L U I S F L O W E R L E I V A

CONTROLES Y AUTOMATISMOS

ELECTRICOS

T E O R I A Y P R A C T I C A

SEGUNDA EDICION

Autor: Luis Flower Leiva

Dibujos y diagramacin: Lus Flower Leiva

Id ito r y Productor: Telemecanique de Colombia S.A.

m presin: c aB B H B P

rim era edicin 1989 iegunda edicin 1990

BN 958-95319-0-3

apyright 1989 Luis Flower Leiva

^servados todos los derechos conforme a la ley

Bogot - Colombia

P R O L O G O

La automatizacin elctrica, hasta hace poco empleada exclusivamente en las industrias ms avanzadas y sofisticadas, ha ido entrando progresivamente en nuestro medio industrial, prcticamente en todas las reas, pues el avance tecnolgico tan continuo y vertiginoso, en un mundo eminentemente industrializado, hace imprescindible e imperiosa la necesidad de optimizar los procesos, a fin de obtener una rpida Informacin sobre el estado de un sistema, ahorrar tiempo, energas, etc.

Los progresos en la automatizacin se deben particularmente a que stos dan respuestas efectivas a necesidades tcnicas, econmicas y humanas, para eliminar las tareas difciles y peligrosas; mejorar la productividad incrementando la calidad. eficiencia y rapidez de un proceso de produccin; controlar una produccin flexible e incrementar la seguridad y el control.

El presente trabajo no es sino una introduccin al estudio de los CONTROLES Y AUTOMATISMOS ELECTRICOS Por consiguiente, no se pretende en modo alguno abarcar todo el tema, ni mucho menos agotarlo, pero s prestar una nyuda eficaz a todas aquellas personas, especialmente estudiantes, que desean conocerlo y practicarlo.

Con 1a finalidad de dar una fundamentacin ampla, clara y sencilla sobre el tema, se ha dividido el libro en cinco secciones:

La primera parte es una sntesis de aquellos conocimientos tericos sobre electricidad, que debe tener todo aquel que desee iniciarse en el estudio de controles y automatismos elctricos.

La segunda parte presenta algunos aspectos prcticos y esenciales para la lectura, interpretacin, anlisis y diserto de circuitos elctricos, particularmente de control o mando.

La tercera parte es un estudio tecnolgico de los elementos ms usados actualmente en el trabajo con circuitos de potencia, control y automatismos elctricos en general.

La cuarta parte tiene como finalidad presentar algunos conocimientos fundamentales sobre motores elctricos, especficamente sobre los diversos sistemas de arranque.

La quinta parte presenta una serie de ejercicios prcticos, siguiendo una secuencia progresiva de dificultad y complejidad en los montajes, con el objetivo fundamental de familiarizar al estudiante con los principios de funcionamiento y manejo de los diferentes elementos de deteccin, tratamiento y accionamiento, para conducirlo progresivamente no slo al montaje, sino sobre todo al anlisis e interpretacin de cualquier esquema de control, e inclusive al diserto de circuitos de control o mando manual y automtico.

Como podr verse, solamente se tratan aquellos aspectos y temas que la experiencia me ha enseado son los ms necesarios y prcticos para iniciarse e introducirse con una fundamentacin slida en el estudio de Controles y Automatismos Elctricos y dedicarse luego, con cierta seguridad, a trabajar en este campo tan amplio y delicado, pero al mismo tiempo apasionante y de proyeccin casi infinita, en la industria actual y del futuro.

El hecho de presentar el libro en cinco bloques separados obedece a:

i O frecer un libro abierto a diferentes niveles de estudio, de manera que sea ' posible organizar los diferentes temas de acuerdo con cada necesidad particu

lar que se presente.

2o El deseo de hacer de este trabajo algo realmente til, prctico y funcional, sobre todo cuando se trata de recordar o consultar algn tema o punto especfico.

Espero que este trabajo, dentro de sus limitaciones, sea de gran utilidad para todas aquellas personas que estn estudiando (bachilleres tcnicos, estudiantes de carreras intermedias, universitarios, etc.) instalaciones industriales y accionamientos elctricos, o ya se encuentren trabajando en instalaciones o mantenimien to industrial.

Finalmente quiero expresar mi ms profundo agradecimiento a la empresa TELE- M ECANQ UE DE COLOMBIA S.A., quien hace posible la publicacin de la presente obra, evidenciando una vez ms, al cumplir sus 15 aos de presencia en Colombia, que durante todo este tiempo, no solamente ha trabajado para contribuir con el desarrollo tecnolgico e industrial de la nacin, sino que ha tenido una constante y particular preocupacin por la preparacin y formacin tcnica del personal de las Empresas e Instituciones Educativas de todo el pas en el rea de la automatizacin industrial. Magnfico ejemplo para todas aquellas empresas que desean contribuir eficazmente con el desarrollo y engrandecimiento de Colombia.

El autor.

Bogot D .E ., Mayo de 1989

I N D I C EI Nociones fundamentales de electricidadI. Corriente elctrica 91.J. Fsica elctrica 91.2. Corriente elctrica 101.3. Magnitudes elctricas fundamentales 121.4. Ley de ohm 142. Corriente alterna 152.1. Caractersticas generales 152.2. Valores fundamentales 162.3. Sistemas mfts empleados 173. Circuitos elctricos con A.G 203.1. Generalidades 203.2. Circuitos puramente resistivos 203.3. Circuitos RL y RC 213.3.1. Generalidades sobre electromagnetismo 213.3.2. Inductancia 243.3.3. Circuitos RL en serle y en paralelo 263.3.4. Capacitancia 323.3.5. Circuitos RC en serie y en paralelo 344. Potencia elctrica en A.C. 374.1. Potencia elctrica en circuitos puramente resistivos 374.2. Energa elctrica 384.3. Energa calorfica 394.4. Potencia en circuitos no resistivos 39II Esquemas elctricos1. Generalidades 472. Clases de esquemas 483. Smbolos y convenciones 55III Tecnologa de controles y automatismos1. Generalidades 632. El cont actor 672.1. Definicin 672.2. Partes 672.3. Funcionamiento 772.4. Clasificacin 772.5. Ventajas 782.6. Eleccin 782.7. Causas de deterioro o dafto 793. Elementos de mando 813.1. Definicin 813.2. Clasificacin 813.3. Aspectos pr&cticos para la conexin de pulsadores 834. Elementos auxiliares de mando 844.1. Definicin 844.2. Interruptores de posicin o finales de carrera 844.3. Rels de tiempo o tempori/adores 854.4. Presostatos4.5. Termostatos 894.6. Programadores 894.7. Detectores * 89

4.7.1. Detectores de proximidad inductivos y capacitivos 894.7.2. Detectores fotoelctricos 914.7.3. Aplicaciones y eleccin de los detectores 955. Elementos de sealizacin 976. Elementos de proteccin y maniobra ; 986.1. Definicin 986.2. Clasificacin 986.2.1. Fusibles 986.2.2. Rels trmicos 986.2.3. Rel trmico diferencial 1006.2.4. Rels termomagntlcos 1016.2.5. Rels electromagnticos 1026.2.6. Rel electromagntico diferencial 1026.3. Daos en los rels de proteccin 1036.4. Otros elementos de maniobra y proteccin 1036.4.1. Sonda de termistancias 1036.4.2. Guardamotor 1036.4.3. Optimal 25 1046.4.4. Integral 1046.4.5. Variadores de velocidad 105 IV Motores asincronos trifsicos1. Sistemas de arranque con contactores 1091.1. Clasificacin de los motores elctricos 1091.2. El motor asincrono trifsico 1091.3. Arranque de motores con rotor en cortocircuito 1121.3.1. Generalidades 1121.3.2. Arranque directo en un solo sentido 1121.3.3. Arranque directo con inversin de marcha 1131.3.4. Arranque por conmutacin estrella-tringulo 1151.3.5. Arranque por resistencias estatricas 1181.3.6. Arranque por acoplamiento estrella-resistencias-tringulo 1191.3.7. Arranque por autotransformador 1201.4. Arranque de motores con rotor bobinado 122V Ejercicios prcticos sobre controles y automatismos1. Recomendaciones para realizar un montaje 1272. Arranque directo 1292.1. Circuito de potencia 1292.2. Circuitos de mando 1292.3. C ircuito de potencia de un sistema secuencal 1382.4. Circuitos de mando de sistemas secuenciales manuales 1382.5. Circuitos de mando en sistemas automticos 1433. Inversores de marcha 1603.1. C ircuito de potencia 1603.2. Circuitos de mando > 1604. Otros sistemas de arranque 1754.1. Arranque por conmutacin estrella-tringulo 1754.2. Arranque por acoplamiento estrella-resistencias-tringulo 1804.3. Arranque por autotransformador 1814.4. Arranque por resistencias estatricas 1824.5. Arranque por resistencias rotricas 1834.6. Arranque de motores de 2 velocidades 184Anexos 188

INOCIONES FUNDAMENTALES DE ELECTRICIDAD

I. C O R R IE N T E E L E C T R IC A

1.1. FISICA ELECTRICA

1.1.1. MATERIA:

Es todo aquello que puede ser percibido por nuestros sentidos y ocupa un lugar en el espacio: los metales, los gases, los lquidos, etc. Est compuesta por molculas.

1.1.2. MOLECULA:

Es la parte ms pequea en que puede dividirse la materia, sin que pierda sus ca ractersticas fsicas y qumicas. Est compuesta por tomos.

1.1.3. ATOMO.

Es la parte ms pequea en que puede dividirse un elemento (sustancia bsica que no puede descomponerse en otras y que constituye toda la materia) sin que pierda sus caractersticas fsicas y qumicas. Est compuesto por protones, neutrones y electrones.

Un tomo en estado natural tiene el mismo nmero de electrones y protones, por lo cual decimos que es elctricamente neutro (carga positiva y negativa iguales).

A l igual que un tomo, todo cuerpo en estado natural es elctricamente neutro.

P

Lte tono pesd.e. un e.ecisin, quedando cargado positivam ente, po/i o cua l

La corriente elctrica es trasmisin de energa (por lo cual se desplaza aproxlm a. damente a 300,000 Km por segundo), y debe existir necesariamente un circuito quo permita este flujo constante de electrones.

f) Q 0 6 QElenanto que transforma la e r * r g a a l ie t r ic a n o tras fornas m m t r - g ia t lu z , c a lo r , no /ia ion to n o e t i co, te .

1.2.2. TEORA ELECTRONICA:

Los electrones se desplazan siempre de un potencial negativo a un potencial positivo, de tal manera que, para que haya corriente elctrica, debe existir necesariamente una diferencia de potencial.asf como para que se produzca flujo de agua entre un tanque y otro, debe existir necesariamente un desnivel entre am bos, de manera que el agua del tanque superior pase al inferior.

1.2.3. CLASES DE CORRIENTE ELECTRICA:

1.2.3.1. Corriente continua (D.C.6 C .C ):

Aquella corriente que no presenta variacin ni en magnitud, ni en sen_ tido.

1.2.3.2. Corriente alterna (A.C.):

Aquella corriente que vara, a intervalos peridicos, tanto en magnitud como en sentido o direccin.

