1 Introducción Automatismo se entiende como el funcionamiento de un mecanismo, sistema o proceso por si mismo, sin la intervención obligada de la mano del hombre. El automatismo minimiza el fallo humano. Los automatismos en el campo eléctrico han evolucionado considerablemente y lo podemos realizar de dos formas: una convencional o cableada y otra programable. En el automatismo convencional se trabaja fundamentalmente con elementos que accionan y protegen los receptores de consumo (contactores y relés de protección), y elementos de mando y señalización (pulsadores, temporizadores, detectores, finales de carrera, etc.), que son los encargados de realizar las distintas maniobras.
2 2. El contactor Podemos definir un contactor como un interruptor de corriente cuyas operaciones de conexión y desconexión se realizan de forma no manual. Basa su funcionamiento en la acción ejercida por el campo magnético creado por un electroimán que atrae a los contactos, cerrándolos cuando esta sometido a tensión y abriéndolos una vez desconectado de tensión por la acción de los muelles antagonistas. Esta constituido por: • Soporte. • Circuito magnético. • Bobina. • Contactos principales. • Contactos auxiliares. • Sistema de soplado.
3 Es la carcasa que envuelve todos los elementos constitutivos del contactor aislándolos entre ellos y del exterior. Se construye de material aislante poco absorbente y con buena resistencia a los golpes. Todas las conexiones se sacan al exterior mediante tornillos o terminales. Soporte del contactor Distintos modelos de contactores
4 Constitución del contactor
5 El circuito magnético esta formado por dos partes: la culata o parte fija y el martillo o parte móvil. La culata suele tener forma de E y en su columna central se aloja la bobina que cuando se somete a tensión genera un campo magnético que atrae a la armadura (parte móvil). Circuito magnético El circuito magnético de los contactares esta constituido por un núcleo de acero dulce si es para corriente continua, y por chapa magnética aislada y apilada, para reducir el magnetismo remanente, si es para corriente alterna. Circuito magnético del contactor
6 Como en los motores eléctricos, entre la columna central y la armadura queda un espacio de aire que se denomina entrehierro, y tiene como misión evitar que el contactor quede cerrado una vez que cesa la alimentación de la bobina a causa del magnetismo remanente. Los contactores de corriente alterna incorporan en las columnas exteriores de la culata unas espiras en cortocircuito, también llamadas espiras de sombra, cuya misión es producir un flujo de reacción, como se expuso en el motor de espira en cortocircuito, que hace que el circuito magnético permanezca cerrado en los instantes en que la corriente pasa por el valor 0. Detalle de las espiras de sombra del contactor de corriente alterna.
7 Es el elemento que utilizamos para controlar el contactor a distancia. La bobina esta constituida por un arrollamiento en espiral de hilo esmaltado de pequeña sección sobre un carrete aislante, que se aloja en la columna central de la culata. Se fabrican para distintas tensiones de funcionamiento tanto para corriente continua como alterna. Bobina Bobinas de contactor
8 Pueden ser unipolares, bipolares, tripolares o tetrapolares y están formados por dos partes, una fija y otra móvil. Esta ultima es la que arrastra el martillo del contactor haciendo que se una a la parte fija del contacto cuando se acciona. Estos contactos se suelen fabricar de plata con óxidos de cadmio, materiales que presentan una buena continuidad a la vez que los dota de una gran resistencia a la oxidación, al arco eléctrico y a los choques mecánicos. Han de estar dimensionados para permitir el paso de la intensidad nominal sin calentamiento anormal. Representación esquemática de los contactos de un contactor Contactos principales de un contactor Contactos principales
9 Pueden ser tanto abiertos como cerrados, así como bloques temporizados. Han de estar diseñados solo para la intensidad de consumo de las bobinas de los contactores. Normalmente los contactores incorporan un contacto auxiliar abierto (N.A.) y otro cerrado (N.C.). Contactos auxiliares Si se necesitan mas contactos, se suelen acoplar al contactor bloques de contactos para aumentar el numero. También es posible usar relés o contactores auxiliares que llevan solo contactos auxiliares. Su bobina se conecta en paralelo con la del contactor de forma que estos contactos quedan asociados al contactor. Bloques de contactos auxiliares para ampliar el número y bloque temporizado para contactor
10 Para evitar que el contactor se deteriore rápidamente es necesario que esté dotado de sistemas de soplado del arco. Se emplean varios sistemas: por autoventilación, por soplado magnético o, el mas utilizado, de cámaras desionizadoras o cámaras apagachispas. Sistema de soplado Representación esquemática del apagachispas de un contactor. Estas ultimas están constituidas por unas aletas metálicas colocadas cerca del contacto que hacen que cuando aparece el arco, este se desvíe hacia las aletas y los contactos, reduciendo el tiempo de enfriado y como consecuencia la desaparición del arco.
