Instalaciones eléctricas en pequeñas máquinas.
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Instalaciones eléctricas en pequeñas máquinas.
1. ¿Qué son automatismos eléctricos?
La automatización es la sustitución de la acción humana por mecanismos movidos por una fuente externa de energía, capaz de realizar ciclos completos de operaciones que se pueden repetir indefinidamente. De esta definición podemos decir, que la automatización es la acción en la que no interviene el ser humano (o lo hace de manera mínima) y el trabajo es realizado por mecanismos externos movidos por distintos tipos de energía.
La automatización eléctrica se refiere al control o autocontrol de las máquinas eléctricas.
Los automatismos eléctricos son los circuitos y elementos que se utilizan para realizar el control automático de las máquinas eléctricas y están formado por un conjunto de aparatos, componentes y elementos eléctricos que permiten la conexión, desconexión o regulación de la energía eléctrica procedente de la red eléctrica hacia los receptores como los motores eléctricos u otros aparatos eléctricos.
En la tabla siguiente puedes ver las clases de automatismos:
| Según el tipo de información | Según el sistema de control | Según su naturaleza | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
|
|
|
Recomendación
En el siguiente enlace puedes ampliar y ver ejemplos prácticos sobre los diferentes tipos de automatismos:
Autoevaluación
¿Es verdadero o falso?
Retroalimentación
Verdadero
2. Normas y simbología Eléctrica.
Se denomina Simbología Eléctrica a la representación gráfica que se realiza de cada elemento de un circuito o instalación eléctrica. Los símbolos eléctricos se rigen por la UNE-EN-60617, que fue aprobada en 1996 y está en concordancia con la norma europea.
La parte 2 de la norma EN 60617 define los símbolos generales a utilizar para especificar detalles concretos, para complementar otros símbolos de la norma o para identificar con mayor precisión la finalidad o función de los mismos.
La norma Europea UNE EN 60617 aprobada por la CENELEC (Comité Europeo de Normalización Electrotécnica) y la norma Española armonizada con la anterior (UNE EN 60617), así como la norma internacional de base para las dos anteriores (IEC 60617) o (CEI 60617), las cuales definen los SÍMBOLOS GRÁFICOS PARA ESQUEMAS: (todas ellas editadas en Inglés y Español)
- EN 60617: Parte 2: Elementos de símbolos, símbolos distintivos y otros símbolos de aplicación general.
- EN 60617: Parte 3: Conductores y dispositivos de conexión.
- EN 60617: Parte 4: Componentes pasivos básicos.
- EN 60617: Parte 5: Semiconductores y tubos de electrones
- EN 60617: Parte 6: Producción, transformación y conversión de la energía eléctrica.
- EN 60617: Parte 7: Aparatos y dispositivos de control y protección.
- EN 60617: Parte 8: Aparatos de medida, lámparas y dispositivos de señalización.
- EN 60617: Parte 9: Telecomunicaciones: Equipos de conmutación y periféricos.
- EN 60617: Parte 10: Telecomunicaciones: Transmisión
- EN 60617: Parte 11: Esquemas y planos de instalaciones arquitectónicas y topográficas.
- EN 60617: Parte 12: Elementos lógicos binarios.
- EN 60617: Parte 13: Operadores analógicos.
Es una especificación técnica (Norma europea EN o documento de armonización HD), aprobaba por el CEN por mandato de la Comisión, con a arreglo a las disposiciones de la Directiva 83/189/CEE, por la que se fija un procedimiento de información en el campo de las normas y de los reglamentos técnicos.
Otras normas relacionadas:
La norma UNE-EN 61082: Preparación de documentos utilizados en electrotecnia. Parte 1: Reglas.
La norma internacional IEC 61082: preparación de la documentación usada en electrotecnia.
- IEC 61082: Parte 1: requerimientos generales (editada solo en Inglés)
- IEC 61082: Parte 2: orientación de las funciones en los esquemas. (editada en Inglés y Español)
- IEC 61082: Parte 3: Esquemas, tablas y listas de conexiones. (editada en Inglés y Español)
- IEC 61082: Parte 4: Documentos de localización e instalación. (editada en Inglés y Español)
La norma internacional IEC 60445: Principios fundamentales y de seguridad para la interfaz hombre-máquina, el marcado y la identificación. Identificación de los bornes de equipos y de los terminales de ciertos conductores designados, y reglas generales para un sistema alfanumérico.
Debes conocer
En el siguiente documento puedes ver las normas y comités de normalización en electricidad:
Normas y Comités de normalización para la documentación electrotécnica.
3. Álgebra de Boole.
El álgebra de Boole se aplica en el ámbito del diseño electrónico. El uso del álgebra de Boole en la Automática es muy usada los automatismos al responder a la lógica binaria. Las variables binarias de entrada son leídas y producen variaciones en las señales binarias de salidas.
Un circuito de conmutación estará compuesto por una serie de contactos que representarán las variables lógicas de entrada y una o varias cargas que representarán las variables lógicas o funciones de salida. Se puede aplicar sobre un conjunto de elementos capaces de tomar únicamente dos valores:
- 0/1 (0: abierto 1: cerrado)
- ON/OFF
- NA/NC. Abiertos (NA) o cerrados (NC).
- Abierto/cerrado
- Etc.
Las operaciones básicas del álgebra de Boole son tres:
- Suma lógica (operación OR)
- Producto lógico (operación AND)
- Negación lógica, (operación NOT)
Además hay funciones no básicas o auxiliares:
- Negación del producto lógico, puerta NAND
- Negación de la suma lógica, puerta NOR.
- Suma lógica exclusiva, puerta XOR.
- Negación de la suma lógica exclusiva, puerta XNOR.
Además deben cumplir las siguientes propiedades:
-
P. Asociativa: a+b+c=a+(b+c) a.b.c=a.(b.c)
-
P. Conmutativa: a+b=b+a a.b=b.a
-
P. Distributiva: a.(b+c)=a.b+a.c a+(b.c)=(a+b).(a+c)
-
Elemento neutro: a+0=a a.1=a
-
Elemento simétrico: a + a´ =1 a.a´ = 0
Una puerta lógica, o compuerta lógica, es un dispositivo electrónico con una función booleana u otras funciones como sumar o restar, incluyen o excluyen
Se definen las entradas como contactos (interruptores,pulsadores, …)
- Abierto: 0
- Cerrado: 1
 |
Se definen las salidas como receptores (lámparas, relés, …)
- Desactivado: 0
- Activado: 1
Se definen las operaciones:
- Suma (OR)(+): contactos en paralelo.
- Producto (AND)(.): contactos en serie.
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Recomendación
En el siguiente vídeo puedes ver la introducción a la electrónica digital y el álgebra de Boole.
Para saber más
En el siguiente enlace puedes ver la aplicación práctica del álgebra de Boole en automatismos:
En el siguiente documento puedes ver el álgebra de Boole, propiedades y apliación práctica:
4. Convenios del Álgebra de Boole para contactos.
Los convenios del álgebra de Boole para contactos:
| Conmutativa: |  |
|---|---|
| Asociativa: |  |
| Distributiva: |  |
| Elemento neutro: |  |
|---|---|
| Elemento simétrico: |  |
| Doble negación: |  |
| Leyes de Morgan: |  |
Recomendación
En la siguiente enlace puedes ver los fundamentos y aplicaciones básicas en la electrónica digital moderna.
5. Circuito básico o de enclavamiento.
Un enclavamiento eléctrico, denominado también retención eléctrica, es un dispositivo que controla la condición de estado de cierto circuito eléctrico o mecanismo para habilitar o no un accionamiento.
El circuito de enclavamiento es un circuito capaz de memorizar un acontecimiento ocurrido durante el funcionamiento del sistema. La principal utilidad de este circuito es la de protección, desactivando el relé ante cualquier situación de emergencia.
Funcionamiento
Al activar el pulsador de marcha (M), el relé (K) se activa. Al soltar M el relé K queda activado a través de su contacto auxiliar.
No es útil, pues no se puede desactivar. Hace falta un pulsador de paro.
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5.1. Función memoria – Prioridad Paro.
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Funcionamiento
- Situación inicial de reposo (K desactivado)
- Al activar el pulsador de marcha (M), el relé (K) se activa.
- Al soltar M, el relé K queda activado a través de su contacto auxiliar.
- Al activar P, K se desactiva.
- Al desactivar P, K sigue desactivado.
Si se pulsan P y M simultáneamente, P tiene prioridad.
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K=M+K.P |
Funcionamiento
- Situación inicial de reposo (K desactivado).
- Al activar el pulsador de marcha (M), el relé (K) se activa.
- Al soltar M, el relé K queda activado a través de su contacto auxiliar.
- Al activar P, K se desactiva.
- Al desactivar P, K sigue desactivado.
Si se pulsan P y M simultáneamente, M tiene prioridad.
6. Elementos básicos de un automatismo.
Pulsadores
Los elementos básicos de un automatismo los podemos clasificar en los elementos de entrada y de salida.
