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EL MUNDO DEL AUTOMATISMO

EL CONTACTOR Y SU ENTORNO

AUTOMOCION 1-28.qxp:AUTOMOCION 1-28.qxp 13/1/09 10:48 Página 1

Concluida la primera entrega, “ELMUNDO DE LA ILUMINACIÓN”, iniciamos“LOS OTROS MUNDOS DE LA ELECTRICI-DAD”.

Le corresponde ahora el protagonismoal contactor, primer actor de la saga de losautomatismos.

En interés de una lectura amena recurri-remos a los mismos recursos que utiliza-mos en otras entregas, es decir, a la figurade KWITO, A LA VUELTA ATRÁS Y ALANECDOTARIO.

La previsión para esta entrega, ELMUNDO DEL AUTOMATISMO, es de 100páginas aproximadamente.

Introducción

El mundo del automatismo 3

INTRODUCCIÓN

El contactor inaugura una eraimportante, la que nos tocavivir. Su funcionamiento es sor-prendente simple, pero sóloescuchar el sonido que emite,al entrar en funcionamiento,nos da una idea de la seguri-dad que ofrece.

Tendrá sus fallos, pero cumpleperfectamente su misión ybasta con leer el número demaniobras capaz de realizarpara entender que es un ele-mento que responde.


4 El mundo del automatismo

EL AUTOR

Luis Poza Alonso, Ingeniero Técnico, Especialista Universitario en Calidad Industrial.

Una sugestiva vida profesional.

En 1991 inició una serie de programas en radio, titulados La electricidad en el hogar, que seretransmitieron nueve años y alcanzaron cierto renombre.

En 1995, buscando otros canales de comunicación, empezó la aventura de escribir, colabo-rando en revistas técnicas como Electro Noticias, Electro Aragón, RTC y otras.

Simultaneando esa actividad con cursos y conferencias sobre energías renovables, materia-les, automatismos e iluminación.

En 2002, escribe para Grudilec El mundo de la iluminación, que termina en 2005.

Actualmente continúa la colaboración con El mundo del automatismo.

Un adjetivo que lo define es, apasionado.

Por la técnica…

Y… por la vida…


Índice


Historia del contactor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pág. 7

Ventajas de la utilización de contactores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pág. 13

El contactor electromagnético . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pág. 15

El contactor electromagnético actual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pág. 17

Clasificación de los contactores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pág. 19

Funcionamiento, identificación de bornes, características de utilización y posición de funcionamiento del contactor electromagnético . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pág. 25

Hablemos de relés electromagnéticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pág. 29

Elementos de un automatismo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pág. 33

En busca de la protección completa: Los fusibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pág. 37

Elección de un contactor electromagnético . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pág. 41

Los auxiliares de mando . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pág. 43

Interruptores final de carrera-Limitadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pág. 51

La lógica cableada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pág. 55

Lógica directa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pág. 57

Lógica negada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pág. 59

Teoría básica del motor eléctrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pág. 61

Temporizadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pág. 69

Presostatos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pág. 75

Termostatos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pág. 79

Esquemas básicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pág. 83

Detectores y sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pág. 89

Nuestro amigo el ascensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pág. 101

ÍNDICE



a) Lámpara de Edison

b) Patente de la lámpara

c) Dinamo de Edison

d) Generador de Pearl Street (1900).

a) b)

d)

c)


Para situarnos, veamos cómo eran lascircunstancias en aquel entonces, en losinicios de la era de la electricidad…

En el periodo 1845 y 1870 se hicierondiversas modificaciones en los generadoresy motores eléctricos, con lo que se mejoró,sustancialmente, su funcionamiento. En unprincipio estas máquinas presentaban dife-rentes problemas, a saber, baja eficiencia,inestabilidad en el funcionamiento, pocafiabilidad, etc.

Fue necesario un gran esfuerzo de inves-tigación e ingenio para sortear los obstácu-los, desconocidos hasta entonces…

Así, por ejemplo, en 1870, el francésZénobe Théophile Gramme alcanzó voltajesmuy altos en un generador eléctrico.

En 1881, por medio de una ingeniosacombinación, Charles Brush logró que elvoltaje del generador tuviese siempre unvalor constante, sin importar la cantidad decorriente que proporcionara el aparato.

Entre los primeros en reconocer los fac-tores que causaban pérdidas en un genera-dor estaban los estadounidenses EdwardWeston y Thomas A. Edison, quienesaumentaron la eficiencia de los generado-res del 50 al 90 por ciento.

Hacia principios de la década de 1890se empezaron a utilizar conjuntos de gene-radores conectados en paralelo, con lo quese logró producir grandes cantidades deelectricidad.

Para mover los generadores se usabanmáquinas de vapor, y ocasionalmente sal-tos hidráulicos.

En octubre de 1879, después de muchasexperiencias infructuosas y de haber gasta-do la considerable cantidad, para aquelentonces, de 40.000 dólares, el estadouni-dense Thomas Alva Edison (1847-1931)

logró construir una lámpara incandescenteen la que un filamento de carbón emitía luz,al hacerle pasar una corriente eléctrica,durante más de 40 horas. El famoso inven-tor colocó su filamento dentro de un bulbode vidrio, en el que produjo vacío. Edisonlogró fabricar la bombilla de una maneramuy eficiente y con este invento se abrió uncampo extraordinario de aplicación, queprovocó la necesidad de construir genera-dores eficientes de electricidad.

Otra contribución decisiva, que Edisonaportó, en 1881, fue la central eléctrica, osea, una planta en la que se generaba elec-tricidad y desde allí mismo se distribuía.Esto ocurrió en la ciudad de Nueva York.Incorporaba un generador de corriente con-tinua, conectado a una red de líneas quedistribuían la electricidad a muchas partesde la ciudad, tal como en aquel entonces yase hacía con el gas y el agua.

