ie control de motores elctricos

Control de motores eléctricos Fundamentos de los sistemas de control

Desde la instauración de la producción en serie, la máquina se ha convertido en una parte vital de nuestra economía. Al principio las máquinas fueron gobernadas principalmente a mano a impulsadas desde un eje común de transmisión o de línea. Este eje de transmisión estaba impulsado por un motor grande que funcionaba continuamente y accionaba cada una de las máquinas mediante una correa cuando era necesario. Se comprende fácilmente que este equipo de transmisión de potencia no se prestase a un nivel elevado de producción. Con la demanda de mayor producción, la máquina adquirió un nuevo aspecto. Se prescindió del eje de transmisión y se introdujo el motor eléctrico en cada máquina individualmente. Este cambio permitió realizar con más frecuencia y más rápidamente los arranques, paradas a inversiones de la máquina. Una pequeña máquina podía tener un pequeño motor de alta velocidad, mientras una gran máquina contigua podía tener un motor grande de velocidad constante o variable. En otras palabras, el taller de máquinas o la factoría llegó a ser flexible. Al acoplar el motor de accionamiento directamente a una sola máquina del equipo, se hizo posible introducir algunas operaciones automáticas. Actualmente, en nuestras plantas industriales, es cada vez mayor él número de máquinas que trabajan de modo completamente automático. El operador se

limita a iniciar el proceso, y la mayoría de todas las otras operaciones se realizan automáticamente. El funcionamiento automático de una máquina se obtiene exclusivamente por la acción del motor y del control de la máquina. Algunas veces este control es totalmente eléctrico y otras veces es una combinación de control mecánico y eléctrico. Sin embargo los principios básicos quo se aplican son los mismos. Una máquina moderna se compone de tres partes distintas que es necesario considerar. Primero, la máquina propiamente dicha, que está proyectada para realizar una determinada tarea o un tipo de trabajo. Segundo, el motor, que es seleccionado de acuerdo con los requisitos de la máquina en cuanto a carga, ciclo de servicio y tipo de funcionamiento. Tercero, el sistema de control, que es el que principalmente interesa en este libro. El sistema de control está supeditado a los requisitos de funcionamiento del motor y de la máquina. Si únicamente es necesario que la máquina arranque, funcione durante algún tiempo, y se pare, el control necesario puede quedar reducido a un simple interruptor de palanca. Pero si es necesario que la máquina arranque, realice varias funciones automáticas, se pare durante algunos segundos, y luego repita el ciclo, requerirá varias unidades integradas de control. El propósito de este libro es presentar los principios básicos y los componentes del control y luego explicar cómo deben ser asociados para constituir un sistema de control. 1-1 Definición de Control ¿Qué es un control de motor? Es una pregunta que no tiene respuesta sencilla. Sin embargo no implica la misteriosa y complicada cuestión que vulgarmente se cree. La palabra control significa gobierno, mando o regulación. Así, cuando hablamos de control de un motor o máquina, nos referimos al gobierno, mando o regulación de las funciones de dicho motor o máquina. Aplicados a los motores, los controles realizan varias funciones, tales como las de arranque, aceleración, regulación de velocidad, regulación de potencia, protección, inversión y parada. Cada elemento del equipo utilizado para regular o gobernar las funciones de una máquina o un motor se llama componente de control. Trataremos de cada componente en su correspondiente sección de este libro.

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Fundamentos de los sistemas de control


Un controlador eléctrico es un dispositivo o grupo de dispositivos que controla o regula las funciones de un motor o una máquina de manera predeterminada o en un orden de sucesión o secuencia asimismo predeterminado.

Panel de la red Protección del circuito

Arrancadormanual Protección en

funcionamiento

Motor

Línea

Fig. 1-1 Control manual de un motor. 1-2 Control Manual El control manual es una forma de mando o regulación que se ejecuta manualmente en el mismo lugar en que está situado el dispositivo de control (fig. 1-1). El más sencillo y conocido es probablemente el arrancador manual de pequeños motores a tensión nominal. Se utiliza frecuentemente este arrancador donde sólo es necesario la función de control para la puesta en marcha y parada del motor. Probablemente la principal razón de la popularidad de esta unidad es que su coste es aproximadamente la mitad del de un arrancador electromagnético equivalente. El arrancador manual proporciona generalmente protección contra la sobrecarga (Sec. 2-71 y desenganche de tensión mínima (Sec. 2-12), pero no protección contra baja tensión.

El control manual que provee las mismas funciones que las obtenidas por el arrancador manual de motor a plena tensión se puede obtener utilizando un interruptor con fusible del tipo de acción retardada, que proporciona la protección del motor contra sobrecargas. Abunda mucho este tipo de control en talleres pequeños de metalistería y carpintería, en que se utilizan pequeñas máquinas de taladrar, tornos y máquinas para roscar tubos. También se utiliza en los ventiladores de extracción instalados en salas de máquinas y utilizados en ciertos procesos industriales. En estas instalaciones el operador o el operario encargado del mantenimiento, empuja generalmente el botón de puesta en marcha del ventilador por la mañana cuando se abre el taller, y continua funcionando durante todo el día. Por la noche, o cuando se cierra el taller, el operador empuja el botón parada, y el ventilador deja de funcionar hasta que se le necesita nuevamente. Las máquinas de soldar del tipo de motor-generador son un ejemplo de esta clase de control y serán conocidas de la mayoría de estudiantes del control de motores. El arranque manual a tensión reducida mediante autotransformador se emplea extensamente para controlar los motores polifásicos de jaula en los que se requiere el arranque a tensión reducida siendo las funciones necesarias de control solamente las de arranque y parada. Este tipo de arrancador suele llevar incorporada protección contra la sobrecarga, desenganche por tensión nula y protección contra baja tensión. El arrancador tipo autotransformador se utiliza muy frecuentemente asociado a un combinador tipo tambor con resistencias de arranque en los motores de rotor bobinado (fig. 1-2). Esta combinación da un completo control manual de arranque, parada, velocidad y sentido de giro. Estos autotransformadores para el arranque a tensión reducida, se utilizan generalmente en los motores de gran potencia, siendo frecuente su uso junto con un combinador de tambor con resistencias conectadas al rotor en los motores que accionan turbocompresores usados en equipos de acondicionamiento de aire. El arranque a tensión reducida permite al motor vencer la inercia del turbocompresor durante el período de arranque sin absorber una intensidad excesiva. El combinador de tambor junto con las resistencias permite regular la velocidad de un motor de rotor bobinado, que acoplado al turbo compresor permite variar el caudal de aire acondicionado, confiriéndole una flexibilidad que no sería posible obtener con una instalación de velocidad constante.


Panel de la red

Control primario

Línea

Motor rotor deanillos

Cambiadortipo tambor

Resistenciasrotor

Fig. 1-2 Control de un motor con rotor de anillos. Existen algunos controladores manuales cuya clasificación presentaría alguna dificultad a causa de que realizan también funciones de control que no son automáticas. El control manual se caracteriza por el hecho de que el operador debe mover un interruptor o pulsar un botón para que se efectúe cualquier cambio en las condiciones de funcionamiento de la máquina o del equipo en cuestión. 1-3 Control Semiautomático Los controladores que pertenecen a esta clasificación utilizan un arrancador electromagnético y uno o más dispositivos pilotos manuales tales como pulsadores, interruptores de maniobra, combinadores de tambor o dispositivos análogos (fig. 1-3). Probablemente los mandos más utilizados son los cuadros de pulsadores a causa de que constituyen una unidad compacta y relativamente

económica. El control semiautomático se emplea principalmente para facilitar las maniobras de mando y dar flexibilidad a las maniobras de control en aquellas instalaciones en las que el control manual no es posible. La clave de la clasificación como sistema de control semiautomático es el hecho de que los dispositivos piloto son accionados manualmente y de que el arrancador del motor es de tipo electromagnético. Probablemente hay más máquinas manipuladas por control semiautomático que por control manual o automático. Este tipo de control requiere un operador que inicie cualquier cambio en la posición o condición de funcionamiento de la máquina. Mediante el uso del arrancador electromagnético puede realizarse este cambio desde un lugar o puesto de trabajo cómodo o necesario, lo que no es posible con el control manual que debe maniobrarse en el mismo lugar en que está situado el arrancador.

Panel de la red

Arrancadorelectromagnético

Línea

Pulsadoresremotos

Motor

Fig. 1-3 Control semiautomático de un motor.


1-4 Control Automático Un control automático está formado fundamentalmente por un arrancador electromagnético o contactor cuyas funciones están controladas por uno o más dispositivos piloto automáticos (flg. 1-4). La orden inicial de marcha puede ser automática, pero generalmente es una operación manual, realizada en un panel de pulsadores o interruptores.

Panel de la red

Arrancadorelectromagnético

Línea

Pulsador

Motor

Interruptor final decarrera

Interruptor deflotador

Fig. 1-4 Control automático de un motor.

En algunos casos puede haber una combinación de dispositivos manuales y automáticos en un circuito de control. Si el circuito contiene uno o más dispositivos automáticos, debe ser clasificado como control automático. Por ejemplo, consideremos un depósito que debe mantenerse lleno de agua entre límites definidos y una bomba para reponer el agua cuando sea necesario. Si equipamos el motor de la bomba con un arrancador manual y utilizamos un operario para que lo accione cuando sea necesario, tendremos un control manual. Supongamos que ahora sustituimos el arrancador manual por un arrancador electromagnético y disponemos un panel de pulsadores en el pupitre del capataz. Si mediante un timbre se le avisa cuando el agua ocupa el nivel inferior y el nivel superior, a la vez que realiza su propio trabajo, también podrá

accionar el pulsador correspondiente cada vez que suene el timbre. Esto sería un control semiautomático. Supongamos ahora que instalamos un interruptor de flotador que cierra el circuito cuando el agua llega al nivel bajo previamente determinado y lo abre cuando alcanza el nivel alto también predeterminado. Cuando el agua llega al límite inferior, el interruptor del flotador cerrará el circuito y pondrá en marcha al motor. El motor funcionará hasta que el agua alcance el nivel superior, y en este instante el interruptor de flotador abrirá el circuito y parará el motor. Esto sería un control automático. Muchas veces se cree que un sistema automático resultará más caro que cualquiera de los otros dos, pero si se tiene en cuenta que se ahorra el trabajo de un operario, bien puede resultar este método más ventajoso. También se tendrá en cuenta que el control automático resultará más exacto a causa de que no hay retraso entre el instante en que el agua llega al nivel deseado y el cierre o la apertura del circuito de control. Los sistemas automáticos de control se encuentran en casi todas las instalaciones de máquinas herramienta. Las prensas, las fresadoras, las limadoras, los tornos revólver, máquinas herramienta de precisión y casi todas las máquinas actuales de use común, en que se emplean interruptores limitadores y otros dispositivos automáticos, realizan sus operaciones con más rendimiento y más rápidamente gracias al use de sistemas automáticos de control. Resumen La diferencia fundamental entre el control manual, el semiautomático y el automático estriba en la facilidad y comodidad de maniobra del sistema. Con control manual el operador tiene que estar situado en el lugar del arrancador para efectuar cualquier cambio en el funcionamiento de la máquina. Con control semiautomático el operador puede estar situado en un lugar conveniente para poder iniciar los cambios de funcionamiento en la posición más cómoda. Con control automático no es necesario que el operador inicie los cambios en el funcionamiento automático, porque esta función está incluida en el sistema de control.


Los circuitos y equipos de control pueden realizar funciones diversas. Pueden ser agrupados en 11 tipos generales de acuerdo con el tipo de control que ejercen sobre el motor. Cada uno de los tipos generales puede ser subdividido en innumerables variantes, pero todas ellas tienen algunos principios fundamentales comunes que, si se comprenden, son la clave del trabajo de control. El propósito de este capítulo es presentar estos principios en un lenguaje lo más claro posible. 2-1 - Puesta en Marcha de un Motor En la selección del equipo para la puesta en marcha de un motor deben ser tenidos en cuenta varios factores generales. Los más obvios de ellos son la corriente, la tensión y la frecuencia nominales del motor y de los circuitos de control. Los motores necesitan protección de acuerdo con el tipo de servicio, tipo de motor y funciones de control que requieren. El que se emplee un control de arranque a tensión nominal o uno a tensión reducida puede depender de la capacidad de corriente de la instalación de la planta y de las líneas de la compañía distribuidora de energía, así como de las tarifas. Otros factores tales como mandos para servicio intermitente, control de

velocidad o el tipo de motor utilizado, también afectarán esta selección. Arranque a tensión nominal. - El requisito de este tipo de arranque es simplemente la conexión directa del motor a la línea de alimentación (fig. 2-1). Esto se puede conseguir sencillamente utilizando un interruptor de cuchillas, pero este método sólo permite la protección del motor mediante fusibles.

Motor

Fusible

Interruptor ocontactor

Protección enfuncionamiento

Línea

Fig. 2-1 Arranque a tensión nominal. Para pequeños motores de potencia fraccionaria en circuitos de baja intensidad, un simple interruptor puede ser satisfactorio, utilizándose frecuentemente. En muchos aparatos no se emplea más que el cordón y la clavija como medios seccionadores, junto con un pequeño interruptor para poner en marcha y parar el motor. A causa de que el motor no queda desconectado de la línea en el caso de que falte en ella la energía, este tipo de control de arranque puede ser utilizado, por su economía, en el caso de ventiladores y otros dispositivos que no peligran si se ponen nuevamente en marcha al restaurarse la energía. Con motores de hasta 7 ½ CV y tensión no mayor de 600 voltios se puede emplear el arrancador manual de conexión del motor directamente a la línea. La mayoría de estos arrancadores también reúnen las condiciones de protección contra la sobrecarga y subtensiones.

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Control de la puesta en marcha de motores


El arrancador que más se emplea para motores de hasta 600 CV y 600 voltios o menos es el que dispone de un contactor electromagnético para realizar la conexión directa del motor a línea. Este arrancador, combinado con dispositivos piloto, puede proporcionar una absoluta protección del motor y un funcionamiento completamente automático. La inmensa mayoría de motores se construyen actualmente de modo que soporten la sobreintensidad que se produce cuándo se emplea el arranque a tensión nominal. Sin embargo no todas las líneas de plantas industriales ni todos los equipos de las compañías distribuidoras de energía eléctrica pueden soportar dichas sobreintensidades. Cuando un motor de gran potencia arranca a plena tensión, puede originar una caída de tensión que sea suficiente para impedir el funcionamiento perfecto del equipo de control. Si la caída de tensión es considerable, puede ser causa de la disminución de intensidad en el alumbrado de otras plantas conectadas a la misma red. En la mayoría de instalaciones industriales la compañía penaliza, en forma de tarifas más altas, las sobreintensidades excesivas en la línea mediante el uso de un medidor de máximo consumo. Este medidor registra la máxima potencia media suministrada durante un período dado de tiempo, generalmente 15 minutos. Este factor debe ser siempre tenido en cuenta cuando se decide la adopción del método de arranque para motores de gran potencia. El costo adicional de la energía registrada por estos contadores durante el arranque de los motores de gran potencia mediante arranque a tensión nominal puede muy bien exceder del costo de los equipos de arranque a tensión reducida. Cuando se considere la adopción del arranque a plena tensión, siempre es necesario inspeccionar los conductores de la instalación así como la capacidad del sistema de distribución. Si la sección de los conductores es inadecuada, debe ser aumentada o bien recurrir al arranque a tensión reducida Arranque a tensión reducida. - Siempre que el arranque de un motor a tensión nominal pueda causar serios descensos de la tensión en las líneas de la compañía distribuidora o en los cables de la instalación, es casi imperativo el arranque a tensión reducida (fig. 2-2). Existen también otras razones para el uso de este tipo de control, debiéndose tener en cuenta todas ellas al seleccionar el tipo de arranque del motor. Cuando se pone en marcha un motor mediante conexión directa a la red, se produce un esfuerzo excesivo o choque en las distintas piezas, tales como piñones, aletas de ventilador, poleas y acoplamientos. Cuando la carga es pesada y por lo tanto requiere gran esfuerzo

su aceleración, puede ser necesario el arranque a tensión reducida. Las transmisiones de correa con cargas pesadas son propensas a deslizamiento excesivo a no ser que se aplique el par lenta y uniformemente hasta alcanzar la plena velocidad.

2M

S

S

2M1M 1M

2M1M

Secuencia de los contactoresContactor

1M2MS

ArranqueX

X

TransiciónX

FunciónXX

Estrella-triángulo

1M 2M

Devanados parcialesSecuencia de los contactores

Contactor1M2M

ArranqueX X

X

Función

M M M

R R

S S

AutotransformadorSecuencia de los contactores

ContactorMSR

ArranqueXX

TransiciónX

Función

X

X

Fig. 2-2 Arranque a tensión reducida El arranque a tensión reducida se obtiene mediante el uso de resistencias, autotransformadores o reactancias a fin de reducir la tensión de la línea hasta el valor deseado durante el arranque. Independientemente de los medios que se


empleen para reducir la tensión, deben estar proyectados adecuadamente al motor en particular que ha de ser puesto en marcha. No entra dentro del plan de este libro estudiar el diseño de los arrancadores de tensión reducida, sino señalar la necesidad de hacer una selección apropiada de acuerdo con las especificaciones del fabricante del motor. Otro método de arranque distinto al de tensión reducida consiste en emplear un motor con rotor bobinado y control secundario (figura 1-2). En este sistema de arranque se aplica la tensión nominal al primario o devanado estatórico y en serie con el secundario o devanado rotórico se intercalan resistencias que reducen la intensidad de arranque. Las resistencias conectadas al rotor van eliminándose a medida que aumenta la velocidad, de forma que cuando adquiere la velocidad de régimen quedan eliminadas y los anillos del rotor en cortocircuito. La ventaja del control secundario es que también puede servir de control de velocidad al mismo tiempo que permite reducir la intensidad de arranque. Cualquiera que sea el método empleado en el arranque a tensión reducida, hay que tener presente que el par de arranque del motor se reduce también. Si un motor no es capaz de producir el par de arranque suficiente para iniciar el giro del motor en el arranque directo o a tensión nominal, la aplicación del arranque a tensión reducida agravará la situación a causa de que el par de arranque se reduce. El par de arranque de un motor de inducción es función del cuadrado de la intensidad del rotor, o aproximadamente del cuadrado de la intensidad de línea. Si la tensión de arranque se reduce en el 50 % , la intensidad de arranque del motor se reducirá también al 50 % de la normal, pero el par se reducirá al 25% de su valor normal. Algunos de los métodos de obtención del arranque a tensión reducida pueden producir una aceleración nula o muy pequeña en las condiciones de arranque. Esto requiere que la velocidad nominal se alcance después de aplicada la tensión nominal. La intensidad de arranque en las condiciones de tensión reducida será inferior a la correspondiente al arranque a tensión nominal. En el momento, una vez iniciado el proceso de arranque, en que se aplique la tensión nominal, la intensidad vuelve a adquirir el mismo valor, aproximadamente, que tenía en el momento de arranque a tensión reducida al iniciar el proceso. A este tipo de arranque se le denomina generalmente arranque escalonado y suele ser utilizado para regular el régimen de variación de la intensidad absorbida por el motor durante el período de arranque. El arranque de los motores de jaula con

arrollamientos parciales y el arranque en estrella-triángulo de los motores de jaula pertenecen al tipo de arranque escalonado (fig. 2-2). Control de maniobras intermitentes y de avance lento. - Las prensas, las grúas, los elevadores y equipos análogos requieren que el motor sea arrancado repetidamente durante cortos períodos de tiempo a fin de poner alguna parte de la máquina en una posición determinada. Este proceso se denomina en inglés jogging o inching. Aunque estos términos se suelen emplear indistintamente, hay una ligera diferencia en su significado. Si el motor es arrancado a plena potencia en tareas de corta duración, el término apropiado es dogging, o sea, mando por arranques rápidos sucesivos. Si el motor es puesto en marcha a velocidad reducida para que la máquina deslice hasta el punto deseado, el término correspondiente es inching, o sea, marcha de avance lento. Cuando se requieren maniobras de arranque intermitente, es decir, arranques rápidos sucesivos, la potencia nominal del arrancador debe ser superior a la que correspondería para el caso de un arranque normal. Por ejemplo, un arrancador trifásico cuyos valores nominales sean 30 CV, 220 voltios, su potencia quedará reducida a 20 CV para un servicio de mando de arranques intermitentes. Deberá ser consultada la documentación del fabricante en cuanto a las especificaciones de los arrancadores para este servicio. Las normas indicadas en las tablas 2-1 y 2-2 han sido establecidas por NEMA (National Electrical Manufacturers Association). 2-2 Control de la Aceleración en el Arranque Los motores de jaula no suelen prestarse muy bien al control de la variación de velocidad y de la aceleración. Existen tipos especiales de motores de jaula destinados a aplicaciones de dos, tres o cuatro velocidades. Este tipo de motor de jaula para varias velocidades, no es realmente de velocidad variable, sino que tiene varias velocidades determinadas que pueden ser utilizadas cuando se desee o escalonadamente. Cuando se requiere velocidad ajustable, los motores más prácticos son el de rotor bobinado con control de secundario y el de c.a. de velocidad variable con colector. El control manual de la aceleración o de la velocidad se puede obtener con motores de jaula de varias velocidades haciendo que el operador cierre el contactor apropiado de acuerdo con los requisitos de carga o de velocidad. En el caso de motores de rotor bobinado, se maniobra manualmente un combinador


de tambor que intercalará distintas resistencias en el circuito del rotor de forma que se obtenga la velocidad deseada. Tabla 2-1 Valores nominales para controles magnéticos polifásicos de una sola

velocidad a plena tensión en servicio continuo Potencia trifásica en

No Intensidad nominal de

c.c., amperios 110 voltios 208/220 voltios

440/550 voltios

Intensidad límite nominal

de servicio

00 9 ¾ 1 ½ 2 11 0 18 2 3 5 21 1 27 3 7 ½ 19 32 2 45 ... 15 25 52 3 90 ... 30 50 104 4 135 ... 50 100 156 5 270 ... 100 200 311 6 540 ... 200 400 621 7 810 ... 300 600 932 8 1.215 ... 450 900 1.400 9 2.250 ... 800 1.600 2.590

Tabla 2-2 Valores nominales para controles magnéticos polifásicos de una sola

velocidad a plena tensión en servicio de frenado por contramarcha, parada-inversión o intermitente de intervalos cortos

Potencia trifásica en No

Intensidad nominal de

c.c., amperios 110 voltios 208/220 voltios

440/550 voltios

Intensidad límite nominal

de servicio

0 18 1 1 ½ 2 21 1 27 2 3 5 32 2 45 ... 10 15 52 3 90 ... 20 30 104 4 135 ... 30 60 156 5 270 ... 75 150 311 6 540 ... 150 300 621

El control automático de la aceleración se puede obtener por varios métodos. Probablemente el más sencillo es el control de retardo fijo. En este método se emplea un relé de acción retardada para cada paso o velocidad. Al ponerse el motor en marcha a la velocidad más baja, se excita el primer relé de acción retardada, el cual, pasado un tiempo determinado deja de actuar, produciendo la excitación del segundo contactor, aumentando la velocidad hasta su segundo escalón. Este proceso puede ser repetido en tantos pasos o escalones como sea necesario para obtener la velocidad y la aceleración que se deseen. El principal

inconveniente de este método es que su actuación es independiente de las condiciones de funcionamiento de la máquina, de su carga y de la corriente del motor. Con máquinas o equipos que no pueden ser sometidas al par motor total hasta que la carga ha alcanzado una velocidad dada para acelerar el motor, se emplea el sistema llamado control de intensidad máxima. En este sistema, el paso de una velocidad a la siguiente, durante el período de arranque, se consigue mediante relés de intensidad cuya acción se produce al disminuir la intensidad a un valor prefijado, valor que se alcanzará cuándo el motor y la carga alcancen la velocidad de régimen correspondiente. Este sistema es muy adecuado para transmisiones de correa o engranajes con cargas de mucha inercia. Este método de control debe ser proyectado especialmente para cada aplicación, debiendo ser ajustados los relés según el motor empleado y las condiciones de funcionamiento deseadas. Por esta razón no se hallan normalmente en el comercio como productos de catálogo en existencia. Otro sistema de control de aceleración durante el arranque es el llamado control por frecuencia de deslizamiento. Este sistema se emplea en los motores de rotor bobinado y se utiliza también para excitar el campo de los motores síncronos, una vez alcanzada la velocidad sincrónica. A causa de que la tensión y frecuencia del rotor en los motores de anillos es proporcional a la velocidad, se puede utilizar un relé sensible a la frecuencia para activar cada velocidad por pasos o escalones progresivamente. Un inconveniente del control de la frecuencia de deslizamiento es que el arranque debe iniciarse empezando por el primer punto o sea el de velocidad más baja. Cuando se selecciona el método de control de aceleración habrá que tener en cuenta varias propiedades peculiares. El control manual es sensible solamente a la reacción del operador. El control de retardo fijo es sensible sólo al lapso de tiempo. El control de intensidad máxima es sensible a la carga aplicada al motor. El control por frecuencia de deslizamiento es sensible a la velocidad del motor. Es muy posible que en ciertas aplicaciones específicas se pueda emplear una combinación de dos o más de los sistemas de control mencionados para conseguir que el motor sea sensible a más de uno de estos factores. Tal controlador tendrá que ser especialmente construido para satisfacer los requisitos específicos de la instalación.


2-3 Arranque de Motores de Jaula de Varias Velocidades Los motores de jaula con una sola velocidad son generalmente puestos en marcha por arrancadores electromagnéticos directos. Un motor de jaula de varias velocidades requiere un controlador cuya construcción especial sea adecuada para sus arrollamientos.

Alta

Alta Alta Alta

Alta

Baja Baja Baja

1L 2L 3L

1T

2T 3T

4T 5T

6TPolos consecuentes: 2 velocidades

4 polos: alta velocidad 8 polos: baja velocidad

Fig. 2-3 Control de motor jaula de dos velocidades

Los motores de dos velocidades pueden tener dos arrollamientos independientes en el estator o ser de tipo de polos consecuentes (figura 2-3) el cual sólo posee un arrollamiento en el estator. En el motor de polos consecuentes, las dos velocidades se obtienen mediante diferente conexión de las bobinas del arrollamiento de modo que según una a otra conexión se obtiene uno y otro número de polos en el estator. Es característico de este tipo de motor que la relación de velocidades es de 2 a 1. Los motores de tres velocidades tienen usualmente un arrollamiento para una velocidad y un segundo arrollamiento del tipo polos consecuentes para las otras dos velocidades. Los motores de cuatro velocidades están devanados usualmente con dos arrollamientos, ambos de polos consecuentes. El número de contactores, el orden en que se cierran y el

número y tipos de unidades de sobrecarga necesarias depende del método de obtención de las varias velocidades. 2-4 Arranque de Motores de Rotor Devanado Motor de rotor devanado es esencialmente lo mismo que un motor de jaula excepto que tiene determinados arrollamientos en lugar de barras en cortocircuito en el rotor. Mediante la conexión de resistencias en el circuito del rotor con un combinador de tambor o con contactores, puede ser controlada la velocidad en cualquier número de escalones o pasos. El método más común de puesta en marcha de motores de rotor devanado es el de conectar directamente a la red el devanado estatórico mediante interruptor manual o un contactor, relacionado con un combinador que intercalará las resistencias de arranque en el devanado del rotor (fig. 2-4). El control de secundario o rotor puede ser un combinador de tambor manual o accionado por motor, un reóstato líquido o un contactor electromagnético diseñado para control secundario. Este control puede tener por finalidad únicamente el arranque y tener sólo dos o tres escalones, o bien el control de velocidad y tener cualquier número de escalones.

1ºvelocidad

2ºvelocidad

3ºvelocidad

4ºvelocidad

Control secundario

Motor de anillosrozantes

Controlprimario

Fig. 2-4 Control de motor anillos rozantes


Es necesario que haya un enclavamiento entre los controladores primario y secundario para impedir el arranque del motor cuando no está toda la resistencia intercalada en el circuito secundario. El circuito secundario puede tener un control de resistencia o de reactancia. Se tratará de éstos con detalle en el capítulo 3. 2-5 Arranque de Motores Sincrónicos El motor sincrónico arranca como uno de jaula y con una resistencia conectada al arrollamiento .inductor para disipar la corriente generada en este arrollamiento durante el arranque (fig. 2-5). Generalmente el sistema de arranque es del tipo de tensión reducida con la adición de un relé sensible a la frecuencia de deslizamiento o de conexión del inductor, para que cuando el rotor alcance aproximadamente el 95 % de la velocidad sincrónica, los devanados inductores sean alimentados automáticamente con corriente continua. El relé de frecuencia de deslizamiento debe también eliminar la excitación del campo y conectar la resistencia de campo si el motor pierde el sincronismo ya que si no se suprime la excitación, el arrollamiento del estator quedará sometido a una sobreintensidad peligrosa. El motor sincrónico debe estar provisto de relé de secuencia incompleta para protegerlo durante su puesta en marcha en el caso de no completarse la secuencia de arranque. También debe estar provisto de medios para ajustar la excitación de campo. La anterior descripción del arranque como motor de jaula puede parecer excesivamente simplificada, por ser de carácter general y aplicable a todos los motores sincrónicos. Para una aplicación específica de un determinado tipo de estos motores, se deberá consultar la documentación del fabricante. Muchos motores sincrónicos están proyectados para aplicaciones específicas y varían algo de estas ideas generales del arranque aquí expuestas, requiriendo equipo o circuitos adicionales. 2-6 Selección de los Equipos de Arranque Cuando se seleccionan los equipos o controladores de arranque se deben tener en cuenta varias circunstancias. A continuación se incluyen algunas preguntas a las que hay que dar una respuesta antes de seleccionar un controlador:

Contactor dearranque

Resistencia dedescarga del

inductor

Generadorde c.c.

Marcha

Arranque

Autotransformador

Control de la excitación

Contactor demarcha

Fig. 2-4 Control de motor sincrónico

1. ¿Está proyectado para el tipo de motor que se va a emplear? 2. ¿Requiere el motor arranque a tensión reducida? 3. ¿Es necesario control de velocidad? 4. ¿Ofrece el controlador todas las clases de protección que son ne-

cesarias? 5. ¿Son correctas las tensiones de línea y de control, así como la

frecuencia? Analizando los requisitos de la máquina y del motor antes de seleccionar el controlador se evitan confusiones onerosas.


2-7 Protección Contra la Sobrecarga La sobrecarga de un motor puede ser de origen mecánico o eléctrico; por consiguiente, la protección contra la sobrecarga debe satisfacer a ambas. La corriente que absorbe de la línea un motor es proporcional a la carga aplicada al motor, así pues, si esta corriente se emplea para activar el dispositivo de protección contra la sobrecarga, la máquina y el motor estarán protegidos. La protección contra las sobrecargas generalmente se obtiene en los controladores conectando elementos térmicos bimetálicos en serie con dos conductores del motor, por lo menos en los motores trifásicos (figura 2-6). Estos elementos térmicos, al calentarse debido a la intensidad, actúan sobre contactos que abren el circuito de la bobina excitadora de un contactor electromagnético. Cuando se utilizan en arrancadores o controladores manuales, los elementos térmicos disparan un dispositivo mecánico que abre los contactos del interruptor de línea.

M

Protecciónnormal

Proteccióncompleta

Fig. 2-6 Elementos protectores contra sobrecarga para motores trifásicos. Este tipo de dispositivo contra sobrecargas es sensible al porcentaje de sobrecarga; por tanto, una pequeña sobrecarga tardará algún tiempo en disparar el relé, mientras una sobrecarga grande abrirá casi instantáneamente el circuito. Sin embargo el relé contra sobrecargas no proporciona protección en caso de cortocircuito. Es muy posible que en condiciones de cortocircuito el relé se mantenga atraído durante suficiente tiempo para que el motor y el equipo sufran un daño considerable.

Sería imposible subestimar la necesidad de hacer una selección correcta del equipo protector contra sobrecargas. En la selección de los elementos térmicos de los relés de sobrecarga habrá que atenerse a la intensidad nominal de funcionamiento indicada por el fabricante del motor. La práctica demasiado frecuente de aumentar el valor nominal del elemento térmico rebasando el valor requerido es probablemente la causa principal de los fallos de motores en las plantas industriales. Cuando un motor dispara reiteradamente sus dispositivos contra sobrecarga, deberá efectuarse una verificación meticulosa de la corriente que absorbe realmente a fin de determinar si el defecto radica en el dispositivo protector contra sobrecarga o es que el propio motor absorbe una corriente excesiva. Si ocurre esto último, habrá que determinar si está originado por una sobrecarga mecánica o porque los arrollamientos del motor están defectuosos. Actualmente ocurre muchas veces que las primas de producción inducen al operario a exigir de su máquina más potencia de la que corresponde al motor que la acciona haciendo que éste trabaje forzado. La práctica de regular la protección contra sobrecarga para una intensidad mayor que la admisible conducirá a hacer más frecuentes los períodos de inactividad del equipo cada vez que sea necesario rebobinar o reemplazar el motor por avería. Cuando falle una fase de un circuito del motor, éste trabajará como monofásico, lo que será causa de una intensidad excesiva en los otros arrollamientos y conductores del motor. En la mayoría de los casos, la sobreintensidad hará que se disparen las unidades de sobrecarga, desconectando así el motor de la línea e impidiendo que se quemen sus devanados. En ciertas condiciones de carga es posible que el motor trabaje como monofásico por la falta de una fase sin que lleguen a actuar los dispositivos térmicos y se quemen sus devanados, aunque el dispositivo de protección disponga de dos elementos térmicos. Por esta razón, muchos ingenieros y constructores consideran la necesidad de un tercer elemento térmico para mejorar la protección en caso de fallo de una fase. 2-8 Protección Contra Cortocircuitos Los motores de jaula y otros de corriente alterna pueden absorber hasta 600 % de la intensidad nominal en condiciones severas de arranque. Cualquier carga que exceda de este límite se considera como corriente de cortocircuito. Como los relés térmicos antes mencionados necesitan un cierto tiempo para entrar en acción, no pueden proporcionar protección contra los cortocircuitos. La línea que alimenta a un motor debe estar provista de cortacircuitos fusibles o de un dispositivo automático que interrumpa rápidamente la corriente en el caso de


cortocircuito en el motor. Los fusibles deben abrir el circuito mucho más rápidamente que los relés de sobrecarga en condiciones de cortocircuito. Probablemente la mejor protección se obtiene con un dispositivo doble que comprenda el fusible para el caso de cortocircuito y un elemento interruptor que actúe en caso de sobreintensidad.

Muelle

Elemento térmico Elemento fusible Fig. 2-7 Fusible del tipo cartucho con dos elementos.

El cortacircuitos representado en la figura 2-7, está formado por dos elementos, uno fusible que en caso de cortocircuito fundirá y abrirá rápidamente el circuito, y un elemento térmico que actuará con cierto retardo abriendo el circuito en el caso de una sobreintensidad que no afecte al fusible. El resultado definitivo del uso del cortacircuitos indicado en el circuito del motor, es obtener protección contra cortocircuitos mediante el elemento fusible y además un grado de protección contra sobrecargas mediante el elemento térmico. Este tipo de fusible se emplea extensamente como único medio de protección en motores pequeños de potencia fraccionaria. El uso de estos dispositivos para la protección contra cortocircuitos ofrecen un retardo de tiempo que permite la sobreintensidad de arranque sin que se abran los contactos del mecanismo térmico. Este retardo es inversamente proporcional a la intensidad de la corriente. Cuanto mayor es la sobrecarga, más corto es el tiempo necesario para que se abra el circuito. 2-9 Protección Límite o de Fin de Carrera La protección límite, como su nombre implica, tiene como misión limitar alguna operación de la máquina o de su motor impulsor. El tipo más conocido es el de control fin de carrera utilizado para limitar el desplazamiento de una herramienta de corte o mesa a otra parte de la máquina herramienta. Cuando la herramienta llega a una posición predeterminada, activa a un interruptor fin de

carrera, haciendo que se invierta el sentido de giro del motor y la máquina vuelva al otro extremo de su carrera. Hay otros tipos de protección limite, tales como los de sobre o subvelocidad de la máquina impulsada. También hay controles de límite que no reactivan la máquina y simplemente paran el motor hasta que han sido efectuadas las correcciones por el operario. Este tipo de protección se consigue mediante el uso de interruptores fin de carrera, de los cuales trataremos después. Fundamentalmente, un interruptor fin de carrera es simplemente un interruptor accionado por un tope mecánico que la máquina traslada en su movimiento y que en una posición dada abre el interruptor. Los interruptores fin de carrera son uno de los dispositivos de control que más frecuentemente se utiliza actualmente en las máquinas. 2-10 Protección por Enclavamiento El enclavamiento evita el que un motor pueda ser puesto en marcha antes que otro, si en ello hay inconveniente, y en general que pueda realizarse una maniobra antes o después del momento que le corresponda. El acondicionamiento de aire presenta un ejemplo típico. Si el compresor funcionase sin estar en servicio la bomba de la torre de enfriamiento, la presión aumentaría peligrosamente en el compresor, y el relé manométrico de presión límite pararía la máquina, o de lo contrario el compresor resultaría deteriorado. Para evitar que esto ocurra, el circuito del motor del compresor debe estar relacionado con el de la bomba para que no pueda arrancar hasta que ésta esté funcionando. El enclavamiento puede ser eléctrico, mecánico o combinación de ambos. Los arrancadores inversos en que ambos arrancadores están en la misma caja tienen generalmente un enclavamiento mecánico y algunas veces un enclavamiento eléctrico. Cuando las dos unidades que deben ser mutuamente enclavadas están en dos cajas separadas (figura 2-8), es necesario el enclavamiento eléctrico. Éste se obtiene conectando un contacto auxiliar en un arrancador, en serie con el circuito de la bobina del segundo arrancador. Aunque aquí nos referimos únicamente al enclavamiento aplicado a los motores, es de señalar que el enclavamiento se utiliza en todas las fases de las conexiones de control cuando interviene en el arranque de un motor o en el cierre de válvulas en una instalación de control de proceso. El uso del control de


enclavamiento asegura la sucesión o secuencia correcta de las operaciones en todo el sistema de control.

