ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

Transcripción

1 CLASE N 1 Fecha: Quito, 6 de abril del 2015 ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL INTRODUCCIÓN AL CONTROL INDUSTRIAL CONCEPTOS BÀSICOS SISTEMA DE CONTROL AUTOMATICO Un sistema de control automático es un conjunto de elementos físicos, que adecuadamente organizados, permiten manejar una planta o instalación industrial en forma autónoma, reemplazando al operador humano. Puede estar constituido por un interruptor que prende o apaga una lámpara, o por un conjunto de computadores y ptros equipos que maneje toda una línea de procesos dentro de una gran instalación industrial, de transporte, de defensa, etc. A continuación se presentan ciertos elementos y equipos que componen un sistema de control. Un sistema de control debe ser capaz de gobernar la respuesta de una planta, sin que el operador intervenga directamente sobre sus elementos de salida. El operador manipula los elementos de entrada y establece las magnitudes de consigna. El sistema de control se encarga de manejar las salidas, a través de los actuadores o elementos finales de control. AUTOMATIZAR Eliminar la mano del hombre en un proceso industrial para reducir el agobio de un trabajo repetitivo y los errores que se cometen por falta de atención u oportunidad en la toma de decisiones. Se requiere considerar aspectos técnicos, económicos e incluso implicaciones sociales. CONTROL Se refiere a los métodos o maneras de gobernar el comportamiento de un aparato, máquina o proceso. En un sistema de control, uno o varios parámetros, considerados de entrada, actúan sobre otros parámetros, considerados de salidas.

2 MANDO Realizar una acción o influir sobre un sistema de control para modificar valores de servicio. Los elementos auxiliares de mando son dispositivos que permiten controlar grandes cantidades de energía empleando otras menores. REGULACIÓN Regular es una acción mediante la cual, la variable de salida que se está controlando se toma constantemente en consideración para compararla con una referencia. Si existe una diferencia (error) se realiza un cambio en la variable de entrada que ejerce el control, para tratar de eliminar la diferencia establecida. El desarrollo secuencial que resulta, es un circuito de control en lazo cerrado. MANDO MANUAL Se refiere al tipo de accionamiento de un dispositivo de mando o maniobra, que se acciona con la intervención de un ser humano. MANDO AUTOMÁTICO Que actúa por sí mismo, que opera por su propio mecanismo cuando está bajo el efecto de alguna influencia impersonal, por ejemplo, bajo un cambio en la intensidad de la corriente, de la presión, temperatura o configuración mecánica. CONTACTOS ELÈCTRICOS Dispositivos mecánicos en los cuales una parte conductora actúa con otra parte conductora para formar o interrumpir un circuito eléctrico. CONTACTOS NORMALMENTE ABIERTOS (CNA).- Son aquellos dispositivos que se encuentran abiertos sin conducir, cuando el elemento que los opera no ha sido activado. CONTACTOS NORMALMENTE CERRADOS (CNC).- Son aquellos dispositivos que se encuentran cerrados sin conducir, cuando el elemento que los opera no ha sido activado. TOPOLOGÌA DE UN SISTEMA DE CONTROL LAZO ABIERTO Son sistemas de control que no reciben información del comportamiento de la planta para tomar decisiones

3 LAZO CERRADO Existe una realimentación a través de sensores desde la planta hacia el sistema de control, lo cual permite tomar mejores decisiones TIPOS DE VARIABLES VARIABLES DIGITALES También llamadas binarias, o de verdadero falso (Algebra de Boole) Solo toman dos valores en el tiempo. VARIABLES ANALÒGICAS Toman cualquier valor en el tiempo: temperatura, presión, caudal, etc. Para utilizarlas en un control se las debe trasformar a una señal eléctrica normalizada; 0V a 10 V, 4A a 20 ma.