Los pulsadores son elementos mecánicos de cierre y apertura. Los pulsadores se clasifican según la naturaleza de su contacto en posición de no pulsados en:
- Pulsadores normalmente abiertos (NA): al pulsar se efectúa la conexión interna de sus dos terminales.
- Pulsadores normalmente cerrados (NC): Cuando es pulsado se efectúa la desconexión de sus dos terminales.
Un tipo de pulsador muy utilizado en la industria es el llamado pulsador de paro de emergencia, denominado comúnmente “seta”, debido a su aspecto externo. La cabeza de estos pulsadores es bastante más ancha que en los normales y de color rojo, sobre fondo amarillo. Estos pulsadores llevan un dispositivo interno de enclavamiento de manera que, una vez pulsado, no se puede reanudar el funcionamiento de la instalación hasta que se desenclave, por ejemplo, mediante un giro de la cabeza o una llave auxiliar.
Interruptores
Los interruptores, también denominados conmutadores, son elementos que conectan o desconectan máquinas eléctricas e instalaciones mediante el posicionado de una palanca. A diferencia de los pulsadores, al ser accionados, se mantienen en la posición seleccionada hasta que se actúa de nuevo sobre ellos.
Las cajas de plástico o metálicas, que pueden contener más de un elemento, sirven para alojar a todos los elementos de mando manual, pulsadores, interruptores y selectores.
Un interruptor-guardamotor es un aparato diseñado para la protección de motores contra sobrecargas y cortocircuitos. El guardamotor realmente es un magnetotérmico diseñado especialmente para motores, que protege también contra sobrecargas. Se suele llamar guardamotor magnetótérmico.
Hace la función del magnetotérmico y del relé térmico y con un sólo aparato se cubren las siguientes funciones:
- Protección contra cortocircuitos.
- Protección contra sobrecargas.
- Protección contra falta de fase.
- Arranque y parada.
- Señalamiento.
El aparato puede incorporar algunos contactos auxiliares para su uso en el circuito de mando. Dispone de un botón regulador-selector de la intensidad de protección. Suele ir conectado antes que el contactor.
Los finales de carrera
Los finales de carrera son pulsadores utilizados en el circuito de mando y son accionados por elementos mecánicos. Generalmente son utilizados para controlar la posición de una máquina en movimiento.
Los contadores y relés
Son elementos de apertura y cierra por contactos de las diferentes partes del circuito eléctrico.
| Entrada (contactos) | Salida (receptores) |
|---|---|
|
|
Es una máquina simple cuya función consiste en transmitir fuerza y desplazamiento. Está compuesta por una barra rígida que puede girar libremente alrededor de un punto de apoyo, llamado fulcro.
7. Circuito de mando.
El circuito de mando o maniobra es el encargado de controlar el funcionamiento del contactor. Normalmente consta de elementos de mando (pulsadores, interruptores, accionadores de dispositvos, etc). El circuito de mando representa el circuito auxiliar de control.
Lo forman los siguientes elementos:
- Contactos auxiliares de mando y protección.
- Circuitos y componentes de regulación y control.
- Dispositivos de señalización.
- Equipos de medida.
Los elementos que encontramos en el circuito de mando son:
- Pulsadores.
- Interruptores.
- Conmutadores.
- Detectores de posición.
- Detectores de proximidad.
- Detectores fotoeléctricos.
- Contactores y relés.
7.1. Los elementos de entrada.
El Pulsador es elemento electromecánico de conexión y desconexión. Para activarlo hay que actuar sobre él, pero al eliminar la actuación, el pulsador se desactiva por sí mismo.
Los pulsadores son operadores eléctricos destinados a abrir y cerrar un circuito. Disponen de una posición estable o de reposo y de otra inestable.
El interruptor es un elemento que su misión es abrir o cerrar un circuito eléctrico permanentemente, es decir, es un elemento que su mecanismo contiene enclavamiento, con lo que para volver a abrir o cerrar el circuito eléctrico es necesario volver a pulsar.
El interruptor es un elemento electromecánico de conexión y desconexión al que hay que accionar para activarlo y también para desactivarlo. Su nombre atendiendo a las normas es “pulsador con enclavamiento”.
En algunos países es denominado suiche, del inglés switch) es un dispositivo que permite desviar o interrumpir el curso de una corriente eléctrica.
El selector giratorio es un selector giratorio se acciona al girarlo, en ese instante se cambia el estado del contacto, cerrándolo o abriéndolo, dependiendo de cómo se encontraba en el estado de reposo.
En el selector giratorio existen de dos y tres o más posiciones, con retorno automático a la posición cero o con enclavamiento. Se utilizan para seleccionar el modo de trabajo de la máquina, manual, automático, etc. También para la selección del funcionamiento (manual o automático) de partes de la máquina, como la refrigeración, extractor de virutas, etc.
Su funcionamiento es básicamente igual que el de un pulsador, con la diferencia de que se acciona el contacto (o contactos) con un giro del elemento y no con una pulsación como en un pulsador.
Al igual que ocurre con los pulsadores, se les puede conectar más de un contacto, cosa que queda a disposición del fabricante de la máquina o del mecanismo.
Autoevaluación
Solución
Solución
Solución
7.2. Los accionadores de dispositivos.
Los accionadores son dispositivos de naturaleza electromecánica que, recibiendo la orden del controlador, actúan sobre el sistema o instalación.
Los accionadores o actuadores son dispositivos electromecánicos que, recibiendo la orden del controlador, actúan sobre el sistema o instalación. Pueden ser:
- Accionadores continuos.
- Accionadores discretos.
Los accionadores continuos actúan analógicamente (varían de intensidad lumínica, velocidad....etc).
Los accionadores discretos actúan digitalmente (encendido/apagado de un punto de luz). En el mercado domótico destacamos:
- Electroválvulas: Se emplean para cortar o abrir el paso de un fluido o un gas. Pueden ser analógicas o digitales, empelándose una u otra en función de su aplicación. Por ejemplo para el control de la calefacción se puede emplear una electroválvula analógica, mientras que para el control de escape de agua se empleará una de tipo "todo o nada".
Además de ello, en caso de corte eléctrico, el suministro de agua o gas queda garantizado.
Por su parte, en el segundo grupo, relativo a los accionadores discretos, es el de las normalmente cerradas, el suministro queda interrumpido cuando no están alimentadas.
-
Interruptor horario: Con respecto a una fecha u hora previamente programadas, estos aparatos permiten conectar o desconectar una determinada carga.
Este tipo de dispositivos también se dividen en dos grupos:
- Los analógicos.
- Los digitales.
Mientras que los primeros se programan mediante el empleo de caballetes, los digitales incluyen IHP (Interruptores Horarios Programables), que disponen de un display y de un menú de configuración.
- Accionadores inteligentes: Se trata de accionadores equipados con un circuito integrado de función equivalente a un micro-calculador y de una interfaz de comunicación que permite un intercambio bidireccional de información numérica.
También capaces de recibir información para modificar sus condiciones de funcionamiento, de corregir y de memorizar sus fallos y de informar a distancia sobre su estado y su historia (gestión técnica). Las comunicaciones entre el accionador inteligente y los demás elementos del sistema se establecen mediante conexiones punto a punto o conectándolos a un bus de terreno.
La simbología de accionadores, actuadores y mandos eléctricos:
Para saber más
En el siguiente documento puedes ver y descargar la simbología de accionadores:
7.3. El conmutador.
Dentro de los interruptores podemos destacar el conmutador. El conmutador es un interruptor que permite que la corriente eléctrica vaya por un camino u otro, es decir permiten modificar el camino que deben seguir los electrones o lo que es lo mismo desconectan un circuito y conectan otro.
El conmutador es el elemento electromecánico de conexión y desconexión que tiene una posición de reposo y varias de accionamiento, pudiendo comportarse estas como interruptor o como pulsador. Son operadores similares a los interruptores pero constan de un borne común de entrada y dos de salida.
El conmutador más característico del vehículo es el de luces cortas y largas, normalmente va montado formando un bloque e instalado cerca del volante.
Dentro de los conmutadores existen dos tipos:
- Los conmutadores simples.
- Los conmutadores de cruce.
El conmutador simple tiene un funcionamiento similar al de un selector giratorio de dos posiciones. Suelen tener tres puntos de conexión, de los cuales uno es el común o el de entrada. Los conmutadores de cruce no se utilizan habitualmente en la máquina-herramienta, no así los conmutadores simples.
La misión del conmutador simple es seleccionar una de las dos líneas que estarán conectados en los otros dos puntos de conexión.
Los conmutadores de cruce suelen tener 4 puntos de conexión y su misión es conectar eléctricamente las dos entradas con las dos líneas, cuando se pulsa el conmutador de cruce lo que se consigue es que las entradas se conecten con la otra línea.