Al ofrecer el servicio de la luz eléctrica alpúblico, Edison dejó atrás a todos sus com-petidores.

Una vez que la electricidad pudo sergenerada y distribuida para la iluminación,se aprovechó para ser utilizada como fuer-za motriz, mediante el empleo de motoreseléctricos. Se puso así a disposición de laindustria y de los transportes un nuevomedio universal y barato de distribución deenergía que dio un gran impulso a la utiliza-ción de los motores eléctricos.

Así se creó la industria eléctrica pesada.

Otro hecho de gran trascendencia se dioentonces: el inicio del laboratorio de inves-tigación industrial, en el que la investigacióncientífica se entrelazó estrechamente conlos avances tecnológicos y con la produc-ción. Uno de los primeros laboratorios de

Historia del contactor


HISTORIA DEL CONTACTOR



esta naturaleza fue el que creó Edison enMenlo Park, que en sus orígenes fue unpequeño cobertizo para ensayar inventos.

A pesar de los extraordinarios logros deEdison, tubo problemas con la corrienteeléctrica que utilizaba, que como sabemosera corriente continúa. En efecto, y en pri-mer lugar, la utilización de circuitos en para-lelo requirió que los cables fueran de gransección, lo que provocaba altos costos. Ensegundo lugar, y de mayor importancia, alaumentar la demanda de iluminación seincrementaron las cargas que implicaroncorrientes eléctricas enormes. Por lo tantoera necesario enviar corrientes elevadas através de elevadas secciones de cobre.

La alternativa era construir muchas plan-tas generadoras de electricidad cercanas alos usuarios, con el respectivo aumentoconsiderable de la inversión.

De inmediato quedó en evidencia que elsistema de corriente continua, que se rami-ficaba dos kilómetros fuera de la planta,estaba muy limitado.

Por otro lado, la transmisión de corrien-te eléctrica de alto voltaje a largas distan-cias, por medio de cables relativamente depoca sección, podría ser la solución. Laobjeción era que un generador de corrientecontinua produce corriente con un voltajedeterminado que no se puede modificar ypor tanto, no existía forma de reducir el vol-taje al valor que se necesitaba, en particularen el uso doméstico. Hemos de mencionarque cuando hablamos de alto voltaje nosreferimos a decenas de miles de voltios,mientras que el valor para los usuarios esde 398-230 voltios.

La solución a estos dilemas se encontrócon la construcción de generadores decorriente alterna por un lado, y la invencióndel transformador por el otro. Estos dosdispositivos basan su funcionamiento en laley de inducción de Faraday…

Una vez que Faraday descubrió la induc-ción electromagnética pudieron construirselos primeros generadores que producíancorriente eléctrica que variaba o alternabaal transcurrir el tiempo; el número de vecesque el valor de la corriente cambia en un

segundo es la frecuencia de la corriente yse mide en hercios (Hz); así, una corrientede 50 Hz es aquella que varía 50 veces enun segundo.

Foto de Nikola Tesla.

En 1888 Nikola Tesla obtuvo una patentepor un generador polifásico alterno que pro-ducía gran potencia eléctrica; muy prontoeste tipo de máquina fue la más usada. Hoyen día se emplean generadores que son ver-siones muy mejoradas del generador polifá-sico de Tesla. Los primeros generadoresfueron diseñados para que produjerancorrientes que tenían diferentes valores desus frecuencias: los de 25 / 33,5 / 40 / 50 /60 / 90 / 130 / 420 Hz fueron los más usados.Con el tiempo se ha convenido en utilizar 50Hz en muchos países como los de la UE o 60 Hz, en los de influencia de los EE.UU.


Una muestra de los primeros alternadores.


El motor de Tesla.

Un inventor francés, Lucien H. Gaulard, yun ingeniero inglés, John D. Gibbs, obtuvie-ron en 1882 una patente para un dispositi-vo que ellos llamaron generador secunda-rio. De esta manera incorporaron a un siste-ma de iluminación la corriente alterna. Elsistema que ellos patentaron fue una ver-sión poco práctica de lo que hoy en día lla-mamos un transformador.

El primer transformador fue, de hecho,construido por Faraday cuando realizó losexperimentos en los que descubrió lainducción electromagnética. El aparato queusó fueron dos bobinas enrolladas unaencima de la otra. Al variar la corriente, con-tinua por cierto, que circulaba por una deellas, cerrando o abriendo el interruptor, elflujo magnético a través de la otra bobinavariaba y se inducía una corriente eléctricaen la segunda bobina. Pues bien, este dis-positivo es precisamente un transformador.Faraday no puso mayor atención en él, yaque estaba interesado en otras cuestiones.En el transcurso de los años varios experi-mentadores trabajaron con diferentes ver-siones de transformadores.

Un transformador funciona de la siguien-te forma: supongamos que se construye unnúcleo de hierro como se muestra en lafigura. Si en un extremo del núcleo se enro-lla un cable para formar una bobina A, y porésta circula corriente continua, resulta queel campo magnético producido por estacorriente (según la ley de Ampère) quedaconfinado dentro del núcleo de hierro; prác-ticamente no hay campo fuera del núcleo.

Esto ocurre si el núcleo está construido desustancias llamadas ferromagnéticas,como el hierro, cobalto, etc. Ahora bien, sila corriente que circula por la bobina varíacon el tiempo, el campo magnético produ-cido también variará, y por tanto tambiéncambiará el flujo de este campo a través delnúcleo. Si ahora se enrolla otra bobina, la B,en otra parte del núcleo, de acuerdo con laley de inducción electromagnética deFaraday sabemos que se inducirá unacorriente a lo largo de la segunda bobina. Ala bobina A se le llama primario del trans-formador y a la B el secundario. Las carac-terísticas de la corriente inducida en Bdependen del número de espiras que hayen cada una de las bobinas. Mientrasmayor sea el número de espiras en elsecundario, mayor será el voltaje inducidoen él. Por ejemplo, si el voltaje en el prima-rio es de 125 V, y en el primario hay 100espiras, mientras que en el secundario hay2.000 espiras, la relación será:

Por lo tanto, el voltaje inducido en elsecundario será 20 veces el voltaje del pri-mario, o sea 20 x 125 V = 2 500 V.