Contacto auxiliar

Arrancador No 1 Arrancador No 2

Motor No 1 Motor No 2

Pulsador

Línea

Fig. 2-8 Dos arrancadores con enclavamiento que permite el arranque automático del motor 2 una vez funcione el motor 1.

2-11 Control de Velocidad Los motores de jaula no se prestan a ningún sistema de control de variación continua de la velocidad, pero puede obtenerse éste en dos, tres o cuatro velocidades de acuerdo con la construcción del motor. Hemos tratado de esto en el control de aceleración. El motor de c.a. más apropiado para el control de velocidad es el de rotor devanado, llamado también motor de anillos. Mediante el uso del control rotórico o secundario, este tipo de motor puede tener tantos escalones de velocidad como se desee. Los métodos de control de los motores de anillos se explican más detalladamente una vez estudiados los combinadores. Otro tipo de motor de c.a. que proporciona excelente control de velocidad es el de colector. Hay cuatro tipos generales de control de velocidad, que dependen de los requisitos de la máquina:

Control de velocidad constante. - Muchas máquinas requieren una reducida aceleración durante el arranque y luego una velocidad constante en funcionamiento. Este tipo de control de velocidad se puede obtener mediante el arranque a tensión reducida en el caso de motor de jaula, de rotor devanado o sincrónico. Sin embargo habrá que tener en cuenta que el arranque a tensión reducida da también invariablemente un par reducido de arranque. Control de velocidad regulable. - Este control se emplea cuando el motor debe poder funcionar a distintas velocidades a voluntad del operador. El mejor medio de obtener este tipo de control es mediante el uso de un motor de rotor devanado con control rotórico o bien el uso de un motor de c.a. del tipo de colector. Este tipo de control requiere que se pueda variar la velocidad bajo carga. Control de varias velocidades. - Este tipo de control difiere solo ligeramente del de velocidad regulable en que usualmente no se requiere cambiar la velocidad bajo carga. El motor de jaula de varias velocidades es muy adecuado para esta clase de servicio. Control de velocidad predeterminada. - Con este tipo de control la máquina es acelerada pasando los escalones necesarios de velocidad hasta alcanzar una velocidad de funcionamiento preajustada. Los motores de jaula de varias velocidades y los de rotor devanado son adecuados para este tipo de servicio. La instalación de todos los tipos mencionados de control de velocidad se debe hacer de modo que el operador pueda variar el orden de sucesión o secuencia de las operaciones. Sin embargo es muy frecuente que el sistema de control induzca al operador a arrancar en un punto particular de la secuencia y luego siga ésta sin variación. Cuando el control es de este tipo, se le llama control de secuencia obligada. Este término se aplica también a sistemas de control que, aunque no sean precisamente de velocidad, en ellos el operador esté obligado a seguir un orden establecido en las operaciones. 2-12 Protección de Mínima Tensión y Tensión Nula La tensión de la línea que alimenta los circuitos del motor puede disminuir hasta valores peligrosamente bajos o puede anularse en un instante imprevisto. Cuando la tensión es demasiado baja, los arrollamientos del motor se pueden deteriorar gravemente si quedan conectados a la línea. Por esta razón algunos


motores de gran potencia emplean un relé especial de tensión para desconectar el motor en el caso de que la tensión descienda a valores peligrosos para el motor. En la mayoría de los motores de poca potencia esta misión queda encomendada a los relés de sobrecarga que abrirán el interruptor o contactor. Si el circuito de control es tal que el motor se pone por sí solo en marcha cuando la tensión de la línea vuelve a tener su valor correcto, la protección se denomina de desconexión por mínima tensión. El uso de dispositivos piloto de contacto mantenido en los arrancadores electromagnéticos proporciona este tipo de protección. Si la protección utilizada requiere que el motor sea puesto nuevamente en marcha a mano, el dispositivo protector se llama protección por tensión nula. El uso de dispositivos piloto de contacto momentáneo en los arrancadores electromagnéticos proporciona este tipo de protección. El uso de protección contra tensión mínima o tensión nula depende de los requisitos de la máquina. Los ventiladores, radiadores eléctricos y muchas otras pequeñas unidades de una instalación pueden funcionar más convenientemente con protección de mínima tensión, lo que evita la necesidad de ponerlos nuevamente en marcha manualmente. En cualquier máquina en que haya el más ligero riesgo para ella o para la seguridad del operador por un arranque inesperado, se deberá emplear protección de tensión nula. 2-13 Protección Contra el Fallo de Fase Cuando en un motor trifásico se interrumpe la corriente en una fase, se dice que éste queda en funcionamiento monofásico. Ordinariamente las unidades de protección contra sobrecarga dispararán el arrancador y desconectarán de la línea al motor. Sin embargo, puede suceder que la intensidad debida a la carga que en ese momento tenga que soportar el motor no sea la suficiente para actuar las protecciones de sobrecarga. Esto ocurre generalmente con el 65 % de carga en la mayoría de motores de jaula. En motores pequeños el riesgo se considera generalmente demasiado pequeño para que esté justificado el costo de la protección adicional. Para motores de gran potencia se dispone un relé de tensión para cada fase, y sus contactos se conectan en serie con la bobina de retención del contactor del arrancador. El fallo de una fase hará que se desconecte el arrancador inmediatamente.

El uso de tres unidades de relé de sobrecarga en el arrancador proporciona una protección contra el fallo de fase que se considera generalmente adecuada para la mayoría de instalaciones de hasta 100 CV. 2-14 Protección Contra Inversión de Fases Algunas máquinas pueden resultar gravemente deterioradas cuando los motores giran en sentido contrario, como ocurriría con una inversión de fases. Aunque no es muy utilizado este tipo de protección, cuando sea necesario debe utilizarse para evitar mayores daños. La protección contra la inversión de fase se puede conseguir utilizando un relé sensible a la fase con sus contactos en serie con la bobina del contactor del arrancador. 2-15 Protección Contra Secuencia Incompleta Cuando se utiliza el arranque a tensión reducida en un motor hay peligro de que los arrollamientos de éste o del autotransformador o ambos se deterioren por funcionamiento prolongado a tensión reducida. Para impedirlo y asegurar que se complete el ciclo de arranque, se conecta un relé térmico a la línea durante el arranque. Este relé está proyectado y conectado de modo que el arranque prolongado haga que la unidad térmica del relé abra sus contactos y desconecte al arrancador. Este tipo de protección es también necesario en los arrancadores de motores sincrónicos. Otro método de obtener una protección contra secuencia incompleta en el arranque de motores es el uso de un relé temporizado que desconecte el motor si no se ha completado su secuencia de arranque en un intervalo de tiempo predeterminado. 2-16 PARADA DEL MOTOR Hay varios factores que deben ser tenidos en cuenta en la parada de un motor. En algunas máquinas todo lo que se necesita es que se interrumpa o abra el circuito del motor y dejar que éste siga girando por inercia hasta que se pare. Sin embargo, no todas las máquinas permiten que el motor quede sometido


únicamente a su inercia. Por ejemplo, un grúa o montacargas no sólo se debe parar rápidamente, sino que también debe mantener cargas pesadas. Otras máquinas, tales como las esmeriladoras o rectificadoras de roscas, deben parar muy bruscamente, pero no necesitan mantener una carga. El método de parada puede ser manual o automático. La parada automática se consigue mediante el uso de interruptores fin de camera, de flotador, u otros dispositivos piloto automáticos. La parada manual es controlada por botones pulsadores, interruptores, u otros dispositivos piloto accionados manualmente. El método más general de parada es simplemente desconectar el motor de la línea interrumpiendo el circuito de la bobina del contactor, si se trata de un arrancador electromagnético, o disparando los contactos de un arrancador manual, con un botón de parada. Con motores que deben ser parados muy rápida y exactamente pero que no necesitan soportar una carga, el método que más se emplea es el llamado de frenado por contracorriente o contramarcha. Esto se consigue utilizando un interruptor de frenado automático o un pulsador juntamente con un contactor inversor. Con cualquiera de estas unidades, el arrancador del motor se desconecta y luego es activado momentáneamente en sentido contrario. La inversión momentánea frena al motor por medio de la contracorriente y produce una parada brusca. Este tipo de parada no sirve para grúas ni montacargas a causa de que el motor parado, por sí solo, no puede mantener la carga. Cuando se trata de equipos tales como grúas y montacargas, hay que tener en cuenta que la carga tiene tendencia a hacer girar al motor en el sentido de descenso de la carga. Esto es lo que se llama carga de transporte adicional. Cuando se emplean motores de c.a. suelen ser del tipo de rotor devanado y la parada va precedida de una disminución progresiva de la velocidad con el fin de anular en lo posible el efecto de arrastre del motor por la carga. Tan pronto como el motor queda desconectado de la línea, actúa automáticamente un freno mecánico (fig. 2-9) que retiene al eje del motor conectado a la carga. Cuando se emplean motores de c.a., el efecto de arrastre del motor por la carga es disminuido con un frenado dinámico y a continuación, una vez alcanzada una velocidad pequeña, se hace actuar el freno mecánico.

Algunas veces la parada de los motores sincrónicos se efectúa utilizando el frenado dinámico. Esto se realiza desconectando el motor de la línea y conectando resistencias en bornes del motor, lo que momentáneamente convierte al motor en un generador de c.a. La resistencia presenta una pesada carga al generador, haciendo que éste se pare rápidamente. Hay que tener la precaución de utilizar una resistencia capaz de disipar la potencia generada mientras se está parando el motor. También hay que tener en cuenta que este tipo de parada no se puede utilizar para paradas frecuentes a causa de que hay que dar tiempo a las unidades de resistencia para que se enfríen entre operaciones sucesivas.

Control del motor Protección del circuito

Motor

Control del freno

Freno

Fig. 2-9 Frenado mecánico. 2-17 Puesta en Marcha de Motores de C.C. Cualquier dispositivo que se utilice para poner en marcha un motor de c.c. de más de ¼ CV debe disponer de algún medio de limitar la intensidad de arranque. Un motor de c.a. ofrece una alta impedancia lo que limita la intensidad de arranque. El motor de c.c. ofrece sólo la baja resistencia del inducido para limitar la intensidad de arranque hasta que el motor comienza a girar. Una vez iniciada la rotación, el arrollamiento del inducido comienza a cortar el flujo producido por el campo, y se genera una f.e.m. en el inducido, de polaridad opuesta a la de la tensión aplicada y que se denomina fuerza contraelectromotriz (f.c.e.m.). El valor de la fuerza contraelectromotriz aumenta con la velocidad, hasta que a velocidad nominal es del 80 al 95 % de la tensión aplicada.


La intensidad del inducido se calcula restando la fuerza contraelectromotriz de la tensión aplicada y dividiendo la diferencia por la resistencia del inducido. Cuando éste está en reposo, la fuerza contraelectromotriz es nula, por lo que la corriente del inducido es igual a la tensión aplicada dividida por la resistencia del inducido, que es muy baja, generalmente de 1 a 2 ohmios o menos.

Excitación serie

A

LíneaExcitaciónderivación

Resistenciade arranque

Motor mixto

A

LíneaExcitaciónderivación


Motor derivación

A

Línea


Motor serie

Excitación serie

Fig. 2-10 Conexiones del reóstato de arranque en c.c.

Si suponemos una resistencia de inducido de 0,85 ohmios y una tensión aplicada de 110 voltios, la intensidad de arranque será de 129,4 amperios. A velocidad nominal la fuerza contraelectromotriz será aproximadamente 100 voltios y limitará la intensidad a 11,8 amperios. La corriente de arranque quedará limitada al 150 % aproximadamente de la corriente de plena carga conectando una resistencia de 650 ohmios en serie con el inducido. La resistencia serie debe ser suprimida en escalones cuando la aceleración del motor produce una fuerza contraelectromotriz creciente y reduce la resistencia necesaria, hasta que a la velocidad de régimen se elimina toda la resistencia. Un

motor de c.c. desarrolla su máxima potencia cuando la fuerza contraelectromotriz time su valor máximo. Cuando se emplean motores de excitación serie o mixta (compound), la resistencia de arranque se conecta en serie con el inducido y con el devanado de la excitación serie. El motor derivación no posee devanado, no tiene campo serie, y por consiguiente la resistencia se conecta en serie únicamente con el inducido (fig. 2-10). 2-18 Control de la Velocidad en los Motores de C.C. Los motores de c.c. se utilizan principalmente por la facilidad de controlar su velocidad, por lo que son muy adecuados para el accionamiento de muchas máquinas. Cuando un motor de c.c. tiene aplicadas sus tensiones nominales en el inducido y en el inductor o campo, gira a su velocidad de régimen. Las velocidades inferiores a ésta se obtienen manteniendo la tensión del campo en su valor nominal y reduciendo la tensión del inducido. Las velocidades superiores a la de régimen se obtienen manteniendo la tensión del inducido en su valor nominal y reduciendo la tensión aplicada a la excitación. La velocidad del motor serie se controla mediante resistencias conectadas en serie con el inducido y el inductor. Las resistencias utilizadas para controlar la velocidad deben estar dimensionadas para un servicio continuo, a diferencia de las de arranque dimensionadas sólo para el período de arranque, ya que están siempre en servicio mientras se utilice el motor a velocidad inferior a la nominal. El combinador más utilizado en los dispositivos de control de velocidad de los motores series es el de tambor, empleado conjuntamente con resistencias tipo parrilla para servicio pesado. Los motores derivación y mixtos se prestan bien a aplicaciones en que la consideración más importante es el control de velocidad. Cuando la velocidad deseada es superior a la de régimen (control de sobrevelocidad), se intercalan resistencias en serie con el devanado en derivación. Cuando la velocidad deseada es inferior a la de régimen (control de subvelocidad), se disponen resistencias en serie con el inducido.


El control manual que más se emplea para variar la velocidad de motores derivación y mixto (compound) es la combinación de un arrancador de cuatro posiciones y un regulador de velocidad (sección 3-14). Resumen Al lector que comienza el estudio del control de motores le puede parecer que nunca aprenderá todas las funciones que el circuito de control de un motor o de otro dispositivo puede realizar. Los adelantos en este campo son tan rápidos que casi diariamente se consigue alguno. Sin embargo, cuando se analizan detenidamente, la mayoría de ellos son simples variantes de las funciones básicas explicadas en este capítulo. Se deberá tener presente que el proyecto, la instalación y la reparación del equipo de control depende de la perfecta comprensión de los requisitos de la máquina y de las características del motor. Preguntas de repaso 1. ¿Qué se entiende por control de un motor? 2. ¿Cuáles son los tres tipos básicos de control de motor? 3. Enumerar los dos tipos de control de arranque. 4. ¿Cuántos tipos de protección existen para los motores? 5. ¿Afectan las condiciones de funcionamiento del motor al tipo de control

que debe ser empleado? 6. ¿Qué diferencia hay entre los controles automáticos y los semiautomáticos? 7. ¿Qué factores es necesario considerar cuando se selecciona un equipo de

arranque? 8. ¿Cuáles son los dos métodos básicos de arranque a tensión reducida? 9. ¿Cómo puede ser controlada automáticamente la aceleración de los

motores? 10. Los arrancadores inversores deben estar equipados con alguna forma de

para evitar que ambos arrancadores se cierren al mismo tiempo. 11. Cuando a un motor se le invierte momentáneamente el sentido de giro para

pararlo, a este frenado se llama 12. ¿Afecta el porcentaje de sobrecarga al tiempo que tarda en desconectar el

relé de sobrecarga al arrancador? 13. ¿Qué diferencia hay entre protección contra sobrecarga y protección contra

cortocircuito? 14. ¿Qué es protección contra secuencia incompleta, y en qué dos tipos de

motores se utiliza más?

Control de motores eléctricos Componentes de control

Una vez determinadas las funciones de control que son necesarias para una máquina, deben ser seleccionados los componentes o dispositivos que realicen estas funciones. La selección debe hacerse meticulosamente. Por ejemplo, si es necesario un interruptor de flotador y su ciclo de servicio comprende sólo algunas operaciones por día durante un año, puede ser satisfactoria una unidad barata. Sin embargo, si el ciclo de servicio es de algunos centenares de operaciones por día permanentemente, se deberá utilizar la unidad de mejor calidad que se pueda adquirir. Las pequeñas reducciones de costo conseguidas mediante el uso de componentes baratos suelen ser pronto contrarrestadas por costosos tiempos de parada debidos a averías de los componentes o defectos de funcionamiento. En este capítulo estudiaremos cada uno de los tipos básicos de componentes de control, así como su funcionamiento, tanto eléctrico como mecánico, y algunas de las funciones que puede realizar. Aconsejamos al lector que adquiera de los fabricantes catálogos de piezas o componentes de control para utilizarlos como ulterior referencia en el estudio de este capítulo. Cuanto más familiarizado esté el lector con los equipos de diversos fabricantes y con el funcionamiento de estos equipos, mejor preparado estará para repararlos en el servicio.

3-1 Seccionadores e Interruptores Uno de los componentes más utilizados en la conexión y desconexión de motores es el interruptor. Los dispositivos de conexión y desconexión que generalmente se emplean en el control y maniobra de motores se clasifican en dos tipos generales. El primero de ellos es el seccionador cuyas características son solamente la intensidad y la tensión, es decir, no son aptos para la ruptura ni el cierre por lo que no deben ser utilizados en las conexiones y desconexiones bajo carga. Generalmente no van provistos de fusibles. El segundo tipo es el llamado propiamente interruptor, siendo capaz de interrumpir la corriente del motor bajo sobrecargas normales, siendo una de sus características nominales la intensidad o potencia que puede interrumpir o conectar, pudiéndose utilizar como interruptor de arranque de los motores dentro de estos limites (Sección 2-1). Cuando se le utiliza para la desconexión y protección del circuito del motor, este interruptor debe ir provisto de fusibles. Los disyuntores o interruptores automáticos presentan las mismas propiedades de desconexión que los interruptores y las protecciones de circuito con fusible. Estos interruptores poseen un mecanismo de retención con desenganche mediante dispositivo térmico, de modo que permite conectarse nuevamente una vez pasada la sobrecarga formando una sola unidad que ofrece al mismo tiempo función de conexión, desconexión y protección contra cortocircuito, lo que hace que esta unidad sea más compacta que el conjunto de interruptor y fusible separados. Los interruptores y los disyuntores pueden realizar las funciones de arranque (Sec. 2-1), parada (Sec. 2-16), protección contra sobrecargas (Sec. 2-7), y protección contra cortocircuitos (Sec. 2-8), dependiendo su aplicación de sus características nominales. 3-2 Contactores El contactor, generalmente, no es el único elemento empleado en los circuitos de control de motores, pero sí la unidad básica. Los contactores se utilizan para realizar las funciones de arranque y parada de diversos receptores tales como hornos eléctricos, anuncios luminosos y equipos similares que no requieren otra protección en su funcionamiento.

3

Componentes de control


Quizá la mejor manera de describir un contactor sea decir que es un interruptor de accionamiento electromagnético. Se compone de un juego de contactos fijos y un juego de contactos móviles que se cierran por el efecto de tracción de un electroimán. La mayoría de contactores utilizan un electroimán y un dispositivo de contactos que corresponde a uno de dos tipos generales. El primero de ellos es el tipo de armadura (fig. 3-1). Los contactos son retenidos por efecto de las piezas polares del electroimán y articulados con charnelas para que puedan desplazarse más o menos horizontalmente hasta tocar los contactos fijos.

Fig. 3-1 Contactor tipo armadura. El segundo es el tipo de solenoide (fig. 3-2). En este contactor los contactos son accionados por el extremo superior del núcleo magnético de un solenoide. Cuando es excitado el solenoide, el núcleo es atraído hacia su interior elevando así verticalmente los contactos hasta encontrar los contactos fijos sujetos al soporte del solenoide. Independientemente de que el contactor sea del tipo de armadura o del tipo de solenoide, los contactos se separan, interrumpiendo el circuito por la acción de la gravedad cuando se desexcita el electroimán.

Todo lo que es necesario eléctricamente para que funcione el contactor es aplicar a la bobina del electroimán una tensión del valor correcto. Cuando es aplicada la tensión, los contactos se cierran, y cuando deja de ser aplicada la tensión, los contactos se abren.

Fig. 3-2 Contactor tipo solenoide. 3-3 Relés Los circuitos de control automático contienen generalmente uno o más relés, principalmente a cause de que el relé confiere flexibilidad a los circuitos de control. El relé es por su propia construcción un amplificador mecánico. Recapacitemos un momento acerca del significado de la palabra amplificar. Significa aumentar, ampliar, extender o incrementar. Cuando nosotros activamos o excitamos la bobina de un relé con 24 voltios y los contactos están controlando un circuito de 440 voltios, estamos amplificando la tensión mediante el uso del relé. Las bobinas del relé só1o necesitan una corriente muy pequeña para su funcionamiento y se utilizan para controlar circuitos de


corrientes intensas. Así pues, también son amplificadores de corriente. El relé es inherentemente un dispositivo de una sola entrada que sólo requiere una sola tensión o corriente pare activar su bobina. Sin embargo, utilizando varios contactos, el relé se puede convertir en un dispositivo de varias salidas, por lo que también puede considerarse como amplificador del número de operaciones, siendo controladas por una sola entrada. Supongamos que disponemos de un relé cuya bobina funciona con 110 voltios y 1 amperio, y que los contactos de este relé controlan tres circuitos separados que funcionan con 440 voltios y 15 amperios cada una. Este relé se convierte en un amplificador de potencia en cuanto controla considerablemente más potencia en sus circuitos de salida que la que consume en su circuito de entrada. También se convierte en un amplificador en cuanto al número de circuitos, ya que una sola entrada controla tres salidas separadas. Los relés se emplean generalmente pare aceptar información de un dispositivo sensible o detector y la convierten en el nivel apropiado de potencia, número de diversos circuitos, a otro factor de amplificación para conseguir el resultado que se desea en el circuito de control. Estos dispositivos detectores utilizados conjuntamente con relés reciben el nombre de dispositivos piloto y están proyectados para que sean sensibles o detecten magnitudes físicas tales como la corriente, la tensión, las sobrecargas, la frecuencia y muchas otras, incluyendo la temperatura. El tipo apropiado de relé a utilizar en un circuito dado estará determinado por el tipo de dispositivo detector que le transmite la información. Por ejemplo, un dispositivo detector de tensión deberá ser conectado a un relé de tensión, y un dispositivo detector sensible a la corriente debe activar al relé de corriente. Cada uno de estos tipos los estudiaremos individualmente. Relé de tensión. - Este tipo de relé (fig. 3-3) es probablemente el que más se emplea porque se presta a muchas aplicaciones y se le puede emplear para realizar muchas funciones. El relé de tensión es simplemente un pequeño contactor (Sec. 3-2) que abre o cierra sus contactos, dependiendo de que estén normalmente cerrados o abiertos, siempre que es aplicada a su bobina la tensión correcta. Se fabrican con varios contactos que pueden estar normalmente abiertos o normalmente cerrados según convenga. Los relés de tensión se utilizan frecuentemente para separar dos o más circuitos controlados por una fuente (fig. 3-4) o cuando la tensión de control es diferente de la tensión de la línea.

Debe recordarse que un relé de tensión no es primordialmente un dispositivo de control, y requiere un dispositivo piloto (capítulo 4) para activarlo.

Fig. 3-3 Relé de tensión. (General Electric Company) Relé de intensidad. - Este tipo de relé (figs. 3-7, 3-8 y 3-9) se emplea para abrir o cerrar uno o varios circuitos en respuesta a las variaciones de intensidad de otro circuito, tales como las de la corriente absorbida por un motor (Sec. 2-1). El relé de intensidad está diseñado de tal forma que si se le conecta en serie con el circuito que debe suministrar la señal a detectar, se activará cuando la intensidad de la corriente que pasa por su bobina alcanza un valor suficientemente elevado para producir el flujo magnético necesario para accionar el dispositivo de los contactos. En relación con los relés de intensidad se emplean algunos términos que deben conocerse. Intensidad de conexión o de funcionamiento. - Es el valor de la intensidad que debe pasar por la bobina para cerrar o atraer la armadura del relé.


Fig. 3-4 Esquema explicativo de un circuito con relés de tensión.

Intensidad de desconexión o de retorno. - Es el valor de la intensidad por debajo del cual el relé deja de actuar después de haber sido atraída su armadura. Porcentaje de retorno. - Relación en % entre el valor de retorno y el valor de funcionamiento. Por ejemplo, si el relé actúa o cierra al llegar la intensidad a 5 amperios y se desconecta al descender a 3 amperios, la intensidad de funcionamiento es de 5 amperios, la de retorno de 3 amperios y el porcentaje de retorno del 60 % (5/3x100). La mayoría de los relés de este tipo están provistos de un resorte de tensión regulable y dispositivo de ajuste de la separación de los contactos que permite regular o ajustar los valores de conexión, desconexión y porcentaje de retorno. Este tipo de relé no debe funcionar con valores demasiado próximos a los de conexión o desconexión a no ser que sus contactos estén provistos de algún dispositivo de disparo rápido. Esto debe tenerse en cuenta ya que la presión del contacto depende de la diferencia entre intensidad que circula por la bobina del

relé y la de conexión. Por ejemplo, cuando el relé mencionado funciona con una corriente de 5,01 amperios en la bobina, la presión de contacto será sólo la producida por 0,01 amperio. Generalmente, los relés de intensidad propiamente dichos se utilizan sólo en circuitos de poca intensidad. Cuando se trata de intensidades más elevadas se emplean relés alimentados mediante el secundario de un transformador de intensidad. Otro tipo de relé es el térmico, en el cual una lámina bimetálica, u otro elemento, se calienta por efecto de una resistencia conectada en serie con el circuito al que debe ser sensible. El relé térmico bimetálico se funda en la diferente dilatación de dos metales diferentes cuando se calientan. Se construye uniendo dos láminas delgadas de metales diferentes. Cuando la corriente que pasa por dichas láminas o por la resistencia encargada de calentarlas, es suficiente, éstas se dilatan y debido al diferente coeficiente de dilatación, se curva el conjunto formado por las dos láminas actuando sobre los contactos abriéndolos. Como ejemplos de estos relés pueden citarse los empleados para protección de sobrecarga en motores y los cebadores empleados en el alumbrado fluorescente. Relé de frecuencia. - El relé de frecuencia se utiliza para producir la conexión de la excitación de campo en los motores sincrónicos durante la maniobra de arranque (Sec. 2-5) y para el control de aceleración en los motores de rotor bobinado. Generalmente estas unidades se proyectan para una determinada aplicación. Uno de los tipos se compone de dos bobinas equilibradas que actúan sobre una armadura común. Estas bobinas actúan comparando una frecuencia de referencia con la del circuito en que se utiliza el relé, de forma que la armadura bascula a uno a otro lado según las frecuencias difieran en un valor determinado o dicha diferencia sea mayor que la prefijada. Relé temporizado. - Este tipo de relé se utiliza frecuentemente para el control de secuencia, protección selectiva, desconexión por baja tensión, control de aceleración y muchas otras, funciones. Esencialmente, el relé temporizado es un relé de tensión con la adición de un elemento de acción diferida que puede ser del tipo membranas con tomas de aire (fig. 3-5) o del tipo de cilindro con émbolo amortiguador empleando aire o un líquido (fig. 3-6) y que retarda la acción de sus contactos respecto al


momento en que actúa el electroimán. Este retardo en la acción puede ser cuando el relé se excite o cuando se desexcite.

Fig. 3-.5 Relé temporizado tipo membranas con tomas de aire. (Cutler-Hammer, Ine.)

Si el retardo se produce al excitar el relé se dice que está temporizado al cierre y si se produce al desexcitarlo, que está temporizado a la apertura. Ambos tipos están provistos de un ajuste pares poder regular el tiempo de retardo dentro de los límites especificados. Los contactos se representan siempre en la posición correspondiente al relé desactivado, tanto si son temporizados al cierre como a la apertura.

Fig. 3-6 Relé temporizado tipo cilindro amortiguador. (Square D Co.) Estas unidades se fabrican de diversos tamaños dependiendo de la intensidad y tensión a que estén sometidos sus contactos. Relé de sobrecarga. - El relé de sobrecarga se encuentra en todos los arrancadores de motor en una a otra forma. En efecto, la adición de alguna forma de protección contra las sobrecargas a un contactor ordinario lo convierte en un arrancador de motor. Esta unidad realiza las funciones de protección contra sobrecargas (Sec. 2-7) y la protección contra el fallo de fase (Sec. 2-13)

en el circuito del motor. El requisito básico para la protección contra las sobrecargas es que el motor pueda trabajar a potencia nominal pero que se impida su funcionamiento al producirse cualquier sobrecarga prolongada o importante. Cuando un motor está sobrecargado mecánicamente, su corriente aumenta, lo que a su vez hace que aumente la temperatura del propio motor y de sus devanados. También se producen aumentos de corriente y de temperatura a consecuencia de la falta de una fase en los motores polifásicos o de un defecto en los devanados del motor. Por consiguiente, para obtener una protección completa contra las sobrecargas es necesario detectar, o medir, la corriente absorbida por el motor a interrumpir el circuito si esta corriente excede del valor nominal del motor. Existen dos tipos básicos de relés de sobrecarga empleados generalmente en los arrancadores de conexión directa a la línea. El primero utiliza un metal con bajo punto de fusión que retiene una rueda dentada (fig. 3-7a), que al ser liberada produce la abertura de un juego de contactos intercalados en el circuito de la bobina del arrancador. El segundo tipo utiliza una lámina bimetálica (fig. 3-7b) para el desenganche del mecanismo de disparo y abrir los contactos del circuito de la bobina.

Fig. 3-7 Relés de sobrecarga. (a) Tipo de metal de bajo punto de fusión.

(b) Tipo bimetal. (Square D Co.) Independientemente del tipo de dispositivo que se utilice, siempre está activado por un elemento calefactor conectado en serie con e1 circuito del motor. La intensidad de la corriente necesaria para producir el funcionamiento del relé está determinada por el tamaño del elemento calefactor utilizado. Cuando éste es utilizado para la protección de pequeños motores que absorben poca corriente, como elemento calefactor se utiliza una resistencia de hilo o de cinta


de poca sección mientras que en el caso de motores de mayor potencia se emplean resistencias de mayor sección, de forma que se produzca en el elemento bimetal la temperatura debida cuando circule una intensidad de valor prefijado. Los elementos térmicos utilizados en los relés de sobrecarga poseen, por sí mismos, un retardo en su acción que es inversamente proporcional a la sobrecarga a que esté sometido, como puede verse en el gráfico de la figura 3-8. Cuando la sobrecarga es ligera, el motor sigue funcionando durante algún tiempo sin que actúe el relé, pero si la sobrecarga es grande, actuará casi inmediatamente, desconectando el motor de su fuente de alimentación y evitando que se deteriore.

Fig. 3-8 Curva característica del relé de sobrecarga Los relés térmicos actúan sólo por efecto del calor, influyendo por lo tanto la temperatura del aire que los rodea, por lo que en los lugares donde se ha de

prever altas temperaturas las resistencias de caldeo empleadas en el relé deben estar sobredimensionadas. También existen dispositivos bimetálicos destinados a compensar el efecto de los cambios de temperatura ambiente en el funcionamiento del relé. Los relés provistos de estos dispositivos reciben el nombre de relés de sobrecarga compensados. El tercer tipo de relés de sobrecarga es el electromagnético (figura 3-9). Su elemento básico es una bobina conectada de modo que sea sensible a la corriente del motor mediante el uso de transformadores de corriente o por conexión directa. Cuando la corriente excede el valor nominal del motor, la bobina del relé produce el desplazamiento del núcleo móvil situado en su interior y abre los contactos del circuito de control. Los relés electromagnéticos de sobrecarga se encuentran generalmente en arrancadores de motores grandes.

Fig. 3-9 Relé de sobrecarga, tipo electromagnético. (Allen-Bradley Company)

Después de cada disparo o actuación del relé de sobrecarga debe volverse a su anterior posición (reenganche), ya sea automática o manualmente. El tipo de reenganche automático sólo se empleará en los casos que no presenten peligro al conectarse nuevamente el circuito a la red sin haber revisado la causa del disparo del relé. Después de disparado el relé de sobrecarga, necesita algún tiempo para enfriarse, por lo que siempre hay algún retardo antes de que se pueda realizar la reposición o reenganche.


3-4 Arrancadores de Motor El arrancador consiste, en su forma más simple, en un dispositivo que conecte o desconecte el motor a la red y que además realice funciones de protección contra sobrecargas del motor. A esta unidad básica se añaden otros dispositivos para obtener el grado deseado de control y de protección. Hay muchos tipos y clases de arrancadores de motor, tomando el nombre con que se les designa, de la operación o clase del motor a que se destinan. Así, toman el nombre de manuales o automáticos, de tensión nominal o tensión reducida, monofásicos o trifásicos y de c.c. o c.a. Para describir un arrancador determinado de motor, es necesario utilizar varios de estos términos o clasificaciones. Por ejemplo, un determinado motor podría requerir un arrancador a tensión reducida, automático, trifásico y de c.a. No obstante, estos datos, por sí solos, no definen por completo el arrancador, ya que se precisa además la tensión y potencias nominales del mismo según el proceso de trabajo a desempeñar. Igualmente debe tenerse en cuenta, si debe ser controlado a distancia, si el pulsador de accionamiento estará situado sobre el mismo arrancador y otros muchos detalles. En este capítulo estudiaremos algunas de estas clasificaciones, y el lector deberá tener presente que cualquier arrancador en particular puede ser una combinación de varios de los tipos que aquí estudiaremos. Existe diferencia entre los conceptos de arrancador y controlador o aparato de regulación y mando de un motor. Aunque es difícil establecer una línea divisoria entre ellos, generalmente se acepta que el arrancador tiene como misión conectar el motor a la línea, proporcionando además la necesaria protección, mientras que un controlador, además de realizar las funciones de arranque, va provisto de los dispositivos de protección y relés necesarios para constituir un sistema completo de control, regulación y protección. Los arrancadores de motores se construyen, en EE. UU., de acuerdo con las especificaciones aprobadas por las normas NEMA (National Electric Manufacturers Association). Estas normas incluyen especificaciones tales como las de calibres o tamaños, lo que facilita la selección del equipo para que cumpla las condiciones necesarias de capacidad para un caso dado. Por ejemplo, el arrancador calibre cero está destinado a motores de 3 CV, 440 V; el de calibre 1 para 7,5 CV; el 2 para 25 CV, el calibre 3 para 50 CV y el calibre 4 para 100 CV. Para motores de tensión inferior, la potencia nominal de estos arrancadores queda disminuida debido a la mayor intensidad absorbida por el motor para una misma potencia y tensión inferior a 440 V.

También están incluidos entre las normas NEMA los tipos de cubiertas o cajas de arrancadores para satisfacer los requisitos reglamentarios en cuanto a las condiciones atmosféricas existentes en el lugar de instalación. Las envolventes del tipo 1 NEMA son para aplicaciones generales si las condiciones atmosféricas son normales. Están destinadas principalmente a evitar contactos accidentales con los aparatos de control y los circuitos bajo tensión. En las mencionadas normas NEMA se incluyen tipos de cofrets o armarios para arrancadores que satisfacen las condiciones requeridas según las condiciones de ambiente del lugar donde se instalen. El cofret NEMA, núm. 1, es adecuado para trabajos normales y en condiciones de ambiente normal. Su misión es evitar contactos accidentales de los usuarios con los aparatos de control bajo tensión. Los cofrets NEMA, núm. 3, protegen los aparatos instalados en su interior contra cualquier fenómeno climatológico, protegiéndolos de la lluvia y aguanieve en montajes exteriores. Los cofrets NEMA de tipo 4 son de cierre estanco, siendo apropiados para el montaje en el exterior, en embarcaderos, en fábricas de cerveza, etc. Pueden ser lavados mediante manguera. Los cofrets NEMA, núm. 7, están destinados a ubicaciones en que haya peligro de emanaciones de gas, tales como en explotaciones petrolíferas y satisfacen los requisitos reglamentarios para ubicaciones de la clase 1, grupo D. Los del tipo 8 NEMA están destinados a ubicaciones en que haya gases con presencia de materiales corrosivos. En este tipo los contactos están sumergidos en aceite. Los del 9 NEMA están construidos para su instalación en lugares polvorientos clasificados como de clase 2 en el reglamento, grupos F y G, tales como fabricas de harina. Los del tipo 11 corresponden a cofrets resistentes a la corrosión debida a ácidos y humos. Los contactos están sumergidos en aceite. Por último, el cofret clasificado por NEMA con el número 12 es estanco al polvo y están destinados a locales donde se quiera protección contra la suciedad y el aceite. Así, por ejemplo, si se tuviese que seleccionar un arrancador para un motor de 5 CV, 220 V trifásico, para servicio ordinario, podría ser el siguiente: arrancador NEMA, núm. 1 trifásico 220 V, arranque directo (a tensión nominal) y en cofret núm. 1, NEMA. Como datos adicionales podría precisarse si se deseaba manual o automático, dependiendo esto del tipo de control que deba ser utilizado en la instalación.


3-5 Arrancadores manuales En los arrancadores clasificados como manuales, el operador acciona el cierre de los contactos, bien mediante pulsador, bien mediante palanca unida mecánicamente a los contactos. Supongamos, por ejemplo, que disponemos de un arrancador manual o automático de calibre cero, con pulsador en la cubierta. Si es del tipo manual (fig. 3-10) estará construido de modo que cuando se aprieta el pulsador arranque, un varillaje o articulación mecánica obliga a cerrarse los contactos y, una vez cerrados, la articulación queda enclavada o retenida en esta posición. Cuando se aprieta el pulsador de parada, o actúa la protección de sobrecarga, es disparada la articulación mecánica y se abren los contactos.

Fig. 3-10 Arrancador manual de motor. (Square D Co.)