Para saber más
En el siguiente enlace puedes ver los circuitos conmutados:
Autoevaluación
Solución
Solución
Solución
7.4. Los detectores de proximidad, posición o presencia y fotoeléctricos.
Los detectores son aquellos captadores de información que solamente sean capaces de distinguir entre dos posibles estados del sistema que mide. Existen diferentes tipos de detectores: de proximidad con contacto, sin contacto, de presión, de temperatura, etc.
 |
Los detectores fotoeléctricos o fotocélulas, pueden detectar objetos de cualquier índole y a grandes distancias. Se pueden clasificar según su disposición o funcionamiento.
Según su disposición:
- De barrera.
- De reflexión.
- De proximidad.
Según su funcionamiento:
- Función “luz”.
- Función “sombra”.
Los detectores o sensor de proximidad son interruptores estáticos (semiconductor) que realizan la conexión o desconexión de una carga (normalmente un contactor) por proximidad de ciertos materiales.
Los detectores de proximidad necesitan que el objeto a detectar se encuentre relativamente próximo.
Los detectores de presencia con contacto son también conocidos como finales de carrera. Suelen ser elementos eléctricos, neumáticos o mecánicos que se sitúan al final del recorrido de un elemento móvil. Los más utilizados son los eléctricos. Éstos convierten una señal mecánica en una señal eléctrica. Su funcionamiento es parecido al de un pulsador, con la diferencia de que la pulsación se la da la propia máquina cuando el actuador llegue a la posición donde esté colocado el final de carrera. Estos elementos pueden llevar contactos abiertos y/o cerrados, pero no es posible añadirles más contactos como, por ejemplo, se le pueden añadir a los pulsadores. El dispositivo de accionamiento, que se encarga de abrir o cerrar los contactos del elemento, puede ser de muchos tipos: pulsador mecánico, de roldana, etc.
Estos dectores de posción son similares eléctricamente a los pulsadores, no son accionados manualmente por el operario, sino que lo hacen determinados elementos de las máquinas que controlan.
También podemos decir que el sensor de proximidad es un transductor que detecta objetos o señales que se encuentran cerca del elemento sensor.
Dispositivo que tiene la misión de recibir energía de una naturaleza eléctrica, mecánica, acústica, etc
El conexionado de los detectores:
Para saber más
En el siguiente vídeo puedes ver dónde se sitúan y cómo funcionan los finales de carrera:
Recomendación
A la hora de seleccionar un final de carrera, hay que tener en cuenta los siguientes factores:
- La protección que llevan contra manipulaciones, choques violentos, proyecciones de líquido y presencia de gas.
- El tipo de ambiente en cual se va a colocar: húmedo, polvoriento, corrosivo y la temperatura en su lugar de trabajo.
- El sitio disponible para alojar, y fijar el aparato, además de su peso.
- Las condiciones en las que se va a utilizar: la frecuencia de maniobras, el peso y velocidad del actuador o elemento móvil a controlar, la precisión y esfuerzo necesario para accionar el contacto del final de carrera.
- Cantidad y calidad de los contactos eléctricos: si la ruptura es lenta o brusca, si es posible la regulación.
- La naturaleza de la corriente, valor de la tensión e intensidad que circularán por los contactos.
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¿Es verdadero o falso?
Retroalimentación
Verdadero
7.5. El Relé.
El relé es un dispositivo electromecánico, que funciona como un interruptor controlado por un circuito eléctrico en el que, por medio de un electroimán, se acciona un juego de uno o varios contactos que permiten abrir o cerrar otros circuitos eléctricos independientes. Este dispositivo se utiliza para evitar que un alta intensidad de corriente pasé por los mandos que acciona el conductor.
El réle se utiliza para controlar un circuito de salida de mayor potencia que el de entrada.
Sus símbolos normalizados son, según la Norma UNE-EN 60617-7 Aparamenta y dispositivos de control y protección.
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En la citada norma UNE se detallan muchos más tipos de relés que se estudiarán en el módulo "Automatismos y Cuadros Eléctricos"
Los contactos de un relé pueden ser:
- Normalmente Abiertos (NA o NO): conectan el circuito cuando el relé es activado; el circuito se desconecta cuando el relé está inactivo. Este tipo de contactos son ideales para aplicaciones en las que se requiere conmutar fuentes de poder de alta intensidad para dispositivos remotos
- Normalmente Cerrados (NC): desconectan el circuito cuando el relé es activado; el circuito se conecta cuando el relé está inactivo. Estos contactos se utilizan para aplicaciones en las que se requiere que el circuito permanezca cerrado hasta que el relé sea activado.
- De conmutación: controlan dos circuitos: un contacto Normalmente Abierto y uno Normalmente Cerrado con una terminal común.
Generalmente, el relé está formado por dos circuitos, el primero tiene una clavija de entrada y una de salida y permite el paso de corriente por medio de un interruptor, intercalado entre las dos patillas. El otro circuito dispone de una clavija de entrada y una de salida, en este segundo hay una bobina que cuando se acciona cierra el interruptor del primer circuito. La bobina se acciona desde un interruptor o conmutador situado fuera del relé.
Los relés van situados en el vehículo en la caja porta relés.
Se denominan contactos de trabajo aquellos que se cierran cuando la bobina del relé es alimentada y contactos de reposo a lo cerrados en ausencia de alimentación de la misma.
Existen multitud de tipos distintos de relés, dependiendo del número de contactos, intensidad admisible por los mismos, tipo de corriente de accionamiento, tiempo de activación y desactivación, etc. Se estudiarán con más detalle en el módulo de "Automatismos y Cuadros Eléctricos"
Las ventajas del uso de relés son:
- La completa separación eléctrica entre la corriente de accionamiento (la que circula por la bobina del electroimán) y los circuitos controlados por los contactos, lo que hace que se puedan manejar altas tensiones o elevadas potencias con pequeñas tensiones de control.
- Posibilidad de control de un dispositivo a distancia mediante el uso de pequeñas señales de control.
- Con una sola señal de control, se pueden controlar varios relés a la vez y por tanto distintos elementos.
Características del relé:
- Elemento mecánico de conexión con una sola posición de reposo y accionado generalmente mediante electroimán.
- Debe ser capaz de establecer, soportar e interrumpir la corriente que circula por el circuito en condiciones normales de
funcionamiento. - Debe soportar las condiciones de sobrecarga de servicio (arranque de motores), pero no otras (cortociruitos).
Recomendación
En el siguiente enlace puedes ampliar los conocimientos sobre el Relé:
7.5.1. Relé temporizado (con retardo).
Los contactos asociados se abren o se cierran un tiempo después del cambio de estado de su órgano de mando.
Retardo a la conexión (al trabajo)
- Activación: los contactos basculan después del tiempo regulado.
- Desactivación: los contactos vuelven instantáneamente a la posición de reposo.
Retardo a la desconexión (al reposo)
- Activación: los contactos basculan instantáneamente.
- Desactivación: Los contactos vuelven a la posición de reposo tras el tiempo regulado.
7.5.2. Relés de función.
Los relés de función son dispositivos electrónicos de conmutación. Los contactos se activan o se desactivan en base a una función del tiempo, normalmente regulable.
Retardador serie:
Los relés de función equivalen a los relés temporizados, pero con más posibilidades.
Relé con retardo a la conexión:
Relé con retardo a la desconexión:
Relé con temporización a la conexión:
Relé con temporización a la desconexión:
Relé de intermitencia:
7.5.3. Relés de protección.
El relé térmico detecta una sobreintensidad debido al aumento de temperatura que hará que unas láminas bimetálicas se curven y se active el disparador del contacto asociado.
Protege contra:
- Sobrecargas.
- Arranques demasiado lentos.
- Agarrotamiento.
- Ciclos arranque-paro frecuentes.
Fusible + relé térmico.
 |
El Relé electromagnético detecta una sobreintensidad debido al aumento del campo magnético inducido por dicha corriente, haciendo que se dispare el contacto asociado.
- Protege contra cortocircuitos.
- Si se utiliza para proteger motores, debe soportar el pico de corriente en el arranque.
- Se suele utilizar en conjunción con un térmico.
El Relé magnetotérmico combina las acciones de los relés térmicos y electromagnéticos.
- Protege contra sobrecargas y contra cortocircuitos.
Ejemplo: el disyuntor se trata de un relé magnetotérmico con un interruptor. Se utiliza para la protección de motores de pequeña potencia (guardamotores).
es un aparato eléctrico que abre automáticamente el paso de la corriente eléctrica.
8.. El contactor.
Los contactores son dispositivos de conmutación constituidos por grupos de contactos eléctricos accionados por un electroimán.
El electroimán es el elemento motor del contactor:
- Circuito magnético: parte móvil + fija.
- Bobina: diferente configuración paraC.C. y para C.A. (anillo de desfase).
Los polos son elementos encargados de establecer e interrumpir la corriente del circuito de potencia.
- Según su número pueden ser bipolar, tripolar o tetrapolar.
Contactos auxiliares: se utilizan en el circuito de mando y para señalización.
- Instantáneos: NC, NA o una combinación de ambos.
- Temporizados.