Interior de un transformador.

Por otro lado, a medida que el voltajeaumenta en el secundario, la corriente quecircula en él disminuye en la misma propor-ción. Si, en nuestro ejemplo, por el primariocircula una corriente de 3 amperes, por el



espiras en el secundario

espiras en el primario

2.000

1.0020= =



secundario circulará una corriente 20 vecesmenor, o sea, 3/20 = 0.15 amperes.

Este ejemplo nos ilustra las característi-cas de un transformador: si el voltaje induci-do aumenta en el secundario la corrienteinducida disminuye en la misma proporción,e inversamente, si el voltaje disminuye, lacorriente aumenta en la misma proporción.

Un dato muy importante es que un trans-formador solamente funciona con corrientesque varían con el tiempo, pues en estas cir-cunstancias es cuando el flujo magnéticocambia y se puede inducir una corriente enel secundario. Por tanto, con corriente conti-nua no funciona el transformador.

Fue Bláthy el primero en usar la palabra“transformador”.

En marzo de 1886 entró en funciona-miento una planta construida bajo la direc-ción de Stanley en el pueblo de GreatBarrington, Masachusetts. Esta plantaoperó con corriente alterna, con un genera-dor que produjo una tensión de 500 V y quealimentó un conjunto de lámparas situadasa una distancia de alrededor de 2 km. Pormedio de transformadores redujeron el vol-taje a 100 V, valor requerido para hacerlasfuncionar. Y para demostrar que se podíatransmitir la electricidad a distancias mayo-res por medio de un transformador, eleva-ron el voltaje a 3.000 V, y luego lo redujerona 100 V. El resultado fue un gran éxito y deinmediato Westinghouse inició la manufac-tura y venta de equipos para distribuir elec-tricidad por medio de corriente alterna. Almismo tiempo Schallenberger inventó unmedidor de energía eléctrica consumida,para poder cobrarla en forma precisa. Todoesto, unido al hecho de que el costo de latransmisión era relativamente barato, dioinicio a la utilización de la energía eléctricapor medio de corriente alterna, sistema queaún utilizamos en la época actual.

Edison y sus asociados pelearon contrala utilización de la corriente alterna tanto enla prensa como en los tribunales. Sin embar-go, su lucha estaba perdida. Muy pronto lacorriente continua dio paso a la alterna debi-do a su flexibilidad, conveniencia y bajocosto. Tres años después del éxito con suplanta, Edison quedó postergado.

Interior de una central eléctrica.

En la década de 1890 el crecimiento delos sistemas de corriente alterna fue muyvertiginoso.

Cataratas del Niágara.

En las cataratas del Niágara, se instala-ron enormes generadores que iniciaron suservicio en 1895 y alimentaron de electrici-dad a lugares lejanos, algunos situados acentenares de kilómetros. De esta maneramuy pronto se establecieron sistemas detransmisión en muchos países, tendenciaque continúa hasta la fecha.

En la figura, que aparece a continuación,se presenta el esquema de un sistema dedistribución de energía eléctrica que nace deuna planta generadora y que va hasta unaciudad muy alejada. A la salida de la planta,un transformador eleva el voltaje para iniciarla distribución. En la cercanía de la meta seinicia el descenso del voltaje por medio detransformadores que se encuentran ensubestaciones, descenso que se va realizan-do de manera gradual para poder alimentara usuarios con diferentes necesidades.



Henry, Joseph

(1797-1878), científico americano, auto-didacta.

Fue profesor en Princeton de 1832 a1846. Sus principales contribuciones cientí-ficas se centraron en el campo del electro-magnetismo, siendo el descubridor delfenómeno de la autoinducción.

La unidad de la inductancia, conocidacomo “henrio”, inmortaliza su nombre.

Joseph Henry.

De ascendencia escocesa, nació enAlbany, estado de Nueva York. Allí trabajabaen un almacén, al salir de la escuela, y a lostrece años de edad fue aprendiz de relojero.Se entusiasmó por el teatro y trabajó en él.Su interés por la ciencia se despertó a los 16años, al leer un libro científico popular.

Llegó a estar interesado por el magnetis-mo terrestre, que entonces era, como hoy,un asunto científico importante. Esto lo con-dujo a experimentar con electromagnetis-mo. Su aprendizaje como relojero le dio laagilidad y habilidad suficiente para la cons-trucción de las baterías y de otros aparatos.

Oersted y otros habían observado efec-tos magnéticos de corrientes eléctricas, peroHenry fue el primero en enrollar hilos decobre aislados, alrededor de un soporte paraobtener electroimanes de gran potencia.Antes de salir de Albany, construyó uno paraYale que levantaría 1.600 kg, el más grandedel mundo en aquella época. En la experi-mentación con tales imanes, observó el granarco que se generada cuando el circuito seabría, y dedujo la característica conocidacomo autoinducción, es decir la peculiaridadde inercia de un circuito eléctrico.

La autoinducción de un circuito tiende aevitar que la situación varíe, es decir, que lacorriente cambie; si está fluyendo unacorriente, la autoinducción tiende a mante-nerla, de ahí el origen de la chispa, o si seaplica una fuerza electromotriz la autoin-ducción presenta una gran oposición (resis-tencia) a la corriente.

Averiguó que la autoinducción se veafectada, de forma directa, por la configu-ración del circuito, especialmente por ladisposición de las espiras. También descu-



Dibujo de un sistema de distribución de electricidad, desde la planta generadora hasta los diversos consumidores. Es posible merced a los transformadores.



brió cómo hacer bobinas inertes, bobinan-do el alambre en sentido contrario.