En cambio, cuando se aprieta el pulsador de parada en un arrancador electromagnético, se activa el electroimán del arrancador produciendo el cierre de

los contactos. El pulsador de parada o el relé de sobrecarga al ser accionados interrumpen el circuito de la bobina, del electroimán, abriéndose los contactos. El principal inconveniente del arrancador manual es la falta de flexibilidad de control. Debe ser accionado en el mismo emplazamiento del arrancador, y es muy limitado en cuanto a las posibilidades como control de protección. Cuando el grado de control que ofrece es satisfactorio para la instalación, tiene la ventaja de ser más económico. La mayoría de arrancadores manuales en servicio se hallan catalogados dentro de los tres tipos siguientes: arrancador con dispositivo térmico para pequeños motores monofásicos, arrancadores manuales directos de los calibres cero y 1 para motores monofásicos y trifásicos, y arrancadores manuales a tensión reducida mediante autotransformador (fig. 3-14) para grandes motores. 3-6 Arrancadores automáticos El arrancador automático, llamado también arrancador electromagnético, consta de un contactor con la adición de un control protector. Este arrancador funciona a base de atracción magnética de un electroimán para cerrar y mantener sus contactos de línea y auxiliares y ofrece una ilimitada flexibilidad de control. Es seguro y de larga duración con un mantenimiento razonable. Los dispositivos mecánicos que integran estos arrancadores son de gran variedad, perteneciendo su tipo a una de las dos clases generales en que se clasifican según el desplazamiento del núcleo magnético. La primera de estas clases corresponde al tipo de armadura o palanca (fig. 3-11a) cuyos contactos móviles están accionados directamente por la armadura del electroimán que gira sobre un eje al ser atraída por el núcleo del electroimán produciendo el desplazamiento de los contactos móviles hasta encontrar los tipos que se hallan montados sobre la cara vertical posterior del arrancador. La segunda clase corresponde al tipo de solenoide (fig. 3-11b). Los contactos móviles son accionados por el núcleo en su desplazamiento vertical, hacia arriba cuando es empujado por el efecto magnético de la bobina al ser excitada, hasta encontrar los contactos fijos montados en el soporte horizontal de la parte superior de la plataforma del arrancador. Cualquiera de estos tipos básicos puede ser satisfactorio, aunque cada fabricante tiene sus motivos para adoptar un determinado tipo en sus unidades. Los


arrancadores más grandes utilizan generalmente las del tipo armadura, aunque también se fabrica la gama completa a partir del NEMA, núm. 0 del tipo de solenoide.

Fig. 3-11 (a) Contactor del tipo armadura adoptado en arrancadores. 1. Charnela. 2. Brazo de contacto. 3. Contacto. 4. Protección del arco. 5. So portes de contactos. 6. Bobina. 7. Pieza polar. 8. Resorte tensor. (Square D. Conipan y.) (b) Construcción del tipo de solenoide de arrancadores de motor y contactores. (General Electric Co.)

El circuito magnético consiste, generalmente en una adaptación de uno de las tres formas magnéticas básicas (fig. 3-12). En la mayoría de arrancadores del tipo de armadura se utilizan los tipos E o C, y el tipo E modificado o el de solenoide se utiliza en los arrancadores de acción vertical. En el caso de ser excitada la de bobina por corriente alterna, las piezas polares del electroimán están equipadas con una bobina de sombra (fig. 3-12d). Ésta produce un desfase en el flujo que pasa por la porción de pieza polar abarcada

por la misma de forma que evita la desaparición del flujo cuando la corriente de la bobina pasa por el valor nulo, evitando de esta forma la vibración que se produciría en los contactos. Aunque este método evita la vibración de la armadura, muchos arrancadores para grandes motores emplean la alimentación por corriente continua debido a la atracción constante de la armadura evitando la vibración.

Caras polares

Bobina de compensación(espiras de cortocircuito)

(a) (b)

(c)

(d)

Fig. 3-12 Tipos básicos de electroimanes. (a) Tipo E. (b) Tipo C. (e) Tipo

solenoide. (d) Pieza polar con bobina de sombra. Hay también dos tipos básicos de contactos de uso general. En la mayoría de arrancadores pequeños se emplea el llamado tipo puente (figura 3-13) que permite una buena alineación y una acción propia de limpieza del contacto, debido al deslizamiento entre ellos y que contribuye a, prolongar la duración de los mismos. En general muchos de los arrancadores grandes emplean contactos móviles que reciben la acción de resortes o muelles destinados a producir la presión requerida de contacto (fig. 3-11a). La necesaria acción de deslizamiento entre los contactos fijos y móviles para realizar la limpieza de los mismos, se consigue dando a


los contactos la forma curva apropiada, que permite dicho deslizamiento en los momentos de cierre y apertura. Este tipo de contactos requiere un mantenimiento mas esmerado para que conserven la correcta alineación una vez cerrados.

Fig. 3-13 Contactos del tipo puente.

Es necesaria una buena alineación de los contactos a fin de evitar un arco o chispeo excesivo y el consiguiente picado de los contactos. El arrancador electromagnético ha contribuido singularmente al perfeccionamiento de las máquinas de producción modernas. La flexibilidad de control que ofrece el arrancador magnético permite la automación y la exactitud del control automático nunca pretendida, ni posible, con funcionamiento manual. Esta flexibilidad es resultado de que todo lo necesario para arrancar

un motor es suministrar energía eléctrica a la bobina del arrancador. La fuente de energía utilizada puede ser independiente del circuito del motor pudiendo ser conectada o desconectada desde un punto cualquiera y por el medio que se desee. 3-7 Arrancadores a tensión nominal Los arrancadores para la puesta en marcha mediante conexión directa a la red (fig. 3-11b) son los más utilizados. Se emplean en la mayoría de los casos de arranque de los motores trifásicos, de jaula y monofásicos. También se emplean para conectar a la red el devanado estatórico de los motores trifásicos de rotor bobinado con arrancador manual conectado al rotor. Utilizados en los motores de hasta 600 CV y 600 V, permiten obtener una protección satisfactoria del motor, la máquina y el operador. La limitación de uso en los motores trifásicos de jaula está forzosamente impuesta por el valor máximo de la intensidad de arranque en lo que respecta a sus efectos sobre las líneas y devanados, así como por el par de arranque. Los arrancadores directos se fabrican con variedad de cubiertas y cofrets para satisfacer los requisitos impuestos por las condiciones de ubicación del arrancador. Estas cubiertas satisfacen las normas publicadas por NEMA para adaptarse a cada condición de ubicación o emplazamiento. A la asequibilidad de los tipos manuales o magnéticos adecuados para las necesidades del usuario hay que añadir la flexibilidad de estas unidades. Cualquier arrancador que conecta los bornes del motor directamente a la tensión de línea sin algún medio de reducir la tensión aplicada o limitar la corriente de arranque puede ser clasificado como arrancador directo o a tensión nominal. 3-8 Arrancadores a tensión reducida Como su nombre implica, el arrancador de tensión reducida contiene algún medio de reducir la tensión de la línea que es aplicada al motor durante el período de arranque. Esto se hace a fin de limitar la sobrecorriente durante el ciclo de arranque. Los requisitos para el uso de los arrancadores a tensión reducida dependen de varios factores (Sec. 2-1). Estas unidades se construyen en los tipos manual y automático, y, lo mismo que los arrancadores a tensión nominal, el tipo manual resulta más económico pero con menos posibilidades de control.


Los arrancadores manuales a tensión reducida tipo autotransformador para motores de jaula (fig. 3-14), comprenden un conmutador de dos posiciones y un autotransformador. En la posición de arranque del conmutador el motor es alimentado por la línea a tensión reducida mediante un autotransformador, manteniéndose en esta posición hasta que el motor estabilice su velocidad, aplicándose en dicho momento la tensión nominal al pasar la maneta o dispositivo de mando a la posición de marcha o trabajo. El mecanismo de conmutación se mantiene en la posición de funcionamiento mediante un trinquete que puede ser liberado por un dispositivo de protección por baja tensión, por sobrecarga o bien manualmente. Generalmente estas unidades se hallan alojadas en un mismo cofret o caja diseñado para su montaje en la pared.

Fig. 3-14 Arrancador manual a tensión reducida, con autotransformador.

(General Electric Company)

Los arrancadores automáticos a tensión reducida (fig. 3-15) pueden tener muchas formas y están destinados generalmente a un tipo particular de motor y para una determinada aplicación. Los requisitos esenciales son que estén provistos de medios para conectar el motor a tensión reducida y luego,

automáticamente, a la tensión de línea después de transcurrido el tiempo necesario para la aceleración. Cuando el arrancador emplea resistencias para obtener la tensión reducida, comprende un contactor tripolar que permite conectar el motor a la red en serie con las resistencias limitadoras de la intensidad de arranque y otro contactor de marcha o trabajo también tripolar que cortocircuita las resistencias, quedando conectado el motor direc-tamente a la red.

Fig. 3-15 Arrancador manual a tensión reducida. (Square D Co.) El arrancador tipo reactancia a tensión reducida tiene exactamente la misma disposición de contactos que el arrancador con resistencias. La única diferencia entre un arrancador con resistencia y uno del tipo reactancia a tensión reducida estriba en el uso de reactancias en lugar de resistencias.


El contactor de un arrancador del tipo de autotransformador debe ser de cinco polos o contactos, cuya misión puede deducirse de la figura 3-16. Los contactos conectan el motor a la línea a través del autotransformador en conexión V o triángulo abierto. El contactor de marcha de este arrancador, que actuará a continuación, comprende tres contactos, los cuales permiten conectar el motor directamente a la red.

M

Autotransformador

Contactor dearranque

Contactor detrabajo

Fig. 3-16 Conexiones arrancador con autotransformador. Cualquiera que sea el tipo a que pertenece, un arrancador automático a tensión reducida debe estar provisto de algún medio para realizar automáticamente el cambio de la posición de arranque a la de funcionamiento en el instante correcto. Generalmente, esto se consigue mediante el empleo de relés temporizados (Sec. 3-3). En el caso de los arrancadores tipo resistencia o tipo reactancia, este relé sólo se necesita para excitar la bobina del contactor de marcha o funcionamiento. En el caso de un arrancador tipo autotransformador, el relé debe interrumpir el circuito del contactor de arranque y luego establecer el circuito del contactor de marcha. El uso de este relé temporizado en este servicio proporciona un control de tiempo definido

(Sec. 2-2). Otro método consiste en el uso de alguna forma de relé de corriente (Sec. 3-3) que abre el contactor de arranque y cierra el contactor de funcionamiento cuando la corriente del motor disminuye hasta un nivel preestablecido. Éste proporciona un control limitador de corriente (Sec. 2-2). Cuando se emplea el tipo resistencia o reactancia para el arranque a tensión reducida, no se interrumpe la corriente del motor, pero con el tipo de autotransformador de arranque a tensión reducida la corriente se interrumpe momentáneamente antes de conectar directamente el motor a la línea. Cuando no es interrumpida la corriente en la transición desde tensión reducida a tensión nominal, se dice que el arranque se efectúa por transición cerrada. Cuando es desconectado momentáneamente de la línea el motor e interrumpida la corriente, se dice que el arranque se efectúa por transición abierta. Cuando la transición es del tipo abierto, es perfectamente posible que exista una sobrecorriente cuya intensidad sea el doble de la corriente de arranque a tensión nominal en el instante de aplicación de la tensión de línea. Esta sobrecorriente se llama corriente de transición y constituye el principal inconveniente de tipo de autotransformador para arranque a tensión reducida. Cualquiera de estos controladores puede contener todos o algunos de los dispositivos de protección, tales como los de desprendimiento por subtensión (Sec. 2-12), fallo de fase (Sec. 2-13) o protección de secuencia incompleta. Cuando se hace la elección entre controladores manuales y automáticos de este tipo se deberá tener siempre presente que cuándo se instala una unidad manual, debe ser colocada de modo que el operador pueda ver y también oír al motor, a fin de que pueda juzgar acertadamente cuándo debe aplicar la tensión de red. Esta limitación en la opción de emplazamiento puede ser solventada en cierto modo instalando un tacómetro de indicación remota, mediante el cual el operador puede determinar el valor de la velocidad del motor desde el puesto de control. Otro método de obtener una intensidad de arranque reducida es el uso de un motor de rotor bobinado con control secundario. Esta disposición proporciona, a igualdad de intensidad de arranque en el primario, un par de arranque superior al correspondiente al motor de jaula cuando se emplea la puesta en marcha a tensión reducida. Este método consiste en disponer un arrancador de conexión directa a red en el circuito del estator o primario e intercalar en el circuito secundario o del rotor unas resistencias mediante un combinador tipo tambor, manual o automático (fig. 3-17). Otra


ventaja de esta disposición es que puede proporcionar un control de velocidad al mismo tiempo que una corriente de arranque limitada.

Fig. 3-17 Combinador manual del tipo de tambor. (Cutler-Hammer, In

corporation) 3-9 Arrancadores con control de velocidad Además de los motores de rotor bobinado, empleados con control secundario para regulación de la velocidad, existen los motores de jaula de ardilla de varias velocidades. En uno de los tipos de estos motores se consiguen dos velocidades distintas mediante dos bobinados estatóricos independientes, requiriendo para su

puesta en marcha un arrancador con dos juegos de contactos de conexión a red de forma que sólo sea posible el cierre de uno u otro, pero no los dos a la vez. El enclavamiento necesario (Sección 2-10) para que ello ocurra puede ser mecánico, eléctrico, o electromecánico. Se pueden emplear dos arrancadores de conexión directa independientes pero con enclavamiento eléctrico cuando no se dispone de una unidad especial. Un arrancador inversor puede constituir una excelente unidad, siempre que se realicen las oportunas conexiones. Los dos juegos de contactos de este arrancador se conectan de forma que cada uno de ellos conecta a la línea uno de los devanados correspondientes a una de las dos velocidades. Al igual que los otros tipos de arrancadores, pueden ser manuales o automáticos. Otro tipo de motor de dos velocidades es el de polos consecuentes, que sólo tiene un arrollamiento de estator pero produce dos velocidades mediante distintas conexiones de las bobinas del estator para obtener un número diferente de polos. Mientras el motor de arrollamiento doble de estator puede tener casi cualquier relación de velocidades alta a baja, el motor de polo consecuente da una relación de velocidad de 2 a 1. Se pueden obtener tres velocidades utilizando dos arrollamientos de estator. Uno de estos arrollamientos da una velocidad, y el otro, de polos consecuentes, dos más. Para obtener cuatro velocidades se emplean dos devanados independientes de polos consecuentes. Para obtener estas distintas velocidades desarrollando el motor un mismo par se conecta el devanado de polos consecuentes en estrella-paralelo para obtener la velocidad alta y en estrella-serie para la baja. Para obtener la misma potencia en cualquiera de las dos velocidades, la conexión debe ser triángulo-serie en alta velocidad y estrella-paralelo en baja velocidad. A causa de la variedad de conexiones posibles, el arrancador de este motor debe estar proyectado para el tipo particular de motor que haya de utilizarse. Una de las disposiciones manuales que más se emplea requiere el uso de un combinador del tipo de tambor para efectuar los necesarios cambios de las conexiones. Sin embargo, este combinador debe estar precedido por un arrancador de motor directamente conectado a la línea con enclavamiento mediante contactos en el combinador. Este enclavamiento debe desconectar el motor cuando se intente pasar directamente de una a otra velocidad mediante giro del combinador. El uso de arrancador de


conexión directa provee también la necesaria protección del motor, la cual no es posible con el combinador tipo tambor. Los arrancadores electromagnéticos para motores de varias velocidades deben tener un contactor para cada velocidad (fig. 3-18). Los contactos de cada contactor deben estar convenientemente dispuestos de modo que puedan efectuar las conexiones correctas con los arrollamientos del estator del motor que haya de utilizarse. Estos arrancadores se pueden construir de modo que proporcionen uno cualquiera de los tres tipos de control. El primero y más sencillo de ellos es el control selectivo de velocidad. Con este control, el operador puede arrancar el motor a cualquier velocidad conveniente y aumentarla simplemente seleccionando cualquier otra velocidad más alta. Sin embargo, para reducir la velocidad tendrá que apretar previamente el pulsador de parada y dejar que la máquina pierda velocidad antes de que sea excitado el control de velocidad más baja. Esto se hace así para no someter al motor ni a la máquina a esfuerzos y deformaciones excesivos.

Fig. 3-18 Arrancador con control de velocidad. (Cutler-Hammer, Inc.

El segundo tipo es el control de velocidad en secuencia, el cual requiere que la máquina sea arrancada a su velocidad más baja y ponerle a la velocidad que se desee a través de escalones o puntos sucesivos. Esta aceleración hasta la velocidad deseada requiere que el operador apriete el pulsador correspondiente a cada velocidad de acuerdo con la secuencia correcta hasta alcanzar la velocidad deseada. Para reducir la velocidad el motor tiene que ser parado y comenzada la secuencia a la velocidad más baja. El tercer tipo es el control automático de velocidad, en el que la operación es igual que la del control de velocidad por secuencia, con la salvedad de que el operador sólo tiene que apretar el pulsador correspondiente a la velocidad deseada. El controlador arrancará automáticamente a la velocidad más baja y acelerará pasando por cada velocidad hasta la seleccionada. Para reducir la velocidad, habrá que apretar previamente el pulsador de parada, y una vez conseguido el paro del motor, accionar el pulsador correspondiente a la nueva ve-locidad, repitiéndose el ciclo del controlador hasta alcanzar la nueva velocidad pasando por cada una de las velocidades sucesivas gradualmente. La elección de controlador depende del tipo de carga y de las condiciones de funcionamiento impuestas. Habrá que tener presente que la diferencia fundamental estriba en el hecho de que el control selectivo de velocidad permite el arranque a cualquier velocidad, mientras que los otros dos requieren efectuar el arranque a velocidad más baja. No es posible describir la constitución de este tipo de unidad en términos generales a causa de las muchas variantes posibles. Sin embargo, en todos ellos será necesario un contactor electromagnético para cada velocidad con el número necesario de contactos para efectuar las conexiones correspondientes a cada velocidad, más el control de protección que se desee. Las posibles aceleraciones automáticas se estudian en la sección 2-2 y puede adoptarse cualquiera de estos sistemas. 3-10 Arrancadores combinados El National Electrical Code (EE. UU.) exige el uso de un interruptor de desconexión o disyuntor para cada motor y colocado en lugar desde el cual pueda verse éste. El arrancador combinado incluye este interruptor o disyuntor en el mismo cofret o caja del propio arrancador. Los arrancadores combinados igualmente pueden pertenecer a uno de los tipos estudiados: arrancador de conexión directa a red, de tensión reducida, monofásico, trifásico, etc. La forma más corriente de arrancador combinado incluye un disyuntor o interruptor y un arrancador de conexión directa (fig. 3-19). U n arrancador


combinado presenta varias ventajas mecánicas porque su compacidad le hace muy adecuado para su instalación mecánica de forma correcta. Muy fre-cuentemente este dispositivo hace innecesario el empleo de caja de derivación para interconectar el interruptor y el arrancador. Eléctricamente, el arrancador combinado ofrece una protección al operador o al reparador en cuanto incluye generalmente un enclavamiento al reparador en cuanto incluye generalmente un enclavamiento mecánico por el cual es necesario desconectar el interruptor o el disyuntor antes de abrir la puerta del cofret. Esto asegura que el circuito no tenga tensión siempre que la puerta que da acceso al arrancador esté abierta.

Fig. 3-19 Arrancador combinado. (General Electric Co.) El interruptor utilizado en este tipo de unidad puede tener o no fusibles. Si se emplea interruptor sin fusible, el circuito de motor debe estar protegido por otro interruptor con fusible o disyuntor que proporcione la protección

contra cortocircuitos. El uso de interruptor o disyuntor con fusible en el arrancador combinado proporciona la protección contra cortocircuitos (Sec. 2-8) además de las otras funciones de control del propio arrancador. 3-11 Arrancadores inversores El requisito esencial de un arrancador inversor para motores trifásicos es que sea capaz de conectar el motor a la línea en una sucesión dada de fases para que gire en uno u otro sentido. Un arrancador inversor electromagnético (fig. 3-20) comprende dos contactores electromagnéticos en una misma unidad. Las fases de la red están conectadas a estos contactores (fig. 3-21) de forma que al actuar el contactor 1, Ll se comunica con Tl y L3 con T3, mientras que si actúa el contactor 2, Ll se comunica con T3 y L3 con Tl produciéndose la inversión de dos fases, ya que L2 quedará comunicada con T2 en ambos casos.

Fig. 3-20 Arrancador inversor electromagnético. (Square D Co.)


Marchaadelante

Marchaatrás

1L 2L 3L

1T 2T 3T

Fig. 3-21 Esquema circuito arrancador inversor.

Estas unidades están provistas generalmente de un enclavamiento mecánico consistente en una palanca o brazo que impide el cierre de un contactor cuando el otro está activado. Muchas de estas unidades incorporan también un enclavamiento eléctrico que realiza la misma función. El control remoto o a distancia de un arrancador inversor electromagnético sólo requiere que el botón pulsador excite la bobina del contactor correspondiente al sentido de giro deseado del motor. El pulsador de parada debe estar conectado de modo que desexcite cualquiera de los contactores que esté actuando en ese instante. El conexionado del circuito se dispone de forma que para pasar del sentido de avance (o giro directo) al retroceso (o giro inverso) sea necesario accionar previamente el pulsador de paro. Esto permite que sea desconectado de la línea el motor antes de ser invertida su marcha, evitando el frenado del motor por contracorriente. Este

frenado consiste en la inversión repentina de rotación sin previa desconexión de la línea. Si se desea el frenado por contracorriente, los pulsadores de adelanto y retroceso deben poseer contactos dobles, un contacto normalmente abierto y otro cerrado. Los contactos normalmente cerrados están conectados de modo que al accionar cualquiera de los pulsadores de marcha, es accionado previamente el circuito de paro. Este tipo de frenado debe ser utilizado con precaución ya que no todas las máquinas pueden soportar sin averiarse el gran esfuerzo a que son sometidas por la inversión repentina de marcha del motor. Igualmente puede sufrir daños el motor, así como también representar un peligro para el personal que trabaja con la máquina. Dicho frenado por contracorriente se emplea extensamente en la industria, en el accionamiento de prensas, rectificadoras y otras muchas máquinas, estando éstas ya proyectadas para soportar los esfuerzos violentos resultantes de este tipo de frenado. La inversión manual de los motores trifásicos del tipo de jaula se efectúa generalmente mediante el uso de un combinador tipo tambor o conmutador intercalado entre el interruptor de línea y el motor. Este tipo de inversión requiere que sea desconectado el motor de la línea antes de que el combinador o conmutador sea accionado para pasar de la posición de avance a la de retroceso o viceversa, con el fin de evitar que se forme arco en los contactos del inversor. Todo ello requiere que el inversor esté provisto de contactos auxiliares con los que pueda realizarse un enclavamiento eléctrico con el interruptor de línea o arrancador de forma que, de actuar sobre el inversor para invertir el sentido de marcha, quede desconectado el motor, siendo precisamente el arrancador quien conectará nuevamente el motor a la red. Al mismo tiempo evita el frenado por contracorriente. La inversión de los motores monofásicos de potencia fraccionaria se puede efectuar también mediante el uso de un combinador tipo tambor o de un inversor de palanca. Generalmente la inversión de este tipo de motor sólo requiere que sea invertido el arrollamiento de arranque con respecto al arrollamiento de trabajo. El control automático para la inversión de estos motores se puede realizar empleando relés y contactores. La figura 3-22 muestra las conexiones básicas para la inversión de giro de un motor monofásico.


Arra

nque

Func

iona

mie

nto

Conmutador bipolardos posiciones

Línea

Fig. 3-22 Circuito básico inversión giro de pequeños motores. El arrancador inversor igualmente puede realizar las funciones de control que cualquier otro arrancador de los tipos manual o electromagnético y, además, provee la función de control de inversión de marcha del motor. Si no se dispone de arrancador inversor, se pueden emplear dos arrancadores directos convenientemente conectados. Cuando se emplean dos arrancadores de este modo, se debe utilizar con ellos un enclavamiento eléctrico para evitar que ambos arrancadores se cierren al mismo tiempo. La conexión eléctrica entre los arrancadores pueden ser la misma que la utilizada en una unidad de arrancador inversor. Las conexiones de un arrancador inversor están dispuestas de forma que sólo precisan un equipo de relés de sobrecarga. Cuando se requiere la inversión en los motores de jaula de varias velocidades o motores de rotor bobinado, generalmente se obtiene mediante el uso de un combinador tipo tambor conectado entre el arrancador controlador de velocidad y el propio motor. 3-12 ARRANCADORES PARA MOTORES DE ROTOR BOBINADO Consisten en un arrancador de conexión directa a línea para el estator o circuito primario y alguna forma de control secundario o del rotor. El arrancador conectado al primario proporciona la protección contra sobrecarga y subtensión necesarias para el motor.' El arrancador primario puede ser manual o automático y del tipo inversor si se desea la inversión de giro del motor. El arrancador conectado al estator debe poseer algún

tipo de enclavamiento que evite el arranque del motor a no ser que esté intercalada toda la resistencia de arranque en el circuito del rotor. Existen varios tipos de control secundario así como distintos tipos de combinadores que se utilizan en los motores de rotor bobinado. El combinador generalmente utilizado es el de tipo tambor o cilíndrico (figura 3-17). Esta unidad consiste simplemente en un juego de contactos giratorios accionados por un mango fijado a un eje conjuntamente con los contactos móviles. Estos contactos móviles entran en contacto con otros fijos cortocircuitando las resistencias intercaladas en el circuito secundario como requiere el control de velocidad. El combinador tipo tambor puede proporcionar varios puntos o escalones de velocidad o sólo dos o tres como los empleados en el arranque a tensión reducida. También es posible el de contactores electromagnéticos, análogos a los utilizados en el de control de velocidad como control secundario. Otro tipo de controlador secundario que da una regulación más suave de velocidad, en un margen más amplio, para motor de rotor bobinado es el reóstato líquido (fig. 3-23), cuyo uso está limitado generalmente a equipos muy grandes tales como ventiladores, sopladores y bombas que tienen un par o carga constante. El reóstato líquido consiste fundamentalmente en tres depósitos de agua u otro electrólito. Estos recipientes o depósitos pueden ser de material aislante, encontrándose dentro de cada uno de ellos un contacto fijo o electrodo y un contacto móvil. La resistencia se varía aumentando la distancia entre los electrodos, correspondiendo la máxima resistencia a la mayor separación posible de los electrodos y la mínima cuando se halla uno enfrente del otro. La variación de resistencia es afectada por la distancia entre los electrodos y por el área del electrodo expuesta al electrólito. Una propiedad crítica de esta unidad es que el nivel del agua debe ser mantenido por encima del electrodo móvil aunque éste esté en su posición más alta. El nivel se mantiene mediante el uso de una válvula o compuerta que está fijada de modo que suba y baje con el electrodo. El agua o electrólito se debe mantener en circulación constante y es necesario proveer algún medio de refrigeración, empleándose generalmente un intercambiador de calor para este fin.


Intercambiador de calor

Varilla elevadora

Electrodo móvil

Salida de reboseElectrodo fijo

Nivel de líquido

Entrada

Bomba

Fig. 3-23 Sección transversal de un reóstato líquido.

Los diversos tipos de control de velocidad tales como los de control de tiempo definido, control de secuencia, control de límite de corriente y control de frecuencia, explicados al tratar de los arrancadores de control de velocidad, son también aplicables a los arrancadores para motor de rotor bobinado. 3-13 Arrancadores para motores sincrónicos Una de las formas de arranque más generalizadas para los motores sincrónicos es su arranque como motor asincrónico de jaula. En el arranque el devanado estatórico es conectado a la red mediante un arrancador de conexión directa o uno de tensión reducida, debiendo estar el devanado de excitación de corriente continua cerrado a través de tina resistencia mientras dure el período de arranque. Esta resistencia protege el devanado de campo contra las altas tensiones inducidas, al mismo tiempo que aumenta el par de arranque al actuar como resistencia secundaria. Cuando el motor alcanza la velocidad sincronizadora, que usualmente está comprendida entre el 93 y 98 % de su velocidad sincrónica, debe ser desconectada la citada resistencia y aplicada la

tensión de c.c. al arrollamiento inductor lo que hará que el motor alcance la velocidad de sincronismo. El relé de excitación del campo inductor, relé de deslizamiento o de frecuencia, como algunas veces se le llama, es probablemente el componente más crítico de un arrancador de motor sincrónico. Su función es aplicar la excitación de c.c. del campo exactamente en el instante correcto. La detección del instante correcto para aplicar la excitación de campo se obtiene con el mencionado relé haciendo que sea sensible a la corriente alterna inducida que pasa por el arrollamiento inductor durante el período de arranque. Esta corriente es de intensidad máxima en el momento inicial del arranque y disminuye tanto en intensidad como en frecuencia cuando el motor se aproxima a la velocidad sincrónica. Al alcanzar la velocidad aproximadamente el 95 % de la velocidad sincrónica, la corriente inducida en el arrollamiento de campo ha alcanzado un valor suficientemente pequeño para permitir que el relé realice la conexión de las bobinas inductoras a una fuente de c.c. El uso de este relé impide pueda excitarse el motor cuando esté fuera de sincronismo en más de 75 a 80° aproximadamente. Esta unidad conecta también la resistencia de des-carga luego de suprimir la alimentación a las inductoras si una sobrecarga u otra perturbación hace que el motor pierda el sincronismo. El arrancador para un motor sincrónico de construcción normal se compone de un arrancador, ya sea del tipo de conexión directa o de tensión reducida, análogo al necesario para un motor de jaula, más el equipo necesario para control de campo (fig. 3-24). Un arrancador semiautomático se compone de un autotransformador para arranque a tensión reducida de accionamiento manual con protección contra sobrecarga y subtensión, un relé para conexión inductoras a c.c. y su contactor, un reóstato de campo para controlar la excitación y una resistencia de conexión a inductoras durante el arranque. Un arrancador automático se compone de un arrancador a tensión reducida con control de tiempo definido, un relé para conexión inductoras a c.c. con su contactor, una resistencia de conexión a inductoras durante el arranque y protección contra sobrecarga y subtensión. En el arranque de los motores sincrónicos intervienen varios factores cuando trabajan con cargas extremadamente pesadas, como ocurre en las factorías de caucho y fábricas de cemento. La determinación de los requisitos de arranque de este tipo de motor en su instalación particular debe hacerse con precaución. No


entra en el plan de este libro analizar las diversas posibilidades implicadas en el arranque y control de los motores sincrónicos en aplicaciones especiales.

Fig. 3-24 Arrancador de motor sincrónico. (Cutler-Hammer, Inc.) 3-14 Arrancador para motor serie de c.c. El arrancador manual de un motor serie se compone de una resistencia con tomas y derivaciones y un brazo de contacto o cursor dispuesto de manera que cortocircuite la resistencia progresivamente cuando se gira el mango de un .punto a otro. Cuando toda la resistencia ha quedado fuera de circuito, el motor queda conectado directamente a la línea. La palanca (o cursor) debe ser mantenida en la posición de funcionamiento venciendo la tensión de un muelle por el efecto de retención de una bobina. Cuando la bobina de mantenimiento o retención está conectada en serie con el motor (fig. 3-25), tiene pocas espiras de gran sección y es recorrida por toda la corriente del motor. Cuando es eliminada la carga o ésta es muy reducida, la

corriente disminuye hasta un valor bajo y esto permite que el muelle ponga al brazo de control en la posición de desconexión. Este dispositivo proporciona protección contra el funcionamiento en vacío del motor.

AL AA1 A2 S1 S2

FusiblesLínea

Resistencia de arranque

Bobina de retención

Fig. 3-25 Arrancador de motor serie sin protección contra marcha

en vacío. Cuando la bobina de retención está conectada directamente a la línea, tiene muchas espiras de poca sección y absorbe corriente directamente de la línea. Cualquier caída o fallo importante de la tensión de suministro o alimentación impedirá actuar a la bobina de retención y permitirá que el mango de control vuelva a la posición de desconexión. Esta disposición proporciona la protección necesaria contra el fallo o falta de tensión (fig. 3-26).

AL L2A2 S1 S2

FusiblesLínea

Resistencia de arranque

Bobina de retención

Campo Serie

A

Fig. 3-26 Arrancador de motor serie con protección contra marcha

en vacío


Los combinadores de tambor de c.c., utilizados con parrillas de resistencia se emplean generalmente para grandes motores serie utilizados en grúas, ascensores y otras cargas pesadas que requieren un control de velocidad e inversión de marcha. 3-15 Arrancadores para motor derivación y mixto Cuando no se desea control de velocidad, los arrancadores básicos para estos motores son el de tres (fig. 3-27) y el de cuatro bornes (figura 3-28). La acción de estos arrancadores es fundamentalmente la misma que la de los empleados en los motores serie, pero sin protección por tensión nula.

L F A2

F1 F2

FusiblesLínea

Resistencia

Bobina de retenciónCampo

derivación

A1 AA

Fig. 3-27 Arrancador de tres bornes. El control de velocidad se obtiene en un motor derivación o mixto (compound) mediante intercalación de resistencias en serie en el circuito de la excitación derivación. El arrancador utilizado para este tipo de servicio a fin de proveer velocidades mayores que las nominales es el de cuatro bornes (fig. 3-28). El motor es puesto en marcha de la misma manera que con el arrancador de tres bornes. El reóstato de campo se utiliza para obtener velocidades más altas que la nominal del motor. También existen controladores manuales de velocidad que permiten obtener velocidades superiores e inferiores a la nominal. Estos arrancadores utilizan enclavamiento mecánico para evitar se pueda actuar sobre los dos reóstatos a la vez: el de resistencias en serie con el inducido para velocidades inferiores a la nominal y el de resistencias en serie con la excitación derivación para velocidades

superiores a la nominal. Las resistencias correspondientes al reóstato en serie con el inducido deben ser calculadas para servicio continuo.

L1 L2 A2

FusiblesLínea

Resistencia

Bobina deretención

Campoderivación

AA

F

Resistencia

Campo serie

Sin regulaciónde velocidad

Fig. 3-28 Arrancador de cuatro bornes 3-16 Arrancador-inversor para c.c. La inversión de un motor de corriente continua se realiza invirtiendo el sentido de la corriente en el arrollamiento del inducido o en el del campo o inductor, pero no en ambos simultáneamente, ya que en este último caso el sentido de giro no varía. Generalmente, en la práctica se invierten los conductores del inducido utilizando un conmutador bipolar inversor o de dos posiciones (fig. 3-29), conjuntamente con un arrancador de cuatro bornes. Cuando se emplea un combinador de tambor como controlador de velocidad e inversor, tiene la propiedad de que con él se puede conseguir que gire el motor en cualquier dirección partiendo de la posición de reposo, por lo que invierte las conexiones del inducido según sea necesario para la marcha normal o inversa.


L1 L2

FusiblesLínea

Bobina deretención

Campoderivación

AA1

F

Campo serie

Fig. 3-29 Arrancador inversor con control de sobrevelocidad

3-17 Control automático en C.C. Las funciones básicas de un control automático para motores de c.c. son las mismas que las de un control manual, diferenciándose en los contactos empleados que reemplazan la palanca y empuñadura del mando manual. Ya sabemos que durante el período de arranque debe ser cortocircuitada progresivamente una resistencia hasta alcanzar el motor su velocidad de régimen. Conectando los contactos de un relé en Paralelo con una sección de la resistencia de arranque, tenemos la forma de ir cortocircuitando las diferentes secciones al ir actuando los distintos relés. Cuando las bobinas de los relés de arranque se conectan a la línea y los relés son temporizados de acción diferida, obtendremos un control de aceleración en el arranque con tiempo predeterminado. Si las bobinas de los relés de arranque se conectan en paralelo con el inducido, estarán sometidas a las variaciones de tensión del mismo y si el cierre de estos relés está regulado para diferentes escalones de tensión, obtendremos un control de la aceleración de arranque por tensión en bornes del motor. Hay muchos otros dispositivos posibles para el control de arranque automático y de velocidad de los motores de c.c. pero rebasan el plan de este libro.

Resumen Este capítulo sobre componentes de control tiene por finalidad proporcionar al lector una idea de conjunto de las muchas variantes de los dispositivos utilizados para controlar las funciones de los motores. Recuérdese siempre que la perfección de funcionamiento de un motor está supeditada a su circuito de control y los componentes de éste. El hecho de que un componente en particular sea de alta calidad no significa necesariamente que dé buen resultado en cualquier circuito. El componente debe ser elegido de modo de que se adapte al motor que debe controlar y a la función que debe realizar. Preguntas de repaso 1. ¿Qué diferencia hay entre los interruptores destinados únicamente al

seccionamiento o aislamiento de circuitos y los destinados a ser utilizados como medios de desconexión de los motores?

2. ¿Qué funciones de control pueden realizar los interruptores y los disyuntores?

3. ¿Cuál es la diferencia esencial entre un contactor y un arrancador de conexión directa a red?

4. ¿Para qué se emplea un relé de tensión? 5. En los relés de intensidad ¿qué se entiende por intensidad de

funcionamiento, intensidad de retorno y porcentaje de retorno? 6. Enumere dos usos de un relé de frecuencia. 7. Existen dos métodos básicos de cierre y apertura de los contactos de un

relé de retardo. ¿Cuáles son estos dos métodos? 8. ¿Cuáles son los dos tipos básicos de relés de sobrecarga que se utilizan

generalmente en los arrancadores de conexión directa a red? 9. ¿Cuáles son los dos tipos básicos de relés de sobrecarga que pueden tener

acoplado dispositivo compensador? 10. ¿Cuál es la diferencia esencial entre un arrancador manual de motor y un

arrancador automático? 11. ¿Cuál es la ventaja principal de utilizar un arrancador automático o

electromagnético de motor? 12. ¿Qué se entiende por contactor del tipo armadura? 13. ¿Qué se entiende por contactor del tipo de solenoide?


14. ¿Cuáles son las tres formas básicas de circuitos magnéticos utilizados en los modernos arrancadores de motor?

15. ¿Cuál es la finalidad de una bobina de sombra en las piezas polares de los contactores de c.a.?

16. ¿Cuál es la diferencia fundamental entre un arrancador y un controlador de motor?

17. ¿Cuál es una de las limitaciones del uso de los arrancadores de conexión directa para el arranque de los motores de jaula?

18. ¿Cuál es la misión básica de un arrancador manual de tensión reducida? 19. ¿Cuáles son los tres métodos básicos de obtener el arranque a tensión

reducida? 20. ¿Qué se entiende por control de tiempo definido? 21. ¿Qué se entiende por control limitador de corriente? 22. ¿Por qué el tipo de autotransformador de arranque a tensión reducida debe

desconectar momentáneamente de la línea al motor antes de aplicar la tensión de línea?