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i/

1.3. MAGNITUDES ELECTRICAS FUNDAMENTALES

1.3.1. INTENSIDAD, AMPERAJE 6 CORRIENTE (I):

Es la cantidad de electrones que circula por un conductor en unidad de tiempo.

La unidad para medir intensidades es el amperio.

AMPERIO (A) : Es el paso de un columbio (=6.28 x 1016 electrones) en un segundo, a travs de un conductor.

- Mltiplos : kiloamperio (KA) = 1,000 amperiosmegamperio (MA) - 1'000,000 de amperios

Submltiplos : miliamperio (mA) = 0.001 amperiomicroamperio (uA) - 0.000,001 amperio

E l instrum ento adecuado para m edir esto magnitud es e l AnPERIWETRQ, que se conecta an s e r ie , i n terrum piendo e l c i r c u ito .

T am b in s e p u e d e e m p l e a r l a P I N Z A A M - PER0P1ETRICA ( p e r o n ic ame nte con A . C . ) , en cu yo c a s o no es n e c e s a r i o i n t e r r u m p i r e l c i r c u i t o .

1.3.2. TENSION, VOLTAJE 6 FUERZA ELECTROMOTRIZ (E 6 U):

Es la diferencia de potencial existente entre dos cargas.

La unidad para medir tensiones es el voltio.

VOLTIO (V) : Es la diferencia de potencial que causa el paso de un columbiopara producir un joule de trabajo. En otros trminos, voltio es la diferencia de potencial elctrico que existe entre dos puntos de un circuito, por el cual circula una corriente de un amperio, cuando la potencia desarrollada entre estos puntos es de un vatio.

Mltiplos: kilovoltio (KV) * 1,000 voltiosmegavoltio (MV) = 1'000,000 de voltios

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tSubmltiplos: milivoltio (mV) s o.OOI voltio

mlcrovoltlo ( uV) - 0.000,001 voltio

E l i n s t r u m e n t o que so emplea p a r a m e d i r e s t a m a g n i t u d es e l VOLTJf l tTRO, que s p c o n e c t a en p a r a l e l o c o n e l c i r c u i t o cuya t e n s i n se desea a e d i r .

1 .3 .3 . RESISTENCIA (R):Es la oposicin o dificultad que ofrece un conductor al paso de la corriente.

La unidad para medir esta magnitud es el ohmio-

OHMIO ( ) : Es la resistencia aue ofreW una columna de mercurio de 106.3---------------------- cm de longitud y I mm2 de seccin al paso de la corriente.

Mltiplos. kilohmio (KI2) . 1 ,0 0 0 ohmiosm egohm io (M?) = i '000 ,000 ele ohmios

Submltiplos: tienen muy poca utilizacin ya que el ohmio es de por s unaunidad muy pequea.

E l i n s t r u n e n t o que se e m p l e a para m e d i r e s t a rcag n i t u d es e l OHI1ETR0. A l u s a r e s t e i n s t r u m e n t o e l c i r c u i t o no debe t e n e r t e n s i n a l g u n a # Y deDe c o n e c t a r s e en p a r a l e l o c o n e l e l e m e n t o Que se d e sea * e d i r . Es muy comn e l uso d e l hme t ro pa ra m e d i r c o n t i n u i d a d , es d e c i r , p a r a v e r s i e l c i r c u i t o e s t o no i n t e r r u m p i d o .

El instrumento para m e d i r grandes r e s is te n c ia s , aislamiento de los conductores y fugas a tierra se denomina M E G C E R .1.3.3.1. F a c t o r e s q u e afectan la r e s i s t e n c i a d e u n conductor

a) La longitud (L): a mayor longitud c o r r e s p o n d e una mayor resistencia.

b) La seccin

d) La temperatura- Normalmente con el aumento de la temperatura aumenta la resistencia, pero se dan materiales en los cuales con el aumento de temperatura disminuye la resistencia. Este comportamiento variable da origen a las termorresistencias o termistores.

+ Resistencias NTC (coeficiente negativo de temperatura): son elementos en los que su resistencia baja rpidamente al aumentar la temperatura. Se fabrican partiendo de xidos semiconductores de algunos metales como C r, Mn, Fe, etc.

* Resistencias PTC (coeficiente positivo de temperatura): son elementos con un coeficiente de temperatura muy positivo, dentro de un margen de temperaturas determinado, fuera del cual el coeficiente puede ser cero o inclusive negativo. En general al aumentar la temperatura aumenta la resistencia. Se fabrican con mezclas de titanatos de bario y estroncio.

Estos tres factores se expresan matemticamente as: R = p -g -

1.3.3.2. Otros factores de los cuales depende la resistencia de un conductor.

a) Resistencias dependientes de la iluminacin (luz):

Se denominan fotorresistencias aquellos elementos cuya resistencia vara al cam biar las condiciones luminosas del ambiente. El valor de la resistencia disminuye a medida que aumenta la luz.

b) Resistencias dependientes de la tensin o VDR:

Son elementos en los cuales el valor de la resistencia disminuye al aumentar la tensin aplicada. Se fabrican a base de carburo de silicio.

1.4. LEY D E OHM

Se refiere a la relacin existente entre las tres magnitudes fundamentales. Se enun c ia de la siguiente manera:

'U l in ten sid a d dA.ctamentz p/iopo/iciona a la ten sin e inv&tsajnente. p/iopo/icional a Jta a jzsistencla* ____

Matem ticam ente se expresa as: | sK

de la cual se deducen las siguientes ecuaciones: E = I R R =

N ota: estas frmulas se usan en circuitos con c.c. y en circuitos con c.a. purameii te resistivos. Ms adelante se ver cmo se usan en circuitos con corriente alterna.

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2. CORRIENTE ALTERNA

2.1. CARACTERISTICAS GENERALES

2.1.1. CICLO :

Variacin completa de la teroin y/o corriente de 0 a un valor mximo positivo y luego a 0, de ste a un valor mftximo negativo y finalmente a 0.

representacin vecto r ia l y sinusoidal de la corriente alterna

2.1.2. FRECUENCIA (f) :

Nmero do ciclos que se producen en un segundo. Su unidad es el hertz (Hz). que equivale a un ciclo por segundo. Se representa con la letra f.

2.1.3. PERIODO (T) :

Tiempo necesario para que un ciclo se repita. Se mide en segundos y se representa con la letra T.

Frecuencia y periodo son dos valores inversos: T = f

2.1.4. LONGITUD DE ONDA (A):

Distancia (en lnea recta) que puede recorrer la corriente en el tiempo que dura un ciclo completo. Es igual a la velocidad de la corriente entre la frecuencia:

A . 300.000 Km/seg f

2.1.5. FASE :

Es la relacin de tiempo entre tensiones y/o corrientes alternas, independientemente de sus magnitudes.

En una representacin vectorial o cartesiana se puede consideror como fase cada

una de las posiciones que va ocupando un punto determinado a lo largo de su tra yectoria circular o sinusoidal. Estas variaciones se dan en grados, por lo cual se denominan ngulos de fase.

2.1.6. DEFASAJE O DIFERENCIA DE FASE :

Se dice que dos ondas (que tienen la misma longitud, no necesariamente la misma magnitud) estn defasadas cuando sus valores mximos no se producen al mismo tiempo.

onda* en /a A t onda* defam ad a

El defasaje que puede darse entre tensiones o corrientes, como tambin enire una * tensin con relacin a una corriente, depende del retraso o adelanto de una onda con respecto a otra. Generalmente se mide en grados, para una mayor precisin.

2.2 . VALORES FUNDAMENTALES

2.2.1. VALOR INSTANTANEO :

Es el valor que tiene la tensin y/o corriente en un instante determinado. De all que una onda tiene infinito nmero de valores instantneos.

2 .2 .2 . VALOR M AXIM O O P IC O :

Es el mayor de los valores instantneos que puede alcanzar la corriente y/o ten- sin en un semiciclo. Nos determina la amplitud de la onda.

Este valor es importante por:

* Seguridad, debe tenerse presente que el valor mximo del voltaje en corriente alterna, an cuando slo se produce dos veces por cada ciclo, es mayor que el voltaje considerado comnmente. Por ejemplo el valor pico para una tensin de 208 V es 294 V, mucho ms alto y por consiguiente ms peligroso que los 208 V.

* Aislamiento: Al considerar el aislamiento de un conductor, se debe tener en cuenta el valor mximo de la tensin, ya que en realidad soportar tensiones ms altas (an cuando esto suceda slo en ciertos momentos)en un circuito con c.a . que o tro equivalente con c.c., y que podra perfo-

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rar el material aislante.

E l v a l o r i n s t a n t n e o so p r o duce en t o d o s l o s p u n t o s que c o n T o rn a n un c i c l o .

2.2.3. VALOR MEDIO :

Es el promedio de todos los valores instantneos de medio ciclo. Es igual a 0.637 del valor mximo.

Ejemplo : el valor medio para una tensin pico de 294 V ser:294 V x 0.637 - 187.27 V

2.2.4. VALOR EFICAZ CUADRATICO MEDIO (r.c.m.) :*

El valor eficaz de una tensin o corriente alterna es el que, en un circuito puramente resistivo, produce la misma cantidad de calor que la producida por una corriente continua del mismo valor. Por ejemplo una corriente alterno, cuyo valor eficaz es I A generar el mismo calor, en una resistencia de 10 ohmios, que el ge nerado por una corriente continua de 1 A.

El valor eficaz es igual a la raz cuadrada del valor medio de la suma de los cuadrados de los valores instantneos de corriente o tensin durante medio ciclo.

En funcin del valor pico, el valor eficaz es 0.707 del valor pico; o bien podemos obtener el valor eficaz dividiendo el valor pico por 1.4142 .

Este es el valor ms importante, ya que cuando se habla ordinariamente de c ie rtos valores de tensin o corriente, se est haciendo referencia al valor eficaz. As, cuando se habla de 120, 150, 208, 260, 380 440 V (tensiones ms usadas en nue* tro medio) se hace referencia exclusivamente a los valores eficaces.

2.3. SISTEMAS MAS EMPLEADOS

2.3.1. SISTEMA MONOFASICO :

Sistema en el cual se emplea una fase y el neutro (sistema bifilar).

2.3.2. SISTEMA BIFASICO :

En este sistema se emplean dos fases (bifilar) o dos fases y neutro (trifilar), por

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lo cual se lo llama tambin monofsico trifilar.

2.3.3. SISTEMA TRIFASICO :

Recibe el nombre de sistema polifsico de corriente el conjunto formado por varias corrientes alternas monofsicas, de igual frecuencia y valor eficaz, y que estn defasadas entre s un ngulo elctrico igual a 360, dividido por el nmero de fases.

Se denomina fase a cada una de las corrientes monofsicas que forman el sistema.

Por excepcin recibe el nombre de sistema bifsico aquel formado por dos fuerzas electromotrices alternas monofsicas, defasadas entre s 90 y no 180, como se supondra por la definicin anterior.

