden programar registros hasta de ocho pasos. Generalmente son FIFO (primer dato en entrar, primer dato en salir). Ejemplo: Almacenar en un registro FIFO la siguiente palabra: 10110011 Los datos deben entrar al revés: 11001101. Para introducir un 1 se presionan 01 y 02, y para un 0 basta presionar el 02. El borrado de la información contenida en el registro se logra con el pulsador 03. 517 000 STR 01 ENT 001 STR 02 ENT 002 STR 03 ENT 003 SFR 140 ENT 004 ------147 ENT 005 STR 140 ENT 006 OUT 20 ENT 007 STR 141 ENT 008 OUT 21 ENT 009 STR 142 ENT 010 OUT 22 ENT 011 STR 143 ENT 518 012 OUT 23 ENT 013 STR 144 ENT 014 OUT 24 ENT 015 STR 145 ENT 016 OUT 24 ENT 017 STR 146 ENT 018 OUT 26 ENT 019 STR 147 ENT 020 OUT 27 ENT 5.13.8 Manejo del programador Supongamos una unidad de programación con la cual sea posible programar en lenguaje booleano un PLC típico. Asúmase tres modos de operación básicos para este PLC: - PROG Para escribir el programa. - RUN Para ejecutarlo. - LOAD Para el manejo de periféricos: En general, existen instrucciones completas que facilitan el manejo del programador. Algunos se describen a continuación: 519 - CLR SHF (# de código) DEL NXT (Borrado de programas) En todo PLC debe existir un código para borrar todo lo que hay en la memoria y dejar listo el equipo para empezar una nueva programación, apareciendo en la pantalla el paso 000. El código y el instructivo de borrado lo define el fabricante. - CLR SHF NXT Remite al paso 000. - CLR Anula cualquier tarea que se esté realizando (inserción, búsqueda, borrado, monitoreo, chequeo, etc.). - NXT Avanza una posición y muestra el contenido de la información de ese nuevo paso. - PRV Va al paso anterior. - “Dato” SCH NXT Busca el número del paso que contiene el dato o la información. - SHF “No. Etapa” NXT Busca la información que se encuentra en un paso o dirección determinada. - Cambio de información en un paso (alteración) Se hace por sobre escritura y validación con ENT. - DEL PRV Borra toda la instrucción en un paso o dirección dada. 520 - INS NXT Inserta instrucción (previamente escrita), en una dirección determinada. - CLR SHF “No. Salida” MON En modo de operación RUN permite monitorear los estados lógicos de las salidas, tiempos de ejecución de los contadores, etc. Los comandos numéricos se habilitan con la tecla SHF. Ejemplo: PASO (etapa) INFORMACIÓN 000 001 002 003 004 STR 01 OR 20 AND NOT 00 OUT 20 SRT 20 - Si la pantalla muestra AND NOT 00 y se presiona CLR, muestra: 002. - Si la pantalla está en 002 y se pulsa NXT, muestra: AND NOT 00. - Si la pantalla está en 002 y se presiona PRV, muestra: 001 - Si la pantalla está en 001 y se desea ir a la etapa donde esté STR 20, se pulsa: STR 20 SCH NXT y se posiciona en 004. - Si la pantalla está en 001 y se desea ver el contenido del paso 004, se presiona: SHF 004 NXT y se localiza en STR 20. - Si se quiere que en el paso 002 aparezca AND 22 en vez de AND NOT 00, se posesiona en la información AND NOT 00 y se pulsa: AND NOT 22 ENT. 521 - Si se desea borrar OR 20, se localiza en el lugar correspondiente y se presiona: DEL PRV con lo cual la instrucción AND NOT 00 pasa a ser la información 001. - Si se olvidó escribir OUT 20, se posiciona en STR 20, se pulsa: OUT 20 INS NXT y dicha información queda como paso 003 STR 20 como paso 004. 5.13.9 Programación especial del PLC En general, los PLC modernos manejan funciones especiales que permiten la realización de tareas específicas de control o simplifican el diseño del automatismo. En la selección de un PLC deben considerarse con detalle las funciones especiales que ofrezca el equipo, ya que en principio esto es lo que define sus diferencias y posibilidades. Consideremos un PLC cualquiera con los siguientes códigos para sus elementos: - Inputs: 00 - 07 – 10 – 17 - Output: 20 – 27 – 30 – 37 - Temporizadores: 600 – 624 - Relés internos - No retenidos: 100-147 - Retenidos: 300-372 - Especiales: 373-377 Con el programador de este PLC se pueden lograr las funciones que se describen a continuación: 522 5.13.9.1 Retención de estados La