23. ¿Qué motores proporcionan el mayor par de arranque, los de rotor bobinado con control de secundario o los de jaula con arranque a tensión reducida en el primario?

24. Enumere varios métodos de obtener el control de velocidad en los motores. 25. Que relación de velocidad se puede obtener en un motor de polos

consecuentes? 26. ¿Qué se entiende por control de secuencia de velocidad? 27. ¿Qué se entiende por control selectivo de velocidad? 28. ¿Qué se entiende por control automático de velocidad? 29. ¿Qué es un arrancador combinado? 30. ¿Cual es el requisito básico de un arrancador inversor? 31. ¿Es necesario el enclavamiento en los arrancadores inversores? 32. ¿Qué tipo de componente se emplea generalmente para la inversión manual

de los motores trifásicos?

Control de motores eléctricos Dispositivos de mando

Todos los componentes que se emplean en los circuitos de control de los motores se pueden clasificar en dispositivos de control primario y en dispositivos piloto o de mando. Un dispositivo primario de control es el que conecta la carga directamente a la línea, tal como un arrancador o controlador de motor, tanto si es manual como automático. Los dispositivos piloto de control son aquellos que controlan o modulan a los dispositivos primarios de control. Pertenecen a la categoría de dispositivos piloto o de mando los pulsadores, los interruptores de flotador, los interruptores o conmutadores de presión y los termostatos. 4-1 Descripción de los Dispositivos Piloto Un ejemplo de control primario con dispositivo piloto sería un arrancador electromagnético de conexión directa controlado por un interruptor simple de palanca utilizado para excitar o desexcitar la bobina del arrancador. Cuando se cierra el interruptor, es excitado el arrancador y éste pondrá en marcha al motor. Cuando se abre el interruptor, queda desexcitado el arrancador y el motor se para. El arrancador se clasificará como dispositivo primario de control puesto que conecta el motor directamente a la línea. El interruptor no conecta la carga a la línea sino que se utiliza para excitar y desexcitar la bobina del arrancador, por to que se le clasificará como dispositivo piloto de control o de mando. Generalmente eu los motores se emplean dos dispositivos primarios de control. Son éstos los medios de desconexión o conmutación y el arrancador del motor.

Se pueden emplear varios dispositivos piloto en conexión serie y paralelo para el control de arranque y parada y que accionarán el dispositivo primario de control. Por ejemplo, los relés de sobrecarga, generalmente incorporados al arrancador del motor, son realmente dispositivos piloto o de mando utilizados para controlar el dispositivo primario entrando en acción siempre que el motor sufre una sobrecarga. Los requisitos de los dispositivos pilotos varían extensamente con su función y la finalidad a la que están destinados. Por ejemplo, un interruptor de flotador debe abrir y cerrar sus contactos cuando se eleva y desciende el nivel de un líquido contenido en un recipiente. Un interruptor de presión debe abrir y cerrar sus contactos cuando la presión en un recipiente, tubo u otro contenedor varía excediendo los límites previstos en el interruptor de presión. Para comprender la diferencia entre los dispositivos primario y los dispositivos piloto recurriremos a la comparación entre un contactor y un relé de tensión. El contactor se construye para intensidades relativamente grandes: por consiguiente, time contactos grandes capaces de interrumpir estas corrientes. El relé, diseñado para servicio de piloto, tiene contactos relativamente pequeños ya que la corriente que debe interrumpir es muy pequeña. En general, los dispositivos piloto se podrían denominar más apropiadamente dispositivos sensibles o detectores a causa de que generalmente se les utiliza para detectar magnitudes tales como la presión, la temperatura, el nivel líquido o la presión aplicada a un pulsador. La función de estos dispositivos piloto es convertir la información que detectan en control del dispositivo primario con el cual están conectados. 4-2 Interruptores de Flotador Los interruptores de flotador pueden tener formas diversas en to que respecta a su construcción mecánica o física. Sin embargo, en esencia se componen de uno o más juegos de contactos normalmente abiertos o normalmente cerrados, accionados mediante un sistema de palancas. Muchos interruptores de flotación, así como otros dispositivos photo, emplean un interruptor de mercurio en lugar de uno de contactos metálicos. La disposición mecánica más sencilla de un interruptor de flotador (fig. 4-1) consiste en una palanca provista de un eje con los contactos eléctricos fijados en un extremo y un flotador suspendido en el otro. Cuando el nivel del agua sube, empujará al flotador hacia arriba, haciendo girar la palanca sobre su eje y produciéndose el establecimiento o interrupción del circuito de mando según cierren o abran los contactos. Si requiriese una acción de doble efecto, se dispondrían dos contactos fijos situados uno a un

4

Dispositivos de mando


nivel superior y el otro a uno inferior al correspondiente al contacto móvil al extremo de la palanca. Durante el tiempo en que el flotador se encuentre en su posición alta, cerrará el circuito correspondiente al contacto inferior, mientras que se cerrará el correspondiente al superior cuando el flotador esté en su posición baja.

falta aquí un dibujo en visio Fig. 4-1 Interruptor de flotador, tipo palanca. (Cutler-Hammer, Inc.)

Los interruptores de flotador requieren algún medio de ajuste del margen de funcionamiento, es decir, la distancia de desplazamiento del flotador entre el cierre y la apertura de los contactos. En el interruptor de flotador simple, esto se consigue ordinariamente suspendiendo el flotador de una vanilla que pasa a través de un agujero del brazo del propio interruptor. Entonces si se colocan topes encima y debajo de los brazos de la vanilla del flotador, la distancia que éste recorre antes de que se abra el interruptor se puede ajustar separando o acercando los topes. Otro sistema que se emplea en la construcción del interruptor de' flotador para obtener mayor margen de ajuste es suspender al flotador de una cadena o cable que se arrolla a una polea. La acción del flotador se transforma entonces en un movimiento giratorio que acciona al interruptor del tipo de tambor (fig. 4-2). Como se puede observar en las fotografías de la figura, éstas representan sólo dos de las muchas maneras posibles de conseguir que el flotador accione a uno o varios juegos de contactos. Cualquier disposición con la que se consiga esto se puede clasificar como interruptor de flotador y utilizar como dispositivo piloto. Sin embargo, hay que señalar que también se construyen interruptores de flotador con contactos más dimensionados que permiten el control primario de los motores de potencia fraccionaria. Cuando se les utiliza para control primario, se conectan entre la línea y el motor, siendo su misión simplemente establecer a interrumpir el circuito del motor en respuesta a la acción del flotador.

Es conveniente, al estudiar los dispositivos piloto, y siempre que sea posible, disponer de diferentes tipos de ellos y estudiar los dispositivos mecánicos empleados en su funcionamiento. Se observará que varían grandemente en el diseño mecánico, pero todos pertenecen al mismo tipo básico de funcionamiento que el aquí descrito.

Fig. 4-2 Interruptor de flotador, tipo tambor. (Cutler-Hammer, Inc.) 4-3 Interruptores de Presión (Preóstatos) Los interruptores de presión, lo mismo que los de flotador, son considerados en general dispositivos piloto. No obstante, también se construyen para control primario de motores de potencia fraccionaria. Con estos interruptores, como sucede con todos, también existen grandes diferencias de diseño mecánico de unos a otros. Pueden clasificarse en tres tipos fundamentales según su mecanismo detector. Los pertenecientes al primer grupo se basan en la acción de un fuelle que se expande o contrae en respuesta al aumento o disminución de presión. Los contactos están montados en el extremo de una palanca, que es empujada hacia arriba por el fuelle (fig. 4-3). El fuelle se expande, moviendo a la palanca, y ésta establece o interrumpe los contactos, dependiendo de que estén normalmente abiertos o normalmente cerrados.


Fig. 4-3 Presostato tipo fuelle. El segundo tipo utiliza un diafragma en lugar del fuelle (fig. 4-4) por lo demás, la acción del interruptor es idéntica tanto con muelle como con diafragma. La ventaja de un tipo sobre e1 otro depende mayormente de la instalación y de las presiones que intervienen y esto habrá que considerarlo en cada instalación. Se observará que los interruptores de presión tienen un margen definido de presión dentro del cual pueden funcionar. Por ejemplo, un interruptor de presión construido para funcionar desde una presión muy baja hasta 1 kg/cm2 de presión no será adecuado para utilizarlo en una tubería en que la presión pueda variar de 10 a 20 kg/cm2. Un tercer tipo de interruptor de presión, el tubo bourdon, emplea un tubo de forma semicircular y diseñado de modo que cuando la presión aumenta tienda a enderezarse. Esta acción se transforma en un movimiento giratorio por un varillaje que dispara un interruptor de mercurio montado dentro de la caja o envolvente.

Fig. 4-4 Presostato tipo diafragma (Cutler-Hammer, Inc.) 4-4 Interruptores de Límite Los interruptores de límite o de fin de camera están construidos de modo que un brazo, palanca o rodillo saliente del interruptor tropiece o sea empujado por alguna pieza del equipo móvil. El movimiento de este dispositivo se transfiere mediante, sistema de palancas a un juego de contactos, haciendo que éstos se abran o se cierren, según sean normalmente abiertos o normalmente cerrados (fig. 4-5).

Fig. 4-5 Interruptor fin de carrera. (Square D Co.)


Hay una gran variación en el diseño interior y en la acción de estas unidades, pero también pueden clasificarse en dos tipos básicos en cuanto a su diseño mecánico. En las unidades no destinadas a un control de precisión, generalmente sus contactos están accionados directamente por la palanca o rodillo de la unidad. La mayoría de los fabricantes también construyen unidades de precisión que emplean un microinterruptor para permitir el funcionamiento mediante movimientos muy pequeños del tope o rodillo exterior del interruptor de límite. Lo mismo que con los interruptores de flotador, hay interruptores de límite que están construidos de modo que se arrolle un cable o cadena sobre un carrete que forma parte del propio interruptor de límite. Este movimiento de la cadena o cable se transforma en movimiento giratorio para el accionamiento del interruptor del tipo de tambor. Este tipo de interruptor de limite se utiliza cuando entre las posiciones límite del interruptor se debe prever un desplazamiento grande.

Fig. 4-6 Interruptor de límite, tipo tambor. (Allen BradleyCo.) Otro tipo de interruptor de límite (fig. 4-6) que emplea un interruptor del tipo de tambor está diseñado para montarlo directamente en un eje de modo que la rotación de la máquina haga girar el eje del interruptor. Los contactos de este tipo de interruptor de límite deben estar diseñados de modo que sean accionados por una leva para su cierre y apertura durante la rotación continua en el mismo sentido. Muchos interruptores de límite de este tipo están acoplados por medio de un engranaje de reducción a fin de que sean necesarias

muchas revoluciones de la máquina para producir una revolución del interruptor de límite o de fin de carrera, con lo que se consigue extender el margen de control.

4-5 Interruptores de Caudal La finalidad de un interruptor de caudal es detectar el caudal líquido, aire o gas a través de una tubería o conducto y transformarlo en la acción de apertura o cierre de un juego de contactos. Un tipo de interruptor de caudal (fig. 4-7) utiliza una palanca con contactos en uno de sus extremos y una paleta o aspa en el otro. El extremo de la paleta se introduce en el tubo de modo que el flujo de líquido o gas actuando sobre ésta haga bascular la palanca y abra o cierre los contactos del accionador por el otro extremo.

Fig. 4-7 Interruptor de caudal, tipo diferencia presión.


Otro tipo de interruptor de caudal utiliza la diferencia de presión producida al pasar el líquido a través del orificio de un plato o diafragma instalado en el tubo. Desde cada lado del orificio parte un tubo hasta el interruptor de presión. La correspondiente diferencia de presión actúa sobre el interruptor de presión en un sentido o en otro, abriendo o cerrando sus contactos, lo que depende de su disposición. Este interruptor de flujo o caudal está ilustrado en la figura 4-8. Lo mismo que ocurre con otros tipos de dispositivos detectores empleados en el control existen gran variedad de dispositivos mecánicos para accionar los contactos. Es recomendable que el lector consulte catálogos de fabricantes y estudie Los diagramas a ilustraciones que contienen para ampliar sus conocimientos acerca del diseño y aplicación de los interruptores de caudal. 4-6 Termostatos Probablemente el termostato es el dispositivo piloto cuya construcción presenta la mayor variedad de disposiciones mecánicas. Unos aprovechan la acción de un fuelle para mover los contactos. Otros emplean láminas bimetálicas que detectan la temperatura y accionan los contactos. Hay otras muchas disposiciones posibles empleadas en este tipo de interruptor de control. La figura 4-9 ilustra algunas de las disposiciones que se encuentran en los termostatos de uso ordinario. Los termostatos para circuitos de control de motor abren o cierran simplemente un juego de contactos en respuesta a los cambios de temperatura, cualesquiera que sean su construcción y acción mecánica. Además del termostato empleado come interruptor piloto, existe el termostato regulador, en el cual el órgano detector actúa sobre el contacto deslizante de una resistencia variable haciendo que el valor de ésta varíe según la temperatura. Conectado adecuadamente a un motor regulador (fig. 4-10) puede conseguirse que la posición del eje de éste dependa de la temperatura. Si su eje se conecta a un registro de aire, por ejemplo, permitirá controlar el caudal de aire que pasa por un conducto. Si el eje acciona una válvula, el motor regulador puede controlar el caudal de agua o de otros líquidos o de gases en un tubo. Aunque este termostato se emplea muy pocas veces para el control directo de un motor, puede iniciar el control por medio de contactos montados en el eje del motor regulador.

4-7 Cajas de Pulsadores La caja de pulsadores (fig. 4-11), aunque probablemente es el más sencillo de todos los dispositivos piloto, es el que más se emplea en los circuitos de control de motor. Las cajas o cuadros pulsadores son de dos tipos generales: de contacto mantenido y de contacto momentáneo. Cuando es apretado el pulsador de arranque en el tipo de contacto mantenido, los contactos se cierran y permanecen cerrados hasta que es pulsado el de parada. Esta acción se realiza mediante juego de palancas que enlazan el pulsador con el juego de contactos, dispuesto de modo que permanecen en cualquiera de sus posiciones hasta que son desplazados a la posición opuesta al empujar el otro pulsador. El pulsador de contacto momentáneo normalmente abierto, tal como el utilizado para el arranque, cierra simplemente sus contactos durante el período de tiempo en que el pulsador es oprimido. El pulsador de contacto momentáneo normalmente cerrado abre sus contactos durante el período de tiempo en que es oprimido. También existen pulsadores del tipo bipolar, con un juego de contactos normalmente cerrado y otro juego normalmente abierto.

Fig. 4-10 Motor regulador. (Minneapolis-Honeywell Regulator Co.)


Las cajas de pulsadores comprenden diversos pulsadores que pueden ser, unos de contactos normalmente abiertos, otros normalmente cerrados o bien bipolares con lo que puede obtenerse la combinación que se desee y que cumpla con las funciones de control predeterminadas. Una de las cajas de pulsadores más empleada es la utilizada en el arranque y paro de un motor. Además de las disposiciones y funciones normales, se construyen para otras funciones especiales. En la mayoría de estos cuadros se incorporan lámparas piloto para indicar la posición de una operación, como por ejemplo la marcha o paro de un motor. También pueden incorporarse a la caja interruptores selectores para seleccionar control manual o automático, o simplemente un interruptor de puesta en servicio del control.

Fig. 4-11(a) Diferentes tipos de cajas de pulsadores. (b) Vista en corte parcial

de un solo pulsador. (Cutler-Hammer, Inc.) 4-8 Interruptores de Velocidad Cero En el frenado por contracorriente o contramarcha se emplea un dispositivo especial de control llamado interruptor de velocidad cero (figura 4-12), siendo accionado por el eje del motor o por el de una polea accionada a su vez por algún elemento de la máquina. La rotación del eje hace que se cierre un juego de contactos, que mientras no se actúe sobre el pulsador o interruptor de paro no ejerce acción alguna sobre el circuito de control del motor. Al accionar el pulsador o interruptor de paro, mediante los mencionados contactos cerrados del interruptor de velocidad cero, el motor queda momentáneamente conectado para su giro en sentido contrario, lo que origina una fuerte acción de frenado, y al llegar el eje del motor a velocidad nula, abren los contactos del interruptor de velocidad cero que origina la desconexión de la red al motor impidiendo que empiece el giro en sentido contrario. Este frenado se emplea en muchas

máquinas de precisión tales como prensas, fresadoras y otras máquinas herramienta. La finalidad de este tipo de frenado es obtener una parada brusca. Antes de adoptar este tipo de frenado debe comprobarse si la, máquina y el motor están construidos para soportar esta operación brusca y que dicho frenado no implique peligro para el operador de la máquina.

Fig. 4-12 Interruptor de velocidad cero. (Cutler-Hammer, Inc.) 4-9 Programadores Una de las aplicaciones de estos dispositivos es el control de operaciones secuenciales de un motor y consisten en un reloj eléctrico actuando sobre un eje de levas que hace que éstas abran y cierren contactos en los instantes preajustados o predeterminados. Hay muchas versiones de estos dispositivos de use general. El más sencillo tiene uno o varios juegos de contactos que pueden ser ajustados para cerrar el circuito exterior y abrirlo varias veces al día. Existen versiones más complicadas entre el programador sencillo y el complicado que permite obtener programas completos de operaciones. El programador se puede utilizar para abrir y cerrar varios circuitos independientemente en el instante que se desee. También se puede ajustar de acuerdo con un programa establecido para un determinado período de tiempo, que generalmente es una semana,


grabado en cinta, y el programador cerrará y abrirá el circuito mediante la apertura y cierre de sus contactos en cada instante de tiempo predeterminado relativamente fáciles de identificar y verificar. Insistiremos en esta cuestión en los capítulos 6 y 7 en los que el lector podrá ver que los circuitos de control más complicados son simplemente grupos de circuitos de control sencillos enclavados o interconectados entre sí para proporcionar una secuencia de control coordinado de varias máquinas. Resumen En este capítulo no se hace una descripción completa de todos los dispositivos piloto que se fabrican. Sólo hemos mencionado los tipos más corrientes y que más frecuentemente se encuentran. La mayoría de dispositivos piloto especiales, tales como aquaestatos, interruptores de alta presión, controladores de humedad relativa, controles de presión de aspiración, etc., son simplemente adaptaciones de los tipos básicos que hemos explicado. El especialista en circuitos de control debe estar capacitado para examinar y analizar cualquier dispositivo de control, tanto en lo que se refiere a su función mecánica como eléctrica y poder comprender su funcionamiento en un circuito de control. El conocimiento de los tipos básicos de los componentes de control capacitará al lector para trabajar con la mayoría de nuevos componentes, si no todos, que encontrará en su tarea. El mejor procedimiento para familiarizarse con todos los tipos de componentes de control es hacer un estudio de la literatura que afortunadamente los fabricantes facilitan gratuitamente. Esta literatura contiene generalmente ilustraciones fotográficas mostrando la disposición eléctrica y mecánica de los diversos dispositivos y usualmente va acompañada de una descripción de funcionamiento, aplicaciones y posibilidades de estos dispositivos. La calidad nunca debe ser sacrificada en los componentes de control, particularmente en los dispositivos piloto, en que la tentación para usar unidades baratas competitivas es mayor. Aunque un termostato, un interruptor de flotador o un interruptor de límite (de fin de carrera o interruptor de seguridad) pueda ser considerado como una parte aparentemente insignificante del conjunto de sistema de control, el fallo o la avería de uno de estos dispositivos piloto pueda ser causa de paro de toda una planta industrial. Esto ocurre esecialmente si dicho dispositivo está colocado en una máquina critica.

Algunas veces un mecánico se desalienta ante la complejidad de un sistema de control, como, por ejemplo, los empleados en plantas de refrigeración central, de calefacción central, líneas automáticas de montaje y otros sistemas de control actuando sobre varias máquinas. Pero el terror a la complejidad se elimina si se comprenden las funciones básicas de control y el funcionamiento de los tipos fundamentales de sus componentes. El sistema en conjunto de un control complejo está constituido por una serie de circuitos individuales de control en los que se realizan las funciones básicas y sus componentes son Preguntas de repaso 1. ¿Cuál será la diferencia entre un interruptor de flotador diseñado para

control primario y otro diseñado para control piloto? 2. ¿Qué tipo de interruptor de flotador se debe emplear para el ajuste entre

grandes diferencias de nivel? 3. Enumere los tres tipos generales de interruptores de presión en to que

concierne a su funcionamiento mecánico. 4. ¿Cuál es la ventaja del interruptor de fin de carrera o de límite del tipo de

tambor con engranaje reductor? 5. ¿Cuál es la finalidad de un interruptor de flotador? 6. ¿Qué diferencia hay entre el termostato ordinario y un termostato de

modulación o regulación? 7. ¿Qué se entiende por pulsador de contacto momentáneo? 8. ¿Cuál es la finalidad de un interruptor de velocidad cero? 9. ¿Qué es en esencia un programador como el que se utiliza en los

controladores de motor?. 10. ¿Qué es un dispositivo piloto?

Control de motores eléctricos Esquemas de los circuitos de control

Si nos encontráramos en un país extranjero y no fuésemos capaces de leer y hablar su idioma, veríamos cosas que nos son familiares tales como edificios, automóviles, periódicos y la gente, pero no seríamos capaces de saber lo que están haciendo a nuestro alrededor. Si pudiésemos hablar y comprender el lenguaje oral pero no pudiésemos leer las palabras escritas, nos faltaría algo para una comprensión completa. Algo parecido ocurre en las operaciones y diseños de control. Si dominásemos lo explicado en los cuatro primeros capítulos de este libro, podríamos hablar y comprender el lenguaje oral de los controles, pero hasta que no pudiésemos interpretar perfectamente los esquemas de circuitos de control, nos sería imposible adquirir una información completa. Este capítulo trata del lenguaje escrito de los circuitos de control y del propio control. El lector no debe darse por satisfecho hasta que pueda leer y comprender los planos o esquemas de control fácilmente y con suficiente rapidez. Cuando se aprende a leer inglés primero, hay que aprender las 26 letras del alfabeto que luego se combinan formando todas las palabras del idioma. Lo mismo ocurre con el lenguaje de control. Sólo hay algunos símbolos básicos que se utilizan para expresar el significado y la finalidad del circuito de control.

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Esquemas de los circuitos de control


La principal dificultad es que aunque existen normas para los símbolos, no siempre se emplean estas normas y algunas veces es necesario casi adivinar lo que significan. Los símbolos utilizados en este capítulo son los de use más corriente. 5-1. Símbolos Con referencia a la figura 5-1, el símbolo 1 representa un contacto normalmente abierto que es accionado automáticamente. Podría representar un contacto de un arrancador, el contacto de un interruptor de fin de carrera o de límite, el contacto de un relé, o cualquier otro dispositivo que no requiera funcionamiento manual. El símbolo 2 representa un contacto normalmente cerrado por medios automáticos, y todo lo que es aplicable al símbolo 1 lo es también al símbolo 2, excepto su posición normal. El método de indicar qué es lo que activa este tipo de contactos se explicará en la sección 5-2. El símbolo 3 representa un contacto normalmente abierto accionado manualmente por pulsador. El símbolo 4 representa el mismo tipo de contacto excepto que está normalmente cerrado. El símbolo 3 para pulsador normalmente abierto debe ser dibujado de modo que la recta horizontal esté separada de los dos circulitos, pero no siempre se tiene este cuidado. Si el trazo horizontal se dibuja por encima de los circuitos, el símbolo representa un contacto normalmente abierto, aunque toque a los dos circulitos. El símbolo 4 debe estar dibujado de modo que el trazo horizontal toque a los dos circulitos en su parte inferior, pero no siempre se dibuja así. Siempre que el trazo horizontal esté por debajo de los circulitos, el símbolo sigue representando un contacto normalmente cerrado aunque dicho trazo no los toque. Una manera de recordar esto es pensar siempre que el símbolo corresponde a un pulsador. Si se pulsa el botón, representado por la línea vertical, el trazo horizontal se moverá de arriba abajo. Cuando dicho trazo está encima de los circulitos o puntos de contacto, éstos se cerrarán por la presión. Cuando está debajo de los circulitos, se apartará de ellos y abrirá el circuito. Los símbolos 5 y 6 representan contactos de accionamiento manual del tipo de interruptor de palanca, correspondiendo el 5 al contacto normalmente abierto y el 6 al normalmente cerrado.


El símbolo 7 es un conmutador de palanca unipolar de dos posiciones, en el que un contacto está normalmente abierto y el otro normalmente cerrado. Cuando son accionados más de un juego de contactos por un mango o botón pulsador, están sus símbolos unidos generalmente por líneas de trazos, como en los símbolos 8 y 9. Las líneas de trazos representan cualquier forma de interconexión mecánica que hará solidarios a los dos contactos. Otro método que se utiliza frecuentemente para representar pulsadores que tienen dos juegos de contactos es el indicado por los símbolos 10 y 11. El símbolo 10 tiene dos contactos normalmente abiertos, y el símbolo 11 tiene un contacto normalmente abierto y otro normalmente cerrado. El símbolo 12 es una lámpara piloto que se identifica principalmente por las líneas cortas que salen radialmente del círculo central. El símbolo 13 representa una bobina. Podría ser una bobina de relé, una bobina de solenoide o la bobina de cierre de un arrancador. Después veremos como se indica cuál de las dos es. El símbolo 14 se utiliza también para representar una bobina. El símbolo 15 representa el elemento calefactor de un relé de sobrecarga, utilizándose también algunas veces para indicar un fusible. Aunque esto pueda parecer algo confuso al principio, pronto aprenderemos a indicar lo que representa por la posición que ocupa en el circuito. Por ejemplo, si está en serie con los conductores de línea, es un fusible, pero si está en serie con los conductores del motor, representa el elemento protector contra sobrecargas. El símbolo 16 es un conmutador selector rotatorio. Con un poco de imaginación, se ve que los contactos se accionarán por rotación del eje que acciona una leva. El mismo tipo de conmutador está indicado por el símbolo 17, con una posición de desconexión. Los símbolos 18 y 19 son dos maneras de representar las resistencias. Los símbolos 20 y 21 corresponden a resistencias variables. Los condensadores están representados por los símbolos 22 y 23. El símbolo 24 se utiliza para representar un transformador. El símbolo 25 muestra una bobina con un doble arrollamiento o arrollamiento partido, tal como el que se encuentra en algunos arrancadores cuando se emplea tensión de control de c.c. También se utilizan en relés de imán permanente. En algunos diagramas son necesarias aclaraciones acerca de los dispositivos específicos y su funcionamiento; los símbolos adicionales 26 a 43 están aprobados por NEMA. Los 26 y 27 representan interruptores de nivel de líquido normalmente abiertos y cerrados. Los símbolos 28 y 29 representan interruptores de vacío y de presión normalmente abiertos y cerrados. Los 30 y

31 representan interruptores activados por la temperatura. Los símbolos 32 y 33 representan interruptores de caudal o flujo. Los símbolos 34 y 35 representan contactos temporizadores con retardo al activarse. Los símbolos 36 y 37 representan contactos temporizadores pero con retardo al desactivarse. Los símbolos 38 y 39 representan interruptores de fin de carrera o de límite accionados directamente. El símbolo 40 representa un interruptor de límite normalmente abierto pero que normalmente se mantiene cerrado. El símbolo 41 representa un interruptor de límite normalmente cerrado pero que se mantiene abierto. Los símbolos 42 y 43 representan interruptores de pedal. El significado de una palabra, en cualquier idioma, depende en cierto modo de cómo se la utiliza, y esto mismo ocurre con el lenguaje de los símbolos de control. A medida que se profundice en el estudio de los circuitos de control, pondremos en práctica esos símbolos básicos, que junto con las indicaciones necesarias nos darán a conocer las funciones que se realizan mediante los componentes de control representados en el esquema mediante símbolos. 5-2. Esquemas El esquema es el lenguaje escrito de los circuitos eléctricos, y adopta diversas formas para adaptarse a las necesidades particulares para las que se emplea. Lo mismo que en todos los idiomas una misma forma no será suficiente para todas las exigencias. Algunas ideas se expresan mejor en poesía, mientras otras lo están en prosa. Por lo mismo, existe tipos generales de esquemas de control en uso. El primero de ellos es el esquema general de conexiones o esquema de cableado (fig. 5-2 a), que se adapta mejor para efectuar las conexiones iniciales cuando se conecta por primera vez un sistema de control o para seguir las conexiones reales en el diagnóstico de una avería. El segundo tipo es el esquema en línea o explicativo (fig. 5-2 b), que desde luego es el de use más fácil para tratar de entender eléctricamente el circuito. La mayoría de los diagramas de circuito se diseñan previamente utilizando este tipo de esquema. El tercer tipo es el esquema unifilar o por haces (fig. 5-3), que si bien no es tan claro como los anteriores respecto a la comprensión del funcionamiento del circuito de control, tiene la ventaja de ser más compacto, ahorrando líneas al reunir varios conductores en una sola línea, lo que da claridad en el


conexionado en el caso de instalaciones con muchos conductores. Su principal ventaja reside en su utilidad en trabajos de montaje.

Fig. 5-2 (a) Esquema general de conexiones. (b) Esquema en línea 5-2. Esquema General de Conexiones El esquema general de conexiones (fig. 5-2a) se obtiene dibujando los símbolos correspondientes a cada componente en su correcta relación de dependencia física con los otros componentes y luego dibujando los piles entre los terminales correspondientes. En otras palabras, es un dibujo del equipo y de los hilos tal como están aproximadamente en la instalación. Por consiguiente, podemos decir que el esquema general de conexiones es una representación del circuito de control con la distribución y situación física

relativa de sus componentes. Su principal ventaja es que ayuda a identificar los componentes y los hilos tal como están realmente en el equipo. Los símbolos utilizados en este esquema (fig. 5-2 a) representan en esencia los componentes con los contactos y bobinas situadas en su posición física relativa.

Fig. 5-3 Esquema unifilar o por haces

5-2. Esquemas en Línea El esquema en línea o explicativo (fig. 5-2b) es una representación del circuito con los elementos dispuestos en orden a su relación eléctrica. Supongamos que tenemos una parte de circuito de control que comienza en la línea 1 y continúa a través de cada contacto, interruptor y bobina pasta que se llega a la línea 2. Si todos los contactos, interruptores y bobinas están libres de sus montajes y el hilo está desconectado en el extremo, se puede tomar cada extremo del hilo y estirarlo. Entonces tendríamos un hilo recto, interrumpido en algunos sitios por los contactos, interruptores y bobinas. Esto es lo que se representa en un esquema en línea. Cada línea desde L1 hasta L2 representa un hilo y sus


componentes asociados tal como aparecería si se le estirase de la manera antedicha. Un estudio cuidadoso de los diagramas, tal como haremos en este capítulo, nos hará ver que los circuitos más complicados tienen varios de estos hilos o líneas estiradas y que cada uno de ellos es un pequeño circuito en sí mismo. La principal ventaja del esquema en línea estriba en el hecho de que muestra el circuito en su propia o correcta secuencia eléctrica. Cada componente está indicado en su sitio en el circuito eléctrico independientemente de su posición física o geométrica. No hay esquema que se pueda comparar con el explicativo o de línea para obtener una comprensión de un circuito de control o para localizar una avería en estos circuitos. Para leer un esquema en línea, comenzaremos en la parte de la izquierda de la línea superior y la seguiremos hacia la derecha. Si un contacto está abierto, la corriente no pasará por él; si está cerrado, la corriente pasará. A fin de excitar la bobina a otro dispositivo en el circuito, será necesario que cada contacto a interruptor estén cerrados para constituir un camino completo. En otras palabras, si hay un contacto abierto, la bobina estará inactiva; si no lo hay, será excitada. Recordemos que los contactos y los interruptores están representados en su posición normal, o sea desactivados. Los símbolos utilizados en los diagramas esquemáticos deben tener algún medio de indicar lo que activan y los componentes que se encontrarán en ellos. Como los tenemos colocados en su posición eléctrica en lugar de su posición física o geométrica en el circuito, los diversos contactos de un relé pueden estar separados o repartidos entre un extremo y otro del esquema. A fin de identificar la bobina del relé y sus diversos contactos, ponemos una o varias letras en el círculo que representa la bobina (fig. 5-4). Cada uno de los contactos que son accionados o activados por esta bobina tendrá la letra o letras de la bobina escritas al lado del símbolo del contacto. Algunas veces, cuando hay varios contactos activados por una bobina, se añade un número a la letra para indicar el número de contacto, que generalmente se cuenta de izquierda a derecha en el relé. Cuando no haya norma de uso para el significado de estas letras, la mayoría de diagramas tienen una clave o lista para indicar lo que significan las letras, y generalmente éstas se toman del nombre del dispositivo. Por ejemplo, las letras RC se emplean generalmente para indicar la bobina de un relé de control. Las

letras IF se utilizan frecuentemente para indicar un interruptor de flotador. Las IL se utilizan para indicar un interruptor de límite. Muy frecuentemente, cuando hay que representar en un diagrama de control varias bobinas de un arrancador de motor, como ocurre en un circuito para funcionamiento secuencial de varios motores, la bobina del arrancador se puede indicar por las letras M1, M2, M3, etc., hasta el número total de motores.

Fig. 5-4 Identificación de contactos y bobinas

5-5. Desarrollo de un Esquema en Línea Para ver con claridad la relación existente entre un esquema en línea y uno de conexiones, desarrollaremos el primero a partir del segundo (fig. 5-2). Este método de desarrollo es muy recomendable para utilizarlo cuando no se dispone


del esquema en línea. La primera operación a realizar es numerar los hilos del circuito de control. Se empieza a11í donde parten los hilos de control de L1, y se numeran los extremos de cada hilo. Se cambian los números cada vez que se pasa a otro hilo hasta llegar a L2, o extremo del circuito de control. En la figura 5-2a hemos numerado el hilo desde L1 hasta el pulsador de parada 1 y hemos colocado el número 1 en cada extremo. El hilo que va desde el otro extremo del pulsador de parada al de arranque y al terminal 2 del contacto auxiliar del contactor se numera en cada uno de sus tres extremos con el número 2. El hilo que conecta el otro lado del pulsador de arranque con el terminal 3 del contacto auxiliar del contactor y su bobina se designa con el número 3. El hilo que va desde la bobina al primer contacto del relé de sobrecarga se numera 4. El hilo entre los dos contactos de sobrecarga se numera con 5. El hilo desde el segundo contacto de relé de sobrecarga hasta L2 se numera con el 6. Para dibujar el esquema en línea de este circuito, lo primero será trazar dos rectas verticales L1 y L2, una en cada lado del dibujo (figure 5-2b). Luego se traza una recta horizontal corta a la derecha de L1 y se numera cada extremo con el 1. Esto representa el hilo 1 del esquema de conexiones, el cual termina en el pulsador PARADA. Dibujar el símbolo correspondiente a este pulsador en el extremo de esta línea. Ahora se traza el hilo 2 desde el citado pulsador hasta el de ARRANQUE y hasta el contacto auxiliar. Obsérvese que éste está representado como contacto automático accionado por la bobina M; por consiguiente se designa por M para indicar que es accionado por ella. Se continúa el circuito horizontalmente en todo lo ancho de la hoja de dibujo, siguiendo los números del diagrama de conexiones, hasta llegar a L2. Hay que asegurarse de que cada contacto está representado en su posición normal, o desactivada. Cuando sólo es necesario un esquema de conexiones y se dispone de un esquema de línea, se sigue el método anterior pero a la inversa. Para leer, o sea para interpretar cómo actúa el circuito representado en el esquema de la figura 5-2b, se parte de L1, que es una línea «viva» o activa, y se sigue el circuito en el dibujo. Llegamos primero al pulsador PARADA. Éste está normalmente cerrado por lo que deja pasar la corriente, y podemos continuar hasta. el pulsador ARRANQUE y el contacto auxiliar M. Estos dos están normalmente abiertos, por lo que la corriente no puede pasar. El contacto M se cierra cuando se excite la bobina M, por lo que no se puede completar el recorrido del circuito de esta manera, a no ser que se apriete el pulsador ARANQUE, que cierra sus contactos y deja pasar la corriente hasta la bobina M y luego a través de los dos contactos del relé contra sobrecarga normalmente cerrados, marcados OL, hasta L1. Al pasar la corriente por la bobina M se cierra

el contacto M y de esta forma al liberar el pulsador ARRANQUE, se abren sus contactos, pero continúa pasando corriente por la bobina M a causa de que el contacto M se mantiene cerrado por la propia acción de la bobina M. El motor está ahora funcionando y permanecerá así hasta que se interrumpa el circuito de control entre L1 y L2. Para parar manualmente el motor todo lo que se necesita es empujar el pulsador PARADA, el cual interrumpe el circuito en este punto, con la consiguiente interrupción de la corriente de la bobina M y la separación de los contactos del arrancador. Estando accionado el contacto M por la bobina M quedará abierto, así que cuando se deja de pulsar el pulsador PARADA, la bobina queda desexcitada. Obsérvese que cuando el motor se sobrecarga, al absorber demasiada corriente, actúa el relé de sobrecarga OL y se abren uno o los dos contactos del mismo, interrumpiéndose el circuito entre la bobina M y L2. El resultado de la apertura del circuito en este punto es el mismo que el de actuar sobre el pulsador parada. Aunque éste es un circuito sencillo y bastante fácil de seguir en cualquier esquema, el sistema para el desarrollo del esquema en línea y el análisis del circuito de control servirá para cualquier otro circuito independientemente de su complejidad. Supongamos ahora que se añade una unidad de pulsadores ARRANQUE-PARADA al circuito de la figure 5-2a. El nuevo circuito está representado en la figure 5-5a. Si nos fijamos en la numeración de los hilos en el esquema de conexiones, veremos que comprende de 1 a 7. Hay que emplear más números a causa de la inserción del nuevo pulsador PARADA en el circuito. Si seguimos la misma técnica empleada en la figure 5-2b, desarrolláremos el diagrama esquemático de la figure 5-5b, que comienza en L1 y continúa horizontalmente a través del primer pulsador «PARADA», el segundo PARADA, y el primer pulsador ARRANQUE, el cual está en paralelo con el segundo pulsador ARRANQUE y el contacto auxiliar. Desde aquí se continúa hasta la bobina del contactor designada por M y por consiguiente hasta el primer contacto y luego el segundo del relé de sobrecarga terminando en L2. Lo mismo que en el circuito precedente, los contactos de los pulsadores PARADA serán normalmente cerrados por lo cual pasará la corriente desde L1 lo mismo que por el grupo en paralelo de los pulsadores ARRANQUE y el contacto auxiliar. La corriente puede circular desde L2 a través de los contactos del relé de sobrecarga normalmente cerrados hasta la bobina M, así que todo lo


necesario para arrancar el motor es cerrar uno de los pulsadores ARRANQUE. Como éstos están en paralelo, uno cualquiera de ellos completará el circuito desde Ll hasta la bobina M, por lo que se puede empujar cualquiera de ellos para excitar la bobina.