Joseph Henry en una demostración de su descubrimiento.

Mientras realizaba estos experimentos,Michael Faraday hizo un trabajo similar enInglaterra. Joseph Henry siempre fue lentoen publicar sus resultados, y no era cons-ciente del trabajo de Faraday. Se reconocehoy a Faraday como el descubridor de la

inducción mutua (la base de transformado-res), mientras que a Joseph Henry se lerelaciona con el descubrimiento de laautoinducción.

Es importante destacar que fabricó elprimer relé electromagnético, de ahí que eneste trabajo le atribuimos la paternidad delcontactor.

También fue quien desarrolló un galva-nómetro y el timbre.

Cómo está constituido un timbre.


Dinamos de Gramme.


Imprescindibles en circuitos donde pre-dominan muchas maniobras de cierre yapertura.

Su valor radica en la relación normal-mente elevada entre la intensidad coman-dada, es decir, la que atraviesa los contac-tos principales y la necesaria para activar labobina del electroimán.

Sus ventajas evidentes son:

Economía de tiempo y esfuerzo.

Ya que construir interruptores de ciertapotencia para tensiones e intensidades ele-vadas es muy costoso amén de presentardificultades de manipulación, no exentas depeligro. Por otro lado conseguir maniobrasrepetitivas de forma manual, es decir con laintervención directa del operador, es difícil.Sin embargo, con el uso de contactores yuna maniobra adecuada, se puede garantizarel trabajo.

Seguridad.

Los contactores elevan la seguridad eléc-trica de una instalación, al poderse alojar enarmarios lo suficientemente protegidos y ais-lados que impiden al operador estar próximoa los arcos eléctricos que gestionan aquellos,en su interior. Además permite, como luegoveremos, elegir la tensión de mando a unosvalores totalmente inocuos para el ser huma-no, reduciendo más el riesgo de electrocu-ción, al manipular pulsadores y botoneras.

Ahorro de espacio.

El armario, que aloja la maniobra, puedeestar distanciado de la máquina, si esta nopermite espacio para colocarlo.

Sin embargo los pulsadores de marcha yparo, con un diámetro de 22,5 mm, puedenser colocados en una pequeña superficie.

Esto también faculta a un sólo operario aactuar sobre varias máquinas a la vez deuna forma no excesivamente obsesiva.

Control múltiple.

O sea, posibilidad de controlar un motordesde varios puntos y sobre todo, posibili-dad de desconectarlo. Esto sería muy difícilhacerlo con un mando manual ya que debe-rían existir enclavamientos difíciles de mon-tar y de accionar.

Posibilidad de automatismos fiables.

Con el control manual es muy complica-do hacer intervenir elementos como ter-mostatos, presostatos, manómetros, fina-les de carrera u otros dispositivos más refi-nados, como fotocélulas o temporizadores,cosa que es facilísima con el auxilio de con-tactores, ya que no es necesario que loscontactos que provocan la entrada o la sali-da superen una capacidad mayor que lanecesaria para activar las bobinas.

Control de motores.

El arranque, aceleración y paro de unmotor es posible hacerlo sin que éste sufra,gracias a los contactores.

Ahorro importante en conductores.

El uso de contactores optimiza la sec-ción tanto de los cables principales comolos de mando.

Antesala de la automación futura.

El desarrollo de los automatismos porcontactores ha permitido seguir avanzandoen el desarrollo de nuevos elementos,como los semiconductores, diodos, tran-sistores, tiristores, triacs y de los autóma-tas programables.

Ventajas de la utilización de contactores


VENTAJAS DE LA UTILIZACIÓN DE CONTACTORES


Ventajas de la utilización de contactores


Simbología de un contactor.

a. Bobina b. Contactos principales. c. Contactos auxiliares.


El contactor electromagnético


Hemos leído que a mediados del sigloXIX, la electricidad empezó a utilizarse deforma progresiva.

En esas circunstancias los circuitosnecesitaban cada vez más potencia, y fueimprescindible, para su intervención y con-trol, desarrollar un elemento capaz de ges-tionar intensidades cada vez mayores.

Un simple interruptor sólo permitía unpaso a su través como máximo de 6 ampe-rios.

Circuito básico con una bombilla como receptor.

Se hizo necesario desarrollar nuevosinterruptores, más potentes, conocidoscomo “de cuchillas”, conectados concables de secciones de acuerdo con lapotencia que se estaba tramitando.

Imaginemos una grúa cuyo operador,situado a una distancia prudente, para nosufrir daño, sostiene en sus manos un inte-rruptor al que acciona para subir o bajar lacarga…

¡Un interruptor enorme, peligroso y ate-nazado por los cables!

¡El operario no podría resistir una jorna-da normal sin solicitar la baja por agota-miento!

Los primeros intentos de lograr algooperativo no se hicieron esperar:

EL CONTACTOR ELECTROMAGNÉTICO

Antiguos interruptores de cuchillas.

Conmutador rotativo y de paquete.


El contactor electromagnético


1904 Contactor al aire trifásico de corrientealterna con circuito magnético en formade arco y contactos de cobre.

1912Primer contactor en aceite de corrientealterna del mundo con contactos de cobreen forma de tulipán y doble ruptura.

1931 Contactor en aceite tetrapolar con transmisión directa y en caja aislante.

1952 Contactor al aire trifásico de corrientealterna con núcleo deslizante y contactosde doble ruptura.

1970 Contactor al aire trifásico de corrientealterna con contactos de doble ruptura y de aleación noble.

La nueva generación Contactor con módulo amplificadorMódulo de contactos auxiliares. Relé térmico.


El contactor electromagnético actual


Definimos un contactor electromagnéti-co como aquél interruptor de corrientemandado a distancia, preparado para gran-des frecuencias de operación, que vuelve ala posición de reposo cuando la fuerza deaccionamiento deja de actuar sobre él.