retención de estados solamente puede lograrse por programación. Los marcadores se retienen con el relé interno 373, programándolo en la primera posición, antes de los marcadores a retener, de la siguiente manera: OUT 373 o SET 373. Sólo serán retenidos los marcadores internos que van desde el 300 hasta el 372, es decir, 59 en total. No son retenidos los marcadores incluidos entre el 140 y el 277, ni las salidas reales. La retención funciona así: - Si un marcador no retenido se encuentra en estado ON y falla la energía, al retornar el fluido eléctrico quedará en estado OFF. - Si el marcador está retenido, al retornar la energía volverá a su estado original ON. Cabe anotar, que durante la falta de fluido eléctrico el marcador mantiene un estado OFF. Los marcadores especiales que tienen retención natural, es decir, que no necesitan ser programados con el 373, son: 373, 374, 375, 376, 377 y todos los temporizadores, contadores y registros. Ejemplo: Programación para retener el marcador 300 523 000 OUT 373 ENT 001 STR 01 ENT 002 STR NOT 02 ENT 003 OR 03 ENT 004 AND STR ENT 005 OUT 300 ENT 006 ETC. 5.13.9.2 Relés con retención o memoria con bobinas de enganche (SET– RESET) Para realizar el comando de enganche se requieren dos funciones lógicas separadas, una para realizar el SET y otra para el RESET. Las bobinas de enganche actúan como relés de memoria tipo flip- flop, con doble bobina y no necesitan auto mantenimiento. La lógica de la función SET se conoce como la lógica de Latch, y la lógica de la función RESET como la de unlatch. 524 Puesto que se trata de marcadores que se configuran como salidas de doble bobina se omite el comando OUT y en su reemplazo se emplean los comandos SET y RST. Como bobinas de enganche se pueden utilizar todos los relés, tanto los retenidos como los no retenidos, y las salidas reales. No se pueden emplear los temporizadores, ni los contadores, ni los registros. La lógica de los comandos para el SET y el RST debe ser pulsante porque de lo contrario, por ejemplo, al dar la lógica de RST se apaga la bobina para volver a soltar, esta retoma al estado ON. Es importante tener en cuenta que la lógica del SET es diferente a la del RST. Las bobinas programadas como bobinas de enganche son retenidas siempre y cuando se programe al inicio (posición 000) la función OUT 373, como se mencionó anteriormente. Debe recordarse que sólo es posible retener los marcadores del 300 al 372; las salidas y órganos del 140 al 272 no serán retenidos. El SET y el RST no funcionan con temporizadores o con contadores; para su empleo deben utilizarse bobinas auxiliares. 525 Ejemplos: - Sin retención de salidas. 000 STR 01 ENT 001 SET 20 ENT 002 STR 02 ENT 003 RST 20 ENT 004 SET 21 ENT 005 STR 03 ENT 006 RST 21 ENT 007 ETC. - Con retención de salidas, empleando el marcador 373. 526 000 SET 373 ENT 001 STR 01 ENT 002 SET 340 ENT 003 STR 02 ENT 004 RST 340 ENT 005 STR 340 ENT 006 OUT 20 ENT 007 ETC. - Con temporizador 000 STR 01 ENT 001 SET 140 ENT 002 STR 02 ENT 003 AND 03 ENT 004 RST 140 ENT 005 STR 140 ENT 006 OUT TMR 600 ENT 007 10 - Desactivación de salidas Para desactivar las salidas se emplea el marcador especial 373, el cual se debe manejar con una lógica de entrada que puede, en determinados casos, emplearse 527 como paro de emergencia. En general, el relé 376 requiere una entrada que puede generarse interna o externamente, con una lógica de contactos. Si la entrada no es pulsante sino sostenida, el 376 desactiva todas las salidas o marcadores internos que estén programados como OUT o SET/RST, y sólo deja activos a los que se programaron como SET OUT y estén en ON. Se recurre a la desactivación de salidas para situaciones de fallas y/o daños que pueden presentarse en el proceso o en el equipo. Ejemplo: - Programación para desactivar salidas 000 STR 01 ENT 001 OUT 376 ENT 002 STR 02 ENT 003 OR 20 ENT 004 AND NOT 03 ENT 005 OUT 20 ENT 006 STR 04 ENT 007 SET 21 ENT 528 008 STR 05 ENT 009 RST 21 ENT 010 STR 06 ENT 011 SET OUT 22 ENT 012 ETC. Explicaciones: - Al operar 01 se energiza el relé 376. - Si 20 y 21 están activadas, se desactivan. - Si 22 está activada, permanece así, está inhibida para desactivarse con el 376. - Al reposicionar 01 (abrirlo) las salidas recuperan su estado original. - La entrada 01 debe provenir de un interruptor retenido, que se encuentre cerca del operario o en un punto de fácil acceso, para poder realizar paros de emergencia. 