El ms utilizado de los sistemas polifsicos es el TRIFASICO {trifilar o tetrafilar), por las ventajas que ofrece: facilidad de transporte, sencillez, menor consumo, ve satilidad de algunas mquinas alimentadas por este sistema (por ejemplo motores asincronos trifsicos), etc.

rep resen tac in v e c to r ia l representac in sinuso ida l

La rotacin de tres bobinas igualmente espaciadas en el interior de un campo ma ntico constante, genera tres fuerzas electromotrices inducidas, con tensiones de la misma magnitud, defasadas entre s 120.

Estos tres grupos pueden conectarse en estrella o en tringulo.

2.3.3.1. Conexin en estrella :

Esta forma de conexin se obtiene uniendo los tres finales de las bobinas entre s, formando un punto comn llamado punto neutro (de donde se saca el conductor neutro) y los tres principios quedan libres para entregar las tensiones de las tres fases (R - S - T).

Con esta form a de conexionado puede obtenerse un sistema trifsico tr if i la r o te- tra fila r, as Como dos tipos de tensiones y/o corrientes: de fase y de lnea.

u) Tensin de fase o tensin simple (E f ):Es la diferencia de potencial entre un conductor de lnea (fase) y el conductor neutro (RN - SN - TN).

Id

b) Tensin de lnea o tensin compuesta (El):Es la diferencia de potencial entre dos conductores de lnea (tensin entre fa ses = RS = RT = ST).

TENSIOKoe

L IN E A

El valor de la tensin de lnea y el de la tensin de fase estn estrechamente relacionadas entre s. En efecto:

RS = RO OS sustituyendo E l * 2 RO sustituyendo E l = 2 x Cos 30 x E f

y/'sustituyendo El * 2 x x Ef

sim plificondo E l = /5 E f

donde dondo

Cos 30

RSRO

E l y RO Cos 30 RN

OS y RN = E f

: 2

o bien EfE l

' T de modo que la tensin de lnea ser veces mayor que la tensin de fase y asu vez la tensin de fase / 3 veces menor que la tensin de lnea.

2.3.3.2. Conexin en tringulo:

Se realiza una conexin en tringulo cuando seune el final de una bobina con el principio de lasiguiente hasta obtener un sistema cerrado.

Las tres fases (R -S-T) se obtienen de los tres pun tos de unin. En este caso obtendremos nicamente un sistema trifsico t r i f l la r (sin conductor neutro por carecer del punto comn para obtenerlo)con slo tensin de lnea, ya que la tensin defase es igual a la tensin de lnea.

En los sistemas trifsicos las tensiones y/o corrien.tes se dan siempre por sus valores eficaces entre fases o entre fases y neutro, que corresponden a las tensiones de lnea y fase respectivamente.

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3. CIRCUITOS ELECTRICOS CON A.C.

3.1. GENERALIDADES

Un circuito elctrico es el recorrido completo que realiza la corriente, desde que sale de la fuente hasta que retorna a ella, pasando por una o ms cargas (dispositivos donde la energa elctrica se transforma en otras formas de energa) a travs de unos conductores.

En consecuencia, todo circuito elctrico debe estar compuesto necesariamente por:

C A R G A

a. Fuente de energab. Conductores de conexinc. Carga

3.1.1. C IR C U ITO ABfERTO :

Circuito que se encuentra interrumpido en algn punto del mismo. Se tiene energa, pero no hay flujo de corriente elctrica.

3.1.2. C IR C U ITO CERRADO :

C ircuito sin interrupcin alguna. Se tiene energa y flujo de corriente elctrica.

3.2 . C IRCUITOS PURAMENTE RESISTIVOS

Circuitos en los cuales las cargas elctricas estn constituidas exclusivamente por resistencias.

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3.2.1. CIRCUITO SERIE :

Circuito en el cual la corriente tiene un solo recorrido.

Clculo de I, E y R:

I t - h * \2=... In Et E l* E2*... En

Rt R1 + R2+... Rn

3.2.2. CIRCUITO PARALELO :Circuito en el cual la corriente tiene posibilidad de varios recorridos.

Clculo de I, E y R:It * I l* l2 * ... IniE t = El 2 ... En

1 1 1 1Rt " E l E5 * R

Nota: cuando en un circuito paralelo se tienen solamente dos resistencias diferentes, se puede emplear la siguiente ecuacin (derivada de la frmula general):

Rt Ri R 2R l* R 2

3.2.3. CIRCUITO SERIE - PARALELO o MIXTO :

Circuito en el cual la corriente tiene en parre un solo recorrido, y en parte posibilidad de varios recorridos.

Clculo de I, E y R :

Para calcular estas tres magnitudes, debe reducirse previamente el circuito mixto a uno que sea solamente serle o solamente paralelo.

Notas: * En todos estos circuitos los valores de I y E se consideran por sus valores eficaces.

La ley de ohm tiene completa y total aplicacin, exactamente como si se trotara de circuitos con corriente continua.

3.3. CIRCUITOS RL Y RC

3.3.1. GENERALIDADES SOBRE ELECTROMAGNETISMO :

3.3.1.1. Campo magntico originado en un conductor:En todo conductor, a travs del cual circula corriente, se genera un campo magn tico circular. La intensidad de este campo est dado por las lneas de fuerza que

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se producen, as como por Ja distancia que hay entre ellas.

El sentido de las lneas de fuerza se determina mediante la regla de la mano iz quierda: si se cierra la mano izquierda alrededor de un conductor, de manera que el pulgar seale la direccin del flujo de la corriente, el campo magntico que rodea el conductor tendr la direccin de los dedos que rodean el conductor.

3 .3 .1 .2 . Campo magntico originado en un solenoide:

Solenoide es un conductor arrollado en forma de espiral. A l circular la corriente por 1, se genera un campo magntico similar al de un imn.

La polaridad de dicho campo se conoce mediante la regla de la mano izquierda si se cierra la mano izquierda alrededor de un solenoide, de manera que los dedos que rodean el solenoide sealen la direccin de la corriente, el dedo pulgar seala r el polo norte.

3 .3 .1 .3 . Campo magntico originado por una corriente alterna:

Como la corriente alterna vara constantemente en magnitud y sentido, tambin el campo magntico generado en el conductor y/o solenolde, por el que circula a.

cambiar constantemente en intensidad (magnitud) y polaridad (sentido de las lneas de tuerza).

3.3.1.4. Fuerza electrom otriz inducida o fuerza contraelectromotriz (fcem):

"uando se mueve un conductor a travs de un campo magntico, se genera o in- luce una fuerza electromotriz (FEM) en e l conductor. La direccin de sta depen-

N

2

de de la direccin del movimiento del conductor, respecto a ja direccin de| campo magntico, y se determina mediante la regla de la mano derecha: si se coloca el pulgar, el ndice y el dedo medio formando ngulos rectos entre s, modo que el pulgar nos seale la direccin hacia donde se desp|aza e| conductor, y e | ndice la direccin de las lneas de fuerza, el dedo medio nos sealar el sentido en el cual fluye la fuerza electromotriz inducida.

La magnitud de la fuerza electromotriz inducida ser:

a) Directamente proporcional a la intensidad del campo magngtfC0b) Directamente proporcional a la longitud del conductorc) Directamente proporciona! a la velocidad con que el conductor atraviesa el cam

po magntico. ~d) Proporcional a la direccin hacia donde se mueve el conductor:

. si el conductor se mueve formando ngulo recto con respecto a la direccin del campo, la FEM es mxima;

. si el conductor se mueve paralelamente a la direccin del campo, no se induce FEM.

De acuerdo con la ley de Lenz, un cambio en la corriente produce una FEM cuya direccin es tal que se opone al cambio de la corriente, es decir,

cuando una corriente est disminuyendo, la FEM inducida tiene la misma direccin de la corriente y trata de mantenerla en su valor sin que disminuya; y si est en aumento se produce un fenmeno similar, pero contrario, ya que la polaridad de la FEM inducida es opuesta a la direccin de la corriente, tratando de evitar que staaumente. De a ll que la E aplicada y la FEM inducida estarn siempre defasadas 180, por lo cual la accin de la FEM inducida es opuesta a la accin aplicada, razn por la cual se la llama tambin fuerza contraclcctromotriz (feem).

La fuerza contraelectromotriz depender tambin de la forma del conductor, de all que cuando ste es arrollado en forma de bobina, la feem aumentar, por cuan to el flujo magntico, al expenderse y contraerse, cortar varias espiras al mismo tiempo.

3.3.1.5. Autoinduccin-

Debido a una variacin constante que se produce en el campo magntico que se genera alrededor de un conductor, por el cual circula c.a., puede considerarse que las lneas de fuerza cortan el conductor, producindose un efecto similar al originado cuando el conductor se mueve dentro de un campo magntico, es decir, se genera o induce una FEM en el mismo conductor, o sea se produce autoinduccin.

Como toda FEM inducida tiene magnitud y polaridad, que dependen de la rapidez con que se expande o reduce el campo magntico, lo cual a su vez depende do la velocidad con que vara la corriente, es decir de la frecuencia, de manera que a mayor frecuencia, mayor FEM inducida.

23

As mismo depende de la intensidad de la corriente: las corrientes intensas producen campos magnticos ms intensos, de tal manera que la FEM autolnducida ser directamente proporcional a la amplitud y frecuencia de la corriente alterna que la produce.

3.3.1.6. Induccin mtua:

La induccin de la FEM en una bobina por lneas de fuerza generadas por otra bobina, recibe el nombre de induccin mGtua.

La bobina que genera las lneas de fuerza o flujo se denomina primario, y aquellaeri la cual se induce la FEM se llama secundario.

La magnitud de la FEM inducida depende de:

a) Posicin relativa de las dos bobinas,b) Nmero de espiras que tengan las bobinas:

. si el secundario tiene menor nmero de espiras que el primario, la FEM inducida ser menor;

. si el secundario tiene mayor nmero de espiras que el primario, la FEM inducida ser mayor.

L a induccin mGtua tiene directa aplicacin en los transformadores.

3 .3 .2 . INDUCTANCIA (L) :

An cuando la inductancia es en realidad una caracterstica fsica del conductor, a menudo se la define, ms bien, en funcin del efecto que tiene en el flujo de la corriente, y que se expresa as:

[n d n c Ja n c ia ( cuya unidad e J h e n .tyj la p*x>pLedad de. un csuulo e J cO ii.co a oponesiAe. a cualguUx./i candi de. a c o - ruUje/vLe. en 1 .

Los conductores arrollados en forma de solenoides o bobinas son los que presentan las mayores inductancias.

3.3 .2 .1 . La bobina:

Es un arrollamiento de alambre en forma de espiral. Est compuesta por;

a) Conductor: suele ser un alambre slido de cobre, revestido con un aislamiento esmaltado, a travs del cual circular la corriente.

b) Ncleo: elemento que se encuentra dentro de la bobina. Puede ser de un materia l ferromagntico o de un material aislante (en cuyo caso normalmente slo ser soporte o formaleta y no adquirir propiedades magnticas).

Cuando el ncleo puede moverse dentro de la bobina, se obtiene una inductanc ia variable (determinada por la posicin del ncleo).

La inductancia de una bobina depende:

a) Del ncleo:

* Material del cual est hecho: ya que si es ferromagntico, el campo magntico se intensifica por el reforzamiento o suma de las lneas de fuerza pro-

>4

ducidas por la bobina.