Los contadores constan de un núcleo o armadura móvil y otra fija separadas por un resorte y que se atraen entre sí al hacer circular una corriente por la bobina que envuelve las armaduras. La armadura móvil arrastra los contactos al ser atraída por la armadura fija.
Los tipos de contadores son:
- Principales: disponen de contactos de potencia (polos). A veces incluyen algunos contactos auxiliares. En ocasiones, se les pueden acoplar bloques de contactos auxiliares (motores, resistencias...).
- Auxiliares: solo disponen de contactos de pequeña potencia, utilizados en los circuitos de mando y señalización (bobinas de contactores, pilotos de señalización...) .
- Relés: no tienen contactos de potencia.
Debes conocer
Puede aumentarse el número de contactos auxiliares de un contactor, mediante el acoplamiento de bloques de contactos auxiliares. Sus contactos cambian simultáneamente con los del propio contactor.
8.1. Soplado magnético.
Cuando la intensidad a través de los contactos es superior a 1 Amp. y principalmente con cargas inductivas, en la apertura de los contactos se produce un arco eléctrico.
- El aire se ioniza y se vuelve conductor.
- Causa problemas por las altas temperaturas.
- Prolonga la conexión después de abierto.
Se reduce el efecto con aletas de desionización.
- Alargan el arco (soplado magnético).
- Disminuyen la temperatura al disminuir la tensión en el contacto.
8.2. Elección de un contactor.
Se deben tener en cuenta las siguientes características:
- Tensión nominal de empleo (Un).
- Intensidad nominal de empleo (In).
- Condiciones particulares del circuito de carga.
Categorías de empleo:
- Circuito resistivo es un circuito que contiene solo resistencias, fuentes de voltaje y corriente. El análisis de circuitos resistivos es menos complicado que el análisis de circuitos que contienen capacitores e inductores.
Circuito inductivo.- Motores.
Durabilidad:
- Número de maniobras.
- Robustez.
- Categoría de empleo.
Es generar corriente eléctrica (inducida) por medio de un campo magnético.
Recomendación
En el siguiente enlace puedes ver la inducción eléctrica:
8.3. Categorías de empleo en C.A.
|
CATEGORÍA DE EMPLEO |
TIPO DE CIRCUITO |
INTENSIDAD AL CIERRE |
INTENSIDAD APERTURA |
|---|---|---|---|
|
AC1 |
Resistivo (cos j ³0.95) |
Ie |
Ie |
|
AC2 |
Rotor bobinado (corte motor calado) |
2,5 Ie |
2,5 Ie |
|
AC3 |
Jaula de ardilla (corte motor lanzado) |
6 Ie |
Ie |
|
AC4 |
Jaula de ardilla (corte motor calado) |
6 Ie |
6 Ie |
8.4. Robustez eléctrica.
En el siguiente gráfico podemos ver la robustez eléctrica en categoría de empleo AC1:
En el siguiente gráfico podemos ver la robustez eléctrica en categoría de empleo AC2, AC3 y AC4:
8.5. Relación entre contactos auxiliares.
Los contactos son accionados por un vástago eléctrico. Estos conmutan según el vástago avanza o retrocede.
Pueden ser:
Normales (en algún instante están todos abiertos):
- Primero abren los NC.
- Después se cierran los NA.
Especiales:
- Adelantados: cambian su posición antes que los normales.
- Retrasados: cambian su posición después que los normales.
- Solapados: contacto conmutado donde el NA es adelantado y el NC es retrasado
9. Circuito de potencia.
El circuito de potencia representa el circuito encargado de alimentar los receptores de gran consumo. Lo integran los siguientes elementos:
- Elemento para abrir o cerrar el circuito de potencia.
- Elementos de protección.
- Receptores.
Los componentes que encontramos en el circuito de potencia son:
- Interruptores.
- Seccionadores.
- Fusibles.
- Interruptores automáticos de protección.
- Relé térmico.
- Relé electromagnético
- Relé diferencial
- Contactores principales.
- Receptores de gran consumo (motores, resistencias…)
9.1. El Interruptor circuito de potencia.
El interruptor circuito de potencia es el elemento mecánico de conexión capaz de establecer, soportar e interrumpir la corriente del circuito en condiciones normales de servicio e incluso las de sobrecarga.
9.2. El seccionador.
El seccionador es un elemento mecánico de conexión que, en la posición de abierto, asegura una distancia específica, denominada de seccionamiento. Tiene las siguientes características:
- Soporta intensidades de empleo y breves de sobrecarga.
- Solo puede abrir a cerrar el circuito en vacío.
El Interruptor - Seccionador combina las características del interruptor con las del seccionador, pudiendo abrir, soportar y cerrar el circuito en carga, manteniendo en su posición de abierto, una distancia de seguridad.
9.3. Los elementos de protección.
Todo circuito debe estar protegido contra sobreintensidades (intensidad superior a la nominal).
- Cortocircuitos: unión directa de dos o más puntos con distinta tensión.
- Sobrecarga: aumento momentáneo de intensidad en un circuito sin defectos.
La protección contra cortocircuitos se hace con:
- Fusibles calibrados rápidos.
- Interruptores automáticos de corte electromagnético.
La protección contra sobrecargas se hace con:
- Fusibles calibrados lentos.
- Interruptores automáticos de corte térmico.
Las combinaciones usadas son:
- Fusibles: protegen contra cortocircuitos y sobrecargas de larga duración.
- Fusible+Relé Térmico: protege contra cortocircuitos y contra sobrecargas.
- Se utiliza para la protección de motores.
Interruptores automáticos Magnetotérmicos:
- Parte magnética protege contra cortocircuitos.
- Parte térmica protege contra sobrecargas.
9.4. El fusible.
Un fusible es un componente que se utiliza para proteger los circuitos eléctricos y electrónicos de cualquier aparato. Mientras este componente este en óptimas condiciones permite el paso de la corriente.
Un fusible está compuesto por un filamento muy fino. Este filamento está fabricado en un material metálico susceptible de quemarse ante una subida de tensión o variación.
Si se produce una subida repentina de tensión en la instalación este filamento se quemará y cortará el suministro de energía eléctrica al resto de la instalación.
Se encuentra situado al principio del circuito y el fusible quemado mantiene a salvo a toda la instalación de esa subida de tensión que podría ocasionar un riesgo para personas o a otros dispositivos conectados al circuito.
Por tanto, el fusible es el elemento de protección para la línea y para los elementos conectados a ella contra sobrecargas y/o cortocircuitos.
En caso de intensidad excesiva, se funde la parte conductora del fusible, abre el circuito e impide el paso de la corriente.
Precauciones
- Un motor nunca debe ir protegido solo con un fusible.
- En caso de avería, primero hay que detectar y solucionar el problema y después, reponer el fusible.
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Tipos de fusibles (UNE):
- g (antes “usos generales”): pueden cortar todas las sobreintensidades. Rápidos.
- a (antes “de acompañamiento”): pueden cortar una parte de las sobreintensidades. Lentos.
Una segunda letra indica la aplicación:
- L: líneas.
- M: Motores.
- G: Uso general.
Según la forma los fusibles industriales pueden ser:
- Cilíndricos: hasta 100 A.
- De cuchillas: hasta >1000 A.
Debes conocer
A veces los fusibles se montan sobre la parte móvil de un seccionador. Los propios fusibles abren o cierran los contactos.
Autoevaluación
¿Es verdadero o falso?
Retroalimentación
Falso
9.5. El disyuntor.
Un disyuntor es un aparato eléctrico que abre automáticamente el paso de la corriente eléctrica.
Un disyuntor, es un aparato capaz de interrumpir o abrir un circuito eléctrico cuando ocurren fallas de aislación en un equipo o instalación eléctrica.
Un disyuntor, también denominado interruptor automático, automático, diferencial o taco, breaker o pastilla, o flipin, es un interruptor automático que corta el paso de corriente eléctrica si se cumplen determinadas condiciones. Sirve para proteger a las personas y a los dispositivos eléctricos.
En contraposición a los fusibles, que son de un solo uso, un disyuntor o breaker eléctrico se puede rearmar siempre que las causas que lo activaron se hayan resuelto.
Este dispositivo, más conocido como interruptor magnetotérmico, es el encargado de cortar el paso de la corriente cuando supera un determinado umbral. Protegen al resto de la instalación y los equipos que tenemos conectados de posible sobrecargas y cortocircuitos.
El disyuntor o interruptor diferencial es el encargado de proteger a las personas de las descargas eléctricas. Funciona en conjunto con las tomas de tierra de todos los elementos de la instalación.
Los diferentes tipos de disyuntores se instalan en el cuadro eléctrico. La configuración más habitual es tener el interruptor general e inmediatamente después el diferencial, del que “cuelgan” los magnetotérmicos de cada uno de los circuitos de la instalación.
9.6. Los receptores eléctricos.
Un receptor eléctrico es aquel elemento capaz de aprovechar el contacto con la corriente eléctrica para producir un efecto concreto.
