Control de Motores Eléctricos

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1 Control de Motores Eléctricos Ingeniería en Automatización y Control Industrial 1

2 DIAGRAMAS ELECTRICOS Estos son la representación gráfica de un circuito o instalación eléctrica, en la que van indicadas las relaciones mutuas que existen entre los diferentes elementos, así como los sistemas que los interconectan. Para su realización se emplean una serie de símbolos gráficos, trazos, marcas e índices, cuya finalidad es poder representar, en forma simple y clara todos y cada uno de los elementos que se van a usar en el montaje de un circuito eléctrico. a) Simbolos: representaciones de máquinas o partes de una máquina, elementos de mando y auxiliares de mando o partes de ellos, aparatos de medida, de protección y señalización. b) Trazos: representaciones de conductores que indican las conexiones eléctricas entre los elementos que intervienen en el circuito, o uniones mecánicas entre símbolos de aparatos. c) Marcas e Índices: letras y números que se utilizan para lograr una completa identificación de los elementos que intervienen en el diagrama y que se colocan a los lados de cada uno de ellos. Diagrama de Emplazamiento En él se indica la situación física de cada uno de los elementos que componen el equipo de control con relación a los demás componentes. Debe ser el resultado de un estudio minucioso que responda a las necesidades planteadas. En estos esquemas no hay que referenciar los bornes disponibles, o que deben conectarse, en las figuras que representan los elementos del equipo. Sin embargo, en algunos casos es conveniente hacerlo, en función del esquema de montaje e interconexión o enlace. Diagrama de conexiones o Montaje En éste esquema se representan las conexiones eléctricas entre los elementos integrantes de una instalación o equipo de control. Puede referirse a las conexiones interiores del equipo o también comprender las exteriores, así como todos los detalles o información necesaria para realizar o comprobar las mismas. Ingeniería en Automatización y Control Industrial 2

3 Una característica general, en estos esquemas, es la representación de los elementos que componen el equipo, dispuestos en su posición real, con las conexiones a realizar entre ellos, de forma que ésta proporcione una imagen clara del conexionado a realizar. Diagrama de representación Multifilar En estos se representan todos los elementos, con sus correspondientes símbolos, y todos los conductores o conexiones entre los bornes de un mismo y/o distinto elemento, mediante trazos o líneas independientes. Estos esquemas se emplearon en los comienzos del automatismo, quedando prácticamente obsoletos en la actualidad principalmente debido a la complejidad que presentan, tales como: a) Complejo trabajo de delineación. b) Dificultad, con la consiguiente posibilidad de cometer errores en el montaje, en el momento de su lectura, análisis e interpretación. En la actualidad todo se limita a los esquemas de fuerza y a los esquemas de control. Diagrama de Fuerza Este esquema representa el conexionado desde la red a la carga o receptor es de poca complejidad ya que sólo debe de ir las líneas que representan a los conductores. Se le suele denominar también esquema principal o esquema de potencia. Los trazos deben ser anchos para indicar así la capacidad de corriente transportada. Se suelen dibujar ya se sea con las normas IEC (Comisión electrotécnica internacional), la ANSI (Organismo nacional de estandarización de Estados Unidos) o la DIN (Organismo Nacional de Normalización de Alemania). Ingeniería en Automatización y Control Industrial 3

4 Esquema de Control También denominado como esquema auxiliar, éste debe de representar todo el cableado de control entre los distintos equipos del esquema de fuerza. A él se le suele añadir todo lo correspondiente a señalización a través de pilotos (luces) y también lo concerniente a las alarmas tanto visuales como acústicas. Para representar la poca capacidad de corriente que requieren estos circuitos, se suelen realizar con trazos de línea fina. SIMBOLOS Descripción DIN NEMA IEC Fusible Mecanismo de accionamiento manual Bobina contactor o relé Ingeniería en Automatización y Control Industrial 4

5 Relé con retardo a la conexión Relé con retardo a la desconexión Relé con retardo a la conexión y desconexión Relé térmico de sobrecarga Relé magnético de sobrecorriente Contacto normalmente abierto Contacto normalmente cerrado Contacto de conmutación Contacto NO de apertura retardada Contacto NO de cierre retardado Contacto NC de apertura retardada Contacto NC de Cierre retardado Disyuntor trifásico Pulsador NO Pulsador NC Motor de inducción rotor Jaula de ardilla Ingeniería en Automatización y Control Industrial 5