4 PROCESO PARA CONTROLAR UN SISTEMA Un sistema está compuesto por variables de entradas, el sistema de control, y variables de salidas. Pulsador 1 MOTORES DE INDUCCION Nuestro estudio en el presente curso consiste en ver como un usuario puede controlar de manera óptima a dichos motores. En un principio sería a través del circuito de fuerza para entregar la potencia, voltaje y corriente que necesite el motor dependiendo de los datos de placa, todo se realizaría manualmente a través de un switch de cuchillas (fig 1), un ejemplo claro sería el switch de cuchillas que se observa en la ducha, pero en realidad no sería lo más óptimo, es por eso que se a adicionado a dicho circuito UN CONTACTOR (fig 2) que haría que el circuito funcione a través de un proceso automatizado.

5 R S T R S T Ff Ff SWITCH DE CUCHILLAS CONTACTOR MOTOR TRIFÁSICO MOTOR TRIFÁSICO DIAGRAMA DEL CIRCUITO DE FUERZA Fig 1 Fig 2 CONTACTOR ELETROMAGNÉTICO Es un aparato de maniobra, clasificado como interruptor, cuyo accionamiento se debe a la fuerza de atracción de un electroimán. Es utilizado en múltiples aplicaciones en las variantes de pequeña, mediana y gran potencia. La sencillez de construcción, unida a su robustez, su reducido volumen y el mantenimiento prácticamente nulo, lo hacen insustituible. COMPONENTES ESTRUCTURALES En un contactor electromagnético se distinguen los siguientes elementos estructurales: - El electroimán - Los contactos - La cámara de extinción del arco eléctrico. - Elementos mecánicos EL ELECTROIMÁN El electroimán es el elemento motor del contactor. Está compuesto por una serie de elementos cuya finalidad es transformar la energía eléctrica en una fuerza de atracción electromagnética, que es precisamente la que produce el cierre del contactor. Sus elementos más importantes son el circuito magnético y la bobina. Su estructura magnética se presenta bajo distintas formas en función del tipo de contactor e incluso del tipo de corriente de alimentación, alterna o continua.

6 EL CIRCUITO MAGNÉTICO ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL El circuito magnético está constituido por un núcleo (fijo), una armadura (móvil) y la espira de sombra, esta última requerida para electroimanes alimentados con corriente alterna. El circuito magnético incluye un pequeño entrehierro en posición cerrado, para evitar que cualquier flujo remanente mantenga atraída la armadura móvil. El núcleo está fabricado con láminas de acero al silicio unidas firmemente a fin de disminuir las pérdidas de energía motivadas por la circulación de corrientes parásitas. Su función es alojar la bobina y concentrar el flujo magnético creado por ésta y atraer a la armadura. La armadura o martillo es el elemento móvil del electroimán, su fabricación es muy similar a la del núcleo, pero a diferencia de éste, no posee espiras de sombra. Su función principal es cerrar el circuito magnético y arrastrar consigo a los contactos móviles. LA BOBINA La fuerza de atracción del electroimán es función del flujo magnético que lo atraviesa. Para originar este flujo se dispone de una bobina de excitación que se aloja en una de las columnas del núcleo del electroimán. CUANDO SE ALMIENTA LA BOBINA DEL ELECTROIMÁN CON AC Cuando la bobina del electroimán se alimenta con corriente alterna, la corriente magnetizante y el flujo pasan por cero dos veces por segundo en cada período y la armadura tiende a abrirse momentáneamente, por efecto de los muelles antagonistas, en cada inversión del flujo. La tendencia a abrir en cada inversión de flujo, se vence montando una espira cerrada, de cobre o latón, en cada una de las ranuras de las superficies del núcleo. Dicha espira recibe el nombre de "espira de sombra". CUANDO SE ALMIENTA LA BOBINA DEL ELECTROIMÁN CON DC Cuando el electroimán es alimentado con corriente continua, la fuerza de atracción F1 se mantiene constante, con lo que se logra un cierre perfecto del contactor y libre de oscilaciones Cuando el electroimán está cerrado, la resistencia de la bobina es la misma, la intensidad es igual a la de cierre, no obstante, una intensidad de corriente muy inferior bastaría para mantener el circuito en posición de cierre. En este caso y a fin de disminuir el consumo de la bobina, se hace necesario introducir una resistencia externa, en serie con la bobina, una vez que el contactor está cerrado. Esto se logra poniendo en paralelo con la resistencia externa, un contacto normalmente cerrado del propio contactor, que pone automáticamente en servicio a dicha resistencia al momento que opera el contactor. LOS CONTACTOS Los contactos son los elementos encargados de asegurar el establecimiento y corte de las corrientes y puede afirmarse que son las piezas sometidas al más duro trabajo en el contactor. Además de los contactos principales, los contactores disponen de otros contactos utilizados para funciones de enclavamiento, interbloqueo, señalización y otra funciones auxiliares en los circuitos de control; a éstos se los llama Contactos Auxiliares del contactor. Los contactos auxiliares pueden ser normalmente abiertos (NO) y normalmente cerrados (NC); y la norma IEC establece su identificación por números de dos cifras: La primera cifra identifica el número orden de cada contacto y la segunda cifra el tipo de contacto (3-4, para contactos normalmente abiertos, 1-2 para contactos normalmente cerrados). En los contactores estándares, los contactos auxiliares normalmente cerrados abren algunos milisegundos antes de que cierren los abiertos; sin embargo, algunos contactores traen contactos traslapados, en los que el contacto abierto cierra antes de que abra el contacto cerrado. Estos contactos especiales se identifican con números de doble cifra, pero terminados en 5-6 los normal-mente cerrados y 7-8 los normalmente abiertos. CONTACTOS NORMALMENTE ABIERTOS CONTACTOS NORMALMENTE CERRADOS BOBINA CONTACTOS PRINCIPALES CONTACTOS AUXILIARES