. Seccin transversal: a mayor rea transversal se obtendr un mayor nmero de lneas de fuerza.

. Longitud: a mayor longitud corresponde un flujo magntico menor.

b) De las espiras:

. A mayor nmero de espiras, mayor inductancia

. Cuanto ms cercanas entre s las espiras, se tendr una mayor inductancia

Todos estos factores se expresan matemticamente de la siguiente forma:

, _ 0.4 n N* u A donde: N nmero de espirasl u * permeabilidad magntica

A rea transversal del ncleo - longitud del ncleo

c) De la Intensidad de la corriente: cuanto mayor corriente circule por la bobina, se obtendr mayor intensidad en el campo magntico.

Cuando el ncleo llega a un lmite mximo de flujo magntico, se dice que ste se ha saturado.

3.S.2.2. Inductancia pura:

Es aquella que se considera sin resistencia ni capacitancia.

El efecto inductivo que se produce en una bobino, considerada como inductancia pura, provoca un defasamiento de atraso de 90 de la corriente con respecto a la tensin. Este defasaje mximo ir disminuyendo a medida que aumente la resistencia de la bobina, pues en un circuito puramente resistivo la tensin e intensidad estn en fase.

3.3.2*3. Reactancia inductiva (X l ):

En un circuito de c.a. con solo inductancias, la cantidad de corriente que fluye es determinada por la feem que contrarresta la tensin aplicada, por lo que se comporta como una resistencia, al lim itar el flujo de corriente. Por este motivo la oposicin que presenta una inductancia al paso de corriente alterna se llama reactancia Inductiva y se expresa en ohms.

Corno la feem depende de la L y de la f, la X l se puede calcular as:donde: 2*f representa la rapidez de cambio de la corrien

X l* 2 irfL te L es la inductancia expresada en henrys

Dado que en un circuito puramente inductivo, el nico factor que lim ita el flujo de-corriente es la reactancia inductiva, puede aplicarse la ley de ohm, con la co-

o n n r o o

25

Frrespondiente adecuacin. As obtendremos: i = teniendo presente de que un va

lor especfico de reactancia inductiva se aplica slo para una frecuencia especfica, de tal manera que si se altera la f, tambin quedar alterada la X l , haciendo que un mismo circuito sea ms o menos inductivo.

3.3.2.4. Clculo de la inductancia total en circuitos puramente inductivos:

a) Circuitos en serie : L t * L i L2 ... Ln ------------------------------------------- 1-----------1----- j -bl Circuitos en paralelo : y r- + y-. rLt * L1 T L2 +"* Ln

'3.3.3. CIRCUITOS RL EN SERIE Y EN PARALELO :

3.3.3.1. Propiedades del tringulo rectngulo:

a) Teorema de Pitgoras: establece una relacin entre los tres lados de un tringulo rectngulo.

Se enuncia as: la hipotenusa (H) al cuadrado es igual a la suma de los cuadrados de los catetos.

Su expresin matemticas es:

H* = C 2 c2

b) Funciones trigonomtricas bsicas: es la relacin establecida entre catetos o entre un cateto y la hipotenusa, en funcin de los ngulos agudos del tringulo rectngulo. Est dada por un valor numrico.

Las funciones bsicas son:

* SENO de un ngulo agudo es la relacin entre el cateto opuesto a dicho ngulo y la hipotenusa:

Sena c a t e t o BC hipotenusa Sen 6 =c a t e t o AChipotenusa

El valor numrico est entre 0 y 1

# COSENO de un ngulo agudo es la relacin entre el cateto adyacente a dicho ngulo y la hipotenusa:

Cosac a t e t o A C hipotenusa

CosS c a t e t o BChipotenusa

El valor numrico est entre I y 0

* TANGENTE de un ngulo agudo es la relacin entre el cateto opuesto y el cateto adyacente a dicho ngulo, o bien la relacin entre el seno y el coseno del mismo ngulo.

tan a

tan 3

cateto8CcatetoAC

catetoAC c a t e t o 6C

tan a Sen a Cos a

' SI26

El valor numrico no tiene las limitaciones del seno y coseno.

Nota: conocida una funcin puede hallarse el valor del ngulo correspondiente mediante la funcin inversa (arco seno, arco coseno y arco tangente).

3.3.3.2. Circuitos RL:

Un circuito RL es aquel que est formado tanto por resistencias como por induc- t anclas.

La diferencia fundamental entre un circuito RL y un circuito puramente resistivo radica en que las relaciones de fase en las partes resistivas del circuito RL son diferentes a las relaciones de fase en las partes inductivas, afectando ambas, aun- que en forma diferente, el funcionamiento general del circuito.

En estos circuitos, tanto la resistencia como la reactancia inductiva, se oponen al flujo de corriente. El efecto combinado de ambos es lo que se denomina IM P E - D A N C IA (Z) del circuito, y que se mide en ohmios.

En estos circuitos, la ley de ohm es totalmente aplicable, con la salvedad de que,segn los componentes que se usen, la R debe considerarse bien sea como X l o

E E Ebien sea como Z. En consecuencia tendremos: I = t-, o I = v. o I =R Xl Z3.3.3.3. Circuitos RL en serie:

Un circuito RL en serie puede estar constituido por una o ms resistencias y por una o ms inductancias.

Cuando la resistencia interna de la bobina o bobinas es 10 veces inferior a alguna de las resistencias del circuito, no se toma en cuenta su valor, por lo que norm almente las bobinas se consideran como inductancias puras.

R R

3 .3 .3 .3 .I. In te n s id a d :Por ser un circu ito serie, la intensidad ser la misma en todo el circuito, exactamente como si fuera n circu ito puramente resistivo

Por consiguiente, para el grfico siguiente, tendremos:

27

R,s4oon R,= 2oon11 I R i = IR2 = Li IL2

Aplicando la ley de ohm tendremos:u E . _ E fi E I t = z IR = R X l

3.3.3.3.2. Tenin:En un circuito puramente resistivo la tensin total es Igual a la suma algebraica de las tensiones parciales. En un circuito RL en serie, la tensin total tambin ser igual a la suma de las tensiones parciales (Er y El ), pero teniendo presente que la tensin en R est en fase con la intensidad, mientras que en la inductancia la E est adelantada 90 con respecto a I, de manera que, tomando como referencia la corriente, se puede afirmar que E l est adelantada 90 con respecto a E r .

Aplicando la ley de ohm obtenemos las siguientes expresiones para las tensiones parciales:

o v

E r = I r x R E l * l l x X l

La E total ser la suma vectorial de las tensiones parciales de R y L, donde E l y Er son dos vectores perpendiculares. La suma de ambos ser la hipotenusa del tringulo rectngulo que se ha formado, en el cual E l y E r son los catetos.

Por lo tanto, aplicando el teorema de pitgoras ten dremos:

Et /E 'R E2 l

E t - / 80*V 60*V

E t = /1 0 ,0 0 0 V

E t = 100 V

As como El est defasada 90 con respecto a Er , tambin la Et estar defasada de Er , pudindose averiguar ste ngulo de dcfasaje de la siguiente manera:

El vector que representa la E t y el vector que representa la Er forman un tringulo rectngulo, en el cual la hipotenusa mide 100 V, el cateto adyacente al ngulo 80 V y el cateto opuesto (que es igual a E l ) 60 V. Por consiguiente podemos aplicar la siguiente funcin trigonomtrica bsica:

28

~ E rCOSO -

C0S IW V = 0-8 o 36.87

3.3.3.3.3. Impedancia:

fts toon Es la oposicin total del circuito al flujo de corren te, equivalente a la R total de un circuito puramen te resistivo.

En un circuito puramente resistivo, la resistencia total es igual a la suma algebraica de las resistencias parciales.

En un circuito RL en serie, como la I es la misma para la resistencia y la inductancia, en tanto que la El est adelantada 90* con respecto a Er , se considera que X i est adelantada 90 con respecto a R.

De all que, para calcular la impedancia, la suma de R y Xl deber ser una suma vectorial.

Por un proceso similar al aplicado para calcular la E t tendremos;

Z

Z

z

z

/ R 3 X a

/ 100a 8 50*8

/ 2 ,5008

111.808

El ngulo de deasaje de E e I, en funcin de los

componentes resistivos, se calcula como sigue:

Cosa 1008111.808

Cosa = 0.894454

a - 26.56

29

3 .3 .3 .3 .4 . ec to de l a pi&cuenc-ia en un cI acilLo RL en enie.:

Los valores relativos de X l y R determinan el ngulo de defasaje entre Z e I.

Como X l vara con la frecuencia, tambin el valor relativo de Z se ver afectado, por lo que un mismo circuito tendr propiedades distintas, variando nicamente la frecuencia: cuanto ms baja la frecuencia, el circuito se comportar como un circuito exclusivamente resistivo (por ser X l bajo), y cuanto ms alta la frecuencia, se comportar como un circuito puramente inductivo (Xl es mayor).

3.3.3.4. Circuitos RL en paralelo:

Circuitos en los cuales se tienen una o ms resistencias y una o ms inductancias conectadas en paralelo.

3.3.3.4*1 7'Al igual que en un circuito puramente resistivo, en un circuito RL la tensin total es la misma en cada una de las ramas resistivas e inductivas.

L 1 E t * E r a E l

S ) Aplicando la ley de ohm: ^ I2 0 V l < 120V

^ ^ E r = IrR El s I I X l

| f E t = I tZ

3.3.3.4.2. In ten s id a d :Lo corriente total, la corriente de las ramas resistiva e inductiva son independientes, pues la cantidad de corriente que circula por cada rama estar dada por los valores que tengan las resistencias y las reactancias inductivas, por cuanto la tensin es la misma en todas las ramas.

En consecuencia tendremos:

para las ramas resistivas: IR ^

p8ra las ramas inductivas: ! i ^

La corriente total ser igual a la suma vectorial de las corrientes de las ramas resistivas e inductivas, por la diferencia de fase existente entre ellas, ya que I r est adelantada 90 a ! i . En efecto, como la tensin es la misma en ambas ramas, se puede afirmar que sta est en fase con I r, y adelantada 90c a I .

30

lt sO.GA

Por este motivo, la Intensidad total del c ircu ito RL en paralelo, se hallar aplicando el teorema de p it - goras (en forma similar a la aplicada para calcu lar la tensin total en un circuito RL en serie).

11 = /F ~ rT " F l

I t / 0.82A 0.52A

I t . / 0.89A

i t = 0.94A

Para calcular el ngulo de defasaje entre I t y E ( - I r ) se emplea la siguiente funcin trigonom trica bsica:

Si se aplica la ley de ohm

tendremos: It - ^

3.3.3.4.3. Impadanca:Es la oposicin total al flujo de corriente presentada tanto por la rama resistiva, como por la rama inductiva.

Su valor se calcula en forma similar a la realizada en un circuito puramente re sistivo con dos resistencias.

Z *

R XL

/ F T W

100 X 50G

/ l 0 0 2ft Z * 44.7

502flComo puede observarse el valor de Z siempre ser in ferior al valor ms bajo del circuito.