11 Cuando aplicamos tensión a la bobina del electroimán, éste se activa y la armadura unida a los contactos es atraída, los contactos normalmente abiertos (N.A.) se cierran y los normalmente cerrados (N.C.) se abren. Al cortar la tensión a la bobina del electroimán, se desactiva. La armadura vuelve a reposo por la acción de unos muelles antagonistas y los contactos vuelven a su posición de reposo. Funcionamiento del contactor
12 Lo que nos interesa es que el contactor se accione o se pare mediante impulsos de corriente y no de una forma permanente como se hace mediante interruptores. Si pulsamos S1 el contacto 1-2 se cierra, y la lámpara se enciende, si dejamos de pulsar la lámpara se apagará. Accionamiento del contactor mediante pulsadores
13 Para mantener la lámpara encendida, añadimos un contacto auxiliar abierto 13-14 del contactor, en paralelo con el pulsador S1. Al pulsar S1, la bobina del contactor cierra los contactos 1-2 y 13-14, con lo que el contactor permanece conectado porque se realimenta a través del contacto 13-14 aunque dejemos de pulsar S1.
14 Para poder apagar la lámpara, conectamos en serie con el circuito un pulsador S2 normalmente cerrado por delante del pulsador S1. Si damos un pulso a S1, el contactor se activa cerrando los contactos 13-14 y 1-2. La lámpara se enciende y permanecerá encendida hasta que demos un pulso a S2, con lo que desconectamos la bobina del contactor y este a su vez desconecta los contactos 13-14 y 1-2. La lámpara se apaga y permanecerá apagada hasta que volvamos a pulsar S1.
15 Los contactores presentan ventajas frente a los interruptores manuales, como son: Seguridad de los operarios en los accionamientos. No actuamos sobre el elemento de corte del motor directamente que, en caso de avería del motor en su puesta en marcha, repercute sobre el interruptor manual mientras lo accionamos. Proporciona un gran ahorro en conductores. Para conectar un motor mediante interruptores manuales, llevamos los tres conductores de alimentación del motor desde la línea de alimentación pasando por el interruptor y llegando al motor. Si usamos contactores, colocamos el contactor cercano al motor y a la línea, llevando para el accionamiento solo tres conductores de pequeña sección para conectar los pulsadores, Se acciona el motor a distancia. El operario no tiene que situarse cerca del motor ni de la línea de este. El alejamiento se realiza con unos costes mínimos.
16 Categorías de empleo de los contactores A la hora de elegir un contactor, hay que tener en cuenta algunas características de la instalación que ha de controlar, como son el tipo de corriente, el tipo de receptor que va a alimentar, así como la potencia de los receptores. Categoría de empleo para contactores según IEC 60 947-4-1
17 Las averías mas frecuentes en los contactores suelen deberse a las siguientes causas: Calentamiento excesivo o soldadura de los contactos: puede estar originado por mala elección del contactor o por avería en el receptor que alimenta. Fallos de la bobina: normalmente producidos por excesivo calentamiento de esta o por corte del hilo. Fallos por problemas en el circuito electromagnético: son los provocados por el deterioro o desgaste de las piezas del contactor debido a un excesivo numero de maniobras, por vibraciones o por el excesivo calentamiento del contactor. B. Averías más frecuentes del contactor Categoría de empleo para contactos y contactores auxiliares según IEC 60 947-5-1 Categoría de empleo de los contactos y contactores auxiliares
18 3. Relé térmico El relé térmico es el elemento utilizado en automatismos para proteger los motores eléctricos contra sobrecargas y desequilibrios o faltas de fase. El uso de automatismos permite realizar la protección de forma mas eficaz y a la vez mas económica. Para ello, se hace uso de los relés térmicos. Puede ser térmico de sobreintensidad o térmico diferencial. Pueden utilizarse tanto en corriente continua como alterna. . Distintos modelos de relés térmicos de sobreintensidad
19 A. Relé térmico de sobreintensidad Estos relés son los mas utilizados y protegen a los motores eléctricos contra las sobrecargas prolongadas. Basan su funcionamiento en la curvatura que experimenta un bimetal como consecuencia del calentamiento. Sobre el bimetal se arrolla un hilo calefactor conectado en serie con cada fase. Comportamiento de un bimetal ante un calentamiento Constitución del bimetal
20 Los relés suelen estar formados por tres bimetales, uno por fase. Están unidos por una regleta que se desplaza solidaria con los bimetales. La intensidad absorbida calienta el arrollamiento calefactor, haciendo que las laminas bimétalicas se deformen en mayor o menor grado en función de dicha intensidad. A la hora de elegir un relé, habrá que conocer la intensidad nominal del motor y elegir uno en el que el margen de regulación incluya la intensidad de este. Como en los disyuntores magnetotérmicos, la intensidad de corte se ajusta a la intensidad nominal del motor mediante un mecanismo de regulación incorporado al relé, así como un pulsador de parada y otro para resetearlo en caso de corte.