7 EXTINCIÓN DEL ARCO ELÉCTRICO Toda vez que un contactor o interruptor abra un circuito eléctrico con co-rriente, se producirá un arco eléctrico entre los contactos que provocan su erosión y la disminución de la vida útil del aparato. Los procedimientos empleados para la extinción del arco eléctrico en los contactores y en la mayoría de aparatos de maniobra, son los siguientes: o Expansión del canal de arco por separación de los contactos. o Auto-ventilación o con aire a presión. o Subdivisión del arco en pequeñas secciones por medio de placas metálicas. o Desplazamiento del arco de la zona entre contactos por medio de un campo magnético (soplado magnético). o Extinción del arco en el vacío. CLASE N 2 Fecha: Quito, 8 de abril del 2015 MANDO PILOTO MANDOS ELEMENTALES PARA UN CONTACTOR Es aquel cuya salida está activada siempre y cuando el elemento de mando permanezca activado. En la siguiente figura al presionar el elemento de mando se energiza el contactor, lo que hace que el contacto normalmente cerrado se abra (apagando el foco) y el normalmente abierto se cierre (encendiendo el foco). MANDO MEMORIZADO (MANDO MARCHA-PARO) Es un mando que provee al contactor de auto alimentación o memoria, es decir, el contactor queda energizado aún después de la desactivación del pulsante de marcha y se desactiva solo al presionar el pulsante de paro.

8 CIRCUITO CON PREDOMINIO DEL RESET En este circuito predomina la acción de apagado, al presionar los dos pulsantes a la vez el circuito quede completamente desenergizado, el pulsante de paro no deja que llegue la corriente al contactor. CIRCUITO CON PREDOMINIO DEL SET En este circuito predomina la acción de encendido, al presionar los dos pulsantes a la vez el circuito quede energizado ya que el pulsante de marcha se cierra haciendo que fluya por ese camino la corriente hacia el contactor. CIRCUITO DE MARCHA Y PARO CON ILUMINACIÓN Las luces indican el encendido o apagado de un motor, de esta forma se puede verificar en el tablero de control el funcionamiento del mismo.