Se encarga de transformar la energía eléctrica en otro tipo de energía útil. Entre este tipo de receptores encontramos ejemplos como las resistencias, las lámparas o, especialmente, los motores.
Los receptores convierten la energía eléctrica en otra forma de energía.
- Receptores mecánicos: Una máquina que transforma la energía eléctrica en energía mecánica. Por ejemplo, los motores eléctricos de corriente continua, electroválvulas,...
- Receptores térmicos: Dispositivos que permiten la transformación de la energía en calor. Por ejemplo, planchas y estufas.
- Receptores lumínicos: Aquellos dispositivos que reciben energía eléctrica y la transforman en luz. Por ejemplo, las lámparas.
- Receptores electroquímicos: Son aquellos que permiten transformar la energía eléctrica en energía química, lo cual da lugar a las llamadas reacciones químicas. Por ejemplo, las células electrónicas de cualquier equipo.
- Receptores sonoros: Son dispositivos que transforman la energía eléctrica en sonido. Como ejemplo tenemos los altavoces y los zumbadores (timbre de la casa).
Es la suma de su energía cinética y la energía potencial del mismo. Es decir, una magnitud escalar nacida del movimiento de los cuerpos y apoyada en fuerzas de origen mecánico como pueden ser la fuerza gravitatoria y la de origen elástico, ambas exponente de la conocida como ley de Hooke.
Los diferentes tipos de receptores en un motor:
10. La máquina asincrónica.
La máquina de inducción trifásica está constituida, entre otros, por un estator, parte fija, y un rotor, parte móvil. La separación entre ambas se conoce como entrehierro. El estator es una corona cilíndrica cuya superficie interior está ranurada, y es donde se aloja el devanado trifásico.
En general, la máquina de inducción trifásica, como el resto de máquinas rotativas, está constituida por un estator y un rotor, con un devanado en cada una de ellos, separados entre sí por medio de un entrehierro:
El motor asíncrono, motor asincrónico o motor de inducción es un motor eléctrico de corriente alterna, en el cual su rotor gira a una velocidad diferente a la del campo magnético del estator.
El motor asíncrono trifásico está formado por un rotor, que puede ser de dos tipos: a) de jaula de ardilla; b) bobinado, y un estator, en el que se encuentran las bobinas inductoras.
Estator
El estátor es la parte fija de una máquina rotativa y uno de los dos elementos fundamentales para la transmisión de potencia o corriente eléctrica, siendo el otro su contraparte móvil, el rotor.
Una corona estatórica de chapas magnéticas de 0.35 a 0.5 mm de espesor, aisladas entre sí por barnices, ranuradas interiormente, prensadas y sujetas a una carcasa de fundición de hierro, o a un marco de acero soldado, sobre la cual también se coloca la caja de bornes y la placa de características.
Un devanado trifásico a base de tres bobinas, distribuido convenientemente y alojado en el ranurado del paquete estatórico. Los seis extremos de las bobinas se llevan a los bornes de conexión, para que puedan conectarse en estrella o en triángulo.
Por ejemplo un motor de 400/230 V se podrá conectar a una red de 400 V en estrella o a otra de 230 V en triángulo. En cualquier caso, cada bobina estará a la tensión de fase de 230 V porque la tensión que soporta cada bobinado conectado en estrella es raiz de tres veces menor que conectado en triángulo. La tensión más pequeña que se indica en la placa de características es la máxima tensión que puede soportar una fase.
Caja de bornes y bornes de conexión
Las cajas de bornes se montan normalmente al lado derecho, mirando al motor desde el lado de la carga. La salida de los cables se suele realizar por uno o dos agujeros, apropiadas para conexión con tubo de acero. Suelen ser totalmente herméticas.
Las cajas de bornes se suministran con su correspondiente placa y sus seis espigas de conexión, a las cuales van unidos los principios y finales de las tres fases.
Los bornes de los motores trifásicos están marcados de tal manera, que el orden alfabético de la denominación de bornes U, V, W, coincide con el orden cronológico si el motor gira hacia la derecha.
Esta regla es válida para todas las máquinas, cualquiera que sea su potencia y su tensión. Tratándose de máquinas que sólo sean apropiadas para un sentido de giro, estará indicando por una flecha en la placa de características. Debajo de la flecha consta en qué orden se desconectarán los bornes con las fases correlativas de la red.
Las conexión con la red se realiza siempre con las tres bornes superiores U, V, W.
Las piezas de puente o espigas de conexión sirven para unir las bobinas entre sí:
- La conexión estrella uniendo las tres bornes inferiores Z, X, Y. (Es fácil de identificar porque los puentes quedan en horizontal)
- La conexión triángulo uniendo los bornes U-Z, V-X, W-Y. (Es fácil de identificar porque los puentes quedan en vertical)
También se designan los principios por U1, V1, W1 y los finales por U2, V2 y W2.
Rotor
El rotor es el componente que gira en una máquina eléctrica, ya sea un motor o un generador eléctrico. Junto con su contraparte fija, el estátor, forma el conjunto fundamental para la transmisión de potencia en motores y máquinas eléctricas en general.
El rotor consta de una corona rotórica, de chapas magnéticas, apiladas directamente sobre el eje en las máquinas pequeñas, o sobre una linterna de acero soldada al eje en las máquinas de potencias medias y grandes, ranurada exteriormente, o cerca de la periferia. Dispuesto en las ranuras del rotor existe un devanado trifásico.
Este devanado trifásico puede ser:
- Bobinado: como el del estator, normalmente de doble capa, cuyos terminales van conectados a unos anillos colectores, aislados del eje (máquina de rotor bobinado y anillos rozantes).
- Unas simples barras desnudas: unidas por sus extremidades a unos anillos del mismo metal que las ponen en cortocircuito (máquina de rotor en cortocircuito).
Entrehierro
El entrehierro es la separación de aire entre las coronas magnéticas estatórica y rotórica, que en estas máquinas es lo más reducido posible, lo justo para no tener roces mecánicos entre ambas partes.
El motor consta además de otras partes, como toda máquina rotativa (eje, cojinetes, aletas de refrigeración,...)
Son las bobinas donde se conectará cada fase.
Recomendación
En el siguiente enlace puedes ampliar los conocimientos sobre el motor trifásico:
11. La construcción de los motores.
Las ranuras del estator tienen formas diversas según el tamaño y tensión nominal de la máquina, generalmente semicerradas para reducir la longitud efectiva del entrehierro. Las más usuales son:
Las ranuras del rotor presentan formas aún más diversas a tenor del distinto tipo de devanado que se adopte.
Las más usuales son las de la figura:
Se precisan tres requisitos constructivos:
- El número de ranuras del estator y del rotor debe ser distinto.
- El número de fases del devanado rotórico puede ser igual o no al del estator.
- El número de polos del devanado rotórico debe ser igual al del estator.
En el rotor de jaula de ardilla el número de polos se iguala espontáneamente al del devanado estatórico, cualquiera que sea el número de polos de aquél.
Autoevaluación
11.1. Tipologías de los motores.
Los distintos tipos de máquinas asíncronas trifásicas se diferencian, sobre todo, en el tipo de devanado que se adopte y de las formas de las ranuras del rotor.
Así, se pueden clasificar en:
- Motor de rotor en cortocircuito o de jaula de ardilla.
- Motor de rotor bobinado y anillos rozantes.
- Motor de doble jaula de ardilla.
- Motor de inducción de ranura profunda.
Recomendación
En el siguiente enlace puedes ver los tipos de motores:
11.2. Motor de rotor en cortocircuito o de jaula de ardilla.
El motor de rotor de jaula de ardilla, en motores de pequeña potencia, se construye fundiendo en un bloque integral unas varillas de aluminio junto con los anillos. En los de potencias mayores mediante barras soldadas a los anillos laterales, lo que le da ese aspecto de jaula. La colocación inclinada de las barras mejora el arranque y disminuye el ruido. Los conductores del rotor se distribuyen sobre la periferia y están cortocircuitados entre sí (de ahí el otro nombre).
La construcción es simple y robusta, con una gran capacidad de sobrecarga y un buen rendimiento y cos(, pero tiene el inconveniente de absorber una elevada corriente de arranque.
El despiece del motor:
11.3. Motor de rotor bobinado y anillos rozantes.
En estos motores, el estator posee las mismas características que el motor con rotor en cortocircuito, pero el rotor se construye insertando un devanado trifásico en las ranuras de un núcleo cilíndrico de chapas magnéticas. Este devanado se conecta normalmente en estrella y los tres terminales restantes se conectan a tres anillos rozantes que a través de unas escobillas permiten la conexión exterior de unas resistencias para limitar la corriente rotórica.
La inserción de estas resistencias permite la reducción de la intensidad de arranque manteniendo un buen par que incluso puede ser máximo en el arranque.
Su inconveniente es su mayor precio y coste de mantenimiento, llegando casi a desaparecer en la actualidad debido a los sistemas electrónicos de arranque para el motor de rotor de jaula.