Fig. 5-5 Configuración en T básica

Se observará que hay dos pulsadores PARADA adicionales, dos de ARRANQUE adicionales, y un contacto adicional representado en línea de trazos en este diagrama. Indican controles adicionales que pueden ser añadidos al circuito. Obsérvese cuidadosamente este diagrama, ya que corresponde a la formación básica T de cualquier circuito con componentes múltiples de control utilizados para controlar una sola bobina. Se observará también que todos los pulsadores PARADA tienen sus contactos conectados en serie de uno a otro extremo de la línea. Los componentes de arranque, comprenden en este caso dos o más pulsadores ARRANQUE y uno o más contactos, en paralelo. La utilidad de esta forma en T estriba en que muestra claramente que si cualquier elemento de control, independientemente de su tipo, ha de utilizarse para parar el motor, deberán sus contactos estar conectados en serie con los del pulsador ARRANQUE; y si ha de ser utilizado para arrancar el motor, deberán estar conectados en paralelo con los contactos del pulsador ARRANQUE. En resumen, si podemos dibujar, leer a interpretar el circuito de la figura 5-2b, podremos desarrollar circuitos más complicados mediante la adición de componentes que realicen la función de parada en serie con el primitivo pulsador PARADAy realizar la función de arranque en paralelo con el primitivo pulsador ARRANQUE. 5-6 Incorporación de Elementos a un Circuito de Control Supongamos que deseamos añadir un interruptor de límite, un interruptor de flotador o un pulsador a un circuito existente. Si este nuevo elemento ha de producir el paro del motor, bastará con que interrumpa el circuito de la bobina en cualquier punto del mismo, por lo que el nuevo dispositivo deberá conectarse en serie con el pulsador de parada o cualquier otro elemento de parada. Si por el contrario los interruptores o pulsadores anteriormente citados deben realizar la función de arrancar el motor, lo que se requiere es conectar este nuevo elemento en paralelo con el pulsador o dispositivo de arranque existente. Estos componentes adicionales están representados en la figura 5-5b por los indicados en líneas de trazos. Se observará también que los componentes utilizados para realizar la función de parada son de contactos normalmente cerrados; es decir, sus contactos están en posición cerrada siempre que el componente no esté activado. Aquellos componentes que están destinados a realizar la función de arranque son de contactos normalmente abiertos. En otras palabras, sus contactos están abiertos en su estado desactivado. No existe límite del número de componentes que pueden ser añadidos en serie con el pulsador PARADA del circuito sencillo


representado en la figura 5-2b para realizar la función de parada, ni tampoco hay límite del número de componentes que pueden ser añadidos en paralelo con el pulsador ARRANQUE para realizar esta función por medio de la bobina M.

Fig. 5-6 Enclavamiento Consideremos los circuitos representados en la figura 5-6. El circuito de arriba es el mismo que el representado en la figura 5-5b. La corriente puede pasar por los dos pulsadores de PARADA normalmente cerrados lo mismo que por los pulsadores ARRANQUE. Todo lo que se necesita para excitar la bobina es actuar sobre el pulsador ARRANQUE, cerrando así sus contactos y excitando la bobina M1. A su vez ésta cierra el contacto M1 en paralelo con los pulsadores ARRANQUE, manteniendo cerrado el circuito de la bobina M1. En el circuito de abajo veremos que la corriente puede circular desde L1 a través del contacto normalmente cerrado sólo por el contacto normalmente abierto M1. Este contacto debe estar cerrado para excitar la bobina M2 a través del pulsador ARRANQUE. Dicho contacto está designado por M1, indicando que se cerrará siempre que esté excitada la bobina M1. Esto significa, pues, que el motor que es excitado por la bobina M1 debe estar funcionando para que pueda ponerse en marcha el motor que es excitado por la bobina M2. Si ahora ponemos en marcha

el motor M1 accionando el pulsador ARRANQUE, la bobina M1 se excita, cerrando así los dos contactos designados M1. El contacto en paralelo con los pulsadores ARRANQUE se utiliza para mantener el circuito hasta la bobina M1. El contacto del circuito inferior, designado M1, se cerrará y dejará que pase la corriente actuando igual que un pulsador de ARRANQUE. Cuando es empujado este pulsador ARRANQUE, la corriente puede llegar a la bobina M2. La excitación de esta bobina cierra el contacto M2, manteniendo el circuito de la bobina y permitiendo que funcione el segundo motor. Veamos lo que ocurre si accionamos el pulsador PARADA de la bobina M1. Esta operación supone la interrupción del circuito y desexcitará la bobina M1, abriéndose todos sus contactos: el contacto auxiliar M1 en paralelo con sus pulsadores ARRANQUE y el M1 en serie con el pulsador PARADA correspondiente a la bobina M2. Esto último desexcitará la bobina M2, lo que producirá la apertura de los contactos M2, y ambos motores se pararán, aunque el pulsador accionado era el del circuito correspondiente al motor M1. Los circuitos de este tipo se utilizan frecuentemente para el mando de un transportador múltiple de cadena o correa, en que el primer transportador no debe funcionar a no ser que el siguiente transportador esté funcionando, impidiéndose así que el material se acumule en el lugar en que los dos transportadores convergen. Realmente hemos considerado sólo tres circuitos básicos, muy sencillos, de control, si bien representan la mayoría de las funciones desarrolladas por los circuitos de control más complejos. El mismo análisis de funcionamiento del circuito eléctrico nos capacitará para comprender muchos circuitos que a primera vista podrían sumirnos en gran confusión. En el capítulo 7 consideraremos muchos circuitos más complicados y desarrollaremos un sistema para analizar su funcionamiento. En esta sección hemos estudiado con algún detalle el esquema en línea, habiéndole dado más importancia por ser el que proporciona al lector la información eléctrica más concisa y comprensible del circuito de control. El mismo procedimiento de lectura a interpretación de las funciones de control de un circuito mediante el esquema en línea se aplica también al esquema general de conexiones. Cuando es necesario hacer use de un esquema general de conexiones para analizar o comprender el circuito de control, hay que trazar cada uno de los hilos, comenzando en la fuente de alimentación o de potencia y observando cada componente , o contacto que esté incluido en el circuito y cuál puede ser su función. Es muy recomendable en los circuitos más complicados, si no se dispone de un esquema en línea, obtener éste utilizando los métodos


expuestos en este capítulo. La comprensión del circuito será mucho más fácil cuando se sigue este procedimiento. Para leer el diagrama unifilar son aplicables los mismos principios, debiéndose localizar previamente cada conductor de conexión mediante las marcas o números señalados en los terminales de cada componente del equipo. Hay que tener la seguridad de haber encontrado todos los puntos interconectados por cada conductor en particular hallando previamente todos los puntos marcados con el mismo número. Nuevamente recomendamos desarrollar un esquema en línea basándose en el unifilar antes de intentar el análisis del circuito de control si contiene muchos componentes. Si se desea dibujar un esquema general de conexiones cuando sólo se dispone de un esquema en línea, se puede desarrollar el primero aplicando el procedimiento inverso explicado para el desarrollo de un esquema en línea a partir del general de conexiones. Se dibuja cada componente del circuito en su posición física en relación con los otros componentes. Luego se numera cada hilo del esquema en línea, tal como hemos hecho, numerándose a continuación cada terminal de componente del esquema general de conexiones lo mismo que está numerado en el esquema en línea. Todo lo que falta es conectar los números correspondientes por hilos o líneas en el dibujo, y así tendremos un esquema general de conexiones que representa el circuito eléctrico correspondiente al esquema en línea o explicativo . A fin de comprender los símbolos que se encuentran en los esquemas más diversos se deberán estudiar los folletos y esquemas de circuitos de control que se pueden obtener de los fabricantes de equipos de control. Este estudio servirá para familiarizarnos con los muchos tipos de símbolos utilizados para representar un solo componente, de la misma manera que la comprensión de las palabras habladas o escritas depende de la extensión de nuestro vocabulario. El conocimiento de las palabras y frases facilita la comprensión de las palabras habladas y escritas, y lo mismo ocurre con los circuitos de control. Cuanto mayor sea nuestro conocimiento de los símbolos en use y de los. componentes que se utilizarán para realizar las funciones de control, mejor será nuestra comprensión de los diversos diagramas y circuitos dibujados por personas dedicadas a este trabajo.

Preguntas de repaso 1. Dibujar un símbolo de pulsador de ARRANQUE. 2. ¿Qué método se emplea para representar los contactos que están

mecánicamente interconectados para que actúen simultáneamente? 3. Cuando un pulsador es del tipo de contacto normalmente cerrado, ¿el trazo

horizontal se dibuja encima o debajo de los circulitos que representan los contactos?

4. ¿Cuál es la principal ventaja de un esquema general de conexiones? 5. ¿Cuál es la principal ventaja de un esquema en línea o explicativo? 6. ¿Cuál es la principal ventaja de un esquema unifilar? 7. Los componentes que deben emplearse para realizar la función de parada

se conectan en con los otros. 8. Los componentes que realizan la función de arranque se conectan en con

los otros. 9. ¿Cómo se identifican los contactos para indicar qué componente los activa? 10. ¿Cómo se desarrolla un esquema en línea partiendo de uno general de

conexiones? 11. ¿Cómo se desarrolla un esquema general de conexiones partiendo de un

esquema en línea?

Control de motores eléctricos Desarrollo de los circuitos de control

Los circuitos de control se diseñan o proyectan muy pocas veces como unidad completa. En lugar de esto se van desarrollando por etapas sucesivas cada una de las cuales provee la función de control que se desea realizar con ella. Es lo que se hace cuando se escribe una carta, en la que se procede, párrafo por párrafo, basta expresar la idea en el papel. El mismo procedimiento se debe seguir para desarrollar un circuito de control. Lo primero será concebir la idea del conjunto de todas las funciones de control de modo que se efectúe cada función en su dependencia correcta con las otras funciones que debe realizar el circuito.

6-1 TIPOS DE CIRCUITOS DE CONTROL

Hay dos tipos básicos de circuitos de control: los de tres hilos y los de dos hilos. Estas designaciones derivan del hecho de que a la bobina del contactor llegan tres hilos en el primer caso y dos en el segundo (fig. 6-1). El circuito de control con tres hilos requiere que el dispositivo piloto primario sea del tipo de contacto momentáneo, tal como los pulsadores de contacto momentáneo. Los dispositivos de contacto permanente o mantenido, tales como los interruptores de límite y los interruptores de rotación, se pueden utilizar en

varias partes del circuito para completar a los dispositivos del mando primario, de arranque y parada. Este tipo de control se caracteriza por el uso de un contacto auxiliar en el contactor para mantener cerrado el circuito de la bobina durante el tiempo en que el motor está en marcha o en funcionamiento normal. En el circuito de control de dos hilos, el dispositivo primario de mando o piloto primario debe ser de contacto mantenido, como puede ser un sencillo interruptor unipolar, una caja o panel de botones pulsadores de contacto mantenido, o cualquier tipo de componente de control que cierre un juego de contactos y los mantenga en esta posición durante todo el tiempo que el motor este funcionando. La apertura de este contacto o contactos causa el paro del motor al dejar sin corriente la bobina del arrancador. Todos los circuitos de control, independientemente de su complejidad, son simples variaciones y ampliaciones de los dos tipos básicos. El objeto de este capitulo es explicar cómo se pueden transformar y ampliar cada uno de estos circuitos básicos para el control deseado de un motor o de varios motores mediante la adición de pulsadores o de contactos activados Por uno o más

M

Parada Arranque

1M

1L

3 hilos

M

2 hilos

Contacto ointerruptor

OLOL

OLOL

2L

1L 2L

Fig. 6-1. Circuitos básicos de control tipos dos y tres hilos

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Desarrollo de los circuitos de control


dispositivos de control. Usaremos el esquema explicativo o en línea para desarrollar todos los circuitos de control a causa de que este tipo de esquema se presta con más facilidad al estudio y preparación de los circuitos de control. El método más sencillo para el desarrollo de un circuito de control es comenzar por la bobina del contactor y los dispositivos contra las sobrecargas. Se añade el dispositivo o piloto primario para el arranque y parada del motor, que en un circuito de tres hilos consiste generalmente en pulsadores ARRANQUE y PARADA utilizados conjuntamente con el contacto auxiliar del contactor. A este circuito se añaden sucesivamente todos los contactos o pulsadores que han de ser utilizados para realizar las funciones adicionales de control hasta que quede desarrollado el circuito final. Cuando se trata de un circuito de control de tres hilos hay que tener presente que todos los dispositivos destinados a realizar la función de parada deben ser dispositivos normalmente cerrados y estarán conectados en serie con el pulsador piloto primario de parada. Todos los dispositivos que han de realizar la función de arranque deben ser de contactos normalmente abiertos y estarán conectados en paralelo con el pulsador piloto primario de arranque. Algunas veces un circuito requiere que dos o más contactos normalmente abiertos se cierren antes de proceder a la puesta en marcha de un motor. Estos contactos, que igual pueden pertenecer a relés como a pulsadores u otros elementos de control, deben estar conectados en serie, y el conjunto en paralelo con los dispositivos primarios piloto de arranque. Si, por el contrario, varios contactos deben estar abiertos antes de realizar la función de parada, estos contactos normalmente cerrados se conectaran entre sí en paralelo y el conjunto en serie con el dispositivo piloto primario para producir el paro. Cuando haya una secuencia definida para la actuación de diversos componentes de control, habrá que añadirlos sucesivamente al circuito de control en el mismo orden que el que tiene su secuencia de funcionamiento. Después de añadir en el circuito cada contacto o cada pulsador hay que comprobar que el funcionamiento del circuito sea el correcto, comprobando que no se ha impedido el funcionamiento de algún componente de control ya existente. Si se ha asimilado la parte precedente de este libro, se tendrán los conocimientos necesarios de las funciones de control de los componentes y de los esquemas de circuito para comenzar a estudiar el modo de proyectar los circuitos de control. Hasta no haber proyectado un circuito que sea capaz de realizar las funciones asignadas, no se puede estar seguro de ser capaz de

interpretar o analizar un circuito de control para saber con seguridad si funciona correctamente, es decir, realiza todas las funciones para las que ha sido proyectado. 6-2 PROYECTO DEL CIRCUITO 1 A fin de que el procedimiento del desarrollo por partes de un circuito resulte más fácil de entender, consideraremos nuestro primer circuito como una serie de modificaciones a realizar, una detrás de la otra, para perfeccionar las misiones de control del circuito original. El circuito de control existente (fig. 6-2b) está destinado a controlar una bomba de agua para el transvase desde un depósito de almacenamiento basta un depósito regulador de presión. La disposición física de la bomba y de los dos tanques, así como los componentes de control, esta ilustrada en la figura 6-2a. El circuito original de maniobra manual, sólo dispone de pulsadores de arranque y parada y protección contra sobrecargas. La bomba debe funcionar hasta que se observe que el depósito está lleno. Entonces el operador debe accionar el pulsador de paro y la bomba dejará de funcionar.

Ahora el propietario desea que se instale un interruptor de flotador en el depósito regulador de presión con el fin de evitar que el operador tenga que apretar el pulsador ARRANQUE, poniendo en marcha a la bomba e iniciando la entrada de agua en el depósito. Cuando el nivel de agua ha alcanzado el valor deseado, el interruptor de flotador FS1 abrirá sus contactos, produciéndose el paro de la bomba y cesando el flujo de agua. La función a realizar por el interruptor de flotador es en este caso la de paro, por la que debe ser de contacto normalmente cerrado y estar conectado en serie con el pulsador original de PARADA, tal como se ve en la figura 6-2c. Después de haber estado trabajando con este control durante algún tiempo, el propietario desea que la bomba arranque y pare automáticamente por considerarlo mucho mas cómodo y conveniente. Solicita que se instale otro interruptor de flotador para controlar el nivel inferior del depósito. Esta versión del circuito de control debe hacer que la bomba arranque siempre que el agua llegue a un nivel inferior predeterminado. La función de control deseada es la de arranque, de modo que el interruptor de flotador debe tener un juego de contactos normalmente abiertos que se cerrarán siempre que el agua descienda hasta el nivel inferior deseado. Estos contactos deben estar conectado en paralelo con el pulsador original ARRANQUE para realizar la función de arranque del motor. Esta conexión está representada en la figura 6-2d.


Después de algún tiempo de funcionamiento con el nuevo circuito de control, se descubre que algunas veces el nivel del depósito de almacenamiento desciende tanto que la bomba se desceba. El propietario solicita un control para evitar que la bomba arranque en estas condiciones. Aunque este control no tenga que parar la bomba mientras este funcionando, debe impedir que arranque cuando el nivel del agua es bajo. Debe también parar la bomba si esta esta funcionando y el agua llega a este nivel mínimo. Así, el nuevo control realiza la función de parar la bomba. La función de control se puede obtener por la instalación de un interruptor de flotador para detectar el nivel inferior del agua en el depósito de almacenamiento. El interruptor de flotador FS3 ha sido instalado y ajustado para abrir un juego de contactos siempre que el agua del depósito de almacenamiento alcanza el nivel mínimo deseado. A causa de que la función de control a realizar es la de parada, el interruptor de flotación FS3 debe tener contactos normalmente cerrados que se abran siempre que el nivel del agua baje hasta el nivel ajustado del interruptor de flotador. Está conectado en serie con los otros componentes de parada, como muestra la figura 6-2e. Después se decidió que la presión producida en la tubería por el tanque regulador de presión cuando esta lleno es insuficiente para las necesidades de la instalación. El propietario solicita la instalación de los componentes y controles necesarios para mantener en el depósito la presión mediante aire a presión en la parte superior del depósito. A fin de obtener el debido equilibrio del nivel del agua y de la presión del aire en todo instante, solo debe quedar aire en el depósito cuando el nivel del agua este en su posición más alta y la presión sea inferior a la deseada. Para conseguir esto, supongamos que instalamos una válvula de solenoide en la tubería de suministro de aire que permita el paso del aire al depósito solamente cuando la bobina de la válvula del solenoide esta excitada. Además de la válvula, podemos instalar un interruptor de presión en la parte superior del tanque para que detecte la presión existente en este constantemente. Cuando la presión sea inferior a la ajustada en el interruptor de presión, sus contactos se deben cellar, cerrando el circuito del solenoide. Sin embargo, si el nivel del agua es inferior al máximo cuando la presión desciende, no debe abrir la válvula de solenoide por lo que se requiere la función de parada de la misma, a fin de evitar que el aire entre en el depósito cuando no es conveniente.


Si el interruptor de flotador ESl es del tipo bipolar con un juego de contactos normalmente abierto y otro normalmente cerrado, podemos modificar el circuito según muestra la figura 6-2f. El circuito de la válvula de solenoide es del tipo de dos hilos y requiere que FS1 y el interruptor de presión PS1 se cierren para que entre aire en el depósito por la acción de la de la válvula de solenoide. Cuando el nivel del agua alcanza su punto más bajo será activado FS1. El contacto normalmente cerrado del circuito de bomba se abrirá y el contacto normalmente abierto del circuito de solenoide se cerrará. Si la presión del aire es baja, los contactos de PS1 se cerrarán y el aire entrará en el depósito hasta que el nivel del agua descienda y se abra FS1, o bien hasta que, la presión aumente hasta su valor normal y se abra PS1 satisfaciéndose así los requisitos del circuito de control especificados por el propietario de la instalación . Aunque en el circuito de la figura 6-2f han quedado los pulsadores en el circuito, será preferible que el operador pueda optar a voluntad por funcionamiento completamente manual o funcionamiento completamente automático. Los cambios necesarios para funcionamiento manual o automático están indicados en el circuito de la figura 6-2g. Si hubiésemos asumido la responsabilidad de proyectar el circuito final de la figura 6-2g, necesitaríamos ciertas especificaciones o requisitos en cuanto a la función o el funcionamiento correcto del circuito completo. El primero de ellos sería probablemente la posibilidad de selección de control manual o automático, el segundo que la bomba fuese controlada para mantener el nivel de agua en el depósito de presión entre un nivel superior y otro inferior, y el tercero que pudiese funcionar la bomba cuando los niveles del agua en el depósito de aprovisionamiento fuesen inferiores a un nivel dado, y cuarto, que la presión en el depósito de presión se mantuviese mediante la adición de aire siempre que fuese necesario. Para proyectar el circuito a base de estas especificaciones, se procederá por etapas, añadiendo componentes de control al circuito manual original. 6-2 PROYECTO DEL CIRCUITO 2 Nuestro segundo circuito será para el control de tres transportadores de cinta combinados de modo que el transportador 1 descargue material en el transportador 2, el cual a su vez lo descarga en el transportador 3, que se utiliza para la carga de camiones a otros vehículos en un muelle de embarque o en un almacén.

Las condiciones que debe cumplir el circuito de control son: 1. Con un solo pulsador deben ponerse en marcha todos los motores de

transportador pero de forma que primero lo haga el 3, luego el 2 y por último el 1.

2. Cualquier sobrecarga en alguno de los transportadores hará que se paren todos ellos.

3. Un solo pulsador de parada servirá para parar todos los transportadores de forma que primero lo haga el 1, luego el 2 y por último el 3.

Un requisito adicional es que haya un retardo de 2 minutos entre la parada de cada transportador y el siguiente a fin de que el material quede desalojado de cada transportador antes de que se pare. Si realizamos el proyecto de este circuito por partes, nuestra primera etapa será satisfacer los requisitos de la especificación 1 para que un solo botón arranque todos los transportadores en secuencia empezando por el transportador 3. El circuito adecuado para esto será el de la figura 6-3a. Tenemos en él un relé de control que es activado y desactivado mediante pulsadores según el circuito de tres hilos, manteniéndose activado durante el funcionamiento por un contacto auxiliar (contacto de retención) del mismo relé de control, identificado en el dibujo por las tetras CR1. Puesto que es necesario que el transportador 3 sea el primero que empiece a funcionar, los contactos identificados en el dibujo por CR1, que son cerrados por el relé de control, activan el contactor M3 que pondrá en marcha el motor 3 y cerrará el contacto M3 que a su vez excitará el contactor M2, que pondrá en marcha el motor 2 y cerrará el contactor M2, activándose el M1 con lo que se arrancará el motor 1 terminándose la secuencia de arranque del transportador. El paro se producirá desactivando el relé CR mediante el pulsador de paro. El uso de los contactos CR2, M3 y M2 satisface la condición de que el transportador 2 arranque luego del 3 y el 1 luego del 2, con lo que quedan cumplidas las condiciones de la especificación 1 en correspondencia con la especificación 2, la cual requiere que cualquier sobrecarga en un transportador pare a todos ellos. Las condiciones de la especificación 2 pueden ser obtenidas mediante la conexión en serie de todos los contactos de los relés de sobrecarga entre la línea y la conexión común a todas las bobinas de arrancador, incluida la del relé de control, como indica la figura 6-3a. Si uno o más de estos seis contactos de los relés de sobrecarga están abiertos, el circuito de control de todas las bobinas está interrumpido, desexcitándose así las bobinas y parándose todos los motores


de transportador al mismo tiempo. Con esto se cumplen los requisitos de la especificación 2.

Aunque el circuito de la figura 6-3a satisface las especificaciones primera y segunda, no satisface las condiciones de la especificación 3 de que los transportadores se paren en orden inverso. Este requisito y el de que transcurra un tiempo de retardo de 2 minutos entre la parada de un transportador y el siguiente hace necesario el empleo de relés temporizadores. Lo primero que a uno se le ocurre es conectarlos como indica la figura 6-3b, pero un cuidadoso estudio de este circuito revela que cuando es empujado el pulsador PARADA, el relé de CR se desexcitará, abriéndose los contactos CR1 y CR2, con lo que sólo se desexcitará el relé de control a causa de que el contacto M2 está todavía cerrado manteniendo el circuito de la bobina M1, de que el contacto M3 está también aún cerrado manteniendo el circuito de la bobina M2 y de que también el contacto de R2 está cerrado manteniendo el circuito de la bobina M3. Así, pues, todos los motores de transportador continuarán funcionando. Habrá que hacer una modificación de este circuito a fin de que todos los transportadores puedan ser parados actuando sobre el pulsador PARADA. A fin de satisfacer la condición 3 de las especificaciones, deberá ser modificado el circuito de la figura 6-3b como indica la figura 6-3c. En este circuito hemos añadido dos contactos, normalmente abiertos, activados por el relé de control y designados en el dibujo por CR3 y CR4. Ahora, cuando se presiona el pulsador PARADA, el relé de control se desexcita, abriéndose todos sus contactos, quedando excitados los contactores M2 y M1 solamente a través de los contactos de los relés temporizados que se mantienen cerrados debido justamente al retardo de acción diferida de estos relés. La apertura del contacto CR3 interrumpe el circuito de la bobina M1, parando al transportador 1, y al de la bobina TR1 del relé de retardo que producirá la separación de los contactos TR1 transcurridos dos minutos desde que se haya desexcitado dicho relé temporizado TR1. Esto hará que el contactor M2 y el relé temporizado TR2 se desexciten. El primero ocasionará el paro del motor 2 y el segundo la apertura, dos minutos más tarde, del contacto TR2, lo cual desexcitará M3 produciéndose el paro del último motor y parándose el transportador 3. De este modo quedan satisfechas todas las especificaciones de este circuito. Los transportadores arrancarán en secuencia, comenzando por 3 y progresando hasta 1 cuando se empuja el pulsador único de ARRANQUE. Cualquier sobrecarga en un transportador desexcitará las bobinas de todos los arrancadores, parándose todos los transportadores. Cuando se aprieta el botón PARADA, los transportadores se pararán en orden inverso con un intervalo de 2 minutos entre la parada de un transportador y el siguiente.


El circuito realiza las funciones de arranque, parada, control de secuencia, protección de sobrecarga y acción de retardo de tiempo. El uso del relé de control con su circuito de control trifilar provee una protección contra baja tensión que no es posible obtener con el circuito de control bifilar para cada uno de los arrancadores de transportador. 6-4 PROYECTO DEL CIRCUITO 3 Se trata del proyecto de un circuito de control de arranque de un motor en los dos sentidos de marcha. Se establecen las siguientes condiciones: accionamiento manual, protección contra baja tensión, enclavamiento eléctrico, que no permita el cambio del sentido de giro del motor sin antes proceder al paro del mismo mediante el pulsador de paro. La primera fase en el proyecto de circuito es proveer el arranque y la parada en la marcha adelante. El circuito para ello es el representado en la figura 6-4a. Se observara que este es el circuito tipo de tres hilos con pulsadores ya satisface el requisito de arranque y para en la marcha adelante. La segunda condición del circuito es el arranque y la parada en la marcha en sentido inverso, 1o cual se obtiene mediante la adición de un pulsador ARRANQUE y el contacto auxiliar de retención como indica la figura 6-4b. El pulsador ARRANQUE esta conectado después del pulsador PARADA ya existente en el esquema anterior siendo el único necesario para parar el motor, independientemente del sentido de giro. El requisito de enclavamiento eléctrico se satisface mediante la adición de los contactos normalmente cerrados indicados en la figura 6-4c y designados por las letras R2 y F2, los cuales son contactos auxiliares pertenecientes a los contactores de marcha adelante y marcha inversa. El contacto normalmente cerrado se abrirá cuando se excite la bobina R, impidiéndose así que la bobina F se excite al mismo tiempo en el caso que se actuase sobre su pulsador. El contacto F2 se abrirá siempre que se excite la bobina F, 1o cual impide que el contactor de marcha atrás pueda ser excitado al mismo tiempo. Este circuito satisface completamente las especificaciones de que el motor pueda arrancar y parar en cualquiera de los sentidos directo o inverso y de que haya que apretar el pulsador PARADA previamente al cambio de sentido de giro. Se ha provisto el enclavamiento eléctrico de modo que ambos arrancadores no puedan ser activados al mismo tiempo.

Supongamos ahora que en esta maquina se requiera el frenado por inversión de marcha. El circuito deberá ser modificado como muestra la figura 6-4d. Los pulsadores ARRANQUE marcha adelante y marcha atrás deberán ser del tipo bipolar con un juego de contactos normalmente abiertos y otro normalmente cerrados. Cuando empujamos el botón de arranque de marcha adelante, se cierra


el circuito del arrancador correspondiente y al mismo tiempo se interrumpe el circuito del arrancador de marcha inversa. Cuando se empuja el botón de arranque de marcha atrás, no sólo se completará el circuito del arrancador correspondiente sino que también se interrumpirá el circuito del arrancador de marcha adelante, con 1o que se obtiene la acción de frenado por inversión. Este circuito realiza las funciones de control para marcha adelante y marcha atrás en cuanto a arranque, parada, enclavamiento, protección contra sobrecarga, frenado y protección de mínima tensión. 6-5 PROYECTO DEL CIRCUITO 4 Las especificaciones para este circuito son las siguientes. Marcha automática y continua adelante y atrás del motor mediante el empleo de interruptores límite, debiéndose realizar el arranque inicial y la parada mediante pulsadores de contacto momentáneo. También estará provisto de protección contra baja tensión. La necesidad de arranque y parada del proceso mediante pulsadores y la utilización de los interruptores límites o de fin de carrera hace conveniente el uso de un relé de control. El conexionado de éste está representado en la figura 6-5a. El contacto CR1 se utiliza como contacto de retención para mantener excitado el relé una vez pulsado el pulsador de marcha. El contacto CR2 se utiliza para conectar o desconectar a línea el circuito de control de marcha adelante y marcha atrás, satisfaciéndose así la condición de que los pulsadores de ARRANQUE y PARADA inicien y terminen el proceso automático. Mediante el uso del relé de control se obtiene también la protección contra tensión baja. El proceso automático de marcha adelante y ateas requiere el uso de interruptores fin de carrera de contacto momentáneo, y por lo tanto un circuito de control tipo tres hilos para marcha adelante y marcha atrás. Estos interruptores fin de carrera deben poseer dos juegos de contactos, uno normalmente abierto y otro normalmente cerrado. Cuando se conectan según la figura 6-5a, el contacto normalmente cerrado LS2 del interruptor fin de carrera actuará como contacto de parada, y el contacto normalmente abierto LS1 como contacto de arranque para el control de marcha adelante. El contacto auxiliar del contactor de marcha adelante debe estar conectado en paralelo con el contacto normalmente abierto del interruptor fin de carrera LS1, con el fin de que actúe de contacto de retención del contactor F de marcha adelante.

La figura 6-5b muestra el conexionado adicional necesario para el arrancador de marcha atrás. El contacto normalmente cerrado LS1 del interruptor fin de carrera número 1 está conectado como contacto de parada del contactor R de marcha atrás, y el contacto LS2 normalmente abierto del interruptor fin de carrera número 2 está conectado como contacto de arranque del contactor de marcha atrás. El contacto auxiliar R1 del arrancador de marcha atrás está conectado en paralelo con los contactos normalmente abiertos del interruptor fin de carrera número 2 como contacto de retención. Este circuito satisface todos los requisitos de las especificaciones pero sin enclavamiento eléctrico, el cual está representado en la figura 6-5c. Este enclavamiento se consigue mediante la adición de un contacto normalmente cerrado en serie con cada contactor y activado por el contactor que acciona en sentido contrario el giro del motor. El frenado a inversión de marcha se consigue en este circuito por la acción de los propios interruptores fin de carrera. Cuando el interruptor fin de carrera número 1 deja de estar en su posición normal, el contacto normalmente abierto se cierra excitando a la bobina F y el contacto normalmente cerrado se abre y desexcita a la bobina R. La acción inversa la realiza el interruptor fin de carrera número 2, obteniéndose así el frenado por inversión en ambos sentidos de giro del motor. El circuito de la figura 6-5c funcionaría perfectamente y satisfaría todas las condiciones de funcionamiento si el paro se efectuase siempre en una posición en que el contacto del interruptor fin de carrera quedase normalmente abierto o normalmente cerrado, según conviniese. Sin embargo, este caso no es muy probable, y por consiguiente habrá que proveer medios para arrancar el motor en marcha adelante o marcha atrás con el fin de que los interruptores fin de carrera queden en la posición correcta para ejercer control automático. Las adiciones necesarias del circuito para conseguir esto están representadas en la figura 6-5d. Aquí hemos añadido un pulsador en paralelo con los otros componentes de arranque en los circuitos de marcha adelante y marcha atrás. La función de estos pulsadores es iniciar la acción del motor en el sentido de giro deseado para que pueda funcionar normalmente hasta que el primer interruptor fin de carrera sea activado y luego continúe funcionando automáticamente hasta que se apriete el pulsador PARADA.


Frecuentemente se utilizan circuitos como éste para el control de fresadoras y otras máquinas herramienta que requieren cambiar el sentido de giro reiteradamente. 6-6 PROYECTO DEL CIRCUITO 5 Los requisitos de este circuito son los mismos que el de la figura 6-4d con la adición de pulsadores de marcha instantánea para conseguir avances o retrocesos intermitentes y graduales. Para ello los pulsadores empleados deben producir la conexión de la bobina del contactor a línea mientras aquél se mantiene apretado, para que el motor funcione y, al mismo tiempo, debe impedir que el contacto auxiliar de retención del contactor mantenga el circuito cuando se libera dicho pulsador de marcha instantánea.

El circuito de la figura 6-6 muestra la utilización de los dos pulsadores JF y JR utilizados para conseguir el control mencionado. Siguiendo este circuito se verá que el pulsador de marcha instantánea adelante tiene un contacto normalmente abierto conectado entre el botón PARADA y el contacto auxiliar R2 en serie con la bobina F del contactor de marcha adelante. El contacto normalmente cerrado de este pulsador está conectado entre el botón PARADA y el resto de los dispositivos de control. Cuando es empujado el pulsador de MARCHA INSTANTÁNEA ADELANTE queda establecido el circuito desde la línea 1 a través

de su contacto normalmente abierto hasta la bobina del contactor de marcha adelante y a través del enclavamiento eléctrico R2 normalmente cerrado. Al mismo tiempo, el contacto normalmente cerrado de este pulsador JF interrumpe el circuito entre el pulsador PARADA y todos los otros pulsadores y contactos del circuito, volviendo a quedar cerrado una vez realizada la operación, quedando el resto del circuito en condiciones normales de funcionamiento. La instalación y el conexionado del pulsador ]JR marcha atrás instantánea son idénticos a los de marcha adelante instantánea, excepto que está conectado al contactor de marcha atrás. Este circuito comprende muchas de las funciones de control. Posee arranque y parada en marcha adelante y marcha atrás, frenado manual por inversión, de marcha, control de marcha intermitente o gradual tanto en la marcha adelante como en la marcha atrás, enclavamiento eléctrico, protección de mínima tensión y protección contra sobrecarga. 6-7 PROYECTO DEL CIRCUITO 6 En éste nos proponemos añadir el frenado automático por inversión de marcha al circuito de la figura 6-4c. El método más sencillo de obtenerlo es emplear un interruptor de velocidad cero (fig. 4-12). La conexión de este interruptor está representada en la figura 6-7. Su acción es tal que cuando el motor está funcionando en marcha adelante, el brazo móvil del interruptor se mantiene en la dirección indicada por la flecha marcada con la letra F. Cuando se aprieta el pulsador PARADA, se interrumpe el circuito del contactor de marcha adelante, separándose sus contactos y cerrándose el contacto de enclavamiento marcado F2. En este instante, se establece el circuito desde la línea 1 a través del interruptor de velocidad cero y del contacto normalmente cerrado F2 hasta la bobina R del contactor de marcha atrás, produciéndose el frenado por inversión del sentido de giro. El cierre del contacto de retención R1, excitaría la bobina R y esto provocaría el funcionamiento del motor en marcha atrás, pero si se mantiene apretado el pulsador PARADA, la corriente no podrá pasar por R1 y el motor parará, ya que al pasar la velocidad del motor por cero, el interruptor de velocidad cero abrirá. La posición del brazo del interruptor de velocidad cero cuando el motor está funcionando en marcha atrás es la posición marcada R. Cuando se aprieta el pulsador PARADA, el circuito funciona de la misma manera que cuando el motor está funcionando en marcha adelante, excepto que ahora queda frenado el motor por la excitación del contactor de marcha adelante.


6-8 PROYECTO DEL CIRCUITO 7 Este circuito corresponde al control de un motor de tres velocidades, debiendo ser dicho control selectivo (Sec. 3-9). Para satisfacer el requisito de un control selectivo de velocidad deberán emplearse tres circuitos sencillos de arranque, uno para cada velocidad, a fin de que el operador pueda arrancar al motor en cualquiera de las tres velocidades. Para pasar a la siguiente tendrá que apretar el pulsador de paro y a continuación el de la velocidad correspondiente. Este circuito es el representado en la figura 6-8a Este circuito está desprovisto de toda forma de enclavamiento mediante el cual se pueda impedir que se activen dos velocidades al mismo tiempo, a no ser que disponga de enclavamiento mecánico. El enclavamiento eléctrico necesario se ha añadido en la figura 6-8b, en el que puede observarse que es posible aumentar la velocidad con sólo empujar el pulsador de la velocidad siguiente. Por ejemplo, si el motor está funcionando en la primera velocidad y se desea pasar a la segunda, el contacto de enclavamiento normalmente cerrado designado por M3 estará cerrado y la bobina M2 podrá ser excitada, con lo que se abrirá el contacto normalmente cerrado designado por M2, desexcitándose así la bobina M1 y por consiguiente el contactor correspondiente a la velocidad 1.