5.13.9.3 Forzado de entradas y salidas El forzado de entradas y salidas se emplea para verificar el cableado del campo y para simular eventos. Para realizar el forzado se requiere que el programador esté en modo RUN. Si se hace en modo PRG (de programa), la instrucción queda grabada, debiéndose borrar al finalizar el forzado. Las entradas que están conectadas a los dispositivos externos o sensores se pueden forzar de tal forma que obtengan los estados ON u OFF sin importar el estado lógico actual. 529 Las salidas conectadas a los dispositivos externos o actuadores también se pueden forzar para obtener los estados ON u OFF independientemente del estado lógico presente. Las salidas forzadas no son retenidas. Se recomienda hacer el forzado de salidas antes de introducir el programa en el PLC, es decir; hacerlo en el campo, con el PLC ya instalado en modo RUN y listo para iniciar la programación del automatismo a solucionar. El forzado de entradas y salidas se logra con una secuencia de programación por teclado. Ejemplos: - Forzado a estado ON de una salida o de una entrada: SET, SHF, referencia (xxx), ENT - Forzado estado OFF de una o de una entrada: RST, SHF, referencia (XXX), ENT 5.14 CONCEPTOS GENERALES DE LAS COMUNICACIONES DIGITALES. En la actualidad la automatización está en continuo crecimiento, y esto es debido a las grandes prestaciones de equipos como los microprocesadores o CPU; Estos, aparte de ofrecer la gran ventaja de ser programables, han ido aumentando sus prestaciones en cuanto a capacidad de control, potencia de cálculo y facilidad de interfaz con el proceso. Pero la mayor ventaja de la utilización de los PLC en la actualidad está basada en poder interconectarlos entre sí y con otros equipos de mayor potencia de cálculo formando sistemas con “inteligencia distribuida”. 530 En estos sistemas, algunos procesadores de control se encargan de funciones específicas, situándose en los puntos más próximos al proceso pero, a su vez, se interconectan entre sí con otras CPU dedicadas al diseño, gestión y coordinación global de dicha planta. En algunas industrias aún están lo que se llaman “Islas automatizadas”, es decir, varias partes automatizadas controladas por microprocesadores, pero completamente independientes entre sí. La comunicación entre estas islas puede ser posible, pero no se hace algunas veces por la diversidad de medios físicos y de protocolos. Lo que se desea es que todas estas islas puedan enlazar a través de sistemas de comunicación, que permiten el transporte de datos entre ellas y que sean lo suficientemente abiertos para poder enlazar los autómatas programables, controles numéricos, estaciones robotizadas, etc.,…con otros miniordenadores o host y a través de ellos poder acceder incluso a redes de comunicación de más altas precisiones. Las ventajas de enlazar todos estos sistemas, en lo que se ha denominado sistemas de fabricación integrados (CIM), son las siguientes: - Posibilidad de intercambio de información entre automatismos que controlan fases sucesivas de un mismo proceso local. - Facilidad de comunicación hombre-máquina, a base de terminales inteligentes que permiten programar u observar el proceso en términos de lenguaje muy próximo al humano o hasta algunas veces de forma visual. El sistema ofrece y admite la intervención del operador humano en forma interactiva a través de un terminal de teclado y pantalla. - Adquisición de datos de sensores y procesamiento de los mismos con vistas a control de calidad, gestión, estadística u otros propósitos. 