21 Cuando la deformación es suficiente, actúa sobre el elemento de disparo, que suele ser un contacto auxiliar. Puede ser cerrado, abierto o, como en la mayoría de los casos, incorporar los dos. Representación esquemática del disparo de un relé térmico El contacto cerrado se acopla en serie con la bobina del contactor. En caso de abrir por calentamiento, desconecta el motor. El contacto abierto se suele usar para la señalización de la anomalía.
22 Esquema de conexión de un motor trifásico mediante contactores; a) funcionamiento normal y señalización; b) parada por sobrecarga y señalización
23 B. Relé térmico diferencial Cuando, además de las sobrecargas, necesitamos proteger de forma eficaz el desequilibrio de fases (diferencia de valor de las intensidades de fases) o bien la falta de una de las fases, ya sea por falta de esta o porque haya fundido un fusible, recurrimos al relé térmico diferencial. En esencia, es igual que el térmico, pero incorpora dos regletas en vez de una, cuyo movimiento solidario con los bimetales controla el desplazamiento. Representación esquemática del funcionamiento del relé térmico diferencial
24 El relé térmico diferencial no se debe utilizar en circuitos desequilibrados o circuitos trifásicos que alimenten receptores monofásicos, ya que el mismo circuito haría cortar al relé. Para poder utilizarlo en un circuito monofásico bastaría con poner en serie dos bimetales. Forma de utilización de un relé térmico diferencial con receptores monofásicos
25 4. Elementos de mando y señalización Los dispositivos de mando son muy numerosos. Su elección se realiza teniendo en cuenta las condiciones de utilización así como el tipo de intervención, que puede ser de: Mando por intervención humana (manual): pulsadores, conmutadores, pedal, maneta, etc. Mando automático: mando de contacto, roldana, presostato, temporizador, detector de proximidad, etc. Tanto en un caso como en el otro, los elementos de mando incorporan en su interior unos contactos abiertos, cerrados o conmutados, que son los encargados de intervenir sobre el circuito de mando de la instalación para realizar las distintas maniobras.
26 A. Mando manual El mando manual puede ser permanente o instantáneo. El permanente es aquel en que el dispositivo mantiene la posición hasta que se actúa de nuevo sobre el elemento. Son los denominados biestables, que, como se ha explicado anteriormente, suelen ser los interruptores, conmutadores, selectores, etc. Elementos de mando permanente
27 Los elementos de mando instantáneos (monoestables) son los que recuperan la posición de reposo una vez que cesa la fuerza ejercida sobre ellos. Encontramos en este grupo los pulsadores y los finales de carrera. Estos elementos se utilizan tanto para accionar (incorporan contacto abierto) como para detener (incorporan contacto cerrado). Elementos de mando instantáneo (pulsadores) Elementos de mando instantáneo (finales de carrera)
28 Un pulsador especial es el de parada de emergencia. No es mas que un pulsador normalmente cerrado, que en algunos casos incorpora enclavamiento para mantener la posición de abierto una vez accionado. Es del tipo saliente y su impulsor tiene forma de seta, de ahí que reciba el nombre de seta de emergencia por su similitud con los hongos. Se inserta en el circuito de mando de las distintas maquinas o de la instalación en su totalidad para desconectar de forma rápida en caso de anomalía grave. Elementos de mando instantáneo (finales de carrera)
29 B. Mando automático El mando automático aprovecha los cambios de algunas magnitudes físicas, como pueden ser la presión, el nivel, la temperatura, la iluminación, etc. Estos cambios físicos, asociados mediante el mecanismo adecuado a unos contactos, los utilizamos en el control de los contactores que alimentan las distintas maquinas de una instalación. Los contactos asociados a los elementos se insertan en los circuitos de mando de los contactores haciendo que las maquinas se pongan en funcionamiento o se paren según se haya previsto. En el mercado podemos encontrar una gran variedad de elementos de mando automático.