9 CLASE N 3 Fecha: Quito, 13 de abril del 2015 EQUIPOS DE MANIOBRA Acción de abrir o cerrar un camino eléctrico Conexión o cierre: Establezco contacto eléctrico Desconexión o apertura: Suspensión de contacto eléctrico DISPOSITIVOS DE MANIOBRA Para maniobras de control, para maniobrar un contacto que dependen de las magnitudes y voltaje que se manejen. APARATOS DE MANIOBRA (SWITCGEAR) Son dispositivos que actúan para unir, interrumpir, conmutar o seccionar uno o más circuitos eléctricos. En toda instalación eléctrica es necesaria la utilización de elementos de maniobra, cuya misión es satisfacer una necesidad básica de cualquier explotación, la de abrir o cerrar circuitos. Un aspecto básico en el diseño de instalaciones industriales es seleccionar correctamente el elemento de maniobra teniendo en cuenta, entre otros aspectos, la tensión y corriente nominal a las que va a funcionar, la frecuencia de maniobras que va a realizar y la intensidad de corriente que debe cortar al abrir (capacidad de corte). Para realizar una selección correcta se toma en cuenta los siguientes parámetros: El voltaje y corriente nominal al que va a funcionar La frecuencia de maniobra que se va a realizar La intensidad de corriente que debe cortar al abrir La forma de operación para la apertura CLASIFICACIÓN DE LOS APARATOS DE MANIOBRA Interruptores: conexiones y desconexiones en una misma base Dispositivos de enchufe: sus partes están separadas Reguladores y arrancadores: 0,1 ajuste de variaciones de magnitud de servicio, con más capacidad de manejo

10 Fusibles: desconectan automáticamente circuitos eléctricos PULSADORES ELEMENTOS DE MANDO Y SEÑALIZACIÓN Son interruptores de accionamiento manual, que tienen retroceso y se emplean para el mando de pequeñas potencias. Los pulsadores son elementos de mando muy utilizados en la operación de contactores y principalmente en el mando de motores eléctricos. La estructura de un pulsador es básicamente el botón actuador y la cámara de contactos. SELECTORES DE MANDO Son elementos de mando similares a los pulsantes pero sin retroceso, su acción es instantánea tanto al cierre como en la apertura. Generalmente se construyen de dos y tres posiciones; y existen en el mercado con accionamiento por palanca, botón, llave, etc. BALIZAS LUMINOSAS BOCINAS ELECTRONICAS Rango A Rango B SELECTORES Existen selectores de 2 posiciones, de 3 posiciones, de 4 posiciones, etc.

11 DIAGRAMA DE CONTROL CON SELECTOR EJERCICIOS EN CLASES CONTROL AUTOMÁTICO DE UNA BOMBA DE AGUA (CON FLOTADOR) El flotador actúa en este caso como un interruptor para el motor, que se activa y desactiva en función del nivel de agua existente en la cisterna. COMANDO DE 2 MOTORES QUE ASEGURA EL ENCENDIDO DEL COMPRESOR SOLO SI ESTÁ ENCENDIDO EL MOTOR CIRCUITO DE FUERZA

12 CIRCUITO DE CONTROL ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL Con P1 se da marcha al motor de la bomba de agua, habilitando inmediatamente al motor del compresor para que pueda ser encendido sin restricción mediante P2 solamente si ha sido encendido el motor en primer lugar. MB condiciona el encendido y apagado de MC. Para parar a los motores tanto de la bomba como del compresor se lo puede hacer en cualquier instante. Diseñar el circuito de control, mediante pulsadores, para comandar tres contactores con las siguientes condiciones de funcionamiento: Los contactores se activarán, mediante su respectivo pulsador, en la secuencia estricta C1, C2 y C3, y se desactivarán en la secuencia inversa, estricta C3, C2 y C1. Al energizar el contactor C1 mediante P1 y al estar en paralelo P2 con el contacto auxiliar del contactor auxiliar CAUX éste asegura que una vez encendido no se apague inmediatamente mientras no se cumpla con la secuencia propuesta, se habilita a su vez la posibilidad de que se pueda encender el contactor C2 mediante P3 y de la misma forma que en lo descrito anteriormente al estar en paralelo P4 con el contacto auxiliar del contactor auxiliar CAUX éste garantiza que una vez encendido no se apague inmediatamente mientras no se cumpla con la secuencia propuesta y de la misma forma sucede con el contactor C3 tanto en encendido como en apagado cumpliendo con la restricción de encendido y apagado de todo el circuito. Finalmente se des energiza el contactor auxiliar CAUX para que se pueda iniciar nuevamente con una nueva secuencia. Contacto o relé auxiliar: elemento de maniobra que tiene contactos abiertos o cerrados auxiliares que se operan de diferente manera en el circuito de control. CAUX: Contactor auxiliar que obliga al cumplimiento estricto de la secuencia.