Corte general
11.4. Motor de doble jaula de ardilla.
El rotor en estos motores está constituido por dos jaulas; una externa, de menor sección y material de alta resistividad, y otra interna de sección mayor y material de baja resistividad. Ambas jaulas están separadas entre sí en cada ranura por medio de una delgada rendija que aumenta el flujo de dispersión en la jaula inferior. De este modo se consigue una jaula exterior de alta resistencia y baja reactancia y una jaula interior de baja resistencia y baja reactancia.
En el arranque, la reactancia predomina sobre la resistencia y la corriente fluye en su mayor parte por la jaula exterior (menor reactancia).
A la velocidad nominal la resistencia predomina sobre la reactancia, y la corriente fluye en su mayor parte por la jaula interior (menor resistencia).
Con todo esto se consigue que en el arranque la resistencia sea alta, lo que implica alto par de arranque y baja intensidad, y a la velocidad nominal, como la resistencia es baja, se tiene buen rendimiento.
11.5. Motor de inducción de ranura profunda.
Es una variante de la jaula de ardilla, mediante los que se consigue una limitación de la corriente conexión y un buen par motor de arranque, superior al que produciría un rotor de jaula de ardilla normal. Las ranuras son ocupadas por barras altas y profundas de Cu, donde, la corriente se distribuye de forma diferente en el arranque y en carga (por el efecto de autoinducción y las corrientes de Foucault).
Para saber más
Visita esta pagina para ver los diferentes motores que tienen las empresas ABB y Siemens:
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Rellena el espacio en blanco con la palabra adecuada.
11.6. Campo magnético giratorio.
Si se consigue crear un campo giratorio aprovechando las variaciones de corriente de un sistema de corriente alterna trifásica, se podrá hacer girar el rotor de un motor asíncrono.
En el estator se alojan tres bobinas desfasadas entre sí 120º. Cada una de estas bobinas se conecta a cada una de las fases de un sistema trifásico, por lo que por cada una de ellas circularán las corrientes instantáneas IA (roja), IB (verde) e IC (azul) de las figuras. Analizando los valores que alcanza el flujo magnético creado por cada una de estas corrientes en cada instante del tiempo, se comprueba que se genera un campo magnético de carácter giratorio, es decir como si el estator fuera un imán que estuviera rotando a una velocidad angular constante:
Generación
- Para el instante 1 la corriente de una fase roja es cero la fase azul posee un valor positivo y la fase verde negativo, lo que provoca un campo magnético instantáneo del sentido marcado por la flecha naranja.
- En el instante 2, la fase azul es cero mientras que la fase roja es positiva y creciente, la fase verde sigue siendo negativa pero decreciente en valor.
- En el instante 3 la fase verde ha llegado a cero, mientras que la fase roja es positiva pero comienza a disminuir de valor y la fase azul ahora es negativa y aumentando de valor, el valor predominante de los polos ha hechos que el campo magnético (flecha naranja) haya pasado del punto (1) al (3) girando cada vez un sexto del total (60º), el campo magnético ha avanzado 1/6 de ciclo.
- Si se sigue estudiando punto por punto (instantes 4, 5 y 6), se completa la onda y comienza de nuevo el ciclo del campo giratorio, que en este caso avanza a la misma velocidad angular que el de la pulsación de la corriente.
Velocidad de sincronismo:
La velocidad del campo giratorio depende del número de polos que se consigan al realizar los devanados en el estator. En la explicación se ha empleado un devanado de un par de polos. Por lo que la velocidad conseguida por el campo giratorio coincide con la pulsación angular, es decir:
Ω = 2π f (radianes/segundo) = 60 f (revoluciones por segundo)
Si se dispone un bobinado con dos pares de polos, se necesitarán dos ciclos completos para conseguir una revolución completa del campo giratorio.
Por tanto, en los motores asíncronos el campo giratorio lo produce un sistema de C.A. trifásica, cuya velocidad de giro dependerá de la frecuencia de las corrientes estatóricas (frecuencia de la red de alimentación) y del número de pares de polos de que conste el motor quedando la expresión general de la velocidad del mismo, denominada velocidad de sincronismo, como:
ns = 60 · f1 / p
Siendo
ns = velocidad de sincronismo, en r.p.m.
f1 = frecuencia de la red, en Hz
p = nº de pares de polos
Para una frecuencia de la red de 50 Hz, el campo da 50 vueltas por segundo, esto es, 3000 r.p.m.
Para una frecuencia de la red de 50 Hz, el campo da 50/2 vueltas por segundo, esto es, 1500 r.p.m.
Como puede deducirse de la fórmula, la velocidad de sincronismo, velocidad con la que gira el campo magnético, será submúltiplo de 60· f1, es decir de 60x50 = 3000 r.p.m. (ya que en Europa, la frecuencia de la red es siempre de 50 Hz. Para un número de pares de polos diferente de la unidad (siempre un número entero) surgirán velocidades inferiores.
| Pares de polos | Polos | R.p.m. |
|---|---|---|
| 1 | 2 | 3000 |
| 2 | 4 | 1500 |
| 3 | 6 | 1000 |
| 4 | 8 | 750 |
| 5 | 10 | 600 |
| 6 | 12 | 500 |
Además, el sentido del campo magnético giratorio depende de la secuencia (inversa o directa) de las fases. Si se invierte la secuencia, se invierte el sentido de giro.
Para saber más
En el siguiente enlace puedes ver el vídeo de un campo magnético giratorio:
11.7. Funcionamiento de un motor.
El campo magnético giratorio, al cortar los conductores del rotor, induce en ellos una f.e.m. Y al estar estos conductores en cortocircuito, aparece una corriente por ellos.
La interacción de las corrientes rotóricas con el campo magnético del estator da lugar a un par motor que hace girar el rotor en el mismo sentido que el campo magnético.
-
Velocidad de giro:
La velocidad del rotor nunca se puede alcanzar a la del campo giratorio, ya que de ser estas iguales no se induciría tensión alguna en el rotor, por lo que el rotor siempre gira a una velocidad, n, inferior a la de sincronismo, ns(de ahí viene el nombre de asíncrono). Esa velocidad del rotor es la que se denomina velocidad de giro.
-
Deslizamiento:
De esta forma, se define el deslizamiento (s) de un motor asíncrono, como la velocidad relativa de la velocidad del rotor frente a su velocidad sincrónica.
Siendo
s = deslizamiento,
ns = velocidad teórica o de sincronismo, en r.p.m
n = velocidad real o de giro, en r.p.m.
A veces se expresa en tanto por cientoTambién es frecuente denomina deslizamiento absoluto a la diferencia ns - n y deslizamiento relativo a lo que nosotros hemos definido anteriormente.
El deslizamiento relaciona asimismo la frecuencia de las fems. del rotor y el estator:
f2 = s · f1Si con la máquina de inducción en reposo, con el devanado estatórico conectado a la red trifásica y el devanado rotórico en c.c., sin carga en su eje (vacío), el par motor desarrollado hace que la máquina de inducción se ponga a girar.
En vacío, el deslizamiento es mínimo (aproximadamente el 0,1 %).
Al arrastrar la carganominal, el motor tiende a frenarse y el deslizamiento aumenta un poco (del orden del 4 %).
El par de fuerzas que se desarrolla en el rotor dependerá de la corriente que circule por él, y de la f.e.m. inducida en sus conductores. Por esto cuanto mayor sea el esfuerzo a realizar por el motor, el rotor tenderá a frenarse(ya que aumentará el deslizamiento y por tanto el movimiento relativo del campo magnético respecto a los conductores del rotor), para conseguir una mayor f.e.m. Inducida y, por tanto, una mayor corriente rotórica que permita obtener un mayor par de fuerzas.
Ejercicio Resuelto
La velocidad de giro a plena carga de un motor trifásico de 40 kW, 50 Hz es de 715 r.p.m., y su deslizamiento es del 3.6 %. Deducir a partir de esos datos:
La velocidad de sincronismo:
El número de polos:
Las frecuencias estatóricas y rotóricas:
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Rellenar el hueco en blanco con la cifra adecuada:
11.8. Motores monofásicos.
Los motores monofásicos de inducción, son, constructivamente, similares a los motores trifásicos de inducción con rotor de jaula de ardilla, con la sola diferencia de que el devanado estatórico es monofásico, ocupando los 2/3 del número de ranuras, y con el tercio restante utilizado para disponer otro devanado monofásico auxiliar, sin el cual no sería posible obtener un par de arranque. (El rotor además de ser del tipo de jaula de ardilla, puede ser del tipo bobinado con anillos colectores, cuando se desea un elevado par de arranque).
Si en el estator situamos un bobinado monofásico y le sometemos a una tensión alterna senoidal, se obtiene un campo magnético alternativo y fijo (no rotatorio) que no es capaz de provocar un par de arranque efectivo en el rotor. Por tanto, para arrancarlo hay que dar algún tipo de solución:
- Si en estas condiciones empujamos el rotor manualmente en uno de los dos sentidos, el motor comenzará a girar hasta alcanzar su velocidad nominal.