6 Motor de inducción rotor bobinado ESTRUCTURA DE UN AUTOMATISMO La estructura de un automatismo eléctrico se puede esquematizar de la siguiente forma: MAQUINA (Parte Operativa) APAREJOS PARA LOS AUTOMATISMOS (Parte De Mando Automático) DIALOGO HOMBRE - MAQUINA (Parte De Mando Manual) Explicitando un poco más las diferentes etapas de un automatismo observamos: PARTE OPERATIVA MAQUINA PROPIAMENTE DICHO ACCIONADORES PARTE DE COMANDO DETECCION TRATAMIENTO COMANDO DE POTENCIA DIALOGO HOMBRE-MAQUINA Aplicando estos aspectos generales a un automatismo eléctrico obtenemos el siguiente diagrama: MAQUINA o equipo a controlar ACCIONADORES Motores DETECCION o adquisición de datos mediante: Fines de carrera, detectores, presostatos, etc. TRATAMIENTO Contactores auxiliares o relés, temporizadores COMANDO DE POTENCIA Contactores principales, variadores de velocidad. DIALOGO HOMBRE-MAQUINA Pulsadores, manipuladores, selectores, etc. Ingeniería en Automatización y Control Industrial 6

7 Dentro de los dispositivos más empleados en un automatismo eléctrico podemos mencionar: a) CONTACTOR: Es un elemento accionador con carga a distancia, compuesto por contactos de potencia y de control, bobina, núcleo, armadura, carcaza y bobina de flagger (mantiene el flujo cuando la bobina principal su señal pasa por cero). Cuando su bobina recibe la energía todos sus contactos cambian de estado: Contacto NO NC Contacto NC NO Contactor de 10 a 60 A Contactor de control Contactor de 100 a 800 A Cuando se energiza la bobina su intensidad de corriente es relativamente elevada denominándose como corriente de llamada esto debido al núcleo abierto c/r a la armadura. Cuando estos se cierran esta corriente disminuye (6 a 10 veces menor) denominándose como corriente de mantenimiento o trabajo. Bobina Contactos Principales Contactos Auxiliares La apertura de un contactor tiene, generalmente, por finalidad interrumpir la corriente eléctrica que, previamente atravesaba los contactos. Generalmente las cargas son inductivas y, por tanto, la corriente no se interrumpe instantáneamente, sino que se establece un arco eléctrico como muestra la figura: La duración del arco debe ser breve. No muy larga para evitar la destrucción de los puntos de contacto, tampoco muy corta para evitar las sobretensiones de ruptura. Ingeniería en Automatización y Control Industrial 7

8 Con el fin de anular estos efectos entre los dos contactos donde se va a producir una ruptura eléctrica se introducen cámaras apaga chispas. La resistencia de un arco depende del número de placas ferromagnéticas que se interpongan entre los bornes de contactos. Las piezas metálicas alojadas en al cámara apaga-chispas, de la figura 13, tienen por misión estirar el arco, produciendo un soplado magnético que rápidamente enfría el centro del arco, absorbiendo el calor desprendido por efecto joule, y reduciendo el riesgo del cebado. b) RELÉ TERMICO: Un relé térmico es un aparato diseñado para la protección de motores contra sobrecargas, fallo de alguna fase y diferencias de carga entre fases. El aparato incorpora dos contactos auxiliares (NO y NC-95-96), para su uso en el circuito de mando. Dispone de un botón regulador-selector de la intensidad de protección. Por ejemplo: In.: 1,6 hasta 3,2A. Además, incorpora un botón de prueba (STOP), y otro para RESET. Si el motor sufre una avería y se produce una sobreintensidad, unas bobinas calefactoras (resistencias arrolladas alrededor de un bimetal), consiguen que una lámina bimetálica, constituida por dos metales de diferente coeficiente de dilatación, se deforme, desplazando en este movimiento una placa de fibra, hasta que se produce el cambio o conmutación de los contactos. El relé térmico actúa en el circuito de mando, con dos contactos auxiliares y en el circuito de potencia, a través de sus tres contactos principales. Simbología normalizada: Ingeniería en Automatización y Control Industrial 8

9 c) TEMPORIZADORES: El temporizador retrasa la acción del contacto, la bobina actúa, y todos los contactos que se mueven con ella; pero el contacto con dispositivo temporizado permanece en la misma posición hasta que no transcurre el tiempo previsto y luego actúa, los temporizadores pueden ser: a) Con retardo a la desconexión (off delay) b) Con retardo a la conexión (on delay) c) Ambas según selección previa Por la forma en que se produce la conexión/desconexión los temporizadores pueden ser: Térmicos Neumáticos Electrónicos Ingeniería en Automatización y Control Industrial 9