En el caso de conocerse la E t y la It.se aplica la ley de ohm:

EJ ngulo de defasaje entre t y E, en funcin de R, X l y Z se halla mediante la siguiente ecuacin:

Cosa - ^

3.3.3.4.4. ecto de la '/vecuencm en CMiato RL en paAatjpJfo:Los efectos que produce el cambio de frecuencia en un circuito RL en paralelo son diferentes a los efectos que se produce en un circuito RL en serie, donde el aumento de la frecuencia hace ms inductivo un circuito.

En efecto, en un circuito RL en paralelo, el aumento en la frecuencia produce un aumento en X l , haciendo ms resistivo el circuito y por consiguiente menos induc tivo, debido a que la corriente en la rama inductiva ser menor, mientras que en la rama resistiva se hace mayor.

A l disminuir la frecuencia se produce un fenmeno opuesto al anterior, de tal manera que, a frecuencias muy bajas, el circuito ser casi exclusivamente inductivo.

Por este motivo, a medida que aumenta la frecuencia, disminuye el ngulo de de- fosa je

3.3.4. CAPACITANCIA (C) :

Es la propiedad de un circuito elctrico que le permite almacenar energa e lc trica, por medio de un campo electrosttico, para liberarlo posteriormente.

La unidad de capacitancia es el faradio (= cuando al aplicar a dos placas I voltio, almacena 1 columbio de carga en cada una de ellas).

El efecto capacitivo que se produce en un condensador (cuando se lo considera como capacitancia pura) provoca un defasamiento de adelanto de 90 de la corriente respecto a la tensin.

Este defasaje mximo ir disminuyendo a medida que vaya aumentando la resistencia.

o - . A / V V V - oo I I o

3.3.4.1. Capacitores:

Ms comnmente conocidos como condensadores, son elementos que introducen capacitancia en un circuito.

Existe un capacitor siempre que un material aislante separe a dos conductores que tengan diferencia de potencial entre st.

Los capacitores estn constituidos por dos placas y un material aislante o d ie lc trico.

Un capacitor est cargado cuando existe diferencia de potencial entre sus placas. A mayor carga de las placas se obtendr un campo elctrico ms intenso, pero s esta carga es excesiva (sobrecarga) se produce la perforacin de las placas, d e te riorndose el capacitor.

3.3.4.2. Reactancia capacitiva (Xc):

Un capacitor se opone al flujo de corriente alterna en forma anloga a una resistencia o a una inductancia. Esta oposicin que presentan las capacitancias se denomina reactancia capacitiva y se expresa en ohmios.

Como el flujo de corriente es directamente proporcional a la frecuencia y capacitancia, la reactancia capacitiva ser inversamente proporcional a los mismos. De a ll que sta puede calcularse mediante la siguiente expresin:

Xc * ^fp donde. 2 nf representa la rapidez de cambio de la71 corriente

C es la capacitancia expresada en faradios

En un circuito capacitivo (al igual que en los circuitos inductivos), como el Gnico factor que lim ita el flujo de corriente es la reactancia capacitiva, puede aplicarse la ley de ohm, con la correspondiente adecuacin, obtenindose la siguiente e x

presin: 1 =

Como Xc es inversamente proporcional a la f, cuando sta se altere, tambin se modificar la corriente, pero en proporcin directa.

3.3.4.3. Clculo de la capacitancia total en circuitos puramente capacitivos:

a) Circuitos en serie: = 4 r + i - +... A-C t C i C Cnb) Circuitos en paralelo: C t C i C 2 ... Cn

33

I3.3.5. CIRCUITOS RC EN SERIE Y EN PARALELO :

3.3.5.1. Circuitos RC en serie:

Son circuitos compuestos por una o ms resistencias y por uno o mfis capacitores.

3 .3 .5 .1.1* IniffJiidad:Como todo circuito serie, ia corriente total es la misma que fluye a travs de todos y cada uno de los diversos componentes, es decir a travs de las resistencias y capacitores.

I t = I R = le

Aplicando la ley de ohm:

3.3.5.1.2. leru-n:

La tensin total del circuito se obtiene:

Aplicando la ley de ohm: Et = I t Z

Sumando vectorialmente:

E t = / F i T E

E t - / T T i > v

E t = /24 ,4 00 V

E t = 156.20V

c * lOOV

4

El ngulo de defasaje, formado por la corriente y la tensin total, se calcula empleando la siguiente funcin trigonomtrica bsica:

Cos a E r = E t

Cosa120V

* 156.20V

Cosa * 0.7682

a - 39.80

3.3.5.1.3. Im pcdancia:Es la oposicin total al flujo de la corriente que ofrecen las resistencias y reactan cias capacitivas del circuito.

Su valor se calcula sumando vectorial mente R y X c rRZ / R 2 4 X c

Z = / 1002ft 802 Aplicando la ley de ohm:

z . i iZ = /1 6 ,4 0 0 fi

Z = 128.06 f i

Para averiguar el ngulo de defasaje en funcin de los componentes resistivos (Z, R y Xc), se emplea la siguiente funcin trigonomtrica:

Cos a R " Z

Cosa lOOft " 128.06

Cos a = 0.7809

a * 38.66 1

3.3.5.2. Circuitos RC en paralelo:

Circuitos en los cuales se tienen una o ms resistencias y una o ms capacitancias conectadas en paralelo.

Por procesos similares a los realizados en circuitos RL en paralelo tendremos:

EC" i o o v

35

3.3 .5 .2 .I. Taun:

MOV

La tensin aplicada (Et) a un circuito RC en paralelo llega directamente a cada rama, de tal manera que la tensin total es la misma e igual, tanto en la rama resistiva como en la rama capacitiva.

E t = E R = EcAplicando la ley de ohm:

Et It Z

3.3.5.2.2. InLejvJdad:

3.3.5.2.3. Im/fedancia:

La corriente de cada rama es independiente, estando supeditada nicamente al valor que R y Xc tengan, por cuanto la tensin es la misma en ambas ramas.

Aplicando la ley de ohm obtendremos:

i R . f lc l e

Como en la rama resistiva 1 est en fase con E,mien tras en la rama capacitiva I est adelantada 90c a E (siendo E la misma en ambas ramas),se puede afirmar que Ic est adelantada 90 a I , de manera que para averiguar la intensidad total del circuito debemos sumar vectorialmente I e Ic.

De esta manera obtenemos:

It = / I 2r + lac I t / 0.52A + 0.22A

I t = / 0.29A

I t = 0.54A

Si se conociera Z, se puede

aplicar directamente la ley

ohm: I t ^

El ngulo de defasaje entre I t y E (o I r) se obtiene mediante procesos anlogos a los empleados en circuj[ tos RL en paralelo:

C o s a = j~

Oposicin total al flujo de la corriente tanto en la rama resistiva como en la rama capacitiva. Aplicando un procedimiento similar al empleado n circuitos RL en

paralelo obtendremos: Z R Xc

/ R a + X co aplicando la ley de ohm:

El valor de la impedancia siempre ser inferior a R y Xc. De estos dos factores, el de menor valor (y que por tanto deja pasar ms corriente) es quien determina el tipo predominante del circuito: si es resistivo o capacitivo.

I c 8 0 . 9 9 A

36

4. POTENCIA ELECTRICA EN A.C

4.1. POTENCIA ELECTRICA EN CIRCUITOS PURAMENTE RESISTIVOS (o en c ir cuitos con c.c.)

4.1.1. ASPECTOS GENERALES :

Si se aplica una diferencia de potencial a un circuito, ste ser recorrido por una determinada cantidad de electricidad que se transformar en otra forma de en erga (luz, calor, movimiento mecnico, etc.), por lo cual decimos que se realiza un trabajo elctrico, el cual ser proporcional a la tensin y a la cantidad de corrien te que recorre el circuito.

Como un mismo trabajo puede realizarse en tiempos diferentes, la rapidez con que ste se realice se llamar POTENCIA y se expresar en unidades de trabajo y de tiempo:

* Joule (J): es la unidad de trabajo elctrico y se define como el trabajo efectuadopor un columbio, con una diferencia de potencial de un voltio.

* La unidad de tiempo que se toma en cuenta es el segundo.

En base a estas dos unidades, POTENCIA ELEC TR IC A (P) se define como el t ra bajo elctrico que se realiza en unidad de tiempo. La unidad es el vatio.

VATIO o WATT (W): es el trabajo realizado cuando fluye un amperio, con una d i fe rencia de potencia! de un voltio.

Mltiplos: Kilovatio

En el presente grfico pedemos ver, en efecto, que, tanto en el primer seraiciclo, donde todos los valores son positivos, con en el segundo, en el cual todDs los valores son negativos, la potencia es siercpre positiva.

De acuerdo con los diferentes sistemas, la ley de watt sufrir algunas modificaciones. En efecto obtendremos:

* Sistema monofsico bifilar: P = I x E f

* Sistema monofsico trifllar: P I x E l

* Sistema trifsico : P = /3 ~ x 1 x E l

4.1.3. RELACIONES CON LA LEY DE OHM ;

4.1.3.1. Potencia en funcin de E y R:

FSegn la ley de ohm tenemos: I * ^

Sustituyendo este valer de I en la frmula de la potencia obtendremos:

P . f . E

4.1.3.2. Potencia en funcin de I y R:

Segn la ley de ohm tenemos: E - I x RSustituyendo este valor de E en la frmula de potencia obtendremos:

P 3 I x I x R

P - I2 x R

4 .2 . ENERGIA ELECTRICA

Es la cantidad de potencia elctrica consumida en determinado tiempo.

La unidad que mide energa elctrica es el joule o ju ila

JOULE (J) : Es la energa consumida cuando pasa un vatio durante un segundo:

J - W x seg.

36

4.3. ENERGIA CALORIFICA

Cuando la corriente fluye a travs de una resistencia, la energa elctrica se trans forma en energa calorfica, pudiendo tener efectos Gtiles o perjudiciales.

4.3.1. EFECTO JOULE :

Es la cantidad de calor producido (Q) por una resistencia. Es equivalente al produc to de la tensin que se aplica a una resistencia en sus extremos, por la corriente que fluye a travs de ella y por el tiempo (t), dado en segundos, que circula la corriente por la misma, todo ello afectado por un coeficiente de proporcionalidad, cuyo valor es 0.24. Se expresa en caloras (Cal).

Matemticamente el efecto joule se expresa as:

Q = 0.24 x t x E x I o Q 0.24 x R x Ia x t

Por su parte, la energa elctrica, en funcin de la energa calorfica es igual a:

I KWh = 864 KCal

4.3.2. POTENCIA DISIPADA O PERDIDA DE POTENCIA :

Es la energa que no se emplea en algo til, como por ejemplo el calor producido por bombillos y motores, son casos comunes de potencia disipada en forma de c a lor (P - I 2R).

La prdida de potencia se puede reducir:

a) Disminuyendo la intensidad o la resistencia del conductorb) Aumentando la tensin de alimentacin.

4.4. POTENCIA EN CIRCUITOS NO RESISTIVOS

En los casos en que la carga no es puramente resistiva, porque en ella se tienen bobinas y/o condensadores, se producir un dafesaje entre la tensin y la intensidad, de modo que al aplicar la ley de w att, el producto de E por I no siempre ser positivo, sino unas veces positivo y otras negativo, de acuerdo con el defasaje existen te.