30 Son elementos de mando que realizan funciones parecidas a las de los contactos por mando mecánico, aunque son estáticos y no contienen piezas en movimiento. Se basan en el disparo de un circuito electrónico cuya señal de salida es similar a la del contacto electromecánico de apertura o cierre. Detector de proximidad Los mas utilizados son los siguientes: • Inductivos: detectan cualquier objeto o material conductor. • Capacitivos: detectan cualquier tipo de objeto o material sean o no conductores. • De ultrasonidos: también detectan cualquier tipo de objeto. Tienen la ventaja de poder ajustar el campo de detección. Detectores de proximidad.
31 Los detectores fotoeléctricos constan de un emisor y un receptor de luz, esta luz puede ser de tipo visible o invisible, normalmente infrarrojos. Cuando un objeto se interpone en el haz luminoso y modifica la cantidad de luz que llega al receptor, provoca el cambio de estado de la salida. Permite la detección de todo tipo de objetos y es de gran aplicación en el campo industrial. Detector fotoeléctrico Distintos modelos de detectores fotoeléctricos
32 Normalmente llevan incorporado un contacto conmutado libre de tensión que cambia de posición cuando un objeto corta el haz. De los sistemas existentes, los de mas aplicación son los siguientes: • Sistema de barrera • Sistema réflex • Sistema de proximidad Representación esquemática de los sistemas de detección fotoeléctrica
33 Son elementos de mando encargados de controlar la presión tanto de gases como de líquidos. Su funcionamiento se basa en una membrana que se pone en contacto con el medio a controlar que, a su vez, arrastra un contacto. Presostato Presostato Podemos encontrar presostatos de máxima, de mínima o diferenciales. En los de máxima presión, el contacto abre al llegar a la presión regulada. En los de mínima, el contacto cierra al llegar a la presión regulada. El presostato diferencial controla tanto la presión máxima como la mínima, el mismo contacto cierra con la presión mínima y abre con la presión máxima.
34 Estos elementos supervisan el nivel de liquido de los depósitos, arrancando o parando de forma automática las electrobombas para mantener el nivel del deposito. Los podemos encontrar de tipo flotador libre o de flotador fijo. El primero lleva en el interior del flotador un contacto de ampolla de mercurio que abre desconectando el circuito cuando el flotador esta en posición vertical con el contrapeso abajo. El de flotador fijo incorpora un contacto mecánico que abre cuando el flotador esta en el nivel alto y, mediante una leva, empuja al contacto desconectando el circuito. Interruptor de nivel Interruptor de nivel, flotador libre Interruptor de nivel, flotador fijo
35 C. Elementos de señalización En las instalaciones eléctricas se suele recurrir a elementos de señalización que nos indican en todo momento el estado de funcionamiento de la misma. Para ello se recurre a lámparas de señalización o elementos acústicos, o ambos combinados. La norma UNE EN-60 204-1 establece el código de colores que deben tener estos indicadores: el verde para funcionamiento normal, el rojo para alarma y el ámbar para alguna alerta. La señalización en automatismos se suele realizar mediante pilotos, que incorporan talcos de colores para las distintas indicaciones. Estos colores están normalizados tanto para los pilotos de señalización como para los pulsadores. Pilotos de señalización.
36 La señalización acústica se realiza mediante sirenas, silbatos, bocinas, etc. Se utilizan para alertar de avisos o anomalías que requieren atención temprana o en recintos de gran extensión. La señalización óptico-acústica se suele utilizar para indicar maquinas en movimiento y evitar los golpes imprevistos. En muchos casos es necesario vigilar los parámetros de la instalación con mayor precisión, como pueden ser intensidad, temperatura, presión, nivel de programa, etc. En estos casos, se recurre a visualizadores numéricos o alfanuméricos que presentan sobre una pantalla o display la información de una manera mas exhaustiva de la que nos pueden aportar los anteriormente expuestos. Bocina y sirena para señalización
37 5. Elementos auxiliares de mando Cuando en la realización de un automatismo se nos presenta la necesidad de realizar maniobras cíclicas o repetitivas que no necesiten la intervención del operario, recurrimos a otros elementos. En unos casos, requerimos que estos elementos realicen la maniobra en un tiempo determinado; en otros, dada la complejidad del automatismo, necesitamos mas contactos de los que incorporan los propios contactores. Recurrimos a elementos auxiliares que nos solucionan estas tareas.