Insistimos en que el mando a distanciapresenta dos ventajas importantes: primero,la instalación puede efectuarse con una evi-dente economía, pues bastan dos hilos, deuna sección muy pequeña respecto al cable-ado principal, que unan la bobina del relé conel puesto de mando; segundo, aísla al opera-rio de los puntos peligrosos de la instalación.

El contactor sólo puede adoptar dosestados: uno estable o de reposo, cuandono recibe acción alguna por parte del cir-cuito de mando, y otro inestable, cuando esaccionado y mantenido por su sistema deoperación.

Elementos esenciales de un contactor.

La parte de mando es el electroimán,que es el elemento motor del contactor,está constituido por un núcleo magnético yuna bobina. El núcleo magnético está for-mado por chapas laminadas de hierro alsilicio, sujetas por remaches y aisladasentre sí, cuando el contactor está destinadoa trabajar con corriente alterna, o es deacero macizo en caso de trabajar concorriente continua. La razón de esta dife-

rencia se justifica diciendo que, en alterna,las corrientes de Foucault calientan elnúcleo y aumentan las pérdidas; y un modode evitar parte de estas pérdidas es usandochapas laminadas. Además, estos núcleosdeben poseer la propiedad de tener bajopoder coercitivo, que significa el que no seimanten, con el fin de no retener la partemóvil del electroimán, llamada armadura,cuando haya cesado la fuerza de atraccióncreada por el campo de la bobina.

Otra diferencia existente entre los núcle-os magnéticos, además de la ya menciona-da, consiste en una espira en cortocircuito,que recibe el nombre de espira de sombra,o espira de Frager, que llevan los núcleospara corriente alterna. Sirve para evitar quela armadura tiemble sobre el núcleo cadavez que la corriente magnetizante y el flujocorrespondiente pasen por cero, dos vecescada periodo, y la armadura pueda abrirsemomentáneamente.

La espira de sombra evita el “tacleteo” ysus consecuencias, debido a que, por sudisposición, tal y como se aprecia en lasiguientes figuras, el flujo principal induceen ella una corriente alterna y ésta, a su vez,un flujo auxiliar desfasado del principal 120º,de manera que, cuando el flujo principalpasa por cero, el auxiliar mantenga un valortal, que impida que la armadura se abra.

Disposición de la espira de sombra.

EL CONTACTOR ELECTROMAGNÉTICO ACTUAL


El contactor electromagnético actual


Efecto de desplazamiento del flujo que produce la espira de sombra.

Cuando cesa la corriente de excitaciónde la bobina, un muelle a tal efecto empujala armadura en sentido opuesto y ésta vuel-ve a su posición de reposo.

Los contactores generalmente puedenoperar corrientes del orden de 6 a 12 veces

la intensidad nominal. Se caracterizan porsu poca inercia mecánica y rapidez de res-puesta; resultando elementos indispensa-bles en las tareas de automatización. Si secombinan con relés adecuados, térmicos,por ejemplo, pueden emplearse para la pro-tección de las cargas (generalmente moto-res) contra ausencias de fase, sobretensio-nes, sobrecargas, corrientes inversas, etcé-tera. En estos casos el relé térmico actúasobre el circuito de operación del contactormediante un contacto conmutado, 95-96-98, que permite avisar acústicamente u ópti-mamente, cuando se produce su disparo.

Cabe añadir que para la protección con-tra cortocircuitos, de la unión contactor-motor, deben utilizarse otros elementos,colocados aguas arriba, como por ejemplocartuchos fusibles.


Clasificación de los contactores


1 Clasificación por el tipo de accio-namiento.

Contactores neumáticos: Se accio-nan mediante la presión de un gas(aire, nitrógeno).

Contactores hidráulicos: Se accionanpor la presión de un líquido (aceite).

Contactores electromagnéticos: Suaccionamiento se realiza a través deun electroimán.

En este trabajo sólo nos referiremos aestos últimos; pues su sencillez deconstrucción, unido a su robustez,volumen reducido, bajo consumo,poco mantenimiento y precio econó-mico, los han convertido en el mode-lo de mayor empleo en la actualidad.

2 Clasificación por la disposición desus contactos.

Contactores al aire: La apertura delos contactos se produce en la cáma-ra correspondiente pero en el medionatural, el aire.

Contactores en vacío: La apertura delos contactos se produce en cámarasespecialmente diseñadas y dondeexiste el vacío.

Contactores al aceite: La apertura delos contactos se produce en el senode un baño de aceite.

Para grandes potencias se usaban,en tiempos no muy lejanos, décadade los 60, contactores en baño deaceite, caracterizados por sus bue-nas propiedades mecánicas, ya queel aceite refrigeraba los contactos yproveía un efecto amortiguador queaseguraba una larga duración mecá-

nica y un funcionamiento silencioso.La mejora tecnológica de los contac-tores al aire hizo que aquellos dejarande utilizarse pues resultaban demayor costo y requerían la renova-ción periódica del aceite.

3 Clasificación por la clase de corriente.

Contactores para corriente alterna.

Contactores para corriente continúa.

Cabe destacar que estos últimosrequieren una construcción de suscontactos y cámaras de arco muyestudiadas, pues la corriente no seanula naturalmente y la energía alma-cenada magnéticamente no se disipadurante el proceso de interrupcióndel circuito.

La explicación: en corrientecontinua, el arco no sufreningún paso por cero de lasalternancias porque estas noexisten.

4 Clasificación por el nivel de tensión.

Contactores de baja tensión: Hasta 1000 V.

Contactores de alta tensión: Más de 1000 V.

5 Clasificación por la característicade la carga conectada.

Contactores de potencia: Utilizadospara la conexión de cargas importan-tes o principales.