4.4.1. FACTOR DE POTENCIA o COS.

4.4.1.1. Generalidades:

En los circuitos donde se presentan reactancias inductivas o capacitivas, parte de la potencia suministrada por la fuente, es tomada por los inductores y/o capacito-

39

res, y en lugar de ser consumida es almacenada temporalmente, para luego regresar a la fuente, sea por el campo magntico (en las bobinas), o por el campo electrosttico (en los condensadores), de manera que al multiplicarse E x I, lo que en realidad se obtiene no es la potencia consumida sino una potencia aparente.

En estos casos, para obtener la potencia realmente consumida, debe tomarse en cuenta el ngulo de defasaje o Cosf>, el cual nos indicar qu parte de la potencia aparente es- potencia real o efectiva, es decir, qu tanto de la potencia suministrada ha vuelto a la fuente.

El FACTOR DE POTENCIA se define como el coseno del ngulo correspondiente al defasaje que existe entre la tensin total y la intensidad total en un circuito con corriente alterna.

Recordemos lo visto en temas anteriores:

* En los circuitos puramente resistivos el Cosmes 1, ya que E e I estn en fasey por consiguiente el ngulo de defasaje es de 0o.

* En los circuitos RL : a) Si X l es mayor que R,el factor de potencia se aproxima a 0, ya que el circuito es ms bien inductivo.

b) Si R es mayor que X u e l factor de potencia se aproxima a I, pues el circuito es ms bien resistivo.

* En los circuitos RC : tendremos un fenmeno similar al anterior, con la d iferencia que, mientras en un circuito RL la I est atrasada 90 con respecto a E, en los circuitos RC la I estadelantada 90 con respecto a I.

4.4.1.2. Clculo del factor de potencia:

Existen varias formas de calcular el Cos. Veamos algunas de ellas:

r Potencia real o efectiva = Pefa os- p0 tencia nominal o aparente Pap

b) Cos$ (en circuitos serie RL y RC)

7c) Cos * ^ ( e n circuitos paralelo RL y RC)

4.4.1.3. Correccin o mejora , del factor de potencia

Es muy importante que el factor de potencia sea lo ms prximo posible a 1 (en .nstalaciones residenciales no puede ser menor de 0.90), de manera que la energa :onsumida sea igual a la energa suministrada, lo cual no sucede cuando los circui

to s tienen cargas inductivas (motores, balastos, etc.).

:)

Como los efectos inductivos y capacitivos son opuestos, una de las formas ms efectivas de corregir el bajo factor de potencia, producido por cargas muy inductivas, es utilizando condensadores (boteras de condensadores), que se conectan en paralelo con las cargas cuyo Cos $ se desea corregir o mejorar.

4.4.2. CLASES DE POTENCIA ELECTRICA :

Por los aspectos vistos anteriormente, ya no podemos considerar la potencia en forma general (como en los circuitos con c.c. o en los circuitos puramente resistivos), sino que es necesario diferenciar varios tipos de potencias.

4.4.2.1. Potencio nominal o aparente (Pap):

Es la potencia suministrada por la fuente. Es igual a: Pop - E l

La unidad es el VOLTAMPERIO (VA), y tiene como mltiplos el kilovoltamperio (KVA), equivalente a 1,000 VA, y el megavoltamperio, equivalente a 1*000,000 VA.

4.4.2.2. Potencia real o efectiva (Pef):

Es lo potencia consumida en el circuito. Es igual a Pef = E I cosif> Pap x cos

La unidad es el VATIO (W), que tiene como mltiplos el kilovatio (KW), equivolen- te a LOCO W, y el megavatio (MW), equivalente a 1*000,000 W.

Existe otra unidad prctica equivalente y que es muy usada en nuestro medio, el H.P. (horse power), equivalente a 746 W: I H.P 746 W

4.4.2.3. Potencia reactiva (Pr):

Potencia denominada tambin desvatiada, por no producir potencia a causa de la existencia de inductancias o capacitancias en el circuito, cuya funcin es proporcionar un campo magntico o cargar los condensadores. Es igual a: Pr * EIsen>.

La unidad es el VOLTAMPERIO REACTIVO (VAr), y tiene como mltiplo el kilo- var, equivalente a 1,000 VAr.

Estas tres clases de potencias podemos apreciarlas grficamente en el llamado tringulo de potencias, donde la potencia real est representada por el cateto adyacente, la potencia nominal por la hipotenusa y la potencia reactivo por el cateto opuesto.

C l f

En la realidad, contrariamente a lo que sucede en los circuitos puramente resistivos, la potencia efectiva no siempre es igual a la potencia aparente.

En la prctica se tiende a reducir el ngulo de defasaje mejorando el factor de potencia, porque s el defasamiento fuera 90, el cos sera 0, es decir, no se tendra potencia real. El eos# ideal es 1 y se da solamente en los circuitos puramente resistivos. En esos casos la potencia real y aparente son exactamente iguales. En los circuitos no resistivos como no es posible obtener este valor, se trata de que el cossea lo ms cercano a 1, considerndose un factor de potencia normal0.8, pues valores ms cercanos a 1 son ms bien excepcionales.

4.4.3. POTENCIA EN SISTEMAS TRIFASICOS :

En los sistemas trifsicos, existe una diferencia de fase de 120 entre las diferentes tensiones de fase (conductores de alimentacin R - S - T).

Como vimos anteriormente existen dos tipos de conexin:

En estrella: En tringulo:

En cualesquiera de los dos sistemas, la potencia efectiva ser igual a la suma arlt mtica de las potencias efectivas de las tres fases.

De all que en los sistemas equilibrados (cuando las potencias de las tres fases son exactamente iguales) la potencia efectiva total ser:

L

a) en estrella: b) en tringulo

P t = 3 ( EF x !F x Cos $ )P t = 3 x El x Cos

/ 3

P t = / 3 x E l x I l x Cos$P t = 3 ~ x I L x Cos P t = / 3 x E l x I I x Coi/ 3 ' ;

P t * / 3 x E l x IL x Cos

De donde se deduce que en los sistemas equilibrados tendremos siempre:

Pe - /3 x E x I x Cos 4> Pap - ^3 x E x Idonde E e I son valores de lnea.

4.4.4. POTENCIA EN OTROS SISTEMAS :

4.4.4.1. Sistema monofsico bifilar

Pap - E x I Pef - E x I x Cos

donde E e I son valores de fase.

4.4.4.2. Sistema bifsico bifilar:

Pap /2 x E x I _ . . . . .donde E e I son valores de lneaPef = / x E x I x cos 4

4.4.5. EJEMPLO :

Determinar lo corriente de lnea de un motor trifsico de 10 HP, si la tensin de lnea es de 440 V, el factor de potencia 0.85 y el rendimiento del motor del 85%.

Como el rendimiento es slo el 85%, la potencia suministrada debe ser mayor que la potencia utilizada. En consecuencia:

P = 7,460 W x - g P 10 HP - 10 x 746 - 7,460 W

P = 8,776.47 W

P s / 3 x E x 1 x cos

i P" / x E x cos 4>

i 8,776.47 W1 / T x 440V x 0.85

Potencia suministrada:

Potencia utilizada:

De donde:

Sustituyendo valores:

I - 13.56 A

E J E R C I C I O S

1. Un motor trifsico para 440 V tiene un factor de potencia de 0.80. Calcular la corriente de lnea, si tiene una potencia de 30 KW y su rendimiento es del 90%.

2. Qu potencia tiene un motor trifsico que funciona a 220 V, si la corriente de lnea es de 20 A y su factor de potencia del 80%?

3. Cul es el factor de potencia de una instalacin trifsica si la potencia efecu va es de 9,500 W. la tensin de lnea 208 V, y la intensidad es de 30 A ?

4. Qu corriente de lnea absorbe un motor trifsico que tiene las siguientes caractersticas: Potencia de 15 KW, tensin a 208 V, factor de potencia de 0.85 y rendimiento del 88%.

IIESQUEMASELECTRICOS

1. G EN ER A LID A D ES

1.1. DEFINICION

Un esquema elctrico es la representacin grfica de un circuito o Instalacin elctrica, en la que van indicadas las relaciones mutuas que existen entre los diferentes elementos, as como los sistemas que los interconectan.

Para su realizacin se emplean una serie de smbolos grficos, trazos, marcas e Indices, 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 elctrica

a) Smbolos: representaciones de mquinas o partes de una mquina, elementos de mando y auxiliares de mando o partes de ellos, aparatos de medida, de proteccin y sealizacin.

b) Trazos: representaciones de conductores que indican las conexiones elctricas entre los elementos que intervienen en el circuito, o uniones mecnicas entre smbolos de aparatos.

c) Marcas e ndices: letras y nmeros que se utilizan para lograr una completa identificacin de los elementos que intervienen en el esquema y que se colocan a los lados de cada uno de ellos.

1.2. CARACTERISTICAS

a) Un esquema debe ser realizado en forma tal que pueda ser Interpretado por cualquier tcnico. Para ello es necesario que se indiquen claramente los circuitos de que est compuesto, as como su ciclo de funcionamiento.

b) Los esquemas se disean siempre en estado de reposo, es decir, considerando los contactores con las bobinas desenergizadas.

c) Una vez disertado el esquema de potencia y funcionamiento, debe hacerse el correspondiente esquema de situacin e interconexin, en el cual se vea con toda claridad la forma en que debe realizarse el conexionado de los elementos exteriores (red de alimentacin, motores, elementos de mando y sealizacin, etc.) con el tablero de control.

d) Puede realizarse, opcionalmente, un esquema de conexiones multifilar o inalmbrico destinado al personal que tenga que realizar el cableado (cableadores).

e) Los esquemas deben servir posteriormente para ensayar y simular las condiciones reales de funcionamiento. Igualmente sern una valiosa ayuda para el mantenimiento del equipo y para la localizacin de posibles daos que permitan proceder a su reparacin.

2. CLASES DE ESQUEMAS

2.1. DE SITUACION O EMPLAZAMIENTO

En l se indica la situacin fsica de cada uno de los elementos que componen el equipo de control con relacin a los dems componentes. Debe ser el resultado de un estudio minucioso que responda a las necesidades planteadas.

Para su realizacin se emplean una serie de figuras geomtricas, con una referencia en el interior o cerca de ellas, para identificar los elementos que conforman el tablero.

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 funcin del esquema de montaje e interconexin o enlace.

ci C2

e 2

UD GD GDEsquema de un inversor de marcha

2 .2 . DE CONEXIONES O MONTAJE

Es aqul que representa las conexiones elctricas entre los elementos integrantes de una instalacin o equipo de control.

Puede referirse a las conexiones interiores del equipo o tambin comprender las exteriores, as como todos los detalles o informacin necesaria para realizar o comprobar las mismas.

Una caracterstica general, en estos esquemas, es la representacin de los ele-

mentos que componen el equipo, dispuestos en su posicin real, con las conexiones o realizar entre ellos, de forma que sta proporcione una imagen clara del conexionado a realizar.

2.2.1. REPRESENTACION MULTIFILAR:

En estos esquemas se representan todos los elementos, con sus correspondientes smbolos, y todos los conductores o conexiones entre los bornes de un mismo y/o distinto elemento, mediante trazos o lneas independientes.