- Para conseguir que el motor arranque automáticamente es para lo que se coloca en el estator el devanado auxiliar, decalado 90º eléctricos del principal.
Una vez que la velocidad alcanza sobre 70% de su valor final, el devanado auxiliar es desconectado de la red por un interruptor centrífugo.
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El diagrama fasorial de las corrientes que atraviesan los arrollamientos se muestran la figura siguiente, donde se ha tomado de la tensión de la red como referencia de fase. Se observa que el ángulo formado por V e Ip es superior al que existe entre V e Ia (por la mayor reactancia del devanado principal).
Ello provoca que el campo giratorio resultante de ambos. Permite el arranque del motor, y cuando la velocidad del rotor alcanza un valor del orden del 70% de nominal, el interruptor centrífugo desconecta el devanado. De esta forma el motor queda funcionando como monofásico.
En la siguiente figura se muestra la curva par-velocidad de este motor, en la que se indica el instante, correspondiente a la velocidad ni en el que actúa el interruptor centrífugo y se desconecta el devanado auxiliar. Se puede observar que la curva par-velocidad cuando actúan los dos devanados es similar a la de un motor trifásico y produce un par de arranque, mientras que la curva correspondiente cuando funciona solo el devanado principal tiene un par de arranque nulo.
Su moderado par de arranque limita sus aplicaciones al accionamiento de máquinas que arrancan en vacío, o con un pequeño par resistente: ventiladores, pequeñas bombas centrífugas, máquinas de coser pequeñas, máquinas-herramientas, lavadoras de tambor giratorio,....
Se construyen generalmente desde 50 a 500W.
Recomendación
En el siguiente enlace puedes ver más sobre los motores monofásicos:
11.9. Motor de fase partida con condensador.
En este tipo de motor, el devanado auxiliar lleva en serie un condensador de un valor que hace que la intensidad que circule por ese devanado (Ia) tenga respecto a la intensidad que circula por el devanado principal (Ip), en el instante inicial, un desfase de 90º. El esquema queda como se muestra en la figura.
Las principales ventajas de este motor son su elevado par de arranque (hasta 3.5 veces el nominal, sin un excesivo aumento de la corriente).
Igual que en los motores de fase partida, el devanado auxiliar es desconectado de la red por un interruptor centrífugo cuando la velocidad alcanza el 70% de su valor final.
Las potencias de estos motores son < a 10 CV
Son empleados en pequeñas bombas de pistón, compresores de émbolo, molinos, molinillos de café, cámaras frigoríficas, neveras eléctricas, máquinas-herramientas y, en general, para toda clase de accionamientos que requieran un elevado par de arranque y sólo se dispone de corriente monofásica.
11.10. Variante del motor de arranque por condensador.
Existen también motores monofásicos en los que la fase auxiliar, con el condensador permanece constantemente conectada, y otros donde se incrementa la capacidad en el arranque disponiendo dos condensadores, de los cuales uno permanece constantemente conectado para mantener el desfase entre las dos corrientes (condensador de giro), y el otro (condensador de arranque), de capacidad mucho mayor, solo interviene en el proceso de arranque.
11.11. Motor monofásico con espira de sombra.
Se trata del motor monofásico más simple y económico que se puede construir, si bien es apto únicamente para muy reducidas potencias, inferiores a algunas décimas de CV, y aplicaciones que precisen sólo un pequeño par de arranque.
En este tipo de motores, el paquete de chapas estatórico forma polos salientes, alrededor de los cuales van dispuestas las bobinas de excitación, alimentadas por la red monofásica. El rotor es del tipo de jaula de ardilla.
Para obtener con este único devanado estatórico un pequeño par de giro, suficiente para impulsar el rotor y conseguir con ello el arranque automático, se dispone hacia la mitad, aproximadamente, de las piezas polares una estrecha ranura en la que se aloja una espira en c.c., de Cu desnudo, que abarca la fracción más reducida del polo.
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El flujo alternativo que excita las bobinas inductoras se fracciona al alcanzar la zona de la espira en c.c., en dos flujos decalados en el espacio y en el tiempo. El resultado de la combinación de estos flujos es un campo giratorio que crea en el rotor un pequeño par de giro, suficiente para arrancar el motor. Debido a la pequeña magnitud de este par, las aplicaciones de este motor son muy limitadas, por ejemplo en ventiladores de uso domestico, equipos de aire acondicionado, equipos de música, fotocopiadoras, proyectores de diapositivas, etc
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Autoevaluación
Rellena el espacio en blanco con la cifra indicada.
11.12. Elementos de los bobinados de corriente alterna.
En este apartado se van a estudiar los distintos componentes constructivos empleados en los bobinados de corriente alterna y que servirán para realizar los cálculos.
-
Ranuras (K):
-
Bobinas (B):
Es un conjunto de espiras cerradas que se han realizado con un molde sobre la bobinadora.
Cada bobina tiene un principio y un final, y además se componen de los denominados lados activos de bobina donde se induce la fem y las cabezas de bobina necesarias para cerrar el circuito.
-
Grupos de bobina (G):
Es el conjunto de bobinas que se encuentran unidos eléctricamente. Las bobinas se encuentran conectadas en serie y por tanto, cada grupo tendrá un principio y un final.
-
Amplitud de grupo (m):
Es el número de ranuras que separan a un lado activo de una bobina con respecto a su otro lado activo.
Este concepto tiene importancia en los bobinados concéntricos que más adelante veremos.
-
Polos (2p):
En el motor asíncrono trifásico la posición de los polos en el estator no permanece constante, van girando en concordancia con la secuencia de las fases. Creándose de esta manera un campo giratorio.
Para crear un polo N y un polo S se tiene que hacer pasar la corriente en sentido contrario, de esta manera se irán creando los diferentes polos giratorios de la máquina.
Para conocer el número de polos, basta con fijarse en una sola fase ya que las otras dos se comportarán de igual manera y contribuirán a realizar el campo magnético giratorio.
-
Paso polar (Yp):
Es la distancia, expresada en número de ranuras, que hay entre los ejes de dos polos consecutivos.
-
Ancho de bobina (Yk):
Es el número de ranuras que hay entre un lado activo de una bobina y el otro lado.
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11.13. Bobinados concéntricos trifásicos.
Se dice que un bobinado de corriente alterna es concéntrico cuando los lados activos de una misma fase, situados frente a polos consecutivos, son unidos mediante conexiones o cabezas concéntricas.
Se van a formar unos agrupamientos de bobinas cuyo reparto debe ser simétrico alrededor de toda la máquina. Los grupos de bobinas (B) van a dar lugar a bobinas de diferente ancho y longitud en sus lados activos.
Al tener bobinas de diferentes tamaños es necesario utilizar varios moldes. Éstos van montados sobre el mismo útil que se colocará en la bobinadora.
Sistemas de conexión.
La conexión de los grupos entre sí se puede realizar de dos formas diferentes:
- Por polos.
- Por polos consecuentes.
Conexión por polos (pp):
Se va a realizar la conexión que crea el siguiente polo. Será de signo contrario a anterior y por eso el sentido de la corriente es opuesto.
Para conseguir esto hay que conectar el borne final del primer grupo con el final del segundo grupo. De igual manera, el principio de ese segundo grupo con el principio del tercero y así sucesivamente.
Los grupos de este tipo de conexión son de menor tamaño y de menor número de bobinas. Sin embargo el número de grupos (Bt) es mayor.
Conexión por polos consecuentes (ppc):
Se va a realizar la conexión que crea el siguiente par de polos.
Se realiza la conexión del final del primer grupo con el principio del siguiente, y así sucesivamente.
Los grupos son de mayor tamaño (mayor número de bobinas) y tienen menor número de grupos.
Autoevaluación
Completa la frase.
11.14. Secuencia de cálculo.
Una condición inicial para realizar el cálculo es saber el tipo de conexión que se va a realizar, es decir, si es por polos o por polos consecuentes.
La secuencia del cálculo de un bobinado concéntrico es la siguiente:
- Número de fases (q): El número de fases se determinará en función si el bobinado es trifásico o monofásico.
- Número de polos (2p): El número de polos es un dato que está en función con la velocidad de giro. Es por tanto un dato de funcionamiento.
- Número de ranuras por polo y fase (Kpq): es un valor que va a informar de la posibilidad de ejecución. Es un número que indica el número de ranuras que corresponde ocupar a cada fase en cada polo.
Se obtiene con la fórmula:
-
- Si el Kpq es un número fraccionario el bobinado no se puede hacer. Ha de ser entero.
- Si es impar en la conexión por polos, los grupos de bobinas (U) serán un número entero de bobinas más media bobina. Esta será la bobina exterior del grupo que tendrá la mitad de espiras. La ranura se cerrará con otra media bobina de otro grupo de la misma fase o de otra diferente.