531 - Facilidad de cambios para adaptarse a la evolución y a la diversificación de los productos, creando las llamadas “células flexibles”. - Posibilidad de lenguajes de alto nivel, que permitan trabajar bajo un mismo entorno todas y cada una de las islas automatizadas desde la fase de diseño hasta la fase de gestión. La clave para llegar a obtener todas estas ventajas está en un sistema de comunicación potente y flexible a la vez y que permita integrar en él a productos de cualquier fabricante, cuya estructura puede verse en la Figura 211. Figura 211. Estructura de una red industrial. Naturalmente, este tipo de sistemas también traen consigo algunas desventajas, entre las cuales se encuentran: 532 - La comunicación supone una mayor complejidad técnica. Esta complejidad puede y debe pasar desapercibida al usuario, cuyo interés no se centra en el proceso tecnológico sino en los de aplicación, lo que implica tener un software de soporte al usuario, para que este pueda dialogar con el sistema sin ningún experto en comunicaciones. - Resulta difícil unificar un sistema que integre productos muy diversos de varios fabricantes, con distintas funciones lenguajes y aplicaciones. La solución de esta dificultad solo la puede dar una norma aceptada por todos y ésta aún no existe. Hay varias adaptadas a distintos campos y niveles de complejidad, cada una con sus ventajas e inconvenientes, por lo tanto, en un futuro nos veremos obligados a convivir con sistemas con diferentes lenguajes y como solución se proponen interfaces de comunicación denominados habitualmente “Pasarelas”. Existen varios tipos de comunicaciones industriales dentro de las que cabe mencionar: comunicación en paralelo, comunicación en serie y pueden realizarse con conexión punto a punto o conexión multipunto y con enlaces simples, Half duplex o Full duplex. La Comunicación en paralelo utiliza varias líneas de datos (generalmente tantas como bits tenga el código empleado, una por bit), otras líneas de control y una línea de cero o común, para el enlace entre dos o más sistemas digitales. Las señales esenciales suelen ser ocho líneas de datos y, al menos, dos líneas de control, denominadas generalmente Strobe (STB) y Acknowledge (ACK). La Comunicación en serie en cambio, suele utilizar dos o tres hilos. La información se transmite bit a bit, uno tras otro hasta completar un carácter. La separación entre los caracteres, que se envían consecutivamente, se consigue gracias a unos bits especiales de Start y Stop o por medio de un reloj de sincronismo. 533 Lógicamente la comunicación en serie es óptima desde el punto de vista del consumo de cables y, por ello, se suele emplear para enlaces más lejanos que la comunicación en paralelo. En contrapartida, la comunicación serie es más lenta que la comunicación paralelo. La Conexión Punto a punto, es aquella en la que intervienen solo dos terminales o sistemas digitales, uno a cada extremo de la comunicación. La Conexión Multipunto, es aquella conexión de más de dos terminales o sistemas digitales a través de una misma línea o bus. El Enlace Simple, es la comunicación entre dos terminales, que permite solo el flujo de datos en un sentido (de transmisor a receptor). El Enlace Half duplex, es la comunicación entre dos terminales, que permite el flujo de datos en ambos sentidos, pero no simultáneamente, utilizando los mismos cables o medio físico. El Enlace Full duplex, es la comunicación entre dos terminales, con posibilidad de flujo simultaneo de datos en ambos sentidos (transmisión y recepción al mismo tiempo). Lógicamente requiere líneas independientes para transmisión y recepción. La transmisión-recepción punto a punto o multipunto por una misma línea o bus, requiere que solo uno de los terminales pueda transmitir en un instante dado y que al menos uno reciba la información. Por tanto, deberá arbitrarse algún procedimiento o conjunto de reglas para determinar cuál de los terminales ésta autorizada, en cada momento, para transmitir por la línea o bus y cuál de ellos debe recoger la información. 534 A este conjunto de reglas se le denomina Protocolo de Comunicación. Generalmente el protocolo lo forman conjuntamente una serie de señales de hardware y una serie de caracteres de control incorporados al propio mensaje junto con unas reglas de interpretación. 