M C I -

Esquema multifllar de un inversor de marcha

Estos esquemas se emplearon en los comienzos del automatismo, habiendo quedado en ia actualidad prcticamente marginados, sobre todo en circuitos complejos, por los inconvenientes que presentan, tales como:

a) Complejo trabajo de delincacin

b) Dificultad, con la consiguiente posibilidad de cometer errores en el montaje,- en el momento de su lectura, anlisis e interpretacin.

Actualmente su uso se lim ita a los esquemas de potencia o fuerza (esquema que indica cmo se conecta la red a la carga o receptor), o a los esquemas adicionales o de detalle, por la poca complejidad que presentan.

2.2.2. REPRESENTACION UN1FILAR O POR HACES CONDUCTORES:

A causa de las dificultades que se presentaron con los esquemas multifilares, se Ide un tipo de representacin ms simple, en el cual un trazo representa un conjunto o paquete de conductores.

Este esquema se realiza partiendo del esquema de ubicacin, en el cual se Indi

co

can todos los bornes que se van a utilizar, con sus correspondientes ndices,con el objeto de conocer claramente entre qu puntos se realizar cada una de las conexiones.

En los extremos del trazo que representa el paquete de conductores, se deben i a conductores a conectar, colocando referencias Idnticas en los

extremos que indican un mismo conductor, de manera que quede perfectamente definida o identificada cada una de las conexiones del equipo de control.

Esquema de potencia de un inversor de marcha

Su uso puede ser de gran utilidad, particularmente si se emplea conjuntamente con el esquema de funcionamiento, ya que en l se pueden ver ms claramente los diferentes bloques de sistema diseado.

2.2.3. REPRESENTACION INALAMBRICA:

1 i 9 3 9

C1 C27 4 $ 2 4 6

* S I T V I V I W

conexinN

puntos que deben interconectarse

1 borne R - IC1 - IC 22 borne S - 3 C I - 3C23 borne T - 5C I - 5C24 borne U - 2FI5 borne V - 4F16 borne W - 6F I7 1FI - 2C I - 2C28 3FI - 4C I - 6C29 5FI - 6C I - 4C2

Esquema de potencia de un inversor de marcha

Son esquemas en los cuales no se emplea una representacin material de las conexiones del equipo de control, sino el esquema de ubicacin (con las correspondientes marcas e identificaciones de todos los bornes a conectar), y una tabla en que se van indicando, paso a paso, todas las conexiones que deben rea lizarse.

La realizacin de este esquema Implica tener previamente los esquemas de potencia y mando. Se hacen estos esquemas ms como ayuda para el personal que no tiene mayores conocimientos de electricidad (especialmente ayudantes de ca- bleadores), con el fin de facilitar su trabajo.

2.2.4. ESQUEMA DE FUNCIONAMIENTO:

Debido o la continua evolucin producida en el campo de los automatismos, y a los inconvenientes presentados por los esquemas tradicionales, en sus diferentes formas, se ide un tipo de esquema que se conoce bajo diferentes nombres (esquema de principio, desarrollado, funcional), que responde ms adecuadamente a las exigencias actuales, particularmente cuando se trata de los esquemas de mando o control (esquema que ndica cmo se conectan y controlan las bobinas de los contactores y los elementos de sealizacin), por la complejidad que se presenta en sistemas automticos.

2.2.4.1. Caractersticas y ventajas

a) En estos esquemas se prescinde totalmente de la ubicacin fsica de los distintos elementos del equipo de control, as como de 1a constitucin de losmismos, considerando nicamente la funcin que van a realizar en el c ircuito, con lo cual, adems de presentar el circuito en forma clara y sencilla, indica la forma en que se mterconectan los diferentes componentes del equipo de control, y permite proceder a un estudio y anlisis rpido y racional de su funcionamiento, localizacin de averas y realizacin prctica.

Los esquemas de funcionamiento se usan espec ficamente para el circuito demando o control, ya que para el esquema de potencia o fuerza es mejor larepresentacin multlfllar.

b) Notable simplificacin en su ejecucin grfica, por cuanto estos esquemas estn conformados por dos lneas horizontales, que representan los conductores de alimentacin del circuito de mando, y una serie de lneas verticales, equidistantes y que corresponden a circuitos parciales del circuito de mando, en los cuales se van ubicando los diferentes elementos del circuito de control, de acuerdo con la funcin que deben realizar. La interconexin de los circuitos parciales se realiza medante trazos horizontales, pero cuidando de no ubicar en stos elemento alguno del circuito de control.

Si bien esta forma de disertar el circuito de mando es la ms generalizada, es posible representar la lneas de alimentacin con trazos verticales, en cuyo caso las dems lneas sern horizontales. De esta manera hablaremos de un esquema de funcionamiento vertical (el primero) u horizontal (el segundo).

Esquema sin cruce de linear al realizar el esquema en la forma indicada en el punto anterior, se deben evitar todos los cruces de lneas, obtenindose

as an mayor claridad y rapidez para la lectura y realizacin del montaje, lo que implica adems la reduccin de posibles errores en la representacin, anlisis e interpretacin.

d) Comprobacin rpida y clara del funcionamiento del circuito, ya que como la bobina deJ contactor y los dems elementos de mando se encuentran situados o intercalados en una misma lnea vertical, se puede ver ms fcilmente el funcionamiento de todo el circuito que se est analizando.

Por otra parte, si los distintos circuitos y elementos de control se ubican enun orden lgico de funcionamiento, se lograr an mayor comprensin de lafuncin que debe realizar cada uno de ellos.

2.2.4.2. Aspectos prcticos para su realizacin:

a) Se acostumbra representar en el mismo plano (aunque en forma separada) los esquemas de potencia y mando, por cuanto son esquemas complementarios, donde a cada esquema de mando le corresponde un esquema de potencia.

b) Las lneas de alimentacin pueden ser dos o ms, de acuerdo con las caractersticas de tensin que tengan las bobinas, elementos de sealizacin y demselementos auxiliares de mando que necesitan ser energizados.

c) Las lnea verticales representan, cada una o varias de ellas, un circuito parcial completo.

d) Debido a que en el esquema de funcionamiento, Jos componentes de un mismo elemento o aparato se encuentran por lo general separados entre sl.encoji trndose precisamente situados sobre la lnea vertical donde deben realizar una funcin especfica, es necesario identificar a todos ellos con la misma marca del aparato al cual pertenecen, y que se ha podido usar tambin en el circuito de potencia.

e) Los contactos equivalentes de los diferentes elementos de control, deben representarse siempre en un mismo sentido. Con ello se evitan falsas interpre- traciones.

f) Todos los contactos instantneos que van precedidos de la misma marca, cambian de posicin simultneamente. Se exceptan los contactos temporizados, los cuales se abren o cierran una vez haya transcurrido el tiempo programado, por lo cual es conveniente indicar, junto a la marca, el tiempo que transcurrir para producirse su accionamiento.

g) La representacin de los circuitos que configuran el esquema debe ser hecha, siempre que sea posible, en una sucesin lgica de maniobra.

h) La posicin de los distintos elementos que intervienen en el esquema se hacen en posicin de reposo, por lo cual debe cuidarse que en este estado, todos los circuitos estn abiertos.

i) Por motivos de seguridad, se recomienda que una de las lneas de alim entacin del circuito de mando, se una directamente y sin intercalacin de ele-

ment alguno, a la salida de las partes que constituyen cargas (bobinas, p ilotos, temporizadores, etc.). El resto de elementos de control (pulsadores, contactos auxiliares, interruptores de posicin, contactos temporizados, e tc .) se ubican entre la otra lnea de alimentacin y la entrada de los elementos que constituyen una carga, sealados anteriormente.

j) Una vez realizado el esquema de funcionamiento, es aconsejable numerar to dos los circuitos que lo componen (cada vertical equivale a un circuito), para consignar en la parte inferior de aquellos que contengan bobinas (y por consiguiente accionan algn contactor), cuntos contactos auxiliares abiertos (A) o cerrados (C) accionan, y en qu circuitos estfin ubicados. Esta informacin ser de gran utilidad pora seleccionar el contactor correcto, en cuanto al nmero de contactos auxiliares, para realizar el montaje del circuito.

k) Es conveniente colocar al pie del esquema, o en un lugar adecuado del mismo, una lista o leyenda de las convenciones y referencias empleadas, as como el ciclo de funcionamiento.

Puede complementarse este punto especificando las caractersticas ms resaltantes de los mismos.

1) En el caso de circuitos que se controlan desde varias estaciones (o cajas de pulsadores), puede complementarse el esquema de funcionamiento, con un esquema adicional (esquema multifilar para representar una parte o detalle del esquema de funcionamiento) que muestre la forma en que se conectan nicamente los pulsadores, a fin de facilitar el trabajo de montaje o Instalacin

i is -

4

.. del circuito.

m) Finalmente, no olvidemos que las identificaciones puestas en los esquemas deben coincidir plenamente con las marcas e Indices grabados o impresos en los aparatos.

2.3. DE INTERCONEXION O ENLACE

Es la representacin que permite ver claramente la forma en que debe realizarse el conexionado de los elementos que se encuentran en el tablero de control, con todos los elementos exteriores a ste (red, motor, elementos de mando, elementos de sealizacin, etc.).

En realidad este esquema indica la forma en que debe usarse la bornera del tablero, ya que toda conexin entre ste y los elementos externos debe realizarse necesariamente a travs de la bornera.

Esquema de interconexin para un inversor de marcha

Si las circunstancias lo requierea puede realizarse un esquema adicional en el que figuren adems las conexiones exteriores y las conexiones interiores del equipo de control, disponindose de esta forma, y sobre un mismo plano, el esquema completo del montaje a realizar.

En las siguientes pginas, consignaremos la simbologia que se emplea con ms frecuencia en nuestro medio, haciendo la aclaracin que existen, en controles y automatismos, otros smbolos, marcas e ndices, distintos a los empleados en la presente obra.