-
- Si es fraccionario el Kpq, independiente de su conexión de pp o ppc, se puede ejecutar haciendo grupos desiguales consecutivos de la misma fase. El primer grupo tendrá un determinado número de bobinas y el segundo una menos; el tercero igual que el primero y así sucesivamente.
- Bobinas y capas por ranura (B): en la ranura se puede alojar uno o dos lados activos de bobinas difentes.
Cuando hay un lado activo ek bobinado es de una capa y el número de bobinas es la mitad del total de las ranuras, ya que cada bobina ocupa 2 ranuras.
Cuando en las ranuras van alojados dos lados activos de bobinas diferentes hay que aislarlas con un papel aislante. El número de bobinas total se determina:
- Número de grupos totales (Gt): es el número total de grupos que existe en todo el bobinado para todas la fases. Hay que distinguir los casos de si son pp o ppc:
- Por polos:
- Por polos consecuentes:
- Por polos:
- Número de grupos por fase (Gf): es el número de grupos de bobinas que le corresponden a cada fase. Se determina dividiendo entre 3 el número total de grupo o también:
- Por polos:
- Por polos consecuentes:
- Por polos:
- Número de bobinas por grupos (U): es la cantidad de bobinas en serie que conectan entre sí. Se ejecutan sobre el mismo molde y cuando se ha terminado existe un principio y un final.
- Por polos:
- Por polos consecuentes:
- Por polos:
- Amplitud del grupo: es el número de ranuras que hay libres entre los lados activos de la bobina más pequeña de un grupo.
- Por polos:
- Por polos consecuentes:
- Por polos:
- Principios de las tres fases (Y120): Estos bobinados tienen sus tres principios y tres finales desfasados 120º eléctricos.
El principio de cada fase puede iniciarse en cualquier ranura de la que forman los 360º. Es decir, no tiene porque ser correlativas en el orden.
Se determina mediante la fórmula:
Se suele componer un cuadro de principios de fases para que se vea por donde puede interesar empezar con cada fase ya que a veces, existen unas ranuras más recomendadas por estar más cerca de la salida de las conexiones a bornas.
En el ejemplo de cálculo se verá este cuadro completado.
11.15. Arranques de motores monofásicos.
Hay muchas ocasiones en las que no se dispone de un sistema de distribución trifásico, por lo que los motores trifásicos de inducción no son de utilidad. En estos casos hay que emplear motores monofásicos de inducción, de potencia limitada.
También veremos que en algunas circunstancias un motor trifásico puede funcionar sobre una línea monofásica
Son ampliamente utilizados tanto en el hogar (nevera, lavadora, ventilador, molinillo, batidoras,...) Como en la industria y el comercio: (pequeñas máquinas herramientas, acondicionadores de aire, control automático,...)
Los motores monofásicos de inducción se pueden clasificar en los siguientes tipos:
- De fase partida.
- De fase partida con condensador.
- De espira en sombra.
Los trifásicos para distribución monofásica son:
- Trifásico con fase fundida.
- Trifásico sobre red monofásica.
11.16. Automatismo eléctrico.
A la hora de abordar un automatismo eléctrico cableado, inicialmente, se deben diseñar los esquemas necesarios que cumplan los requisitos impuestos por el proceso a controlar, para, posteriormente, realizar su montaje práctico sobre la envolvente o cuadro adecuada.
Como ya se ha estudiado en unidades anteriores, un automatismo se compone de dos circuitos, el de fuerza o potencia y el de mando o maniobra. Para ambos, será necesario diseñar sus esquemas como paso previo a la selección de componentes y al montaje físico en el cuadro o envolvente eléctrica.
Puesto que para cada uno de los automatismos mostrados en esta unidad se ha incorporado toda la información necesaria para su posterior montaje físico, conviene tener muy presente que habrá componentes alojados dentro de la envolvente citada, pudiéndose cablear directamente, y componentes exteriores, a colocar sobre el proceso, como pueden ser interruptores de posición, sensores de proximidad, fotocélulas y, en general, todo captador de señales que se necesite en el proceso.
Los dispositivos exteriores no podrán cablearse directamente en el cuadro eléctrico, sino que será necesario disponer de un interfaz de conexión. Este es el bornero, que deberá estar constituido por tantas bornas como conductores de aparatos externos lleguen al automatismo.
Dentro de la envolvente, los conductores suelen alojarse en el interior de canaleta ranurada, con la doble misión de soportar el cableado y dotar al automatismo de cierta estética.
Por lo tanto, los automatismos que vamos a ver en cada uno de los apartados de esta unidad, estarán documentados con los esquemas de fuerza, maniobra y bornero, de forma que permitan la realización física de forma inmediata.
En este requerimiento del montaje físico, una cuestión interesante a resaltar estriba en el conexionado de un conductor cuando exista alternativa sobre el esquema interpretado, tal y como sucede en la figura siguiente:
En estos casos, será decisión del especialista conectar los conductores sobre un borne u otro, siempre bajo el criterio de simplicidad. Para mayor claridad de lo expuesto, en la siguiente figura se aporta una imagen del detalle del conexionado de la fracción de esquema anterior:
Respecto al conexionado del motor, podrá ser en estrella o triángulo, en función de la máquina seleccionada y la tensión de red de alimentación. Recordad que cuando esta tensión coincide con la menor de la placa de características el motor debe conectarse en triángulo, y cuando coincide con la mayor la conexión a realizar es estrella.
A continuación vamos a estudiar los automatismos propuestos.
Para afianzar los conocimientos adquiridos, existe una herramienta muy interesante denominada CADe_Simu que nos permite diseñar los esquemas y simular sus funcionamientos.
11.17. Fases estudio de un automatismo.
A la hora de diseñar la automatización de un proceso, el equipo encargado de ello, debe abordar una serie de etapas de análisis previo, que se resumen en una serie de documentos.
El fin último es recabar la siguiente documentación:
- Un estudio de especificaciones funcionales del sistema o proceso a automatizar y su correcta interpretación.
- Un estudio de viabilidad técnica, donde se analice las tecnologías de posible implementación, lógica cableada o programada, así como los materiales, aparatos, etc., existentes en el mercado que se van a utilizar para diseñar el automatismo. Se requerirá la siguiente información:
- Viabilidad física de la tecnología en estudio.
- Calidad de la documentación técnica de los equipos.
- Disponibilidad y rapidez en cuanto a recambios y asistencia técnica.
- Un estudio de viabilidad económica, para cada una de las variables tecnológicas posibles.
- Decisión final. Con la información previa se decidirá la mejor opción posible para el desarrollo del automatismo.
Autoevaluación
Solución
11.18. Arranque de motores trifásicos.
Los arranques directos de un motor asíncrono trifásico se caracterizan por alimentar la máquina con sus valores nominales en el estado de reposo para su arranque, lo que origina fuertes corrientes que pueden generar perturbaciones en la red.
La máquina en un arranque directo es alimentada a toda la tensión de funcionamiento, sin ningún control sobre la intensidad demandada en esta operación, pudiendo llegar a ser de entre 6 a 8 veces la nominal proporcionando, eso sí, un fuerte par de arranque.
Por lo tanto, los automatismos para arranques directos no intervienen en el control de la fase de arranque, limitándose a establecer las condiciones requeridas durante el funcionamiento de la máquina.
Respecto a la protección guardamotor contra sobreintensidades de la máquina automatizada, tal y como se estudió en la unidad 4, se puede optar por tres sistemas:
- Guardamotor con disyuntor magnetotérmico.
- Guardamotor con disyuntor magnético y relé térmico.
- Seccionador - fusible y relé térmico. Será esta opción la mayormente usada en esta unidad.
Durante los apartados siguientes, se analizarán gran cantidad de automatismos básicos. Empezaremos por el arranque manual, sin condiciones, de un motor asíncrono trifásico. Posteriormente, estudiaremos el arranque mediante un pulsador de marcha de un motor, reteniéndose su activación hasta el accionado de un pulsador de paro específico.
Debes conocer
Entre los accionadores más utilizados para la ejecución de procesos se encuentran los motores eléctricos asíncronos de jaula. Los dispositivos de control y protección de potencia destinados establecer o cortar sus circuitos de alimentación, denominados arrancadores, realizan las funciones siguientes:
- Seccionamiento.
- Conmutación.
- Protección.
11.19. Automatismos programados básicos. Arranque de motores.
Los automatismos programados básicos basan su desarrollo en la utilización de las operaciones lógicas con bit y las asignaciones de salidas.
En los siguientes documentos encontrarás una serie de ejemplos para el control de automatismos básicos, definidos en su enunciado, para mediante su estudio, adquirir las capacidades necesarias para realizar de forma autónoma diseños similares.
Recomendación
En los siguientes enlaces tienes la documentación sobre automatismos y arranque de motores así como señalización:
Recomendación
En el siguiente vídeo puedes ver cómo realizar el arranque directo de un motor trifásico:
Para saber más
En los siguientes enlaces tienes una serie de ejemplos resueltos:
Anexo. Licencia de Recursos.
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