10 Temporizador neumático Temporizador electrónico Su simbología es la siguiente tanto para bobina como sus contactos: Si el temporizador es neumático y va montado sobre un contactor su numeración 1 se reemplaza por un 5. d) FUSIBLES: Su función es proteger los circuitos que preceden contra las corrientes de cortocircuitos, cuando son muy elevadas y pueden ser perjudiciales para los circuitos que protegen. Sus características deben ser: Tener un calibre adecuado a la intensidad de corriente a proteger. Ser del tipo de efecto que convenga al circuito (rápido, medio o lento). Estar situados en lugar de fácil acceso. En caso de fusión cambiarlos por otros de iguales características. Ingeniería en Automatización y Control Industrial 10

11 En caso de fusiones continuas, estudiar las causas y de ser necesario, cambiar el calibre del fusible. e) DISYUNTORES: Elemento de protección contra cortocircuito y sobrecarga. El disyuntor es un interruptor magnetotérmico es al mismo tiempo un dispositivo de corte capaz de establecer, soportar e interrumpir corrientes de una intensidad igual como máximo a su corriente asignada (In), y un dispositivo de protección capaz de interrumpir automáticamente corrientes de sobreintensidad que pueden ser provocadas por fallas en las instalaciones. La detección de sobreintensidades se realiza mediante tres dispositivos diferentes: térmicos para sobrecargas, magnéticos para cortocircuitos y electrónicos para ambos. Los interruptores térmicos y magnéticos, generalmente asociados (interruptores automáticos magnetotérmicos), poseen una técnica probada y económica, si bien ofrecen menos facilidades de regulación que los interruptores electrónicos. Relé Térmico: Está constituido por un termoelemento cuyo calentamiento por encima de los valores normales de funcionamiento provoca una deformación que libera el cierre de bloqueo de los contactos. El tiempo de reacción de un termoelemento es inversamente proporcional a la intensidad de la corriente. Debido a su inercia térmica, cada nueva activación del circuito disminuirá su tiempo de reacción. Relé Magnético: Está constituido por un bucle magnético cuyo efecto libera el cierre de bloqueo de los contactos, provocando así el corte en caso de sobreintensidad elevada. El tiempo de respuesta es muy corto (del orden de una centésima de segundo). Pseen un ajuste de Im que permite ajustar el valor de disparo a las condiciones de protección de la instalación (corriente de falla y contacto indirecto). Además, dicho ajuste permite buscar las mejores condiciones de selectividad entre los aparatos. Relé Electrónico: Un toroidal, situado en cada conductor, mide permanentemente la corriente en cada uno de ellos. Esta información es tratada por un módulo electrónico que acciona el disparo del interruptor cuando se sobrepasan los valores de ajuste. La curva del interruptor presenta tres zonas de funcionamiento. Zona de funcionamiento «instantáneo». Garantiza la protección contra cortocircuitos de alta intensidad. Viene ajustada de fábrica a un valor determinado (5 a 20 ka según los modelos). Zona de funcionamiento de «retardo corto». Garantiza la protección contra cortocircuitos de intensidad menor, generalmente en el extremo de línea. El umbral de activación suele ser regulable. La duración del retardo puede llegar por pasos hasta un segundo a fin de garantizar la selectividad con los aparatos situados aguas abajo. Ingeniería en Automatización y Control Industrial 11

12 Zona de funcionamiento de «largo retardo». Es asimilable a la característica de un interruptor térmico. Permite garantizar la protección de los conductores contra sobrecargas. f) PULSADORES: estos van montados en las denominadas botoneras. Consta de un pulsador normalmente abierto para la puesta en marcha, y otro pulsador normalmente cerrado para el paro. En los botones se reserva el color rojo para el paro, el de marcha, puede ser, verde, negro, o cualquier color, suelen venir grabado con 0 (cero) para el paro y con la letra mayúscula I (i) para la marcha. Ingeniería en Automatización y Control Industrial 12

13 Se llama el pulsador, a la parte exterior sobre la que se actúa y la interior, la que no se ve, bloque de contactos. El bloque de contacto puede ser simple normalmente abierto, o normalmente cerrado. También puede ser doble, con un contacto normalmente abierto y otro contacto normalmente cerrado al pulsar se actúa sobre los dos contactos al mismo tiempo. La operación de pulsar un contacto puede tener distintas soluciones, por ejemplo: Las botoneras salientes son rápidas de accionar pero tiene el inconveniente de que se pueden pulsar por accidente, en este caso los pulsadores embutidos son una buena solución, aunque el mando giratorio es una solución aún mejor. Para evitar que personas no autorizadas pongan en marcha una máquina los pulsadores con lleve son un buen seguro siempre que no se trate de una seguridad total. El mando por puntos es una botonera que puede girarse pero que solo actúa en el punto que se haya seleccionado previamente. La botonera de seta, es un paro de emergencia que puede pulsar cualquier persona, al apretarlo, el pulsador queda retenido y deja descontado el contactor. Para volver a poner en funcionamiento es preciso sacar el pulsador de paro girando este en el sentido que indica la flecha grabada en el frente. Ingeniería en Automatización y Control Industrial 13