5.14.1 Redes de comunicación industriales Una red de comunicación es un conjunto de terminales que pueden intercambiar información. El concepto de red requiere de unos medios físicos de enlace (hardware) y un software de soporte para poder gestionar la ocupación de la red, las rutas que debe seguir la información y para presentarla en forma intangible por el usuario. Se tienen diferentes tipos de redes: LAN (Local Area Network): Red local que comunica varios terminales, por lo general a corta distancia (de orden de 1Km). WAN (Wide Area Network): Red de área amplia, que comunica terminales alejados. El mundo de las comunicaciones tiene actualmente una amplia gama de productos y servicios en el área industrial, y para que sea posible la integración en una misma red de distintos sistemas digitales, es preciso que todos ellos estén construidos bajo ciertos criterios de normalización. El organismo que se ha ocupado de esta normalización ha sido ISO, que fue ya anteriormente descrito, y que desarrollo la norma más general, denominada modelo OSI (Open Systems Interconnection), éste modelo, fue desarrollado originariamente pensado en la comunicación entre grandes redes de ordenadores, 535 con técnicas basadas en la conmutación de paquetes y él envió a través de nodos de una red WAN. En cambio, las comunicaciones en el entorno industrial suelen basarse en redes más reducidas de tipo LAN, sin embargo aún mantiene la compatibilidad con el modelo OSI, solo que se realizan algunas agrupaciones para así simplificar el sistema. La automatización de las industrias ha tenido un proceso de implantación gradual, aprovechando los últimos desarrollos de la tecnología, se ha dado lugar como se mencionó anteriormente a la existencia de las “Islas automatizadas” consistentes en una serie de equipos como: PLC, variadores de velocidad, etc., que se encuentran aislados entre si y se dedican cada uno al control de una maquina o de una parcela cerrada de un proceso. La integración de las mencionadas “Islas automatizadas” suele hacerse dividiendo las tareas entre grupos de procesadores jerárquicamente anidados. Esto da lugar a una estructura de redes industriales en la que se pueden distinguir claramente tres niveles: - Nivel de bus de campo: Este es el nivel de red más próximo al proceso y se encarga de la integración de pequeños automatismos (autómatas compactos, multiplexores de E/S, equipos de medida) en las llamadas “Islas”, que controlan distintas parcelas de un proceso. Generalmente, en el nivel más alto de estas redes se suelen encontrar uno o varios PLC modulares de gama alta, que pueden actuar como maestro de la red. Este conjunto constituye lo que se suele llamar una “Célula de fabricación”. Por otra parte, en este nivel se tratan sistemas basados en micro controladores de bajas prestaciones, dedicados casi por completo a tareas de control, por lo tanto no tienen capacidad suficiente para implementar sobre ellos protocolos complejos. 536 - Nivel de LAN: Este es el nivel jerárquicamente por encima del anterior y se encarga normalmente de enlazar las distintas “células de fabricación” en grupos más grandes. En este nivel se suele encontrar los PLC de gama alta y los ordenadores del proceso dedicados a las tareas de diseño, control de calidad, etc. En este nivel existe una mayor uniformidad, puesto que los estándares han sido implantados en muchos casos por los grandes gigantes del mundo de la informática. En muchas ocasiones la CPU suele tener la tarea específica de las comunicaciones. - Nivel LAN / WAN: Este nivel es el más próximo al área de gestión y se encarga de integrar los niveles anteriores en una estructura de fábrica o incluso de múltiples industrias con ubicaciones dispersas. Las maquinas que forman parte de este nivel suelen ser ordenadores o redes de miniordenadores compartiendo recursos e incorporando bases de datos que permiten centralizar los servicios de compras, control de