CLASIFICACIÓN DE LOS CONTACTORES



Contactores auxiliares: Intervienenpara que el mando se produzca opara la conexión de cargas más livia-nas, o secundarias.

Construcción de un contactor electro-magnético.

Contienen los siguientes elementosconstructivos principales:

Una envolvente aislante, para contener ypermitir el trabajo en el interior de los ele-mentos de trabajo.

Incorpora también los orificios de fijacióndel contactor al chasis del armario dondepueda ir alojado o el enganche con resorte,para poder sujetarlo sobre carril DIN.

Contactos:

Contactos principales: Son los instala-dos en las vías principales para la conduc-ción de la corriente de servicio, destinadosa abrir y cerrar el circuito de potencia (todoo nada). Generalmente tienen dos puntosde interrupción (son dobles) y están abier-tos en reposo. Según el número de vías depaso de corriente, el contactor será bipolar,tripolar, tetrapolar, etc. realizándose lasmaniobras simultáneamente en todas lasvías merced a un puente que los aloja.Suelen sufrir desgaste con el tiempo y pue-den cambiarse fácilmente. Dado el precioque tiene actualmente un contactor, es unasolución obligada.

Son los elementos del contactor some-tidos al trabajo más duro, lo que obliga alos fabricantes a poner especial interés ensu elaboración. Los contactos deben reunirlas siguientes cualidades: alta conductivi-dad eléctrica y térmica, pequeña resisten-cia al contacto, débil tendencia a soldarse,buena resistencia a la erosión producidapor el arco, dureza elevada, gran resisten-cia mecánica y poca tendencia a formaróxidos o sulfuros, que poseen elevadaresistencia eléctrica. Es difícil encontrar unmaterial que reúna estas cualidades; porello habrá que buscar la solución en lasaleaciones. Entre las más importantes sepueden nombrar: plata-cadmio (buena

conductora y elevada dureza) y plata-níquel (buena conductora y resistente alarco eléctrico). Estas dos aleaciones seusan cuando los contactores realizanmuchas maniobras/hora o controlancorrientes elevadas. Para un número redu-cido de maniobras, se puede usar la alea-ción platino-iridio.

Los contactores de pequeña capacidad orelés, que controlan valores pequeños pue-den incluso dotarse de contactos de oro ocobre; éste último si se pretende una solu-ción más económica. La forma de los con-tactos tiene también una importancia decisi-va, sobre todo para la vida de los mismos. Aprimera vista, podría parecer que unos con-tactos planos y de gran superficie son losmás adecuados; sin embargo, es precisotener en cuenta que es imposible conseguirun perfecto paralelismo entre ambas superfi-cies en el momento de la conexión y desco-nexión y ello hace que no se utilice toda ella.Dándoles forma convexa, se obtendrá unasuperficie menor; pero, a igual fuerza, la pre-sión será mayor en este caso. Por otra parte,esta forma favorece la extinción del arco,auque no lo elimine completamente. Así lascosas, contactos típicos son los que segui-damente se muestran:

Diversas formas de acabado los contactos.

Contactos auxiliares: Son los acopladosmecánicamente a los contactos principa-les, encargados de abrir y cerrar los circui-tos auxiliares y de mando del contactor;asegurando los enclavamientos y conec-tando las señalizaciones. Pueden ser deltipo normalmente abierto (NA) o normal-mente cerrado (NC).





Generalmente tienen dos puntos de inte-rrupción y son de dimensiones reducidas,pues actúan sobre corrientes relativamentepequeñas.

Suelen llevar un sistema muy sofistica-do, que les obliga a un roce o deslizamien-to forzado, con el fin de limpiarlos, o sea deeliminar todo resto de suciedad que impidauna buena conexión. Se conoce como dis-positivo autolimpiante. También podemosencontrarnos, sobre todo, en finales decarrera, con una curiosidad consistente enuna plaquita portacontactos, inclinada, queincluye sólo tres bultitos, los contactos.

Hay situaciones en que por un númeroexcesivo de maniobras se llegan a pegar.Llegado ese momento no queda otro reme-dio que sustituirlos y esto consiste en pres-cindir totalmente del bloque y poner otronuevo.

A veces no están todas las cámaras uti-lizadas y simplemente cambiamos lasconexiones de sitio, aprovechando otroscontactos con la misma función.

Cómo pueden ser los contactos.

Según el país de procedencia del con-tactor, NA designa un contactoNormalmente Abierto en reposo (de ahí el“normalmente”), o sea, tal como está en lacaja de embalaje. El NC será NormalmenteCerrado.

Sin embargo no es de extrañar que nosencontremos un NO para designar, en

inglés, Normally Open y para el cerrado unNC que coincide, en inglés con, NormallyClosed.

En Portugal a los contactosse le designa como NA(Normalmente aberto) y NF(Normalmente fechado).

Bobina:

Elemento que genera una fuerza deatracción al ser atravesado por una corrien-te eléctrica. Según el modelo de contactorse monta sobre una o dos partes del circui-to magnético.

Está construida para resistir los choquesmagnéticos provocados por el cierre y laapertura de los contactores así como lasfuerzas electromagnéticas debidas al pasode la corriente por sus espiras.

Suelen llevar amortiguadores. Son muyresistentes a las sobretensiones, a los cho-ques, a las atmósferas agresivas y estánbobinadas de hilo de cobre esmaltadoreforzado. Existen modelos sobremoldea-dos. Su tensión de alimentación puede serde 12, 24, 110 y 230 V de corriente alternao continua.

Para mayor seguridad de funcionamien-to, suelen calcularse de manera que, aúncon tensiones del 10 % por encima y pordebajo del valor nominal, el accionamientosea correcto.