14 g) LUCES PILOTO: Permiten señalizar el funcionamiento correcto e incorrecto de un circuito de control eléctrico. Colores de pilotos: En reposo Atención o precaución En servicio Condición normal La máquina se ha detenido por anomalía o bien pide orden de paro. Señal para ciclo automático. Próximo al valor límite. Todos los componentes dispuestos para el arranque. Máquina dispuesta para entrar en servicio. Referenciado de componentes Todos los elementos deben de referenciarse para poder interpretar correctamente un diagrama, para ello se considera dos letras (tipo y función) y una cifra por la cantidad de equipos: Ingeniería en Automatización y Control Industrial 14

15 CIRCUITO DE PARTIDA Arranque Directo Arranque Directo con Inversor de Marcha La inversión del giro se consigue cambiando dos fases, para lo que hace falta dos contactores con dos contactos auxiliares un NO y un NC por cada contactor, también un enclavamiento mecánico. El enclavamiento mecánico, a veces se sustituye por un doble enclavamiento eléctrico, utilizando pulsadores de doble contactos. El mando del inversor requiere una botonera de mando de tres botones, dos de marcha y uno de paro. Para cambiar el sentido del giro es necesario parar y esperar que el motor se pare. Caso de no esperar y dar la orden de giro en sentido contrario, sin que el motor se haya parado por si mismo, se producirá un frenado brusco y una marcha a contracorriente. Esto produce un consumo de corriente tan elevado que puede llegar a fundir los fusibles. Para evitar esto, puede acoplarse un contacto con retraso a la conexión, un electroimán freno en el eje del motor o unos fusibles de mayor amperaje. Ingeniería en Automatización y Control Industrial 15

16 Arranque Indirecto con Actuador Cuando un motor comienza a girar, lo hace arrastrando en su rotación todo el peso del hierro que forma la parte móvil, venciendo la inercia de su peso. Cuanto mayor es el motor mayor inercia, y más largo el tiempo necesario para que el motor alcance su velocidad de funcionamiento. Durante el tiempo que dura esta resistencia al paso de reposo al de funcionamiento normal, el motor consume tres veces más que en marcha normal. El objeto de los arrancadores es disminuir este exceso de corriente. Los arrancadores por sistema estrella triángulo consisten en hacer las conexiones del motor en estrella y cuando transcurre el tiempo de arranque cambiar la conexión a triángulo. Para que esto sea posible, se tiene que cumplir las siguientes condiciones: Las conexiones en estrella y triángulo se realizan con tres contactores y un relé de tiempo. Utilizando seis conductores desde el motor hasta el arrancador, los tres conductores de la parte superior del motor se tiene que corresponder con los tres conductores de abajo, si se altera el orden el motor quedaría en dos fases. Para motores pequeños (menos de 3 KW) el arranque se realiza directamente, la utilización de los arrancadores sólo se aconseja a partir de los 4 CV. Cuando entra el contactor K2 se ponen en cortacircuito los bornes XYZ, luego entra el contactor K1 y el motor arranca, la tensión de la red es 3 veces menor de la que le corresponde, luego el consumo también es menor en la misma proporción, el motor arranca y va adquiriendo velocidad, en el tema anterior se dijo que el voltaje no le afecta a la velocidad, solamente el número de polos y la frecuencia. Cuando el motor adquiere toda su velocidad el consumo baja en ese momento es cuando se abren los puentes de la estrella y entra en funcionamiento el contactor K3 que puentea U con X, V con Y, y W con Z. Es decir, los ha conectado en triángulo, la conexión que corresponde a la red (la más baja del motor). Ingeniería en Automatización y Control Industrial 16

17 Por F2 (el térmico) no pasa toda la corriente que consume el motor solamente 3 veces la intensidad nominal, por lo que este térmico se tendrá que ajustar a ese consumo. El sistema de estrella triángulo es el más popular y más empleado, el inconveniente está en la tensión del motor que no todos los motores coinciden la tensión menor de funcionamiento con la de la red, y si no es así no se puede montar este sistema habría que ir a un sistema más costoso y voluminoso que emplearía autotransformadores, para hacer la misma función de comenzar con una tensión baja y escalonadamente irla subiendo hasta llegar a la tensión de red y entonces desconectarlo. Arranque Indirecto con Actuador con Inversor de Marcha Ingeniería en Automatización y Control Industrial 17

18 Arranque Indirecto con Resistencias Rotóricas Ingeniería en Automatización y Control Industrial 18

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