stocks (Bodega), ventas, control de costos, etc. En este nivel no puede hablarse de ningún estándar propiamente exclusivo para uso industrial, sino que se hace uso de redes, generalmente públicas, de propósito general, capaces de transmitir datos, voz, imágenes, etc. El objetivo principal de la automatización industrial, consiste en gobernar la actividad y la evolución de los procesos sin intervención continua del operador humano. En procesos de fabricación rígidos, de poca variación en el tiempo, o de carácter autónomo, sin interdependencias con otros tratamientos anteriores o posteriores de los productos, este objetivo se cumple programando sobre los controles locales de planta, las secuencias de control deseadas y cerrando los lazos de regulación 537 necesarios para mantener los valores de variables en los rangos fijados por las consignas. Desgraciadamente la mayoría de los procesos industriales no cumplen aquellas condiciones, sino más bien las contrarias, han de ser flexibles, para adaptar la fabricación a la demanda de forma continua, y están firmemente interrelacionados entre sí, por exigencias de factores no solo específicos de la producción, como la coordinación de las acciones o la continuidad del suministro en fabricación serie, sino también por otros hasta hace poco ajenos a la producción, como la minimización de costos, la calidad integral del producto y el impacto sobre el medio ambiente. Estas necesidades obligan a disponer de sistemas automatizados de control de procesos industriales con un mayor grado de complejidad, pero que gracias a las tecnologías actuales y a las redes de comunicación industriales se ha cubierto todos los niveles del proceso de forma automatizada. En un sistema típico, el control directo de la planta es realizado entonces por los PLC o autómatas programables, sin embargo también se cuenta con ordenadores, que conectados con los PLC´S, realizan las funciones de dialogo con el operador, tratamiento de la información del proceso y control de producción. En esta estructura, el ordenador no actúa directamente sobre la planta, sino que se limita a su supervisión y control de los elementos de regulación locales instalados en ella, además de procesar y presentar la información del proceso que se lleva a cabo. El ordenador u ordenadores se apoyan en la estructura de dispositivos locales, uniéndose a ellos mediante líneas de interconexión digital (Buses de campo, redes locales) por donde recoge información sobre la evolución del proceso (adquisición de datos), y envía las órdenes o comandos para el gobierno del mismo (control de producción). 538 Como elemento de dialogo con el operador, pueden encontrarse en el mercado, programas (como SCADA) que permiten convertir un PC en un puesto de monitorización y control de la instalación, que comunicado con el autómata programable, que ejerce de elemento de control, permite la creación de sinópticos en color de la planta, supervisión del proceso, gestión de informes, medición de alarmas. En conclusión, actualmente las aplicaciones de control tiene la tendencia de disponer de un sistema hibrido compuesto por PLC y ordenadores personales, compartiendo el mismo bus de datos de operación transparente al operador, en un conjunto insuperable para alcanzar el máximo nivel de interfaz con la planta, interfaz con el usuario, almacenamiento de datos y potencia de cálculo, optimizando notablemente los procesos para lograr finalmente el control y supervisión de la planta. REGRESAR AL INICIO DEL DOCUMENTO….. 539 ANEXOS ANEXO A Tablas ANEXO B Ejercicios resueltos ANEXO C Cuestionario ANEXO D Conexión Dahalnder 540 ANEXO A: TABLAS 606 ANEXO B: EJERCICIOS RESUELTOS 631 ANEXO C: CUESTIONARIO 651 ANEXO D: CONEXIÓN DAHALANDER 654 Bibliografía [1] S. Veshenevski, Caracteristicas de los motores en el accionamiento eléctrico, Moscú: MIR, 1972. [2] D. T.-C. d. Agut, El contactor y sus aplicaciones, Barcelona, 1975. [3] K. MOELLER, Manual de aparamenta, Barcelona: CEDAC, 2008. [4] G. E. 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