Cuando una bobina supuestamente nofunciona y hemos comprobado su falta decontinuidad y no tenemos un repuesto amano, siendo fundamental no interrumpir laproducción de la máquina donde actúa elcontactor al que pertenece, no estaría demás intentar acceder, en su interior, al iniciodel bobinado, para verificar si éste se hasoltado o no. Es posible que se haya corta-do el fino hilo esmaltado y con mucho cui-dado podamos soldarlo al terminal.




Recordemos que no es necesario pelar elhilo esmaltado (muy difícil por su escasasección) pues el calor de la soldadura elimi-nará el esmalte y tendremos una unión satis-factoria. El hilo esmaltado es del tipoSOLDA, que permite la soldadura directa-mente.

En cuanto al comportamiento, según sealimenten con corriente continua o alterna,se aprecian grandes diferencias.

Alimentadas con corriente continua, laoposición sólo se debe al valor de la resis-tencia óhmica, debiendo por ello poseermuchas espiras y ser de hilo fino. Cuandose usan en alterna, la corriente absorbidano depende sólo de la resistencia óhmicasino también de la reactancia. En posiciónde reposo, la reactancia del electroimán esbaja, ya que el entrehierro es grande; comoconsecuencia, la bobina absorbe una granintensidad de corriente en la conexión.Cuando la estructura magnética se cierra,la reactancia aumenta y la intensidad decorriente disminuye hasta su valor nominal.Por esta razón, la bobina para alterna seconstruye con hilo más grueso y menosespiras que la bobina para continua. Ahorabien, si por cualquier circunstancia el cierreno es perfecto, la corriente por la bobina essuperior a la nominal, lo que puede provo-car un calentamiento que la llegue a fundir.

¿Qué le ocurre a una bobina de corrien-te alterna?

Lo hemos leído pero conviene insistir yaque está en juego toda la teoría del magne-tismo.

Veamos:

La bobina presenta una resistenciapequeña, constante, pero una reactanciaelevada, cuando el circuito magnético estácerrado, dependiendo, prácticamente, deesta reactancia, el valor de la corriente con-sumida.

Cuando el electroimán está abierto lareluctancia de su circuito es elevada, o seala reactancia de su bobina es pequeña, loque significa un consumo de corriente muysuperior a la normal, permanentementeconsumida en circuito cerrado.

Reluctancia

Inductancia

Reactancia

Impedancia

Intensidad

En alterna, la corriente que pasa por labobina viene limitada por la impedancia delcircuito, que es variable en las diferentesfases de trabajo. En consecuencia, con elcircuito magnético abierto la impedancia espequeña, debido al gran entrehierro y lapunta de corriente en el cierre será elevada(puede alcanzar 5 a 6 veces la del circuitocerrado, según la forma del circuito magné-tico). A medida que se cierra el circuitomagnético su impedancia aumenta y enconsecuencia la corriente disminuye hastael valor nominal correspondiente al circuitomagnético cerrado.

Esta circunstancia no tiene tanta impor-tancia en corriente continua, pues lacorriente absorbida es siempre igual.

Armadura:

Otros fabricantes la llaman martillo, partemóvil del contactor que forma parte del cir-cuito magnético. Desplaza los contactosprincipales y auxiliares por la fuerza de atrac-ción de la bobina.




Núcleo:

Designado también como yugo, es laparte fija por la que se cierra el flujo mag-nético producido por la bobina.

Muelles antagónicos:

Son los encargados de devolver los con-tactos a su posición de reposo una vez quecesa la fuerza de atracción.

Cámaras de extinción o apagachispas:

Son los recintos en los que se alojan loscontactos y que provocan que el arco deruptura se alargue, divida y finalmente seextinga.

Marcado:

Identificación de cada uno de los bor-nes.




Contactores auxiliares. Tipos.

Contactores auxiliares, colaboran en la maniobra con los contactores de potencia.


Funcionamiento, identificación de bornes, características de utilización y posición de funcionamiento del contactor electromagnético


Radiografía de un contactor.

1 Parte fija del circuito magnético. 2 Parte móvil del circuito magnético. 3 Bobina. 4 Cables de conexión. 5 Unión mecánica. 6 Puente aislante. 7 Contactos móviles, 3 en este ejemplo. 8 Conexión de la parte de potencia. 9 Contactos fijos, 3, para la conexión entre la red y el receptor.

Cuando la bobina del contactor se exci-ta por la circulación de corriente, el núcleoatrae a la armadura y arrastra los contactosprincipales y auxiliares, estableciendo el cir-cuito entre la red y el receptor. Este despla-zamiento puede ser:

Por rotación, pivote sobre su eje.

Por traslación, deslizándose paralela-mente a las partes fijas.

Combinación de ambos movimientos,rotación y traslación.

Cuando la bobina deja de ser alimenta-da, se abren los contactos por efecto del

resorte de presión de los polos y del o de losresortes de retorno de la armadura móvil.

El circuito magnético está preparadopara resistir los choques mecánicos provo-cados por el cierre y la apertura de los con-tactos y los choques electromagnéticosdebidos al paso de la corriente por las espi-ras de la bobina. Con el fin de reducir loschoques mecánicos, a veces, se instalanamortiguadores.

Si el contactor se debe gobernar desdediferentes puntos, los pulsadores de mar-cha se conectan en paralelo y los de para-da en serie con la bobina.

Simbología e identificación de bornes.

Los bornes de conexión de los contac-tores se nombran mediante cifras o códigosde cifras y letras que permiten identificar-los, facilitando la realización de esquemas ylas labores de cableado.

- Los contactos principales se identificancon una sola cifra, del 1 al 16.

- Los contactos auxiliares se identificancon dos cifras. Las cifras de unidades ocifras de función indican la función del con-tacto:

* 1 y 2, contacto normalmente cerrados(NC).

* 3 y 4, contacto normalmente abiertos(NA).

* 5 y 6, contacto de apertura temporiza-da, decalada.

* 7 y 8, contacto de cierre temporizado,decalado.

