Transcript Accionamiento automático de motores eléctricos de corriente alterna

Unidad 12. Accionamiento automático de motores
eléctricos de corriente alternade motores eléctricos de
corriente alterna
Estudiaremos:
• El contactor.
• Relé térmico de sobreintensidad.
• Elementos de mando y señalización.
• Elementos auxiliares de mando.
• Automatizaciones básicas de motores
monofásicos y trifásicos.
12 Accionamiento automático de motores eléctricos de corriente alterna
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.
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12 Accionamiento automático de motores eléctricos de corriente alterna
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.
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• Sistema de soplado.
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Soporte del contactor
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.
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Distintos modelos de contactores
12 Accionamiento automático de motores eléctricos de corriente alterna
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Constitución del contactor
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Circuito magnético
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 del contactor
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.
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12 Accionamiento automático de motores eléctricos de corriente alterna
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.
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Detalle de las espiras de sombra del
contactor de corriente alterna.
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Bobina
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.
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Bobinas de contactor
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Contactos principales
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.
Representación esquemática
de los contactos de un contactor
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.
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Han de estar dimensionados para permitir el paso
de la intensidad nominal sin calentamiento
anormal.
Contactos principales
de un contactor
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Contactos auxiliares
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.).
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.
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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
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Sistema de soplado
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.
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.
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Representación esquemática del
apagachispas de un contactor.
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Funcionamiento del contactor
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.
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Accionamiento del contactor mediante pulsadores
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.
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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.
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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.
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12 Accionamiento automático de motores eléctricos de corriente alterna
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.
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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.
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Categoría de empleo para contactores según IEC 60 947-4-1
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Categoría de empleo de los contactos y contactores auxiliares
Categoría de empleo para contactos y contactores auxiliares según IEC 60 947-5-1
B. Averías más frecuentes del contactor
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.
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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
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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.
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Comportamiento de un bimetal
ante un calentamiento
Constitución del bimetal
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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.
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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.
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Esquema de conexión de un motor trifásico mediante
contactores; a) funcionamiento normal y señalización;
b) parada por sobrecarga y señalización
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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.
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Representación esquemática
del funcionamiento del relé
térmico diferencial
12 Accionamiento automático de motores eléctricos de corriente alterna
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
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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.
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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
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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)
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Elementos de mando instantáneo
(finales de carrera)
12 Accionamiento automático de motores eléctricos de corriente alterna
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.
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Elementos de mando
instantáneo (finales de
carrera)
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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.
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Detector de proximidad
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.
Los mas utilizados son los siguientes:
Detectores de proximidad.
• Inductivos: detectan cualquier objeto o material conductor.
• Capacitivos: detectan cualquier tipo de objeto o material sean o no
conductores.
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• De ultrasonidos: también detectan cualquier tipo de objeto. Tienen
la ventaja de poder ajustar el campo de detección.
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Detector fotoeléctrico
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.
Distintos modelos de detectores fotoeléctricos
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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
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Presostato
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
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.
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Interruptor de nivel
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.
Interruptor de nivel, flotador libre
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, flotador fijo
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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.
Pilotos de señalización.
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.
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12 Accionamiento automático de motores eléctricos de corriente alterna
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.
Bocina y sirena para señalización
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.
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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.
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12 Accionamiento automático de motores eléctricos de corriente alterna
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.
Relés auxiliares de mando.
Los podemos encontrar de tipo compacto o de tipo enchufable.
Los podemos encontrar para distintas tensiones en corriente alterna o
continua.
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Pueden incorporar uno o varios contactos libres de tensión, que pueden
ser abiertos, cerrados o conmutados, para utilizarlos según convenga.
12 Accionamiento automático de motores eléctricos de corriente alterna
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.
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12 Accionamiento automático de motores eléctricos de corriente alterna
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.
Relojes horarios
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.
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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.
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Interruptores crepusculares
12 Accionamiento automático de motores eléctricos de corriente alterna
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.
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Borneros de conexión de los
cuadros de automatismos.
12 Accionamiento automático de motores eléctricos de corriente alterna
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).
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12 Accionamiento automático de motores eléctricos de corriente alterna
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.
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12 Accionamiento automático de motores eléctricos de corriente alterna
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Simbología de automatismos
12 Accionamiento automático de motores eléctricos de corriente alterna
Simbología de automatismos (continuación)
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12 Accionamiento automático de motores eléctricos de corriente alterna
Simbología de automatismos (continuación)
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12 Accionamiento automático de motores eléctricos de corriente alterna
Simbología de automatismos (continuación)
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12 Accionamiento automático de motores eléctricos de corriente alterna
Esquema de conexión para motor trifásico con inversión de giro mediante
finales de carrera
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12 Accionamiento automático de motores eléctricos de corriente alterna
Esquema de conexión para motor trifásico con arranque en estrella
triángulo
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12 Accionamiento automático de motores eléctricos de corriente alterna
Esquema de conexión para motobomba de agua trifásica mediante presostato
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