3. SIMBOLOS Y CONVENCIONES

3.1. CONDUCTORES Y MARCAS

Lneas de alimentacin o conductores del circuito de potencia

Conductores del circuito de mando

Conductores sin conexin elctrica

Conductores con conexin elctrica fija

Conexin de conductores a travs de bornes o tornillos

Conductores de longitud variable, para -------------- --------------------ser instalados posteriormente, durante potencia mandoel montaje de la mquina

Fases R S T

Entradas de los contactos principales | 3 5 L l L2 L3

Salidas de los contactos principales 2 4 6 6 T I T2 T3

Entradas al motor U V W X Y Z

3.2. APARATOS Y/O ELEMENTOS DEL CIRCUITO DE POTENCIA

Fusible

Seccionador

53

Seccionador con fusible

Contacto de disyuntor

Rel trmico

Rel termomagntico

Rel electromagntico

Contactos principales de contactor

Contactor de memoria

Motor trifsico (3 bornes)

M otor trifSsico (6 bornes)

M otor trifsico con dos arrollamientos estatricos separados

Conexin estrella

Conexin tringulo

56

Enclavamiento mecnico entre contactores

3.3. APARATOS Y /O ELEMENTOS DEL CIRCUITO DE MANDO

Bobina de contactor

Bobina de temporizador neumtico al trabajo

Temporizador con mecanismo de relojera

Detector de proximidad (inductivo o capacitivo)

Detector fotoelctrico

Electrovlvula

Pulsador normalmente cerrado (NC)

Pulsador normalmente abierto (NA)

$

EJ

*

Temporizador electrnico

* w

I

Pulsador de conexin-desconexin

Pulsador de desconexin mltiple

Pulsador de conexin mltiple

Pulsador de conexin-desconexin mltiple

Pulsador de pedal

Pulsador con llave

Pulsador de seta

Selector de dos posiciones

Selector de cuatro posiciones

Contacto auxiliar instantneo NC

Contacto auxiliar instantneo NA

58

Contacto auxiliar temporizado al tra bajo

Contacto auxiliar temporizado al reposo

Contactos auxiliares de rel trmico

Interruptores de posicin o finales de carrera

Contactos accionados por flotador

Contactos accionados por presin

3.4. ELEMENTOS DE SEALIZACION

Piloto luminoso

Piloto sonoro (timbre y sirena)

3.5. MARCAS

Contadores principales

Contactor marcha derecho

m sH

f H - Y

H H

* $

C . . KM ...

C l KM1

59

Contactor marcha izquierda ^

Contactor conexin estrella C3 KM3

Contactor conexin tringulo C5 KM5

Contactor auxiliar C ... KA...

Pulsador, interruptores de posicin, se- ^lectores

Fusibles , rels de proteccin F...

Seccionador Q...

Pilotos h...

3.6. OTROS SIMDOLOS

Contacto auxiliar retardado

Sealizacin acstica con bocina

Sealizacin acstica con zumbador

Enclavamiento mecnico

Bobina de dos arrollamientos

i t tn

dPulsador giratorio con posicin m ante- r w %'nlda fija o enclavada ^

- V -

60

IliTECNOLOGIA DE CONTROLES Y AUTOM ATISM OS

t. g e n e r a l i d a d e s

1.1. ESTRUCTURA DE U N AUTOMATISMO

La estructura general de un automatismo puede esquematizarse de la siguiente forma:

A P A R E J O S P A R A L O S A U T O M A T I S M O S

( F A N T I O t A N D O A U T O M A T I C O )

V A A I A L C $

O C C H T f t A O A

V A R I A S L E S

O t J A L I O A

O A L O G O

H O M B R E - M A Q U I N A

Explicitando un poco ms las diferentes etapas de un automatismo observamos:

M A Q U I N A

P f t OP I AMCNT CO I C H O

D l A L O e O HOMBRE-MAQUINA

63

Aplicando estos aspectos generales a un AUTOMATISMO ELECTRICO obtenemos el siguiente diagrama:

En un AUTOMATISMO ELECTRONICO las etapas son exactamente iguales, a excepcin del tratamiento, donde los elementos elctricos son reemplazados por los autmatas programables o controladores programables P .L.C ., especialmente cuando las mquinas o equipos a controlar son complejos y exigen por consiguiente procesos tambin complejos.

Esta variante en el tratamiento implica, por una parte, la adicin en el dilogo hombre-mquina de un teciada, y por otra , en casi todos los casos, de un inter- face de salida (a base de contactores auxiliares) entre la etapa de tratam iento y comando de potencia, debido a las corrientes muy bajas de salida que tienen los autmatas (normalmente mA). En algunos casos particulares se requiere tambin de un interface de entrada.

En este proceso de automatizacin, son muchsimos los elementos que se necesitan, y que la tcnica actual nos ofrece para solucionar, en forma adecuada, las necesidades tan diversas y mltiples que a diario se encuentran en la industria.

Por el carcter elemental c introductorio que tiene la presente obra, despus de presentar un panorama global, para poderlos ubicar correctamente, estudiaremos aquellos que tienen mayor uso.

1.2. DISPOSmVOS EMPLEADOS EN CONTROLES Y AUTOMATISMOS1.2.1. APARATOS DE MANIOBRA:

Son todos aquellos aparatos que permiten o interrumpen el paso de la corriente

64

de la red a una carga (motor, bobina, piloto, etc.). Se encuentran en dos m odalidades:

a) con poder de corte- aquellos aparatos que pueden maniobrarse bajo carga;b) sin poder de corte: los que deben ser maniobrados sin carga.

1.2.1.1. Clasificacin:

1. 2 . 1. 1. 1, fla n u a lmLos que necesitan de un operario para su accionamiento.

a) interruptores: son dispositivos, con bajo poder de corte, empleados para ab rir y/o cerrar circuitos, necesitndose en cada una de estas operaciones, la accin directa del operario.

Los elementos conductores del interruptor, en el punto en que se establece la apertura y cierre del circuito, deben estar convenientemente dimenslonados, de tal manera que permitan el paso de corriente (normalmente Inferior a 10 A), sin que se genere recalentamiento de los mismos.

b) Pulsadores: aparatos con bajo poder de corte. Se diferencian de los interruptores porque cierran o abren circuitos, solamente mientras acte sobre ellos a lguna fuerza exterior, recuperando su posicin inicial (de reposo) tan pronto cese dicha fuerza, por accin de un muelle.

c) Seccionadores: aparatos de maniobra sin poder de corte, y por consiguiente deben ser accionados nicamente cuando estn sin cargo (en vaco) o stas son

: muy pequeas.

Se emplean para aislar toda o parte de la instalacin elctrica, en casos de reparaciones y mantenimiento.

Deben estar dimensionados de acuerdo a la In del circuito.

1 .2 ,1 ,1 ,2 , A utom ticos:Son dispositivos diseados para abrir y/o cerrar circuitos bajo carga, en funcin de valores que adquieren ciertas magnitudes fsicas, como temperatura, presin, espacio, tiempo, etc., no necesitando la accin de un operario para su accionamiento.

En la actualidad se encuentra una gama muy amplia, para satisfacer las ms d iversas necesidades.

Para su eleccin se toma en cuenta:

a) capacidad de maniobra o robustez mecnica: se refiere al nmero mnimo de maniobras que puede realizarse con ellos;

b) poder de corte: nos indica la corriente mxima que puede interrumpirse sin peligro de que se darte.

En este grupo de aparatos de maniobra automticos tienen particular importancia,

65

sobre todo en controles y automatismos, los contactores, por cuanto en la actualidad una gran parte de los accionamientos elctricos se realiza con motores t r ifsicos, y stos, a su vez, se accionan con contactores, los interruptores de posicin, detectores, presostatos, temporlzadores, disyuntores o interruptores automticos (cuya funcin especfica es la de abrir un circuito bajo condiciones anormales: sobrecargas, sobretensiones, disminucin de tensin ), etc.

1.2.2. APARATOS DE PROTECCION:

Son todos aquellos elementos destinados a proteger todo o parte del circuito, interrumpindolo de las lneas de alimentacin, cuando se presentan irregularidades

'en su funcionamiento, particularmente por sobrecargas o sobreintensidades y cortocircuitos.

Existen dispositivos destinados a proteger un circuito especficamente de los cortocircuitos, de las sobrecargas o de ambos simultneamente.

1.2.2.1. Fusibles:

Son conductores calibrados especficamente para el paso de determinadas cantidades de corriente (por consiguiente ms dbiles que el resto de los conductores del circuito), de manera que al producirse un corto circuito se fundirn rpidamente (por el bajo punto de fusin que tienen), interrumpiendo inmediatamente el circuito y evitando daos mayores en las cargas o conductores, razn por la cual todo circuito debe estar protegido con fusibles.

Existen muchos tipos de fusibles tanto por la forma (de botella, de cartucho, de bayoneta, etc.) como por la rapidez con que actan (fusin lenta, fusin rpida).

1.2.2.2. Aparatos de proteccin automticos:

Son dispositivos construidos para proteger especialmente contra sobrecargas, aunque algunos protegen tambin contra cortocircuitos.

Los ms empleados, en controles y automatismos, son los rels trmicos, rels termomagnticos y rels electromagnticos.

Los interruptores automticos tambin pueden considerarse como elementos de proteccin.

1.2.3. APARATOS DE SEALIZACION:

Elementos destinados para indicar si el contactor est o no funcionando, y por consiguiente si la carga est o no energizada, es decir en funcionamiento.

Los ms empleados son los pilotos luminosos y acsticos.

2. EL C O N T A C T O R

2.1. DEFIN IC IO N

El contactor forma parte de los aparatos de maniobra automticos con poder de corte.

Se lo define como

un interruptor accionado o gobernado a distancia por medio de un electroimfin

2.2. PARTES

En forma esquemtica indicamos las partes que tiene todo contactor:

Carcaza

Contactor Bobina Ncleo Armadura

f Principales

Contactos 1I Auxiliares

Normalmente abiertos (NA)

Normalmente cerrados (NC)

2.2.1. CARCAZA:

Soporte fabricado en m ateria l no conductor (plsticos o baquelitas especales a base de fibra de vidrio, con el fin de obtener un a lto grado de rigidez elctrica), sobre el cual se fijan todos los componentes conductores del contactor.

Por sus caractersticas aislantes, estos materiales son bastante vidriosos, por lo cual es necesario tener mucho cuidado cuando se manipulan los contactores, especialmente en la zona de los contactos, para no quebrar parte alguna.

2.2.2. C IR C U ITO ELECTROMAGNETICO:

Est compuesto por unos mecanismos cuya finalidad es transformar la energa elctrica en magnetismo, generando un campo magntico muy intenso, el cual a su vez dar origen a un movimiento mecnico. En otros trminos, se puede decir que es el electroimn del contactor.

67

S

2.2.2.1. Bobina

Es un arrollamiento de alambre, con un gran nmero de espiras, que al aplicrsele tensin crea un campo magntico.

El flujo magntico genera un par electromagntico superior al par resistente de los muelles que separan la armadura del ncleo, de manera que stos puedan juntarse estrechamente.

Se construye con alambre muy delgado de cobre electroltico, arrollado sobre una formaleta.

Cuando se energiza la bobina con A .C ., la intensidad absorbida por sta (=corrien te de llamada! es relativamente elevada, debido a que en el circuito prcticamen te slo se tiene la resistencia del conductor con que est hecha la bobina. En estas condiciones el Cos es alto (0.8 a 0.9), y la reactancia inductiva muy baja, por existir mucho entrehierro entre el ncleo y la armadura.

Esta corriente elevada genera un campo magntico intenso, de manera que el nQ- cleo puede atraer la armadura, a pesar del gran entrehierro y la resistencia mecnica del resorte o muelle que los mantiene separados en estado de reposo.

Una vez que se cierra el circuito magntico, al juntarse el ncleo y la armadura, aumenta la impedancia de la bobina, de tal manera que la corriente de llamada se reduce considerablemente, obtenindose de esta manera una corriente de mantenimiento o trabajo mucho ms baja (6 a 10 veces menor), con un Cos $ ms bajo, pero capaz de mantener cerrado el circuito magntico. As por ejemplo, en una bobina alimentada con 120 V, donde la corriente de llamada sea de unos 1500 mA, la corriente de mantenimiento se