- La cifra de las decenas indica el núme-ro de orden de cada contacto en el contac-

FUNCIONAMIENTO, IDENTIFICACIÓN DE BORNES, CARACTERÍSTISCAS DE UTILIZACIÓN Y POSICIÓN DE

FUNCIONAMIENTO DEL CONTACTOR



tor. En un lado se indica a qué contactorpertenece.

- Las bobinas de un contactor se identi-fican con las letras A1 y A2, y B1 y B2, si lle-van doble arrollamiento. En su parte inferiorse indica a qué contactor pertenece.

- El contactor habitualmente se denomi-na con la letra K o C seguida de un númerode orden.

Características de utilización.

1) Corriente de servicio.

Para desarrollar este concepto debemoshacer las siguientes definiciones:

Corriente nominal térmica (Ith): es la quepuede ser soportada por los contactosprincipales del contactor durante 8horas en ausencia de arcos de ruptura ypermaneciendo dentro de los límites fija-dos de calentamiento.

Corriente de servicio: es la máximaintensidad que puede controlar un con-tactor en las condiciones de utilizaciónexigidas por la carga. Estas condicionesse hallan definidas por las normas.

La corriente térmica nominal es un valorúnico y característico para cada contac-tor, mientras que la corriente de serviciovaría con la utilización a la que se apli-que el mismo; pues los distintos tipos detrabajos dan lugar a diferentes regíme-nes de calentamiento y enfriamiento.

2) Clase de servicio.

La clase de servicio está relacionada conla vida útil del contactor, generalmenteexpresada en miles o millones de manio-bras. Las normas correspondientes esta-blecen las siguientes clases de servicios:

Servicio permanente: conectando lacorriente de servicio sin interrupción portiempo indefinido.

Servicio de 8 horas: conectando lacorriente de servicio sin interrupción porun tiempo suficiente para alcanzar elequilibrio térmico, pero inferior a 8 horas.Al final de ese período el contactor debe

haber efectuado una desconexión encarga.

Servicio temporal: conectando la corrien-te de servicio sin interrupción por untiempo insuficiente para alcanzar el equi-librio térmico, pero permaneciendo enreposo un tiempo suficiente para enfriar-se hasta la temperatura ambiente. Lasnormas establecen servicios temporalesde 10, 30, 60 y 90 minutos.

Servicio intermitente: conectando y des-conectando la corriente de servicio cum-pliendo ciclos de trabajo, sin alcanzar elequilibrio térmico ni en la conexión ni enla desconexión. Las normas establecenservicios intermitentes con cotas supe-riores de 6, 30, 150, 600 y 1200 manio-bras por hora.

3) Categoría de servicio.

La categoría de servicio está relacionadacon el poder de ruptura del contactor. Lasnormas han determinado 4 categorías deservicio para aplicaciones de corrientealterna y 5 para aplicaciones en corrientecontinua; que representan las condicio-nes más corrientes de utilización y difie-ren por los poderes de ruptura exigidos.

Las categorías de servicio, para corrien-te alterna y en función de la misma,algunas aplicaciones de los contactoresson:

AC1

Cargas puramente resistivas o ligera-mente inductivas, para calefacción eléc-trica, iluminación incandescente.

En funcionamiento normal = conexión ydesconexión al 100 % de la corrientenominal del aparato receptor.

AC2

Motores asincrónicos de rotor bobinado,para mezcladoras, centrífugas.

En funcionamiento normal = conexión al250 % de la corriente nominal y desco-nexión al 250 % de la corriente nominaldel aparato receptor.




AC3

Motores asincrónicos de rotor en corto-circuito, para aparatos de aire acondi-cionado, compresores, ventiladores.

En funcionamiento normal = conexión al600 % de la corriente nominal y desco-nexión al 100 % de la corriente nominaldel aparato receptor.

AC4

Motores asincrónicos para trabajo pesa-do (intermitente, frenado contracorrien-te) grúas, ascensores.


Las categorías y aplicaciones, paracorriente continua, son:

DC1

Cargas puramente resistivas o débilmen-te inductivas, para calefacción eléctrica.


DC2

Motores derivación, con desconexión amotor en rotación, nunca a motor frenado.

En funcionamiento normal = conexión al250 % de la corriente nominal (constan-te de tiempo hasta 2 ms) y desconexiónal 250 % de la corriente nominal (cons-tante de tiempo hasta 7,5 ms) del apara-to receptor.

DC3

Motores derivación, con desconexión amotor frenado, inversiones del sentidode giro.

En funcionamiento normal = conexión ydesconexión al 250 % de la corriente

nominal (constante de tiempo hasta 2ms) del aparato receptor.

DC4

Motores serie, con desconexión a motoren rotación, nunca a motor frenado.

En funcionamiento normal = conexión al250 % de la corriente nominal (constan-te de tiempo hasta 7,5 ms) y descone-xión al 100 % de la corriente nominal(constante de tiempo hasta 10 ms) delaparato receptor.

DC5

Motores serie, con desconexión a motorfrenado, inversiones del sentido de giro.

En funcionamiento normal = conexión ydesconexión al 250 % de la corrientenominal (constante de tiempo hasta 7,5ms) del aparato receptor.

La constante de tiempo citada resultadel cociente entre la inductancia y laresistencia del circuito. Cabe acotar queen CC generalmente se emplean con-tactores unipolares.

4) Tensión de servicio.

La tensión de servicio está relacionadacon las propiedades dieléctricas delcontactor.

Las normas establecen que en funciona-miento normal, los contactores debenpoder conectar con entre el 90 y el 110 %de su tensión nominal.

5) Posición de funcionamiento.

Normalmente se fijan en posición verti-cal, sin embargo existen contactoresque admiten una inclinación de 22º 30’en cualquier dirección, respecto a laposición normal por exigencias de losorganismos de control naval.





El contactor al desnudo


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