Para que el circuito funcione correctamente, el contacto M2 debe interrumpirse antes de que cierren los contactos de línea del contactor M2. De lo contrario, el arrancador activará dos velocidades simultáneamente, con el consiguiente deterioro del motor y del conexionado. La acción del circuito para la velocidad 3 es análoga, y por la excitación de la bobina M3 queda abierto el contacto normalmente cerrado M3 antes de que se cierren los contactos del contactor de la velocidad 3, quedando eliminadas las velocidades 1 y 2, que de otra manera serían excitadas simultáneamente. Para el paso de una velocidad a otra inferior debe accionarse previamente el pulsador PARADA. Analizando el circuito se ve que si tratamos de pasar de la velocidad 3 a la velocidad 2, apretando el botón ARRANQUE correspondiente a esta velocidad, no se excitará M2 por estar abierto el contacto M3. Lo mismo ocurre si tratamos de pasar de la velocidad 3 a la 1, así como si tratamos de pasar de la velocidad 2 a la 1. Apretando el pulsador PARADA queda desexcitado cualquier contactor que esté excitado, retornando todos los contactos auxiliares a su posición normalmente cerrada y permitiendo que el circuito sea excitado en cualquier velocidad que se desee. Debido principalmente a la dificultad en obtener el necesario escalonado en la apertura y cierre de contactos que intervienen en el enclavamiento, los arrancadores de este tipo emplean generalmente relés de control para cada velocidad, que excitan a su vez los correspondientes contactores. El circuito en el que se utilizan dichos relés de control está representado en la figura 6-8c en la que puede observarse que el conexionado de los tres relés de control es idéntico al de los contactores de la figura 6-8b, con la única adición de un contacto en cada relé para accionar el contactor correspondiente. Aunque este circuito ha sido proyectado para control de velocidad de un solo motor, es igualmente aplicable para el control de secuencia de tres motores. Si las bobinas M1, M2 y M3 fuesen de arrancadores individuales correspondientes a los motores respectivos, arrancarían en secuencias selectivas. Esto significa que el operador podría poner en marcha cualquier motor y progresar en sentido ascendente en la secuencia de los motores. Para retroceder en la secuencia tendrá que parar previamente el motor que está funcionando y luego seleccionar el motor que desee. Esto dará un control selectivo de secuencia de los tres motores y podrá ser extendido a cualquier número de motores que se desee.

6-9 PROYECTO DEL CIRCUITO 8 Este nuevo circuito consiste en una modificación del anterior número 7 pero que para conseguir una velocidad dada es necesario siempre empezar por arrancar el motor en la velocidad 1, empujando a continuación el pulsador

correspondiente a la 2 y así sucesivamente hasta alcanzar la velocidad deseada (Sec. 3-9). La figura 6-9 representa el esquema de un circuito para obtener este control secuencial de velocidad de un motor de tres velocidades utilizando relés de control. La disposición de los contactos en estos relés para esta clase de servicio es crítica, y hay que señalar que el contacto normalmente cerrado CR2b debe ser interrumpido antes de que el contacto normalmente abierto CR2c establezca el circuito. También debe quedar interrumpido el contacto CR3b antes de que se establezca el contacto CR3a.


Este circuito no se diseñará paso a paso, a causa de que se ha proyectado ya un circuito análogo para control de velocidad, que es el 7. En su lugar analizaremos el funcionamiento de este circuito modificado. Supongamos que el operador desee hacer funcionar la máquina en su tercera velocidad. Para ello deberá apretar previamente el pulsador correspondiente a la velocidad 1, el cual excitará la bobina CR1. La excitación de esta bobina hace que se cierren los contactos CR1a y CR1b. El cierre del contacto CR1b excita al contactor correspondiente a la velocidad 1, y el motor arranca y acelera hasta alcanzar esta velocidad. El cierre del contacto CR1a completa el circuito de arranque correspondiente a la velocidad 2, y cuando se aprieta este pulsador podrá ser excitada la bobina CR2, cerrándose los contactos CR2a y CR2c y abriéndose el CR3b. La apertura de este último desactiva al contactor asignado a la velocidad 1. Inmediatamente después se cierra el contacto CR2c, excitando al contactor correspondiente a la velocidad 2 y permitiendo que el motor se acelere y funcione en la segunda velocidad. El cierre del contacto CR2a completa el circuito de arranque correspondiente a la tercera velocidad. Cuando se aprieta el pulsador de arranque de la tercera velocidad, se completa el circuito de la bobina CR3, y esto a su vez abre el contacto CR3b, que desactiva al contactor correspondiente a la velocidad 2. Inmediatamente después se cierra el contacto CR3a, excitándose el contactor correspondiente a la velocidad 3, lo que permitirá que el motor se acelere y funcione en la velocidad 3. Los relés de control permanecen excitados hasta que se aprieta el pulsador de parada y la única manera de reducir la velocidad es accionar el botón de PARADA y luego acelerar progresivamente el motor, empezando en la velocidad 1 y pasando gradualmente hasta la velocidad más alta que se desee. Aunque este circuito está concebido para sólo tres velocidades, podría ser ampliado para que incluyese tantas velocidades como se deseasen en el motor en cuestión. No presentamos este circuito como representante del método óptimo para proveer el control secuencial de velocidad. En un proyecto de circuito de control para un motor y un controlador dados intervienen muchos factores. El especialista de control encontrará muchas variantes de circuitos para realizar las mismas funciones, por lo que deberá conocer perfectamente el funcionamiento de los componentes y los circuitos que puede utilizar para conseguir un fin determinado. Para el estudio, aprenderse de memoria un determinado circuito para una función en particular, es innecesario y perjudicial.

6-10 PROYECTO DEL CIRCUITO 9 Circuito destinado al control de un motor trifásico rotor bobinado con anillos rozantes. Se desea arranque automático de tiempo fijo y cuatro escalones, iniciándose el proceso al accionar el pulsador ARRANQUE. También se desea pueda funcionar en cualquiera de las cuatro velocidades reducidas mediante el pulsador de la velocidad correspondiente, así como poder variar las velocidades a voluntad una vez alcanzada la de régimen. Para tener una idea de conjunto de los contactos y relés de control que serán necesarios consideraremos un esquema elemental del circuito secundario del motor (fig. 6-10d). Este circuito provee los requisitos esenciales de un arranque en cuatro escalones a condición de que los contactos sean correctamente controlados. Para ello se utilizan relés con contactos temporizados, obteniéndose el arranque de tiempo fijo. La primera fase del proyecto de este circuito será obtener los cuatro escalones de arranque en un tiempo definido, utilizando un pulsador ARRANQUE para iniciar el proceso puesta en marcha. La figura 6-10 a muestra nuestro circuito en su fase de desarrollo. A1 accionar el pulsador ARRANQUE se excitará la bobina de CR, cerrándose el contacto de retención CR1. El contacto CR2 cierra y activa al contactor primario PC, encargado de conectar el motor a la línea. Debe emplearse alguna forma de enclavamiento para evita que el motor pueda arrancar cuando no está toda la resistencia intercalada en el circuito secundario, velocidad 1; no obstante será preferible proyectar dicho enclavamiento una vez proyectado el circuito que permita el control de velocidad. Se puede utilizar un tercer contacto del relé de control (CR) (figura 6-10b), CR3 para activar a un relé S2 de acción diferida con contactos temporizados al cierre conectados de modo que cortocircuiten la primera sección de la resistencia (fig. 6-10d), obteniéndose así la aceleración correspondiente al segundo escalón. Para proveer el tercer escalón de aceleración (fig. 6-10c), es obvioi que será necesario un segundo contacto temporizado al cierre en S2 para excitar a un segundo relé S3, el cual también posee dos contactos temporizados al cierre conectados de modo que cortocircuiten la segunda sección de la resistencia (fig. 6-10d). El cuarto escalón se consigue mediante un circuito análogo.


El circuito de la figura 6-10c proporciona un grado satisfactorio de enclavamiento, ya que los contactos de S2, S3 y S4 se abren siempre que se aprieta el botón PARADA y restaura toda la resistencia en el circuito secundario del motor. Este circuito satisface la primera especificación del proyecto de circuito.

La segunda especificación correspondiente al control independiente de velocidad después de alcanzada la velocidad nominal requerirá alguna modificación del circuito de la figura 6-10d. Para poder seleccionar a voluntad cualquier velocidad, el operador deberá poder abrir cualquiera de los contactos cerrados y cerrar cualquiera de los contactos abiertos del circuito secundario según se requiera para cada una de las velocidades.

La adición de un contacto normalmente cerrado en serie con cada contacto TC en el circuito de la figura 6-10d proporcionará los contactos equivalentes abiertos y cerrados en el circuito secundario. La adición de un contacto normalmente abierto en paralelo con cada grupo de dos contactos en serie proveerá el efecto de cerrar cualquiera de los contactos abiertos del circuito secundario. Estos contactos están representados en la figura 6-11. En la figura 6-12 puede verse el accionamiento mediante pulsadores de los contactos adicionados de la figura 6-11 y que satisface la segunda condición del control: variación de velocidad. El S4 debe poseer un contacto temporizado al cierre en serie con el circuito de control de velocidades con el fin de garantizar que el motor ha sido acelerado hasta la velocidad de régimen antes de que se le pueda hacer funcionar en una velocidad inferior. El pulsador correspondiente a la velocidad inferior excita el relé LS. Seis contactos LS normalmente cerrados están conectados en serie con los contactos TC según el circuito de la figura 6-11. Cuando se aprieta el pulsador de velocidad baja, se excita el relé LS y se abren los seis contactos normalmente cerrados, los cuales vuelven a intercalar toda la resistencia en el circuito secundario, con lo que se consigue el funcionamiento en velocidad baja.


Para aumentar la velocidad desde la baja o primera hasta la segunda, debe ser añadido el relé 2S junto con los pulsadores y contacto de retención correspondientes. Se utiliza un contacto normalmente abierto 2S para aislar LS cuando se pasa a una velocidad más alta y para excitar a LS cuando se pasa a segunda velocidad desde una más alta. Para cortocircuitar parte de la resistencia se utilizan dos contactos normalmente abiertos en 2S (fig. 6-11). La adición de la tercera velocidad se obtiene duplicando los componentes de la segunda velocidad y utilizando los contactos indicados dos por 3S en los circuitos de las figuras 6-11 y 6-12. No es necesario el enclavamiento cuando se pasa desde la segunda velocidad hasta la tercera a causa de que los contactos 2S de la figura 6-11 no afectan al funcionamiento aunque permanezcan cerrados. La cuarta velocidad o velocidad de régimen se puede restaurar eliminando simple a instantáneamente todos los contactos y relés asociados con las velocidades más bajas, ya que todos los contactos TC de la figura 6-11 están ahora cerrados. Esto se puede hacer añadiendo un pulsador normalmente cerrado, como se indica en la figura 6-12. El circuito desarrollado hasta este punto sería satisfactorio si el operador desease siempre pasar de una velocidad baja a una velocidad más alta. Para reducir la velocidad, es necesario abrir los contactos 2S y 3S de la figura 6-11. El enclavamiento mediante el use de contactos implicaría la adición de más relés en el circuito, pero los contactos normalmente cerrados formando parte de los pulsadores del control de velocidad, tal como se indica en la figura 6-12, proporcionan una eliminación eficaz de todas las velocidades más altas cuando se desea funcionar en una velocidad más baja. Este circuito puede parecer poco práctico en lo que respecta a sus requisitos, pero lo incluimos aquí para indicar que mediante un proceso sistemático de proyecto se puede satisfacer cualquier requisito del sistema. 6-11 PROYECTO DEL CIRCUITO 10 Proyecto de un circuito para el control de arranque, de tiempo definido, y variación de velocidad para motor Shunt de c.c. Se desea poder arrancar el motor y acelerarlo hasta una cualquiera de las 5 velocidades preseleccionadas. Las velocidades 1 y 2 son inferiores a la velocidad nominal del motor (control de subvelocidad). La velocidad 3 es la nominal, y las 4 y 5 son superiores a ésta (control de sobrevelocidad).

El requisito de dos velocidades inferiores a la nominal implica la utilización de tres escalones de resistencias en serie con el inducido (figura 6-13a). Una de las secciones o escalones debe quedar en cortocircuito para obtener la velocidad 1, la segunda para la velocidad 2 y la tercera para la velocidad nominal, obteniéndose estos cortocircuitos mediante los contactos S1a, S2a y S3a. El requisito de dos velocidades superiores a la normal implica dos resistencias en serie con el devanado de excitación, derivación y cortocircuitadas por los contactos normalmente cerrados S4a y S5d hasta que se haya alcanzado la velocidad nominal, debiéndose abrir a continuación S4a y S5a según la velocidad deseada. La adición de un relé térmico de sobrecarga y los contactos principales o de línea completan el circuito del motor. De este modo sólo queda proyectar el circuito de control para accionar correctamente los contactos. La fase 1 del proyecto del circuito de control consistirá en obtener la velocidad 1 empleando un pulsador para excitar el primer relé S1 temporizado al cierre. Este circuito debe permanecer excitado, por consiguiente requiere un contacto de mantenimiento o retención. Cuando se arranca un motor de c.c., es necesario intercalar una resistencia apropiada en el circuito del inducido hasta que comienza a acelerar. Esto a su vez requiere un retardo antes de que R1 quede en cortocircuito. Si el contacto S1a es un contacto de cierre temporizado, proporcionará el tiempo necesario para que el motor alcance la velocidad deseada. Los contactos principales de línea deben cerrarse en primer lugar, debiendo ser por lo tanto de acción instantánea, no temporizados. Para la protección y parada del motor se empleará un relé de sobrecarga y un pulsador. El contacto de mantenimiento S1c de la bobina Sl, debe ser de cierre instantáneo. Es evidente que S1 debe ser activado independientemente de la velocidad elegida; por tanto podemos añadir un contacto de mantenimiento para cada velocidad en paralelo con S1c. Todos estos contactos deben ser del tipo de cierre instantáneo. El circuito de la figura 6-13b servirá para el arranque del motor y permitirá acelerar éste hasta que alcance la velocidad deseada, instante en el cual S1a


cierra y suprime R1 del circuito. El motor funcionará a esta velocidad a no ser que se accionen otros pulsadores. El requisito de un pulsador para cada velocidad implica un circuito tipo tres hilos y un relé temporizado al cierre para cada velocidad. La figura 6-13c es un circuito tres hilos que sirve para excitar y mantener S2. El contacto instantáneo S2, activará el relé S1 y por consiguiente cerrará los contactos de línea S1b y S1. El relé S2 debe proveer un retardo de tiempo de doble duración de la de S1 a fin de dar tiempo a que S1 cumpla su misión y luego proporcione el tiempo de aceleración para la velocidad 2. Deberán emplearse contactos instantáneos en paralelo con S2b con el fin de que siempre que se seleccione una velocidad superior a la 2, actúe el control correspondiente a la 2 a su tiempo. Las otras velocidades se controlan por circuitos análogos al de la velocidad 2. Cada una de las velocidades más altas debe tener un relé con tiempo de retardo más largo y proveer contactos para excitar todas las velocidades más bajas. Hay otros circuitos que pueden proveer este control; sin embargo, hemos elegido éste para ilustrar el grado en el cual el circuito puede depender del enclavamiento correcto. 6-12 PROYECTO DEL CIRCUITO 11 Circuito de control para un sistema de acondicionamiento de aire por agua fría. El compresor es centrífugo y está impulsado por un motor trifásico de jaula de 500 CV. La presión es controlada antes de la entrada del agua al condensador provista por una bomba de agua. El agua fría es bombeada hasta el cambiador de calor por otra bomba. Se desea un control de protección que pare el compresor siempre que deje de circular el agua fría o el agua del condensador. El arrancador para el compresor es del tipo autotransformador reductor, con tiempo fijo de arranque. Este tiempo fijo de arranque se obtiene mediante la incorporación de un relé temporizado al cierre en el arrancador. En la primera fase del proyecto del sistema se establece el caudal de aire frío y su detección por medio de un interruptor de caudal situado en la tubería. El interruptor de caudal (CWF) está situado generalmente en la tubería de retorno del agua para que la circulación se complete en el sistema. En el esquema de la

figura 6-14a puede verse la disposición de los pulsadores de ARRANQUE y PARADA del sistema y puesta en marcha de la bomba de agua fría. Cuando es detectado el caudal de agua fría por el interruptor de caudal, la bomba de aceite del compresor se pone en marcha estableciendo la presión correcta (fig. 6-14b). En cuanto el interruptor de la presión de aceite detecta la presión suficiente, arranca la bomba de agua del condensador (fig. 6-14c) necesaria para la refrigeración del compresor y evitar que la presión de entrada alcance un valor peligroso. El funcionamiento del compresor depende del caudal de agua fría, presión de aceite y caudal en el condensador y está dispuesto para arrancar a tensión reducida si el manómetro de baja indica una presión menor del 10 % . Existen diferentes interruptores de presión. En el esquema está representado por el contacto L normalmente cerrado, cosa que ocurre cuando la presión es del 10 % o menor. Cuando el contacto L está abierto no permite que el compresor arranque. La figura 6-14d es el circuito del contactor de un arrancador a tensión reducida cuya bobina es RV. Recuérdese que RV es un contactor con mecanismo de enganche, por lo que la bobina sólo debe ser excitada brevemente. La bobina de disparo RV del contactor debe ser excitada siempre que se produzca una sobrecarga durante el arranque y cuando el contactor de funcionamiento es activado por el relé de acción diferida (TD1). La bobina de disparo sólo debe ser excitada momentáneamente; por consiguiente, un contacto RV debe eliminar de la línea a la bobina. El circuito de la bobina de disparo debe ser mantenido abierto cuando esté cerrado el contactor de funcionamiento; por tanto, el contacto RV normalmente abierto (N.A.) está conectado en serie con este circuito. Cuando el relé temporizado de arranque a tensión reducida TD1 se desexcita, cierra su contacto y dispara al contactor RV, excitando brevemente a la bobina de cierre del contactor de funcionamiento (RC). Este contactor permanecerá cerrado debido a su mecanismo de enganche (fig. 6-14 e). El control de protección del compresor durante el funcionamiento debe estar en paralelo con los contactos normalmente abiertos en este circuito de la bobina de disparo. El interruptor de caudal de agua fría y el interruptor de presión de


aceite (OPS) pararán a la bomba de agua del condensador. Los interruptores de caudal del agua del condensador (Cond. F) en el circuito de arranque no pararán al compresor cuando están abiertos; por tanto, en este interruptor es necesario que haya un juego de contactos conectados al circuito de disparo del contactor de funcionamiento a fines de protección. Estos contactos deben estar normalmente cerrados cuando no hay caudal, por lo que se abrirán cuando se establezca éste. E1 contacto normalmente abierto RC del contactor de funcionamiento impide que sea excitada la bobina de disparo cuando el contactor de funcionamiento está cerrado.

Todo lo que falta ahora en este circuito es excitar el dispositivo control baja presión L después de un corto retardo de tiempo para que el compresor pueda alcanzar su velocidad de régimen. Entonces el termostato puede controlar la carga del compresor (fig. 6-14f). Resumen El proyecto de los circuitos que hemos seleccionado hasta aquí tiene por objeto presentar un método de desarrollo o proyecto de los circuitos de control. Aunque con los que aquí proyectamos no se agota ni mucho menos el número de circuitos que realmente se puede encontrar en la práctica, servirán de base pare adquirir los conocimientos necesarios en el proyecto de los circuitos de control. E1 proyecto se debe desarrollar función por función, añadiendo únicamente los componentes necesarios pare realizar en cada caso la que se desea. Después se analiza el circuito pare comprobar que no se estorba una operación anterior y que realmente realiza la función propuesta, antes de proseguir con las ulteriores adiciones en el circuito. Si se siguen estas reglas sencillas, no se encontrarán dificultades para el proyecto de un circuito que realice cualquier función que se desee. El mayor peligro en el proyecto de los circuitos de control es tratar de diseñar un circuito completo de una vez. Por consiguiente no hay que olvidar que el proyecto paso a paso implica la pérdida de menos horas para tratar de hallar la causa de que un circuito no funcione debidamente después de haber sido alambrado. Es muy recomendable que el estudiante practique el proyecto de circuitos de varios tipos y los verifique para comprobar que realmente funcionarán cuando se realicen prácticamente. Si el lector dispone de un equipo de componentes de control, en esta fase del estudio deberá proyectar circuitos de diversos tipos, realizarlos prácticamente y probarlos para asegurarse de que funcionan. Si el circuito no funciona como se esperaba, se le analizará y localizará el defecto para determinar la causa de que no funcione. Si este complemento del estudio del proyecto de circuito es posible, el estudiante tendrá una gran ventaja sobre los otros que no han hecho esta práctica cuando se trata de aplicar estos principios a los circuitos reales. Los circuitos implicados en el proyecto del control en cuestión han sido establecidos claramente en esta sección del libro, y todo lo necesario para perfeccionar esta técnica hasta un grado satisfactorio es que el estudiante practique. Sus propios deseos y su grado de aprovechamiento


determinarán el tiempo adicional que debe invertir para practicar el proyecto de los circuitos de control. Preguntas de repaso Proyectar circuitos para to siguiente:

1. Un motor controlado por una caja o panel de pulsadores ARRANQUE-PARADA.

2. Añadir al circuito anterior un segundo pulsador para arrancar el motor

desde otro sitio.

3. Añadir al circuito anterior un interruptor de límite o de fin de carrera para parar el motor.

4. Un motor controlado por un conjunto de pulsadores. Cuando este motor

se para, arranca a un segundo motor que funciona hasta que es parado apretando un pulsador PARADA.

5. Revisar el circuito de la pregunta 4, de modo que el segundo motor

funcione sólo durante dos minutos y luego se para automáticamente.

6. Tres motores conectados de modo que Sean todos ellos puestos en marcha por un pulsador ARRANQUE e interconectados de modo que si alguno de ellos no arranca por alguna causa, o se pare, se paren también los otros. El pulsador PARADA para a todos los motores.

7. Dos bombas se ponen en marcha y se paran al mismo tiempo mediante

un interruptor de presión. Conectar un interruptor manual de forma que las bombas funcionen alternadamente.

8. Añadir al circuito de la pregunta 7 un segundo interruptor de presión

para arrancar la bomba que está parada si la presión continúa bajando.

9. Reemplazar el interruptor manual del circuito de la pregunta 8 con un relé de dos posiciones pare alternar automáticamente las bombas ceda vez que se las pone en marcha.

10. Reemplazar el relé de dos posiciones del circuito de la pregunta 9 por un relé programador pare alternar el funcionamiento de las bombas cada 24 horas.

11. Cuatro motores que arrancan en orden o secuencia ascendente. Proveer

un retardo de tiempo de 20 segundos entre los arranques de cada motor.

12. Cuatro motores que arrancan en secuencia selectiva.

13. Un motor de tres velocidades con arranque de secuencia selectiva. Proveer el control para que pueda ser reducida la velocidad sin accionar previamente el pulsador PARADA. (OBSERVACIÓN: esto es similar al frenado por inversión de marcha.)

14. Hay cuatro motores de ventiladores extractores en un edificio. Cada

ventilador está equipado con un termostato. Si cualquiera de los termostatos, de contactos normalmente cerrados, se abre por efecto de una alta temperatura, se pararán todos los ventiladores.

Control de motores eléctricos Análisis de los circuitos de control

Una vez dominada la técnica del proyecto de los circuitos de control, pasaremos a analizar circuitos ya proyectados por otros. La primera fase en el análisis de un circuito es determinar qué operaciones realiza la máquina o equipo propulsado por el motor, a fin de poder comprender fácilmente cuáles son las funciones del circuito. Para analizar cualquier circuito dado, deberá representarse en esquema explicativo o en línea, a no ser que ya se disponga de él. Como antes dijimos, si el esquema está correctamente hecho, la secuencia de las operaciones de control comenzará en la parte superior izquierda del dibujo y continuará siguiendo la primera recta horizontal, y luego cada una de las sucesivas hacia abajo. Sin embargo, no todos los esquemas están dibujados en este orden, por lo que no hay que esperar que esto sea siempre aplicable. 7-1 Procedimiento Básico El procedimiento básico para el análisis de un circuito es muy sencillo y se comprenderá fácilmente si se ha asimilado el capítulo precedente sobre el proyecto de circuito. Basta considerar los componentes uno por uno en el circuito y deducir lo que ocurre si se actúa sobre un pulsador o se cierra o se abre un contacto, teniendo en cuenta que siempre debe haber un circuito

completo desde una línea a otra a través de la bobina que excita un relé, contactor o arrancador. Si el circuito está abierto en cualquier punto, la bobina en particular. se desexcitará y sus contactos, si están incluidos en el circuito, estarán en su posición normal. Cuando el circuito de una determinada bobina queda cerrado, el contactor, relé o arrancador están excitados, y sus contactos están en posición contraria a la normal. Es decir, si son contactos normalmente cerrados, ahora estarán abiertos; si son contactos normalmente abiertos, ahora estarán cerrados. Si se utiliza un relé temporizado en el circuito, habrá que tener en cuenta si sus contactos están temporizados a la apertura o al cierre para determinar la posición normal y su función en el circuito. Cuando se utilizan relés en el circuito, hay que cerciorarse de que han sido localizados todos los contactos accionados por cada relé, así como su posición según esté o no excitada la bobina, ya que sin ello no será posible comprender la misión del circuito en su conjunto. Igualmente debe verificarse la misión de cada uno de los componentes en sus posiciones normal y excitada. No se deben tomar nunca conclusiones apresuradas cuando no se ha terminado de hacer el análisis. En la siguiente sección analizaremos varios circuitos siguiendo el procedimiento de paso a paso para adquirir los conocimientos fundamentales de esta operación, que podrán ser aplicados a situaciones reales en la práctica. El análisis de un circuito es un requisito previo para cualquier diagnóstico eficiente de averías en los circuitos de control. 7-2 Análisis del Circuito 1 Observando la figura 7-1 resulta evidente que es un circuito de control para un arrancador de marcha adelante y marcha atrás. Para analizar la operación de este circuito comenzaremos por la parte superior izquierda en L1. El primer componente es un pulsador PARADA que está normalmente cerrado. A continuación pueden verse tres derivaciones que terminan: la 1.a en un pulsador de arranque normalmente abierto marcado ADELANTE; la 2.a en un interruptor unipolar en posición abierto, y la 3.a en otro pulsador de arranque marcado ATRÁS (marcha atrás), también normalmente abierto. Si ahora apretamos el pulsador de MARCHA ADELANTE, la corriente pasará a través de los contactos normalmente cerrados del pulsador de marcha ATRÁS y R2 excitando la bobina F perteneciente al contactor de la marcha adelante, ya

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Análisis de los circuitos de control


que el circuito se cerrará por los contactos de sobrecarga normalmente cerrados designados OL hasta L2. El circuito está, pues, completo desde la línea L1 a través de la bobina del arrancador de marcha adelante hasta L2, y la bobina F estará ahora excitada. La excitación de esta bobina abrirá el contacto nor malmente cerrado F2 y cerrará el contacto normalmente abierto F1. La apertura del contacto normalmente cerrado no tiene efecto inmediato en el circuito, a causa de que el contacto normalmente abierto del pulsador para la marcha atrás tiene interrumpido el circuito delante de este contacto. El cierre del contacto normalmente abierto no tiene efectos inmediatos, a causa de que el interruptor unipolar está abierto.

Fig. 7-1 Análisis del circuito 1. Control para marcha adelante y marcha atrás de un solo motor.

Cuando se libera el pulsador MARCHA ADELANTE, está interrumpido el circuito en este punto desde la línea hasta la bobina F y, a causa de que no hay contacto de mantenimiento que puntee esta interrupción en el circuito, la bobina se desexcitará. Supongamos ahora ,que cerramos el interruptor unipolar de modo que conecte la línea 1 a un lado del contacto normalmente abierto F1 y apretemos nuevamente el pulsador MARCHA ADELANTE. La acción del circuito es la misma que la que antes explicamos, excepto que ahora, cuando está cerrado el contacto normalmente abierto F1, se completa el circuito desde la línea 1 por el contacto del pulsador normalmente abierto. Cuando es liberado este pulsador, el circuito se mantiene a través del contacto F1 y el motor continuará funcionando en marcha adelante. Supongamos ahora que apretemos el pulsador MARCHA ATRÁS. Esto abrirá su contacto normalmente cerrado y cerrará su contacto normalmente abierto. El

resultado será la interrupción del circuito de la bobina F y el establecimiento del circuito a través de los contactos normalmente abiertos del botón MARCHA ATRÁS a través del contacto normalmente cerrado F, y la bobina R hasta la línea 2, frenándose así el motor por inversión de marcha. El funcionamiento del motor en marcha atrás se mantiene por el contacto normalmente abierto R1, que ahora está cerrado. El arrancador de marcha adelante no puede poner en funcionamiento al motor por estar abierto el contacto normalmente cerrado R. Si se pone el interruptor unipolar en la posición abierto y se aprieta el pulsador MARCHA ATRÁS, tenemos exactamente la misma operación que cuando empujamos el de MARCHA ADELANTE, excepto que ahora es excitado momentáneamente el arrancador de marcha atrás. Ya que hemos analizado la operación de los componentes individuales de este circuito, podemos resumir su acción de conjunto diciendo que el circuito provee el funcionamiento de marcha adelante y marcha atrás. También provee el frenado por inversión de marcha en cualquier sentido y por la posición del interruptor unipolar proveerá la puesta en marcha momentánea en cualquier sentido a voluntad del operador. Los contactos normalmente cerrados R2 y F2 son un enclavamiento eléctrico entre los contactores de marcha adelante y marcha atrás. El interruptor unipolar representado en este circuito tome el nombre de interruptor para marcha intermitente o gradual a causa de que en la posición abierto permite poner en marcha durante cortos intervalos sucesivos al motor en uno a otro sentido, según el pulsador accionado. 7-3 Análisis del Circuito 2 En la figure 7-2 vemos solamente un contactor o bobina de arrancador, lo que indica que es un circuito para el control de un solo motor que funciona en una sola dirección. Aplicando nuestro principio de análisis al circuito para determinar su funcionamiento, veremos que el pulsador PARADA está normalmente cerrado por lo que la corriente puede circular hasta uno de los dos contactos normalmente abiertos identificados por CR. Si apretamos el pulsador ARRANQUE, se completará el circuito a través de la bobina designada por CR hasta la línea 2. Si las designaciones utilizadas en este circuito están normalizadas, se puede afirmar que éste es un relé de control que aparentemente tiene dos contactos normalmente abiertos utilizados en este circuito, designados por 1 las letras CR, y que al estar excitado el relé CR estarán cerrados. Debido al cierre de los contactos CR, se excitará el contactor


M y se pon en marcha el motor. Al excitarse M, cerrará el contacto normalmente abierto M, que junto con el CR ya cerrado permitirá que el contactor M continúe excitado al dejar de accionar el pulsador ARRANQUE.

Fig. 7-2 Análisis del circuito 2. Control de arranque, paradas y funcionamiento

intermitente de un solo motor. El motor podrá ser parado con sólo apretar el pulsador PARADA, lo que interrumpe el circuito desde L1, permitiendo que el relé de control y la bobina del arrancador se desexciten. Supongamos que ahora apretamos el segundo pulsador de contacto normalmente abierto, o sea el de funcionamiento intermitente. La corriente pasará directamente desde la línea 1 a través del pulsador PARADA normalmente cerrado, del pulsador que hemos accionado hasta la bobina M, y luego a través de los contactos de los relés sobrecarga hasta la línea 2, y el motor será excitado. La excitación de la bobina M cierra nuevamente su contacto normalmente abierto; pero éste no mantendrá el circuito cuando se libere el pulsador, a causa de que el contacto normalmente abierto CR está abierto y tiene al circuito interrumpido desde la línea 1. Cuando liberamos el pulsador el motor quedará desconectado de la línea. Este circuito provee la puesta en marcha intermitente y además la protección adicional de seguridad de un relé el cual impide eficazmente que el arrancador quede enclavado durante el servicio intermitente. Cuando se aprieta el pulsador ARRANQUE, se excitan el relé de control y el contactor, quedando éste excitado a través de los contactos del relé. Cuando se aprieta el pulsador INTERMITENTE solo se excita el contactor, y los contactos del relé normalmente abiertos impiden eficazmente que quede excitado al dejar de accionar dicho pulsador.

7-4 Análisis del Circuito 3 En la figura 7-3 se ve que las tres líneas horizontales de la parte superior contienen los contactos de línea del arrancador designados por la letra M, los relés térmicos de sobrecarga y los tres bornes de motor designados T1, T2 y T3. Las dos líneas horizontales siguientes contienen primero los contactos DB y luego el primario de un transformador designado por PT. El secundario de este transformador está conectado a un rectificador puente de onda completa con dos terminales de c.c. marcados con los signos más y menos respectivamente. La salida de este rectificador está aplicada a los terminales T1 y T3 del motor a través de los contactos DB. La parte del circuito hasta ahora considerada pertenece a las conexiones interiores del controlador, y la sección restante del circuito contiene el control exterior arranque-parada del controlador. Al examinar este circuito, si aplicamos nuestra técnica de análisis, veremos que apretando el pulsador ARRANQUE se excitará a la bobina M a causa de que todos los otros componentes del circuito están normalmente cerrados. La excitación de la bobina M cerrará todos sus contactos y, si consideramos esto en el esquema, el motor se pondrá en marcha al cerrarse los tres contactos de línea. El contacto auxiliar de mantenimiento en paralelo con el pulsador ARRANQUE se cerrará, quedando excitado el contactor M aunque se deje de presionar el pulsador ARRANQUE por lo que el motor quedará funcionando normalmente. La abertura del contacto normalmente cerrado M, situado en la línea inferior del dibujo, impedirá que sea excitada la bobina DB. Simultáneamente con la excitación de la bobina M, la bobina T es también excitada. Ésta parece ser de un relé temporizado ya que su contacto T lleva la indicación (T.O.), temporizado a la abertura. Si apretamos el pulsador PARADA, la bobina M se desexcitará abriéndose todos sus contactos, que vuelven a sus posiciones normales. La abertura de los contactos de línea M interrumpe el circuito del motor y corta la corriente. El contacto auxiliar en paralelo con el pulsador ARRANQUE se abre, pero no afecta por el momento al circuito. Sin embargo el retorno del contacto normalmente cerrado M a su posición cerrada, excitará a la bobina DB a causa de que el contacto T está aún cerrado. Sabemos que este contacto está cerrado porque está designado como temporizado a la abertura, y aunque su bobina está ahora desexcitada, el dispositivo temporizador mantendrá a este contacto en posición cerrada.


Fig. 7-3 Análisis de1 circuito 3. Freno dinámico para motor jaula. (Cutler-Hammer, Inc.)

Estando la bobina DB excitada, todos los contactos indicados por las letras DB estarán ahora en posición cerrada. El contacto normalmente cerrado en serie con la bobina M se abrirá, impidiendo que esta bobina pueda volver a excitarse hasta que el relé temporizado haya abierto al contacto T. El cierre de los cuatro contactos normalmente abiertos DB asociados al transformador y rectificador aplicarán la tensión c.c. a T1 y T3 y la mantendrán en el motor hasta que se desexcite el relé temporizado, abriéndose el contacto T, que vuelve a poner al circuito en su posición normal o de reposo.

¿Qué finalidad tiene aplicar tensión de c.c. a un motor cuando se aprieta el pulsador PARADA? La aplicación de la tensión c.c. a un motor de jaula en funcionamiento tiene el efecto de suavizar la acción de frenado pero sin restarle efectividad y parará al motor rápida pero muy gradualmente. Puede parecer dudosa la necesidad de incorporar el relé temporizado en este circuito. Si no suprimiésemos la tensión c.c. del motor a velocidad casi nula, la baja resistencia en c.c. del arrollamiento del motor permitiría que pasase por él una corriente de intensidad excesiva, con el consiguiente recalentamiento y el posible deterioro de los devanados del motor. Este relé temporizado debe estar ajustado de modo que aplique la tensión de c.c. a los devanados del motor hasta que quede frenado y la suprima una vez esto ocurra. Según se desprende de lo estudiado, este circuito puede pertenecer a un arrancador de motor a tensión nominal o arranque directo, con la adición de un control rápido y suave de frenado. Este circuito puede ser muy bien aplicado a cualquier máquina que requiera una parada suave y rápida o bien se desee que el eje del motor quede libre, una vez parado para la rotación manual. También provee una parada sin tendencia a la inversión de marcha, lo que es una ventaja cuando deba ser aplicado el efecto de freno frecuentemente. Requiere menos mantenimiento que un freno mecánico, y por consiguiente se reducen los costes de mantenimiento. Además somete a menos choques a los elementos de la máquina accionada que un freno mecánico y produce menos calentamiento que con el frenado por inversión de marcha. Este tipo de frenado se Llama dinámico. 7-5 Análisis del Circuito 4 En la figura 7-4 vemos un doble juego de contactos de línea designados por 1M y 2M que conectan las líneas 1, 2 y 3 a los bornes del motor. También tenemos en esta parte del circuito contactos designados por S, que parecen interconectar alguno de los devanados del motor. En la sección inferior del esquema, tenemos un pulsador ARRANQUE uno de PARADA y una bobina S que parece pertenecer a una especie de contactor auxiliar. Además tenemos la bobina 1M, que evidentemente es un contactor de línea del motor. La bobina TR parece ser un relé temporizado. La bobina 2M parece ser un segundo contactor de línea del motor. En el análisis de este circuito supongamos que apretamos el pulsador ARRANQUE, con lo cual se excitará la bobina S, ya que todos los contactos y


pulsadores del circuito están cerrados. La excitación de esta bobina accionará a todos sus contactos, los cuales excitarán a la bobina 1M y también impedirán la excitación de la bobina 2M por la abertura de sus contactos normalmente cerrados. Los dos contactos normalmente abiertos S, que conectan tres de los bornes del motor, estarán ahora cerrados, formando una conexión en estrella de las bobinas del motor. La excitación de la bobina 1M cierra todos sus contactos, tres de los cuales son los de línea del motor, poniéndose éste en marcha. Otro de sus contactos está en paralelo con el pulsador ARRANQUE y actúa de contacto de mantenimiento. El otro contacto está en serie con la bobina 2M, que no actuará por estar abierto el contacto normalmente cerrado S. Tenemos aquí, pues, un motor de jaula en montaje de estrella y conectado directamente a la línea. En el instante en que es excitada la bobina 1M, lo ha sido la TR, y ha comenzado la acción temporizadora de su contacto normalmente cerrado TR. Cuando este contacto deja de actuar y se abre, interrumpe el circuito hasta la bobina S y todos sus contactos vuelven a la posición normal. La abertura de los dos contactos que conectan los arrollamientos del motor interrumpen la conexión en estrella de los devanados. La abertura del contacto en serie con la bobina 1M no tiene efecto en el circuito a causa de que éste está completado a través del contacto 1M en paralelo con aquél. El cierre del contacto normalmente cerrado en serie con la bobina 2M, completa ahora el circuito hasta esta bobina y hace que se cierren sus contactos, conectando directamente los bornes del motor a la línea, y formando una conexión triángulo del motor. Si se encuentra alguna dificultad en darse cuenta de las conexiones del motor, dibújense estas conexiones separadamente y se verá que la primera correspondía a la configuración en estrella y la segunda a una conexión en triángulo de los tres devanados del motor. Naturalmente, apretando el pulsador PARADA se desexcitan todas las bobinas y el circuito vuelve a su condición normal de reposo. Este circuito incluye tres resistencias y tres contactos para conectarlas, así como una bobina y otros contactos asociados que pueden ser necesarios para establecer una transición cerrada en el arranque del motor. De nuestro análisis de este circuito hemos deducido que es un arrancador de motor del tipo estrella-triángulo con el fin de obtener un efecto de tensión reducida en el arranque del motor como se explica en el capítulo 3.