13 CLASE N 4 Fecha: Quito, 15 de abril del 2015 Diseño de una bomba de agua con un selector de 3 posiciones Manual (M)-Off-Automático (A) El funcionamiento de la bomba inicia al escoger el modo manual o automático, en el modo automático funciona con un flotador (F) y en el manual con dos pulsantes uno de marcha (P1) y otro de paro (P2) se añadido dos señalizaciones para indicar en qué modo se halla trabajando el circuito de control modo manual (LM) o modo automático (LA) y también se ha considerado un contactor auxiliar (CAUX) que ayudara cuando se cambie de modo no se haga de una manera brusca para ello se han colocado dos contactores normalmente cerrados en cada modo que también ayudaran a que no funciones los dos modos a la vez. CIRCUITO O DIAGRAMA DE FUERZA Forma parte de los diagramas funcionales o esquemáticos en los cuales no se representa el elemento físicamente como un solo conjunto sino que sus diferentes componentes (contactos, bobina y otros) se los coloca en diferentes sitios de acuerdo con la necesidad del problema a resolver, pues lo que interesa es facilitar el diseño y comprensión de un circuito. El circuito de fuerza también llamado principal es representado como un arreglo multifilar y en el que se indican la forma de alimentación de la carga, la forma de protección del circuito, y las conexiones que se realizan para alimentar y hacer funcionar adecuadamente un motor o cualquier otra carga eléctrica. CIRCUITO DE FUERZA PARA UN MOTOR 3

14 FUSIBLE: protección contra cortocircuitos RELE TERMICO: Protección contra sobrecarga FUSIBLE PROTECCIONES PARA MOTORES Son aparatos de maniobra destinados a desconectar automáticamente un circuito eléctrico, al rebasarse una determinada intensidad de corriente; lográndose esta acción por fusión del elemento. Es un equipo de protección para sobre corrientes, pues en operación normal el fusible soporta una intensidad de corriente para la cual fue diseñado, generando calor, pero al momento que la intensidad de corriente se incrementa, ya sea por un corto circuito, descarga o mal uso, el filamento se re calienta por arriba de su punto de fusión y se quema interrumpiendo así irreversiblemente el funcionamiento normal de circuito o equipo. La única solución es remplazar el fusible quemado. RELÉ TÉRMICO DE BIMETAL Son elementos de protección térmica contra sobrecargas. Consiste en la deformación de ciertos elementos bimetálicos por elevación de temperatura, es decir cuando estos elementos alcanzan una determinada temperatura se abren unos contactos auxiliares que desactivan todo el circuito y energizan un elemento de señalización. Cuando existe sobrecarga por un determinado tiempo los bimetales accionan un mecanismo de disparo con lo cual se abre el contacto que alimenta la bobina del contactor de maniobra produciéndose así la desconexión del motor. Este sistema es la protección más económica que se puede encontrar pero cabe recalcar sus limitaciones: - Curva de disparo fija, no apta para arranques difíciles. - Ajuste impreciso de la intensidad del motor. - Protección lenta o nula contra fallos de fase, dependiendo de la carga del motor. - Ninguna señalización selectiva de la causa de disparo. - Imposibilidad de auto controlar la curva de disparo.