38 A. Relé auxiliar Para ampliar el numero de contactos o realizar maniobras adicionales en una instalación de automatismos, recurrimos a los relés auxiliares. Su constitución y funcionamiento es idéntico al del contactor, aunque menos voluminoso, y sus contactos están diseñados para soportar las intensidades de los circuitos de maniobras. Los podemos encontrar de tipo compacto o de tipo enchufable. Los podemos encontrar para distintas tensiones en corriente alterna o continua. Pueden incorporar uno o varios contactos libres de tensión, que pueden ser abiertos, cerrados o conmutados, para utilizarlos según convenga. Relés auxiliares de mando.
39 B. Relé temporizado En automatismos se presentan maniobras que han de realizarse a partir de un tiempo desde la maniobra anterior o hay que realizar maniobras cíclicas. Para estos casos se recurre a los relés temporizados. Estos elementos están constituidos por un circuito electrónico temporizador que actúa sobre la bobina de un relé auxiliar que, a su vez, incorpora uno o varios contactos auxiliares libres de tensión. Relés temporizados El tiempo que son capaces de regular puede ser desde impulsos hasta de horas. Este tiempo no es de valor fijo, sino que puede regular un tramo de tiempo, que ajustamos sobre un potenciómetro incorporado al aparato.
40 C. Reloj horario Cuando la carga a controlar supera a la que pueden soportar los contactos, estos actúan sobre la bobina de un contactor activando el circuito de potencia para accionar la carga. Cuando los tiempos a regular afectan a días, semanas o años, se utilizan los relojes. En esencia, es un reloj electrónico que a la hora programada activa un relé interno que abre o cierra uno o varios contactos. Pueden ser analógicos o digitales. Permiten hacer conexiones, desconexiones y pulsos de corriente para realizar maniobras de corto espacio de tiempo o, en otros casos, de horas. Se conecta a la red para alimentar el sistema de relojería que, por lo general, tiene una reserva de tiempo para seguir funcionando en el caso de quedarse sin suministro eléctrico. Permiten maniobras cíclicas diarias, semanales o anuales. Relojes horarios
41 D. Interruptor crepuscular Es un dispositivo eléctrico que controla el accionamiento de una instalación de alumbrado cuando el nivel de iluminación natural que incide sobre el no alcanza el establecido. Dispone de una resistencia de valor variable (LDR) que, con la luz que recibe, asociada a un sistema comparador, va midiendo la señal recibida por la LDR y la compara con un valor prefijado en el interruptor crepuscular. Dependiendo de dicho valor, abre o cierra sus contactos a través de un relé. El contacto suele accionar la bobina del contactor para cerrar el circuito de potencia. Incorpora un mecanismo retardador para que entre la conexión y la desconexión no se realicen conmutaciones repetidamente, o para que no le afecte una luz fugaz. Interruptores crepusculares
42 6. Automatizaciones básicas de motores monofásicos y trifásicos
Cuando se diseña una maniobra con automatismos, tenemos que utilizar distintos elementos, como pueden ser aparatos de protección, contactores, elementos de mando, señalización, etc. Para agrupar y conectar todos estos elementos, se recurre a los cuadros de maniobras, que centralizan todos los elementos y se conectan con la línea de alimentación y los receptores mediante borneros de conexión. Borneros de conexión de los cuadros de automatismos.
43 Los cuadros de mando son armarios que pueden ser tanto metálicos como de poliéster. Incorporan en su interior una placa extraíble sobre la que se coloca la instalación y los borneros de conexión al exterior. La puerta se mecaniza para situar los elementos de mando y señalización. Cuadro de mando de cabina de pintura para vehículos. Vista exterior (izquierda), vista interior (derecha).
44 Cuando diseñamos un automatismo, lo primero es realizar el esquema de conexiones de dicho automatismo. Generalmente, se suele diferenciar en dos esquemas, uno para el circuito de fuerza o potencia y otro para el circuito de maniobra. Los esquemas se han de realizar mediante símbolos normalizados, para que cualquier técnico pueda interpretar y en su caso montar el circuito de automatismo. En las Tablas siguiente se recoge la simbología de los elementos mas utilizados en automatismos. Para la identificación de los elementos, suelen ir acompañados por una o dos letras seguidas de un numero que los relaciona entre ellos.
45 Simbología de automatismos
46 Simbología de automatismos (continuación)
47 Simbología de automatismos (continuación)
48 Simbología de automatismos (continuación)
49 Esquema de conexión para motor trifásico con inversión de giro mediante finales de carrera
50 Esquema de conexión para motor trifásico con arranque en estrella triángulo
51 Esquema de conexión para motobomba de agua trifásica mediante presostato