Fig. 7-4 Análisis del circuito 4. Arrancador estrella-triángulo para motor jaula (Cutler-Hammer, Inc).


En aplicaciones en que es necesaria o conveniente una transición cerrada, se representan las conexiones adicionales para añadir una resistencia que puntee las conexiones del motor durante la transferencia o paso de estrella a triángulo. Éste es un circuito más bien normal y sirve para un estudio del principio de funcionamiento. Sin embargo, advertimos otra vez que no es ésta la única manera posible de obtener el arranque en la disposición estrella-triángulo de los motores de jaula, y que por consiguiente no se debe recordar este circuito, como el único posible. El uso de un relé temporizado con sus contactos temporizados a la abertura conduce al tipo de arranque de tiempo fijo. Como el lector ya habrá observado, este controlador incluye un contactor bipolar y tres contactores tripolares electromagnéticos y el enclavamiento mecánico necesario para conseguir una secuencia de operaciones y evitar que puedan establecerse dos conexiones al mismo tiempo, lo que podría ser causa de cortocircuito. 7-6 Análisis del Circuito 5 En el circuito de la figura 7-5 vemos que la resistencia en serie con los conductores del motor parece indicar que se trata de un arrancador a tensión reducida por resistencia en el primario. Observando la sección de control del esquema tenemos lo que parece ser un circuito típico de tres hilos para excitar las bobinas 1CR y TR. Si apretamos el pulsador ARRANQUE, pasará la corriente a través del pulsador PARADA normalmente cerrado, del pulsador ARRANQUE y del contacto R2, y siendo excitadas las bobinas 1CR y TR. La excitación de la bobina 1CR hará que sus contactos se cierren. El 1CR1 está en paralelo con el pulsador ARRANQUE y realizará la función de mantener el circuito hasta la bobina. El contacto 1CR2 se cerrará y excitará a la bobina S. La excitación de esta bobina hará que se cierren los contactos de línea S y pase la corriente al motor a través de las resistencias serie. La presencia de resistencias en serie hará que la tensión aplicada al motor sea inferior a la nominal, reduciéndose de esta forma la intensidad de arranque a un valor aceptable. El motor pondrá en marcha a tensión reducida, y el relé temporizado no habrá cerrado aún su contacto TR. En el momento de cierre, se excitará la bobina 2CR ya que el contacto S1 está cerrado por la bobina S. La excitación de la bobina 2CR hará que se cierre el contacto 2CR1. Este contacto está en paralelo con el pulsador ARRANQUE y forma un circuito adicional para el mantenimiento de la bobina. El cierre del contacto 2CR2 hace que se excite la bobina R, cerrando los contactos de línea designados por R. Estos contactos están en paralelo con las resistencias y las cortocircuitan eliminándolas del circuito y aplicando la tensión de línea al motor, el cual acelerará hasta adquirir su velocidad de régimen quedando

conectado directamente a la línea. La excitación de la bobina R también cierra el contacto R1, que está en paralelo con los contactos TR y S1. La abertura del contacto R2 hará que se desexciten las bobinas 1CR y TR. Los contactos asociados a estas dos bobinas volverán a su posición normal, pero el relé 2CR se mantendrá excitado ya que su circuito se cierra mediante el pulsador PARADA, el contacto 2CR1 y el contacto R1. El citado relé mantendrá cerrado el contacto 2CR2 con lo que quedará excitada R y por lo tanto el motor conectado a la red. Si ahora se aprieta el pulsador PARADA, todos los contactos volverán a su posición normal y todas las bobinas se desexcitarán, abriéndose los contactos de línea del motor y éste se parará.

Fig. 7-5 Análisis del circuito 5. Arrancador a tensión reducida mediante resistencias.


Evidentemente este circuito es para arrancador a tensión reducida, con resistencia en el primario. Nuevamente debemos señalar que ésta es sólo una de las muchas disposiciones de las bobinas y contactos que se puede emplear para obtener los mismos resultados. . Diferentes fabricantes emplearán variantes de un circuito análogo en el control de sus arrancadores, pero el principio fundamental de funcionamiento es el mismo en los circuitos destinados al arranque a tensión reducida y tiempo fijo. Este circuito se podrá ampliar para obtener varios escalones de aceleración por la adición de más unidades de resistencia en serie con el motor, con un relé de control y un relé temporizado por cada escalón de aceleración. El arrancador estudiado es de dos escalones ya que provee dos etapas de aceleración, una a tensión reducida y la otra a tensión total de línea. El único ajuste crítico del circuito será el de relé temporizado TR, cuyo ajuste de tiempo será tal que el motor funcione a tensión reducida solamente durante el tiempo necesario para que acelere hasta alcanzar su máxima velocidad en condiciones de tensión reducida. El funcionamiento prolongado del motor a tensión reducida puede ser causa de recalentamiento y de deterioro de los devanados así como de los elementos de resistencia. Este arrancador comprende un contactor de arranque S, que debe ser tripolar, y un contactor de funcionamiento R, que también debe ser tripolar. Además de los dos contactores, hay dos relés instantáneos y uno temporizado. El equipo se encontrará generalmente montado en una caja o cofret y sobre la puerta o tapa estarán los pulsadores ARRANQUE-PARADA, aunque también pueden estar instalados en otro lugar cercano o alejado del cofret. En esta fase de nuestro estudio de los controles y análisis de los circuitos de control, el lector debe considerar a un circuito desde el punto de vista de lo que ocurriría si se quemase una determinada bobina o un contacto dejase de abrir o cerrar, lo que siempre puede ocurrir. Por ejemplo, supongamos que el relé temporizado TR tuviera una bobina quemada ¿cuál sería el efecto en este circuito? El circuito funcionaría a través del contactor de arranque cerrado S, y el motor se excitaría en condiciones de tensión reducida. Si el contacto TR no se cierra, entonces el segundo relé de control no se puede excitar ni tampoco se puede excitar el contactor de funcionamiento. Así pues, el motor continuaría funcionando en condiciones de tensión reducida. En estas condiciones la corriente es tal que abrirá los contactos del relé de sobrecarga y se desexcitará la bobina 1CR, parándose el motor y volviendo a su condición normal. Estas

unidades de sobrecarga deben ser de reposición manual a fin de que el operador pueda determinar la causa de la avería antes de poner nuevamente en marcha el motor. Este circuito de control proporcionará protección contra la sobrecarga y protección contra secuencia incompleta (Sec. 2-15). 7-7 Análisis del Circuito 6 El esquema de la figura 7-6 es un circuito parcial que nos servirá de ejemplo de un circuito con enclavamientos, muy utilizado cuando el mal funcionamiento de alguna parte del equipo deba requerir la atención del operador antes de volver a poner en funcionamiento dicha parte. En el circuito de la figura 7-6 aparece un contacto representado en línea de trazos que representa a los componentes normales de control, tales como pulsadores ARRANQUE y PARADA, interruptores de límite a otros dispositivos que normalmente ponen en marcha y paran la máquina. El circuito corresponde sólo a los componentes de enclavamiento. Los contactos normalmente cerrados representados por PSl, 2 y 3 son interruptores de presión que sólo se abren cuando no se mantiene la presión en la parte correspondiente de la máquina o proceso. Las bobinas A, B y C son relés y están conectadas en paralelo con lámparas piloto.

Fig. 7-6 Análisis del circuito 6. Circuito con enclavamiento


Para iniciar la operación o funcionamiento de este equipo es necesario apretar el botón REPOSICIÓN, el cual cerrará los tres interruptores asociados y acoplados mecánicamente entre sí. Los tres relés se excitarán, cerrándose sus contactos normalmente abiertos. Los contactos A1, B1 y C1 se utilizan como contactos de mantenimiento de la bobina. Los A2, B2 y C2 permanecen en su posición cerrada mientras la acción de los interruptores de presión sea normal, haciendo así posible que los componentes normales de control exciten a la bobina M cuando se desee. Si la presión baja o sube, como puede ocurrir desde su valor normal en cualquiera de los tres sitios en que está situados los interruptores de presión, se abrirá uno de los contactos, normalmente cerrados. Por ejemplo, si se abre PS1, la bobina A se desexcitará, y se abrirá el contacto A2 parándose el motor. Al mismo tiempo, el contacto A1 se abrirá. Si la presión vuelve a ser normal en el interruptor 1, su contacto se cerrará pero la bobina A no se volverá a excitar a causa de que el circuito está interrumpido en el contacto A1. La lámpara piloto en paralelo con esta bobina se apagará indicando cuál de los circuitos protectores no está funcionando; de esta forma el operador sabrá que el interruptor de presión 1 ha sido la causa de paro del equipo. A fin de restaurar el funcionamiento normal de la máquina, la presión detectada por el interruptor 1 debe ser restaurada en su valor normal y a continuación apretar el pulsador REPOSICIÓN para excitar a la bobina A, con lo que se cierran sus contactos y se restablece el funcionamiento normal del circuito de control. Naturalmente, el mismo procedimiento será aplicable a los interruptores segundo y tercero y a los contactos asociados y las bobinas. Este tipo de circuito se aplica generalmente al equipo totalmente automático, en que la máquina o proceso debe iniciarse y detenerse por sí mismo bajo el control de los dispositivos piloto que detectan la condición o estado del proceso. Cuando las máquinas funcionan en estas condiciones, generalmente es conveniente disponer de algún medio para detener el proceso si se produce un mal funcionamiento y no volver a restaurarlo hasta que haya sido remediado el defecto. Resumen Los circuitos precedentes y su análisis constituyen una base experimental para el análisis de los circuitos que son de uso normal en la industria. Aunque estos circuitos no representan en modo alguno todas las posibilidades que pueden presentarse en el control de motores, ni siquiera la mayor parte de ellas, el procedimiento y el método de analizar su funcionamiento, si ha sido correctamente entendido, puede ser aplicado a cualquiera de los circuitos de

control y seguido hasta comprender completamente el funcionamiento del equipo y de los componentes de control a él asociados. El lector que desee trabajar provechosamente en equipos de control aplicará estos principios básicos a otros circuitos que estén a su disposición hasta que esté seguro de que puede interpretar y analizar los circuitos de todos los tipos con razonable rapidez. El riesgo de fracaso en el análisis de los circuitos radica en la tendencia que se tiene a deducir conclusiones apresuradas, es decir, creer que se sabe lo que hace el circuito y cómo funciona cuando sólo se han analizado parte de sus posibilidades. Si se aprende a estudiar un circuito contacto por contacto y bobina por bobina hasta que se ha seguido completamente su funcionamiento en su secuencia normal desde el principio hasta el fin, se evitarán muchos quebraderos de cabeza en el futuro. No incluimos preguntas de repaso al final de esta sección. El procedimiento que el lector debe seguir es obtener circuitos adicionales y practicar el análisis de ellos hasta alcanzar suficiente eficacia. Lo que distingue a un buen diagnosticador de averías y a uno malo estriba generalmente en la aptitud para analizar el circuito de control y determinar rápidamente cuál de los muchos componentes puede ser la causa del mal funcionamiento de la máquina que está tratando de corregir.

Control de motores eléctricos Mantenimiento de los equipos de control

Si hay una regla única aplicable a todos los, procedimientos de mantenimiento en todas las instalaciones y en todas las condiciones es ser cuidadoso. La negligencia y el no observar las precauciones de seguridad son dos cosas que el encargado del mantenimiento no se puede permitir. 8-1 Procedimiento General El primer requisito en cualquier servicio de mantenimiento bien organizado debe ser la inspección periódica para evitar que surjan serias averías. Esta inspección incluirá no solo el equipo eléctrico sino también la máquina, y la observación del desgaste y deterioro que puedan haber en el equipo, lo que permitirá conocer los puntos peligrosos que deberán cuidarse, así como el plan de reposiciones y verificaciones necesarias para evitar que puedan presentarse averías importantes. Una de las principales causas de fallo de los sistemas de control es la presencia de polvo, grasa, aceite y suciedad, que deben eliminados periódicamente para que el equipo pueda funcionar correctamente. La eliminación del polvo y la suciedad se pueden realizar frotando con trapos, pero esto no siempre resulta eficaz para eliminar el aceite y la grasa. Estas sustancias se eliminarán generalmente empleando un disolvente tal como el tetracloruro de carbono.

Cuando se emplean estos disolventes habrá que tomar precauciones porque la inhalación de cualquier cantidad apreciable de sus vapores puede ser muy perjudicial. Por consiguiente, siempre deberá haber una ventilación adecuada. La inspección periódica incluye invariablemente una verificación del calentamiento del equipo eléctrico y de las partes mecánicas, ya que el exceso de calor es una indicación infalible de anomalía en el funcionamiento. La utilidad de la verificación del exceso de calor depende del conocimiento que se tenga de la temperatura de funcionamiento de los cojinetes, bobinas, contactos, transformadores y las otras muchas piezas del equipo asociado con la maquinaria, motores y control. Los cojinetes del motor y del equipo eléctrico deben ser verificados en cuanto a su lubricación correcta. Sin embargo es muy raro que los cojinetes de equipo eléctrico tales como los de arrancadores y conmutadores requieran engrase, ya que generalmente están proyectados para funcionar en seco, y en este caso el engrase de los cojinetes más bien será causa de un mal funcionamiento. Otra causa frecuente de avería del equipo de control es la flojedad de los pernos, pasadores y conexiones eléctricas. Se deberá comprobar periódicamente que todas las conexiones están apretadas, y la inspección incluirá la verificación de posibles pernos y tuercas flojos en el equipo. Los cortocircuitos y derivaciones a tierra de las conexiones eléctricas pueden ser evitadas por la inspección del aislamiento y mediante el use del meghómetro para medir el de los motores y cables del equipo asociado. Cuando se tenga la misión de mantenimiento de un equipo, la primera ley a seguir es familiarizarse con dicho equipo, debiéndose conocer mecánica y eléctricamente a fin de detectar toda causa posible de avería antes de que se produzca. La segunda ley es ser observador. Siempre que se pase junto a un componente del equipo del que sea responsable, escuchar y mirar. Muy frecuentemente esto es todo lo necesario para estar advertido de las averías que pueden producirse. Un buen procedimiento de mantenimiento puede ser resumido en muy pocas palabras: Que no haya piezas ni conexiones flojas, conservarlas limpias y lubricadas e inspeccionarlas frecuentemente.

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Mantenimiento de los equipos de

control


8-2 Mantenimiento de los Arrancadores de Motor La avería que más frecuentemente se encuentra en los arrancadores de motor es debida a defectos de los contactos. Éstos deben ser inspeccionados para ver si están deteriorados o picados excesivamente y bien alineados. Si están picados habrá que limarlos o esmerilarlos con papel de lija pero teniendo cuidado de no arrancar demasiado material de las superficies de contacto o cambiar su forma apreciablemente. Si los contactos son de cobre y están expuestos al calor y el oxígeno, cuando se cierran y se abren se puede formar óxido de cobre en la superficie, que por ser aislante debe ser eliminado. La mayoría de los contactos de cobre son del tipo de frotamiento, los cuales eliminan por sí mismos el óxido por la acción de frotamiento durante el cierre. Si los contactos están plateados, siendo el óxido de plata un buen conductor, no es necesario suprimirlo; en efecto, los contactos de plata nunca deben ser limados a no ser que estén muy picados. Los contactos deben ser inspeccionados no solo en cuanto al picado sino en cuanto a la correcta alineación y a la presión de contacto. La alineación incorrecta o la falta de presión de contacto producirá un arco excesivo y el consiguiente picado. 8-3 Causas de Averías Una de las causas más frecuentes de avería del equipo automática es el ajuste incorrecto de los contactos y de los circuitos de acción diferida. Generalmente, el fabricante de los controladores para equipo automático facilitará la documentación pertinente relativa a la distancias de separación de los contactos cuando están abiertos y la correcta temporización del circuito. El responsable del mantenimiento deberá disponer de esta información para que pueda corregir periódicamente estos ajustes. La verificación de ellos se deberá hacer en la inspección regular de este tipo de equipo. La segunda causa en orden de importancia de las averías en los arrancadores de motor y los contactores es que haya bobinas quemadas. En los arrancadores modernos las bobinas están bien construidas y bien aisladas, con lo que queda eliminada la perturbación debida a las vibraciones y la humedad. Sin embargo aun así están expuestas bobinas a que se quemen por una de las dos causas siguientes. La primera y más frecuente es debida a que, al ser atraída la armadura de un contactor de c.a. por su núcleo deje un entrehierro superior al

previsto por el fabricante, lo que repercutirá en un aumento de la intensidad en la bobina a niveles peligrosos. La corriente normal al iniciarse el cierre del contactor puede llegar, por ejemplo, a 40 ó 45 amperios para descender, una vez cerrado, a un valor muy bajo, de 1 a 1,5 amperios, que es suficiente para mantener el circuito magnético. Si el circuito no queda cerrado correctamente, la bobina mantendrá una corriente cuya intensidad estará comprendida entre estos dos valores, y que es suficiente para que los arrollamientos se calienten excesivamente y se quemen. La segunda causa de quemadura de la bobina es una tensión incorrecta. Si la tensión aplicada a la bobina es excesivamente elevada, la corriente que pasa por la bobina puede alcanzar niveles peligrosos y quemarla. Si la tensión aplicada a la bobina disminuye tanto que el circuito magnético no se cierra completamente, tendremos un entrehierro que producirá corrientes de intensidad excesiva y se quemará la bobina. Teniendo en cuenta las causas mencionadas, el procedimiento correcto cuando se comprueba que hay una bobina quemada en un arrancador es verificar el acoplamiento mecánico, ver si el contactor cierra correctamente y verificar la tensión aplicada a la bobina bajo carga para comprobar si es suficiente pero no excesiva. Cuando la atracción de los muelles es excesiva, el circuito magnético puede permanecer parcialmente abierto, por lo que se debe verificar también dicha tensión. Si el contactor está equipado con conductores flexibles, habrá que comprobar si están en buen estado, y de no ser así habrá que reemplazarlos. Si el arrancador está equipado con pantallas para el arco, deben ser inspeccionadas en cuanto a la alineación correcta alrededor de los contactos. También habrá que comprobar que no existen acumulaciones de polvo y suciedad, ni depósitos de carbón acumulados dentro de estas pantallas, y en caso de que existan deberán ser cuidadosamente eliminados, ya que el carbón reduce el camino del arco y puede ser causa de descarga superficial o salto de chispa, particularmente en condiciones de alta tensión. Es muy importante que el muelle produzca una presión de contacto correcta en un arrancador y esto debe ser comprobado consultando la documentación del fabricante si se dispone de ella. Por lo menos habrá que comprobar que cada contacto tiene aproximadamente la misma presión debida al muelle ya que deben ser iguales en todos los contactos. Una de las causas más frecuentes de vibración de los contactos y zumbido en el arrancador es que las tensiones de los muelles sean incorrectas o desiguales, por lo que cuando se observan estos defectos se debe verificar la fuerza del muelle en cada contacto para determinar si es suficiente y si en todos ellos es la misma.


8-4 Mantenimiento de los Relés En general el mantenimiento de los relés de tensión es el mismo que para los arrancadores y contactores de motor con la única precaución adicional de que, en general, los relés funcionan con corrientes de menos intensidad y con menos potencia. Esta demanda de potencia más baja requiere en cambio un mecanismo y una disposición mecánica más delicada y esto a su vez requiere más atención en el mantenimiento. Los relés de corriente deben ser verificados para comprobar si al pasar por ellos la intensidad apropiada cierran sus contactos y si la atracción del muelle y la separación entre los contactos son correctas con el fin de que las corrientes de enganche y desenganche también lo sean. El desgaste de la superficie de un contacto y el cambio de la atracción de muelle puede producir una gran variación en los valores de las intensidades de funcionamiento, de retorno y en el porcentaje de retorno, lo que a su vez puede hacer que el circuito funcione de manera perjudicial para el equipo. Los relés de sobrecarga son dispositivos que normalmente no funcionan durante períodos largos de tiempo; por consiguiente, están expuestos a la corrosión, al polvo y la suciedad, que deben ser eliminados durante las revisiones periódicas de mantenimiento. Si se pone de equipo apropiado, los relés de sobrecarga deben ser accionados por corriente periódicamente para comprobar su correcto funcionamiento. El disparo intempestivo de los relés de sobrecarga no es generalmente una indicación de defecto del relé, sino más bien de sobrecarga en el circuito. El encargado del mantenimiento debe determinar primero el valor de la corriente en el cual se dispara realmente la unidad de sobrecarga y comparar este valor con el de la corriente admisible para determinar si el defecto radica en la unidad de sobrecarga o en el propio circuito. Los relés temporizados, tanto si son del tipo neumático como del de émbolo amortiguador, requieren el ajuste periódico para compensar los cambios normales en sus características de funcionamiento. El relé de émbolo amortiguador debe ser revisado para ver si tiene polvo u otra materia extraña en el depósito de aceite, ya que cualquier impureza en el aceite afectará a la exactitud de la temporización.

Muy frecuentemente los contactos del relé pueden ser del tipo inversor con solapa o inversor sin solapa, siendo en estos casos muy importante que la atracción del muelle y la separación entre los contactos sean correctas, lo que requiere una verificación para determinar si están funcionando como deben. 8-5 Mantenimiento de los Dispositivos Piloto En general un dispositivo piloto requiere muy poco mantenimiento limitándose a una verificación de su funcionamiento mecánico y de sus contactos. Cuando el dispositivo piloto es del tipo de interruptor de presión o de interruptor de vacío, deberá ser verificado de vez en cuando su margen de funcionamiento para comprobar que los contactos se abren y se cierran con la presión para la que han sido ajustados. Las superficies de contacto deben ser examinadas para comprobar que no tienen acumulado revestimiento de óxido de cobre, polvo o aceite. Se les deberá hacer funcionar dentro de su margen de presión varias veces para cerciorarse de su buen funcionamiento. Los interruptores de flotador están expuestos a averías por dobladura de las varillas del flotador o fugas de agua. Una verificación de funcionamiento correcto del flotador, la varilla de éste y la conexión mecánica hasta el interruptor determinará la cantidad de desgaste y en general indicará si es necesario reemplazar alguna pieza antes de que se produzca una seria avería. Naturalmente en la verificación estará incluida la del contacto y la de los dispositivos piloto. Cuando los interruptores de límite o fin de carrera son parte integrante de un sistema de control, constituyen una causa muy probable de avería, ya que generalmente funcionan muchos millares de veces por día cuando son una pieza activa de equipo. Están propensos a fallo mecánico a causa de desgaste de los cojinetes y en las superficies de las levas, así como en las superficies de contacto y por variación de la atracción de los muelles y la única solución para evitar las averías es realizar una inspección frecuente y exacta en la que se determine su condición eléctrica y mecánica. Cuando su condición mecánica es dudosa, se le reemplazará o reparará antes de que den lugar a una seria avería en el resto del equipo.


8-6 Mantenimiento de Frenos y Embragues La principal causa de avería de los frenos es, naturalmente, el desgaste del forro o de los discos de freno, avería que no se presentará si se efectúa la inspección periódica. Nunca se debe dejar que el desgaste de un forro de freno alcance una condición peligrosa. La segunda causa principal de avería de freno es el excesivo desgaste y el ajuste mecánico incorrecto del solenoide eléctrico a otro dispositivo de mando con la zapata o el disco de freno. Debe ser mantenido en alineación y condición mecánica correcta. El ajuste mecánico incorrecto es una causa frecuente de que se averíen por calentamiento excesivo las bobinas del electroimán o solenoide del freno, ya que no provee el cierre completo del circuito magnético, lo que a su vez es causa de excesiva corriente en la bobina. Los embragues de accionamiento electromagnético están expuestos a las mismas clases de avería que los frenos de igual accionamiento. Por consiguiente, el procedimiento de inspección y mantenimiento. De estas unidades será el mismo que el de los frenos. Resumen Aunque en este capítulo hemos procurado señalar alguno de los principios básicos de un buen servicio de mantenimiento, el mantenimiento real de un determinado elemento del equipo estará determinado por su ciclo de funcionamiento, la complejidad de sus órganos y el tiempo que se disponga para ello. La principal dificultad con que se tropieza en el servicio de mantenimiento suele ser la mala interpretación de lo que ello significa, ya que mantener el equipo en funcionamiento no es repararlo después de averiad, sino que consiste en inspeccionarlo, conservarlo limpio y con todas sus piezas y conexiones apretadas, no significando reparar. Preguntas de repaso 1. ¿Cuál es la principal causa de que se quemen las bobinas en los

arrancadores, contactores y relés? 2. ¿Puede ser causa de avería de los contactos el óxido de cobre? 3. ¿Se deben limar frecuentemente los contactos de plata?

4. ¿Cuáles son algunos de los resultados de tracción incorrecta de muelle en los arrancadores?

5. ¿Cuál es la causa probable de que se produzca zumbido en los arrancadores de motor?

6. ¿Cuál es el resultado previsible de aplicar una tensión insuficiente a la bobina de un contactor electromagnético?

7. ¿Cuál es el procedimiento correcto para determinar la causa de disparo demasiado frecuente de los relés de sobrecarga?

8. ¿Cuál es la causa más probable de mal funcionamiento de un interruptor de flotador?

9. ¿Qué ocurrirá probablemente si se acumula carbonilla en las pantallas de arco de un contactor?

10. ¿Cuál es el mejor método para eliminar el aceite y la grasa de los contactos y otras superficies en que podría ser perjudicial?

11. Cuándo se utilizan productos de limpieza, ¿qué precauciones se deben tomar?

12. ¿Cuál será el resultado probable del mal ajuste mecánico de un freno? 13. ¿Cuál es la causa de variación de la temporización en los relés

temporizados del tipo de émbolo amortiguador? 14. ¿Cuáles son los dos ajustes que pueden variar las intensidades de

funcionamiento, dé retorno y del porcentaje de retorno en un relé de intensidad?

15. ¿Qué diferencia hay entre mantenimiento y reparación en lo que respecta a los circuitos de control y sus componentes?

Control de motores eléctricos Diagnóstico de averías en los circuitos de control

R.L. Mc.Intyre

El diagnóstico de averías en los equipos de control establece una línea divisoria entre los técnicos expertos y quienes no lo son. Se puede ser capaz de cablear perfectamente un nuevo circuito de control de acuerdo con el esquema del circuito, y no saber determinar la causa de que, una vez instalado, no funcione según lo previsto. El diagnóstico de averías requiere poseer sólidos conocimientos de las funciones de control y de sus componentes, así como de los circuitos y del análisis de éstos. El secreto de la eficiencia y seguridad en el diagnóstico radica en localizar la sección del circuito de control que contiene al componente defectuoso y luego determinar con precisión el componente que debe ser verificado. Esto sólo se logra analizando lógica y sistemáticamente el circuito, y no por tanteos o pruebas y verificaciones en distintos puntos de las conexiones o en componentes elegidos arbitrariamente. 9-1 Procedimiento General Consideremos primero un nuevo circuito que acaba de ser alambrado pero no funciona como se esperaba. Existe la posibilidad de que los conductores hayan sido mal conectados o de que el circuito no estuviese correctamente proyectado. Si revisamos una a una todas las conexiones del cableado, lo que haremos realmente es seguir el proceso de tanteos, lo que generalmente requiere invertir un tiempo considerable.

La primera operación a realizar deberá consistir en analizar el circuito para determinar si ha sido correctamente proyectado para realizar las funciones previstas. La segunda operación será comprobar ordenadamente el funcionamiento de cada sección del equipo hasta encontrar la que no funciona correctamente. Una vez localizada la sección del circuito que produce la avería, será fácil verificar las conexiones y el funcionamiento de sus componentes y determinar cuál es la causa de la avería. Este proceso requiere el uso de los conocimientos de análisis de circuitos y de sus componentes y de sus funciones correctas para determinar si funcionan o no como deben. Si se desconocen, aunque sólo sea parcialmente, las funciones de control, los componentes o los circuitos, o no se saben analizar bien éstos conducirá a una pérdida de tiempo en el diagnóstico de la avería. Una vez localizada la avería en esta sección del circuito de control, y remediada aunque sólo sea provisionalmente, se seguirá la secuencia del funcionamiento para comprobar que éste ha quedado restablecido normalmente, y que no hay ninguna otra sección de circuito que funcione mal. Cuando se trata de diagnosticar la avería en un circuito ya existente, generalmente se puede descartar la posibilidad de que haya conexiones equivocadas, ya que si el circuito estuviese incorrectamente conectado, no hubiese funcionado originalmente. Sin embargo, es sorprendente que muchos especialistas inicien su proceso de diagnóstico verificando el alambrado, conexión por conexión, para determinar si está correctamente establecido. Este procedimiento es una desconsideración para el propietario de la instalación y el operador de la máquina, quienes están interesados en que la reparación se efectúe rápida y eficientemente y no en que sirva de experimentación con la consiguiente pérdida de tiempo. La primera operación para localizar una avería producida en un circuito ya existente es estudiar el circuito y el funcionamiento de la máquina que controla. Cuando se trata de circuitos complicados, generalmente el reparador o el diagnosticador de la avería no dispone del tiempo necesario pare estudiar el circuito completo. No obstante, con ayuda del operador se puede determinar cuál es la parte del circuito que funciona normalmente. Hay que seguir los ciclos de la máquina hasta llegar al punto en que el funcionamiento no es correcto. Una vez determinado este punto, se puede analizar el circuito empezando por la sección que no funciona. Una verificación cuidadosa de este circuito y la localización de los componentes incluidos en sección conducirá generalmente a la fuente de la avería que se busca. El mal funcionamiento de algún componente de control debe ser causa de fallo del circuito.

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Diagnóstico de averías de los circuitos de

control


R.L. Mc.Intyre

En el caso raro en que la rotura del aislamiento sea la causa de la avería, esto se evidenciará en la inspección visual de los componentes y de las conexiones. Sin embargo, es muy frecuente que haya derivación a masa en un hilo del circuito de control y no darse cuenta de ello en la inspección visual si se sospecha que una derivación a masa o tierra es causa de la avería; se deberán efectuar verificación estando desconectada la fuente de alimentación o red de energía. Se determina con un ohmetro la resistencia a masa o tierra de los hilos en esta sección particular del circuito de control. Supongamos que ahora ha quedado localizada la sección del circuito de control que parece ser causa de la avería. La primera operación será localizar los componentes incluidos en esta parte del circuito, entre los que encontraremos un relé, un contactor o algún otro dispositivo que sea activado por esta sección del control, debiendo comprobar si cada uno de estos elementos recibe la alimentación excitación correspondiente. Si el contactor o el relé no se cierra correctamente habrá que desconectar del circuito su bobina para hacer una verificación de la tensión. Los conductores que se conectaban a la bobina se conectan ahora a un voltímetro con el fin de comprobar si la tensión aplicada a la bobina era la correcta. Si el voltímetro indica que está aplica una tensión correcta, lo más probable es que la avería esté en los arrollamientos de la bobina. No se debe intentar verificar o medir tensión o la resistencia de la bobina estando conectada en el circuito ya que la realimentación y disposición de los distintos circuitos de control pueden originar falsas lecturas. Si se sospecha que la bobina está defectuosa, se desconecta circuito de la red y se verifica con el ohmetro la resistencia de la bobina, que debe ser muy baja si se mide con c.c. Si la bobina está cortada, se obtendrá una lectura de alta resistencia o de resistencia infinita en el ohmetro, lo que indica que hay que cambiar la bobina. Nunca se debe establecer juicio acerca del estado de la bobina basándose en el olor de ésta o en la evidencia visible de quemadura, y que no siempre se pueden apreciar estos síntomas. Supongamos que nuestra verificación de la tensión nos ha demostrado que la tensión no llega a la bobina en la secuencia de operación del circuito de control. Esto indica que algún contacto no cierra correctamente, por lo que el circuito de la bobina queda desactivado. Un cuidadoso estudio de esta sección del circuito de control ateniéndose a los principios establecidos en el capítulo 7 nos indicará fácilmente cuáles son los contactos que deben cerrar para que se excite esta

bobina. Ahora habrá que localizar los componentes a que pertenecen estos contactos y poner nuevamente en marcha a la máquina en su secuencia, observando el funcionamiento del relé, interruptor de límite, de flotador, de presión a otro dispositivo a que pertenezcan estos contactos, para determinar si trabajan mecánicamente como deben hacerlo. Si este componente no funciona mecánicamente, esto indica dos posibilidades. La primera y más probable es que los contactos en cuestión no cierren correctamente o estén recubiertos de óxido de cobre o de otra materia aislante que impide el paso de la corriente por la bobina. La otra posibilidad es un circuito abierto debido a un hilo cortado, pero esto será la causa menos probable de avería. Una vez verificados los contactos y remediado el defecto, que probablemente radicará aquí, se pone nuevamente en funcionamiento el circuito de control con todas las bobinas conectadas, y si completa su secuencia, se procede a aplicar el procedimiento anterior a la sección siguiente del control que no funcione. El procedimiento expuesto está basado en años de experiencia y en la consideración de que los circuitos de control están constituidos esencialmente por dos cosas: contactos, que cierran y abren el circuito, y bobina que accionan a estos contactos. Si los contactos cierran y abren correctamente, también serán aplicadas o desconectadas las tensiones en las bobinas debidamente. Siendo esto así, el mal funcionamiento debe radicar en la propia bobina. Si los contactos no funcionan correctamente, el defecto estará en los contactos o en los conductores asociados por los que pasa la corriente desde el contacto hasta la bobina. La regla más importante en el diagnóstico de averías es cambiar sólo una cosa cada vez. Si se encuentra un juego de contactos del que se sospecha que no funciona correctamente, se corrige este defecto y se prueba nuevamente el circuito antes de cambiar cualquier otra cosa. Si se sospecha que una bobina está quemada o que puede ser causa de avería por otro motivo, se la repara o se la reemplaza y se prueba nuevamente el circuito antes de efectuar otros cambios. Una de las operaciones que más confusiones produce en el diagnóstico de averías es la del cambiar o corregir varias piezas sospechosas a la vez antes de probar el funcionamiento del circuito. Varios cambios efectuados a la vez pueden introducir averías que antes no existían. Ésta es una regla fundamental en el trabajo del diagnóstico de averías y de su cumplimiento depende el rendimiento en el trabajo. Es muy raro que varias piezas de una máquina queden completamente inservibles por desgaste al mismo tiempo. Por consiguiente, aunque la condición de los componentes de control en su conjunto sea precaria, lo probable es que sólo esté inutilizado un componente.


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Si no se está familiarizado con la máquina cuya avería se trata de diagnosticar, no se debe subestimar la información del operador de la máquina en el proceso de determinar la causa de la avería. Su conocimiento del funcionamiento normal se puede aprovechar para evitar una pérdida de tiempo considerable al tratar de averiguar cómo funciona la máquina. También puede ser valiosa la información del operador para localizar los componentes que pueden estar ocultos por partes de la máquina, ya que probablemente él sabe dónde están. Resumiendo, el hacer uso de toda fuente de información de que se disponga acorta el tiempo necesario para localizar la avería. Todas las averías de los circuitos eléctricos de control no están causadas necesariamente por averías eléctricas. Es muy frecuente que el mal funcionamiento mecánico de algún componente sea la única causa de la avería, por lo que siempre se deben examinar los componentes sospechosos no solo de defectos eléctricos sino también mecánicos. Por último, hay que señalar que quien intente hacer el diagnóstico de averías de un equipo de control sin estar equipado con un ohmetro; un amperímetro y un voltímetro tiene que perder forzosamente mucho tiempo. Debe ser diestro y competente en el uso correcto de estos instrumentos y en la interpretación de las lecturas que con ellos puede obtener. Aunque no sea un hecho insólito el diagnóstico sin estos instrumentos, es indiscutible que el rendimiento en el trabajo se puede aumentar considerablemente por la correcta aplicación de estos instrumentos. 9-2 Diagnóstico de los Componentes de Control Todo lo que se pueda decir de los problemas individuales a que dan lugar los diversos componentes de control ha sido expuesto en el capítulo 8. Las recomendaciones hechas en este capítulo para el procedimiento de mantenimiento son idénticas a las que puedan hacerse para diagnosticar y reparar las averías de circuito. Asimismo, para el diagnóstico de los componentes individuales es necesario conocer su funcionamiento correcto y, a ser posible, las características de cada componente declaradas por el fabricante. Muchos de estos conocimientos se adquieren a fuerza de experiencia. El estudiante puede aprender mucho en las documentaciones a instrucciones de los fabricantes y procurando familiarizarse con los diversos componentes que estén a su alcance en el trabajo diario.

9-3 Procedimiento Paso a Paso Como aclaración del procedimiento explicado en la sección 9-1, consideraremos un circuito dado y determinaremos la causa probable de algunas de las averías que supondremos han ocurrido en este circuito.

Fig. 9-1. Circuito control del compresor de una instalación de Acondicionamiento de aire.

La figura 9-1 es el circuito de un compresor perteneciente a un equipo de acondicionamiento de aire. Los componentes que aparecen en el diagrama son los siguientes: la bobina CR es un relé de control. La bobina M1 es el arrancador para la bomba de agua fría. La bobina M2 es el arrancador para la bomba del agua del condensador. La bobina M3 es el arrancador para la bomba de aceite del compresor. La bobina M4 es el arrancador del motor del compresor. El contacto designado por T es un termostato que responde a la temperatura del retorno de agua fría. Su función es poner en marcha y bomba de agua del condensador cuando su temperatura alcanza valor predeterminado. El contacto designado por PS1 es un interruptor de presión del aceite cuya función es parar el compresor si falla la bomba de aceite y también impedir que arranque antes de que se haya obtenido una presión predeterminada del aceite. El contacto designado por PS1 es un interruptor de caudal en el sistema de tubería de agua fría. Su función es impedir que funcione el compresor siempre que no sea suficiente el caudal de agua del condensador en el serpentín.


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Supongamos ahora que hay que diagnosticar una avería en este circuito. Lo primero que deberemos hacer será averiguar cuál es la avería que se ha producido en este circuito basándonos en las manifestaciones del propietario o del operador. Supongamos que nos dicen que la bomba de agua del condensador no arranca como debe. Entonces, por el estudio del esquema, podemos suponer que la sección del circuito del relé de control está funcionando correctamente que el contacto CR2 se cierra y que la bomba de agua fría funciona correctamente. En esta tercera línea del esquema debe haber, no obstante, algún defecto. En la verificación de los relés de sobrecarga es posible que determinemos que no se disparan. Suponiendo que así sea, a continuación verificaremos el termostato para comprobar si su contacto se cierra debidamente. A este respecto señalemos que la determinación del ajuste de este termostato y de la temperatura real del agua nos indicará si se debe abrir o cerrar. Supongamos que debido al paro de la máquina la temperatura del agua ha aumentado hasta un punto en que es necesario que estos contactos se cierren. Supongamos también que los contactos del termostato están cerrados. Entonces lo procedente es inspeccionar el arrancador de la bomba de agua fría para determinar si el contacto M1 se cierra cuando es activado este contactor. Si nuestra inspección de este arrancador indica que su contacto se cierra correctamente, a continuación desconectaremos los hilos de la bobina M2 y aplicaremos un ohmetro a la bobina para determinar si su conductor está o no cortado. Por el análisis precedente es casi seguro que esta bobina estaba cortada y en nuestro ejemplo supongamos que así ocurre. Antes de reemplazar esta bobina, deberá ser examinado el arrancador en cuanto concierne al funcionamiento mecánico. Determinamos que el brazo de contacto que sube y baja o bascula para mover los contactos no está agarrotado y que la tracción del muelle no es excesiva. Examinamos también las caras de las piezas polares magnéticas para ver que no han silo deformadas ni deterioradas por alguien al forzarlas o a consecuencia de las muchas operaciones de cierre del contactor. Cuando todos los problemas mecánicos han quedado eliminados, instalamos una nueva bobina en el arrancador. Será una buena práctica verificar la tensión en los extremos de los hilos que alimentan a esta bobina antes de ponerla en servicio. Esto se puede hacer conectando un voltímetro entre los extremos de dichos hilos y haciendo que el circuito de control funcione hasta este punto. Si la tensión es excesivamente baja

o excesivamente alta, habrá que determinar la causa de este defecto. De lo contrario, se puede quemar la nueva bobina. Supongamos que este circuito no funciona mal en lo que a esto respecta, y que según nos informan todo funcionaba bien excepto el compresor. Entonces activaremos el circuito y observaremos su secuencia para determinar por nosotros mismos dónde está el fallo. Debemos comprobar que el relé de control funciona, la bomba de agua fría arranca, la bomba de agua del condensador arranca y también la bomba de aceite del compresor arranca. Supondremos que aquí termina la secuencia y que el compresor no funciona correctamente. Examinamos nuevamente el circuito correspondiente a M4 y encontramos que posee un contacto accionado por el contactor de la bomba de aceite que puede ser causa de avería, así como también un interruptor de presión y dos interruptores de caudal. Nuevamente debemos determinar cuál de estos componentes no funciona correctamente. Si estos componentes son fácilmente accesibles, la inspección visual de cada uno de ellos puede revelarnos inmediatamente cuál es el defectuoso. Sin embargo, si son inaccesibles, un buen procedimiento a seguir es desconectar el circuito de control para determinar si llega tensión a la bobina, descartando así la posibilidad de que la avería esté en la bobina. Supongamos que el contacto M3 funciona correctamente y que lo hemos comprobado. También hemos comprobado que los dos interruptores de caudal funcionan correctamente y que sus contactos cierran. Entonces lo único que queda por verificar es el interruptor de presión. En algunos casos puede ser necesario volver a calibrar los interruptores de presión con presiones conocidas para comprobar que funcionan con los valores de ajuste indicados en sus cuadrantes. Nuevamente lo procedente será inspeccionar físicamente y determinar la causa real de que no funcione esta parte correctamente. Resumen Aunque este procedimiento pueda parecer excesivamente simplificado, es un ejemplo de cómo se sigue el esquema para diagnosticar la avería supuesta y puede servir de guía en la práctica. Independientemente de la complejidad que pueda haber en el circuito de control, se le puede separar en ramas individuales tales como las que aquí y en otras


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secciones de este libro nos han servido de ejemplo. Un diagnosticador experto sabrá separar en ramas sencillas un circuito por muy complicado que sea hasta llegar a localizar él componente defectuoso de la manera que aquí hemos explicado. Preguntas de repaso 1. ¿Cuándo es necesario verificar completamente las conexiones de todo el

circuito de control? 2. ¿Por qué deben ser desconectados los terminales de una bobina a fin de

determinar exactamente si el arrollamiento de ésta está deteriorado o no? 3. ¿Es necesariamente de naturaleza eléctrica la avería en un circuito de control? 4. ¿Se puede afirmar que un circuito eléctrico que comprenda contactos móviles

está perfectamente cerrado porque dichos contactos están cerrados? 5. ¿Por qué en el diagnóstico de averías se debe hacer funcionar una máquina en

una parte de su secuencia de operaciones antes de tratar de localizar la avería?

6. ¿Cuáles son las dos causas posibles de disparo repetido de los relés de sobrecarga?

7. ¿Debe probar el circuito el reparador después de reparar un defecto, o debe intentar determinar todas las causas de avería antes de probar el circuito?

8. ¿Cuáles son las causas más frecuentes de avería en los arrancadores de motor?

9. Cuando se diagnostica un circuito que ha estado funcionando ¿procede comprobar que el conexionado es correcto?

10. ¿Cuál es la principal causa de avería de los dispositivos piloto tales como los interruptores de flotador o los de fin de carrera?

11. En la figura 9-1, ¿cuál será la causa más probable de que el circuito solamente funcione durante el tiempo en que se mantiene apretado el pulsador ARRANQUE?

12. ¿Cuál será la causa más probable de avería si, cuando se aprieta el pulsador ARRANQUE, el relé de control permanece excitado pero la bobina M1 no hace el enganche?

13. ¿Cuáles serán los resultados de que los relés de sobrecarga del circuito de la bobina M2 esté abierto mientras el compresor funciona?

14. ¿Qué es generalmente más difícil, hallar la causa de la avería o repararla después de localizada?

15. ¿Cuál de los dos trabajos mencionados en la pregunta 14 requiere más conocimientos?


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De la misma manera que el arrancador electromagnético liberó a la máquina del eje de transmisión, el control estático está liberando a la máquina y al operador de la servidumbre del relé y el contactor magnético de acción lenta, propenso a averías y de corta vida. La aparición del control estático abre un nuevo y vasto campo de posibilidades para las máquinas y los procesos completamente automá-ticos. En los capítulos anteriores de este libro hemos tratado del control electromagnético, es decir, el control por medio de contactos móviles y núcleos magnéticos. En este capítulo presentamos un nuevo lenguaje del control. Podemos definir el término estático como «perteneciente o caracterizado por una condición fija o estacionaria». Esta definición nos da la clave del significado de control estático, o control por medio de dispositivos que no tienen partes móviles.

El problema que siempre ha presentado el control electromagnético ha sido el fallo de los componentes. Los dispositivos tales como los relés y los contactores tienen bobinas que requieren corrientes relativamente poco intensas para accionar el mecanismo que actúa sobre los contactos. Las bobinas tienden a quemarse y el mecanismo está constantemente sometido a desgaste. Los propios contactos son frecuentemente deteriorados por el polvo, la grasa y otras materias extrañas que producen arco y la picadura o quemadura de sus superficies. Para cualquier instalación de un solo motor con funciones de control relativamente sencillas y en las que algunos millones de operaciones constituyen un factor de duración o vida útil satisfactoria, el circuito de control magnético es y continuará siendo la solución más práctica y económica del problema de control. Sin embargo, cuando las demandas del circuito requieren un número importante de funciones de control, cuando la rapidez de la conmutación constituye un factor primordial, y cuando es esencial una vida larga en términos de número de operaciones, la conmutación estática mediante el uso de circuitos lógicos llega a ser económicamente factible y casi imperativa. Otro factor que debe ser considerado cuando se elige un sistema para controlar una máquina o proceso es el requisito de espacio para los componentes de control. El uso de control electromagnético en un sistema complicado exige bastante espacio disponible, mientras que el espacio que se necesita para los dispositivos de conmutación estática es mucho menor. También las condiciones ambientales atmosféricas pueden ser una razón suficiente para el uso del control estático. Los interruptores estáticos funcionan a bajas tensiones de c.c., usualmente de 10 a 20 voltios, y con corrientes muy pequeñas. No tienen partes móviles expuestas a desgaste ni requieren ajustes. Tampoco tienen contactos que se puedan quemar o en los que se pueda depositar la suciedad o materias extrañas, y por consiguiente no requieren atenciones de limpieza. El control estático ofrece varias ventajas con respecto al electromagnético. La primera y muy importante es la mayor confiabilidad o seguridad del circuito. Un sistema estático es mucho más apto para producir una señal de salida cuando y sólo cuando se requiere dicha señal. La larga duración de los conmutadores estáticos, que es completamente independiente del número de operaciones realizadas, los hace casi indispensables en los sistemas de control automatizados. La conmutación estática proporciona una velocidad mucho más alta de funcionamiento, tal como frecuentemente requieren las máquinas y procesos modernos. Se pueden realizar muchas funciones de control en ambientes adversos en los que los dispositivos magnéticos de control quedarían destruidos o por lo menos su vida se acortaría por las sustancias químicas y otras materias

10

Conceptos básicos de control estático


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contenidas en la atmósfera. En general esto no es un gran inconveniente cuando se emplean los dispositivos estáticos de conmutación. En la conmutación estática se emplean circuitos de diseño mucho más sencillo que los de control electromagnético. La simplificación del circuito en procesos que deben detectar y evaluar muchos factores es debida a que el conmutador estático es un dispositivo de entrada múltiple y salida única, a diferencia del relé o del contactor que es inherentemente un dispositivo de entrada única y salida múltiple. La salida única del conmutador estático se puede utilizar como señal de entrada de otros con-mutadores estáticos; a lo que en esa técnica se llama abanico de salida o en inglés «fan out». En este capítulo trataremos del control digital o, en términos más conocidos, control tipo conmutación. Los dispositivos de semiconductores o de estado sólido se utilizan también en los circuitos de control industrial para realizar funciones analógicas, pero éstos no constituyen el tema de este capítulo, en el que trataremos los circuitos lógicos. 10-1 Fundamentos del Control Estático La terminología del control estático se compone de unas cuantas palabras, cinco exactamente. Estas palabras son: Y, O, NO, MEMORIA Y RETARDO. Hay algunos términos derivados, nombrados por combinaciones de las palabras básicas tales como NoR, que realmente es una combinación de las palabras inglesas OR (O) y NOT (NO). Si al llegar a este estudio de control estático se tiene la sensación de estar algo confuso, se debe justamente a las limitaciones de un lenguaje de cinco palabras. La extremada simplicidad de lenguaje hace que las frases puedan interpretarse en un doble sentido si no se tiene cuidado. El estudiante que no se sienta confuso por la simplicidad no tendrá realmente dificultades en el empleo de este nuevo y útil lenguaje llamado «lógico». Considera las posibilidades de un sistema de control en el que hasta las condiciones más complicadas e imaginables puedan ser resueltas mediante el uso de esquemas de bloques representativos de funciones básicas convenientemente interconectados: esto es el control estático. Cada una de las palabras que constituyen el lenguaje del control estático representa un bloque básico llamado función lógica o elemento lógico. Cada función lógica tiene un símbolo utilizado en el denominado esquema lógico.

La primera palabra del lenguaje estático es Y. Para comprender el significado de esta palabra es necesario recordar que todos los elementos lógicos tienen entradas múltiples y sólo una salida normal. Esto es precisamente lo contrario de un relé que sólo puede tener una entrada, la bobina, y en cambio puede tener varias salidas, los contactos. Consideremos el símbolo lógico de la figura 10-1. Ésta es la forma usual del símbolo Y. La condición para que el elemento Y proporcione una señal de salida es que debe estar aplicada, simultáneamente, una señal a cada entrada. Es decir, en la figura 10-1 debe haber una señal presente en A, B y C para que en F aparezca la señal de salida. Recuérdese que la pérdida, o falta de cualquiera de las señales de en-trada supondrá la supresión de la señal de salida. Respecto a lo anterior, es de importancia secundaria la naturaleza de la señal de entrada o salida, o cómo realiza sus funciones el elemento lógico; lo que se pretende es aprender a leer y entender el lenguaje en forma de símbolos. La segunda palabra del lenguaje estático es O. Las dos formas comunes del símbolo lógico o están representadas en la figura 10-2. La condición para que el elemento lógico o proporcione una señal de salida es que se aplique una señal a una sola o más a sus entradas. Es decir, en la figura 10-2, aparecerá una señal en F , si es aplicada una señal a A, a B, o a C, o a una combinación de ellas. La tercera palabra del lenguaje estático es NO o NOR. Los símbolos NO están representados en la figura 10-3. El requisito de un NO es que exista señal de salida cuando y sólo cuando no exista en su entrada. El NOR es simplemente un NO de

YABC

F

OABC

F

ABC

F

Fig. 10-1 Símbolo función Y Fig. 10-1 Símbolo función O


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entrada múltiple y habrá señal en la salida sólo cuando no exista señal en todas sus entradas. Bastará aplicar una señal a una o más entradas del elemento NOR, para que se anule la señal de salida. Una tercera forma de elemento lógico de entrada negativa análogo al NO o al NOR básicos es el NAND (combinación de las palabras inglesas NOT y AND) O NO-Y (fig. 10-4). En un elemento lógico NAND existirá señal de salida cuando alguna, o todas, las entradas no reciban señal. Para que desaparezca la señal de salida es necesario que todas las entradas reciban señal.

NO

Fig. 10-3 Símbolo función NO.

NOR

NOR NOR

NAND NAND

Fig. 10-4 Símbolos NO de entrada múltiple. La cuarta palabra del lenguaje estático es MEMORIA. Los símbolos del elemento lógico MEMORIA están representados en la figura 10-5. La línea de trazos indica la salida No de la memoria. El elemento MEMORIA recuerda la condición de su salida en tanto que no se desconecte la fuente de alimentación. El elemento MEMORIA RETENTIVA recuerda el estado de su salida incluso aunque se produzca un fallo en la alimentación. Esto se parece a la acción de un interruptor manual que recuerda mecánicamente la posición en que ha sido colocado. La MEMORIA NO RETENTIVA recuerda el estado de su salida mientras no se corte el suministro de energía en cuyo caso pasa siempre al estado de DESCONEXIÓN. Esto es análogo a la acción de un contactor accionado por pulsadores de paro,

marcha y contacto auxiliar de mantenimiento, que al apretar el pulsador de marcha, el contactor cierra y sigue cerrado mientras no se pulse el de paro. Pero si por alguna causa fallase la alimentación de su bobina, se desconectaría.

MEMORIAretentiva

MEMORIAno retentiva

Fig. 10-5 Símbolo función MEMORIA.

Acción diferidaposterior a la

excitación

A F

Acción diferidaposterior a ladesexcitación

FA

Acción diferidaposterior a la

excitación y a ladesexcitación

FA

Retardo detiempo

ajustable

FA

Fig. 10-6 Símbolos función RETARDO.

La quinta palabra del lenguaje estático es RETARDO. Los símbolos elementales están representados en la figura 10-6. La función del elemento RETARDO es obtener una señal de salida después de un tiempo dado de haber excitado su entrada. Esta función se denominará de acción diferida posterior a la excitación. Los elementos de retardo se pueden construir de modo que el tiempo de retardo se refiera a la desexcitación según requieran las funciones del circuito. Los símbolos de la figura 10-6 ilustran las cuatro formas comunes de los elementos lógicos de retardo. Al llegar aquí, conviene someter a prueba la asimilación de este nuevo lenguaje. Consideremos una pared con tres pulsadores montados debajo de una lámpara. Si se aprieta un pulsador cada vez, no ocurre nada. Si luego se aprietan los pulsadores por pares, tampoco ocurre nada, pero si se aprietan los tres a la vez, la lámpara se enciende. ¿Qué tipo de elemento lógico forman los pulsadores y la lámpara conectada a ellos? Naturalmente, el elemento lógico Y. ¿Qué tipo de elemento lógico habría que utilizar si se desease que la lámpara se encendiese cuando se apretase cualquier pulsador o combinación de ellos?


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Naturalmente, un elemento O. La señal de entrada la suministramos al presionar los pulsadores y la lámpara nos indica la existencia de la señal de salida. Los otros elementos lógicos se pueden comprender fácilmente aplicando el mismo razonamiento. Si la lámpara estaba encendida y únicamente se puede apagar apretando los tres botones a la vez, el elemento lógico sería un NAND. Todos los elementos de función lógica funcionan a niveles muy bajos de potencia; por consiguiente deben ir seguidos de un amplificador a fin de disponer de una potencia suficientemente alta para activar el dispositivo que ha de controlarse. La figura 10-7 muestra el símbolo de un amplificador que se utiliza cualquiera que sea la construcción física o eléctrica del amplificador.

AMPL FA FA

Fig. 10-7 Dos formas del símbolo de amplificador.

10-2 Proyecto de circuitos lógicos Cualquier explicación del control de una máquina se puede expresar en términos de relaciones lógicas de cada función. Por tanto, un sistema de control se descompone en funciones lógicas básicas. El proyectista de los circuitos convencionales de control puede no darse cuenta de esto, pero el examen de las etapas o fases progresivas en el diseño de un circuito pondrá en evidencia que la técnica de la función lógica es realmente el método utilizado para determinar el diseño del circuito. Consideremos un circuito cuyo requisito sea que una bobina M se excite cuando se cierra un interruptor de presión PS1 o un interruptor de límite o de fin de carrera LS1. Si este circuito se proyectase para control magnético, sería como el representado en la figura 10-8. La proposición lógica de este circuito es: La bobina se excitará cuando PS1 o LS1 se cierren. Por consiguiente el elemento lógico deberá ser del tipo o de dos entradas, como se indica en la figura 10-9. Habrá que insertar el amplificador entre el elemento O y la bobina M a fin de elevar el nivel de potencia lo suficiente para excitar a M. Posiblemente la mayor dificultad cuando se estudia el control estático por primera vez es debida a la diferencia existente entre los circuitos de las figuras 10-8 y 10-9.

MPS1

LS1

Fig. 10-8 Circuito de control electromagnético.

PS1

LS1M

Fig. 10-9 Circuito básico de control lógico. El circuito convencional, electromagnético, provee un medio de seguir el recorrido de la corriente desde la línea 1 a través de los dispositivos de control y de la bobina para volver a la línea 2 y esto es fácil de entender. Por el contrario, el esquema lógico no muestra el circuito tal como es en realidad, sino que es un esquema de bloques de la función de control del circuito en el que cada bloque indica una función parcial y en este aspecto puede ser algo insatisfactorio desde el punto de vista del estudiante. Cuando los circuitos lógicos se complican más, la conveniencia de omitir el conexionado real y utilizar la representación simbólica de las funciones de control se justifica más. El elemento O de la figura 10-9 podrá estar constituido por tubos de vacío, reactancias saturables, o, más probablemente, por dispositivos semiconductores tales como los transistores. El amplificador de la figura 10-9 puede muy, bien ser un relé, un amplificador de tubos de vacío, una reactancia saturable o un tiristor de forma que recibiendo la débil señal del elemento lógico, realicen la necesaria amplificación de potencia. El esquema lógico no indica en modo alguno los circuitos o los componentes reales utilizados dentro del elemento lógico. Esta información se encontrará en el circuito correspondiente a cada elemento y variará de uno a otro fabricante. El lector que desee darse perfecta cuenta de un circuito completo con el esquema lógico podría conseguirlo con más facilidad considerando que hay un conductor común, o de tierra, que no está representado y que todas las tensiones de entrada y salida se toman con respecto a este conductor común. La práctica normal demuestra la conveniencia de que no se represente este conductor común a fin de no


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complicar innecesariamente el esquema, ya que su presencia no añade nada a la información dada por el esquema lógico. Supongamos que añadimos al circuito de la figura 10-9 la condición de que la bobina M será excitada por PS1 o LS1 sólo cuando están cerrados los contactos T1 y T2. Nuestro circuito tendrá que ser modificado y resultará el de la figura 10-10. La función lógica que hemos utilizado podría ser enunciada así: las salidas del elemento O y de T1 y T2 deben suministrar todas ellas simultáneamente una señal para que M pueda ser excitado. Naturalmente esto indica el uso de una unidad Y de tres entradas, como representa la figura 10-10.

PS1

LS1

T1T2

M

Fig. 10-10 Primera adición al circuito lógico. Un ulterior desarrollo o ampliación del circuito lógico de la figura 10-10 podría incluir lo siguiente como proposición lógica total: la bobina M debe ser excitada cuando PS1 o LS1 y T1 y T2 están cerrados, y sólo si no existe señal que provenga de T3 o T4. Los requisitos lógicos asignados a T3 y T4 indicarían el uso de un elemento NOR, ya que la presencia de una señal de salida del elemento Y del circuito anterior debe ir acompañada de la falta de señal proveniente de T3 y T4. El circuito para nuestras nuevas especificaciones es el de la figura 10-11. El elemento Y de dos entradas podría ser suprimido utilizando un elemento Y de cuatro entradas. La lectura del esquema de la figura 10-11, aun cuando no se conozcan las condiciones de funcionamiento, es relativamente fácil. Los elementos lógicos proporcionan las palabras claves para indicar la operación del circuito. Si empezamos en la parte superior izquierda de nuestro circuito, el esquema se leerá como sigue. Si PS 1 o LS1 proveen una señal de entrada para el elemento O, habrá una señal de salida, que a su vez será una de las tres señales de entrada para el primer elemento Y, el cual, para entregar una señal de salida requiere recibir señal de elemento O, de T1 y de T2. Cuando ello se cumpla, la primera unidad Y provee una señal de entrada a la segunda unidad Y, que para obtener señal de salida necesita además recibir señal del elemento NOR, quien a

su vez para proporcionar dicha señal es necesario que T3 y T4 no entreguen señal. Por lo tanto si se cumple esta condición, ambas señales de entrada están presentes en el segundo elemento Y, proveyendo así una salida. La salida del segundo elemento Y proporciona una entrada al amplificador el cual provee la amplificación de potencia necesaria para excitar la bobina M. Ahora es posible que el lector se pregunte qué son PS1, LS1, T1, T2, T3 y T4. Los detalles del conexionado o de los dispositivos sensibles se encuentran normalmente en un esquema separado y no se indican en el esquema lógico. Esos componentes podrían ser contactos de interruptores de presión, de fin de carrera, de termostatos, etc. En la última parte de este libro reuniremos las diversas secciones de un sistema de control a fin de que el lector pueda tener una idea de conjunto de los dispositivos sensibles y de sus relaciones mutuas tal como se indica en los planos de conexiones; la acción del circuito de control está representada en el esquema lógico, y el circuito de potencia o de utilización está normalmente representado en un tercer esquema. Estudiemos el circuito de la figura 10-11 en cuanto a su funcionamiento. Si PS1 está cerrado (o dicho de otra forma: suministra señal) pero LS1 está abierto, todavía habrá una señal de salida del elemento O. Si T1 y T2 están cerrados, estarán completas las entradas necesarias para el elemento Y, proporcionando una entrada al segundo elemento Y. Si T3 y T4 están abiertos, habrá una salida desde el elemento NOR. El segundo elemento Y tiene ahora una salida, y la bobina está excitada. Consideremos lo que ocurriría si T3 se cerrase, proporcionando una entrada al elemento NOR. El resultado de que T3 proporcionase una entrada al elemento NOR sería que éste perdería su señal de salida. Puesto que el segundo elemento Y tiene ahora sólo una señal de entrada, ya no dará señal de salida. El amplificador no será excitado y por lo tanto tampoco excitará a la bobina M. Supongamos que en lugar de estar T3 cerrado y proporcionar una entrada al elemento NOR, T2 está abierto y suprime así una entrada en el primer elemento Y. El resultado seria el mismo en ambos casos: la bobina M no se excitaría. ¿Cuál sería el circuito equivalente de la figura 10-11 si Tl, T2, T3 y T4 fuesen contactos de termostato, y si PS1 fuese un interruptor de presión y LSl un interruptor de límite? Sería el de la figura 10-12. Esta puede parecer al lector una representación mucho más sencilla de nuestro circuito que el esquema lógico de la figura 10-11. Pero supongamos que ahora imponemos un requisito más al circuito, el de independizar el circuito de la bobina M y el de los dispositivos detectores y sus contactos. Entonces el circuito se complica más y su esquema de conexiones podría ser como el de la figura 10-13. Ni el esquema lógico ni el de línea o


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explicativo son complicados, pero comparándolos se comprende la simplicidad del diagrama lógico cuando se aplica a la automación completa de una máquina o línea de producción.

PS1

LS1

T1T2 M

T3

T4

Fig. 10-11 Segunda adición al circuito lógico.

MPS1

T1 T2 CR

T3

T4

CR

Fig. 10-12 Circuito electromagnético equivalente del circuito lógico final. El circuito de control tipo tres hilos al que nos hemos referido frecuentemente en el estudio de los circuitos de control con relés y contactores puede ser representado y realizado en el circuito lógico mediante el uso de realimentación. El esquema del circuito electromagnético y el esquema lógico equivalente están representados en la figura 10-14. Para comprender el funcionamiento del esquema lógico, consideremos que podemos suministrar una señal de entrada al elemento Y mediante el pulsador PARADA. Cuando el pulsador ARRANQUE esté apretado, suministrará la segunda señal de entrada al elemento Y con lo que se conseguirá una señal de salida. Una vez conseguida esta salida, el anillo de realimentación continuará suministrando la señal de entrada aunque se libere el pulsador ARRANQUE. Esto es equivalente a la acción del contacto auxiliar de mantenimiento en paralelo con el pulsador ARRANQUE en el circuito

electromagnético. Si se aprieta el pulsador PARADA, al dejar de recibir una de las señales de entrada el elemento Y, dejará éste de suministrar una señal de salida eliminándose la realimentación al mismo tiempo, quedando el circuito en su estado de reposo o de desconexión y aunque vuelva el pulsador PARADA a su posición cerrada, hasta que no se accione el de ARRANQUE no volverá a obtenerse una señal de salida en el elemento Y.

CR1

PS1

T1 T2 CR2

T3 CR2

LS1

CR1

M

Fig. 10-13 Circuito electromagnético equivalente del circuito lógico final con el circuito del contactor independiente del de control.

MParada

M

Arranque

Y

Arranque

Parada

Realimentacióninterna

M

Fig. 10-14 Circuito de control electromagnético y su equivalente lógico.


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10-3 Aplicación de los elementos estáticos Cualquier sistema de control se puede dividir en tres secciones básicas (fig. 10-15). Los dispositivos detectores o sensibles tales como pulsadores, interruptores de límite y termostatos, constituyen la sección que capta la información. Cuando sea captada la información, debe ser utilizada para decidir lo que debe hacer el sistema. En los circuitos electromagnéticos, esta sección contiene principalmente relés. Una vez obtenida una decisión basada en la información captada, el sistema debe actuar por sí mismo apropiadamente. La sección de acción del sistema de control se compone del dispositivo o dispositivos finales de salida, tales como arrancadores de motor, lámparas indicadoras y contactores.

Y M

AmplificadorInterruptorestático

Conversor deseñal

LS1

LS1CR

CRM

Decisión AcciónInformación

Fig. 10-15 Las tres secciones básicas de los circuitos de control. El control estático en su forma digital, circuitos lógicos, es aplicado principalmente a la sección de decisión del sistema de control. Los elementos lógicos son dispositivos de baja tensión y baja potencia, por lo que requieren convertidores de señal, llamados también entradas primarias, para reducir la alta tensión que es necesaria en la sección detectora a los valores apropiados para las señales lógicas. También requiere amplificadores para obtener, a partir de la baja potencia de un elemento lógico, la potencia requerida, por la sección accionadora del sistema. La sección de información del circuito de control puede ser de construcción completamente estática empleando detectores tales como interruptores de proximidad de límite. Lo más probable es que esta sección contenga los conocidos dispositivos del tipo de contacto que se encuentran en el control electromagnético. La abertura y el cierre de los contactos se puede utilizar como entrada directa para

los elementos lógicos, siempre que se emplee un valor correcto de corriente continua a baja tensión. Pero entonces la acción de los contactos puede no ser segura a causa de que la tensión no es suficientemente alta para superar la resistencia de las superficies de los contactos si están sucias. La resistencia de los conductores largos puede producir una excesiva caída de tensión en los circuitos sensibles, lo que producirá también un funcionamiento no confiable. La experiencia ha demostrado que el funcionamiento seguro de los circuitos lógicos estáticos alimentados por detectores con contactos requiere elevada tensión en los contactos, ordinariamente 48 a 125 voltios de c.c. o de c.a. si se desea. Este valor de la tensión aplicada a los contactos que tienen una buena acción de frotamiento proporcionará una entrada segura o confiable para los elementos lógicos. La tensión utilizada en la sección detectora debe ser reducida y algunas veces convertida de corriente alterna en corriente continua por medio de un convertidor de señal de entrada primaria (fig. 10-16). En general el convertidor de señal debe estar montado tan cerca como sea posible de los elementos lógicos para reducir los problemas de ruido. El convertidor de señal de c.c. de la figura 10-16a es un sencillo divisor de tensión utilizado para rebajar el valor de la entrada de c.c. hasta el valor correcto. Este tipo de convertidor es el más económico y probablemente el más empleado. Este circuito simple se puede mejorar mediante la adición de un circuito transistorizado.

R2

R1120 V c.c.

Piloto Lógico

Símbolo c.c.

Salidalógica

120 V c.a.

Piloto Lógico

Símbolo c.a.

(a)

(b)

Fig. 10-16 Convertidores de señal y sus símbolos.


R.L. Mc.Intyre

El circuito de la figura 10-16b es un convertidor de señal de c.a. con rectificador que se mejora considerablemente añadiendo un circuito transistorizado en su salida. La mayoría de los convertidores de señal que se fabrican están provistos de lámpara piloto para indicar el estado del dispositivo piloto, conexión o desconexión. Una buena práctica en la conmutación estática es conectar cada dispositivo piloto a su propio convertidor de señal de entrada primaria, aunque podría ser conectado en paralelo o en serie con los otros dispositivos (figura 10-17). La finalidad de la lámpara es dotar al panel lógico de un indicador instantáneo de perturbaciones o averías. Deben seguirse las especificaciones de los fabricantes muy escrupulosamente en lo que concierne a la supresión de señal de ruido y a la ubicación de las entradas primarias. Los elementos lógicos funcionan con niveles tan bajos de potencia que las puntas o crestas de señales de ruido pueden producir falsas conexiones o desconexiones si no se suprimen adecuadamente.

Mal

Y

Bien

Fig. 10-17 Conexiones para convertidores de señal.

Los elementos de la sección de acción del circuito de control están situados allí donde se realiza el trabajo, es decir, donde se consume o conmuta la potencia. Cuando la acción necesaria es encender una lámpara piloto, la potencia puede ser de 1 ó 2 vatios. Cuando haya que activar un gran contactor, la potencia necesaria es mucho mayor. El elemento lógico es por construcción un dispositivo de milivatios y por consiguiente no puede conectar o desconectar directamente tales cargas. Los amplificadores estáticos se utilizan para conmutar directamente cargas de hasta varios centenares de vatios o activar relés y arrancadores de potencias mayores. Es muy posible que en el futuro desarrollo de los dispositivos de semiconductores se consiga que todos los dispositivos de acción sean estáticos. Se fabrican amplificadores en los que se utilizan transistores de potencia, relés de resonancia y tiristores. Deberán seguirse estrictamente las instrucciones de los fabricantes, y elegir una unidad que satisfaga los requisitos de la carga.

La sección de decisión del circuito de control es la principal aplicación de los elementos lógicos. Recuérdese que la entrada del circuito lógico ha sido ajustada por el convertidor de señal en el valor más apropiado, y que el amplificador convertirá la señal lógica de salida para que se adapte a la carga. Esto da al proyectista del circuito lógico libertad de opción de componentes, sólo limitada por la lógica de las decisiones que deben hacerse. Ni siquiera es necesario conocer cómo trabaja cada elemento ni su circuito interno. 10-4 Desarrollo de los esquemas lógicos En la primera fase del desarrollo de un esquema lógico se convierten las especificaciones en proposiciones lógicas. Cada proposición lógica será equivalente a una línea del diagrama explicativo o de línea estudiada en el capítulo 6. En la segunda fase se representa cada secuencia o proposición en forma de símbolo lógico. En la tercera fase se integran y conectan entre sí las secuencias individuales cuando sea necesario proveer una unidad completa de control. En la cuarta fase se examina el circuito total para comprobar que pueden ser combinadas todas las funciones a fin de reducir al mínimo el número de elementos lógicos necesarios. En la quinta fase se revisa el circuito por si hubiera incompatibilidades, siempre posibles, entre las secuencias y para comprobar que el circuito en conjunto satisface las especificaciones propuestas. 10-5 Proyecto del circuito 1 Las especificaciones para este circuito son las siguientes: debe ser activada una válvula de solenoide (SOL) siempre que se apriete un pulsador normalmente abierto PB1, independientemente de las otras entradas, o siempre que se cierren el interruptor de presión PS1 y el termostato T1 y se abran el interruptor de presión límite y el termostato de temperatura límite T2.


R.L. Mc.Intyre

En la primera fase se hace la conversión a proposiciones lógicas. La primera lógica es: SOL se excitará cuando se cierren PB1 o PS1 y T1. El diagrama lógico de esta proposición está representado en la figura 10-18a. La segunda proposición lógica es: La proposición 1 será verdad sólo si PS2 y T2 no están excitados. Esta proposición impone una función NO a continuación de una función O como se indica en la figura 10-18b. Ahora quedan completadas las dos fases primeras del proyecto. En la tercera fase se combinan las proposiciones en el diagrama lógico como en la figura 10-18c. En la cuarta fase se combinan los elementos lógicos donde sea posible y se simplifica el circuito, lo que se puede hacer en este caso empleando una unidad O con salida NO incorporada (es decir, un elemento NOR) como muestra la figura 10-18d. En la quinta fase se analiza el circuito para cerciorarse de que realizará las funciones especificadas. En la figura 10-18d vemos que cuando está cerrado PB1 proporciona una entrada a la unidad o a través de su convertidor de señal. La unidad o con sólo tener señal en una de las entradas proporcionará señal de salida, que aplicada al amplificador proporcionará la potencia necesaria para accionar la válvula solenoide, con lo que se satisfacen las especificaciones correspondientes a PB1. Si PS1 está cerrado pero T1 está abierto, sólo habrá una entrada en el elemento Y; por consiguiente no dará señal de salida. Si T1 está cerrado mientras PS1 lo está también, habrá dos entradas excitadas en Y, pero no producirá señal de salida a no ser que el elemento NOR suministre la señal necesaria a la tercera y última entrada del elemento Y. Ahora debemos examinar PS2 y T2. Si estos dos dispositivos están abiertos, no hay señales de entrada en el elemento NOR, y por consiguiente habrá una señal de salida, y suministrará la tercera señal de entrada al elemento Y. Cuando están presentes las tres entradas en el elemento Y, éste dará una señal de salida que aplicada a la entrada del elemento O, producirá en éste una señal de salida que excitará el amplificador y actuará sobre la válvula solenoide.

PB1

PS1

Y

T1(a)

SOL

PS2

T2(b)

PB1

PS1

Y

T1

SOL

PS2

T2(c)

PB1

PS1

Y

T1

SOL

PS2

T2(d)

Fig. 10-18 Proyecto del circuito Nº. 1


R.L. Mc.Intyre

10-6 Proyecto del circuito 2 Circuito destinado al control de un sistema de acondicionamiento de aire de tres etapas y que actúa sobre los motores. El motor 1 es el de menor potencia y debe funcionar siempre que estén cerrados o en la condición de conducción el interruptor de caudal de agua fría FS1 y el termostato principal de control T1 y abierto el termostato de segundo nivel T2, lo que significa funcionamiento en la mayoría de condiciones. Cuando la máquina 1 no puede soportar la carga que se le exige para mantener el nivel de acondicionamiento, el termostato del segundo nivel T2 debe actuar parando la máquina 1 y, a continuación poniendo en marcha a la máquina 2, siempre que FS1 esté aún cerrado o en conducción. Esta máquina 2 de mayor potencia podrá restablecer las condiciones de acondicionamiento prefijadas. Si debido a las condiciones ambiente, esta segunda máquina no tuviera la suficiente potencia para mantener las condiciones de acondicionamiento, deberá actuar un tercer termostato, de forma que, al mismo tiempo que continúa funcionando la 2, se ponga en marcha también la 1, utilizándose en este caso ambas máquinas. En la primera fase del proyecto se traducirán las especificaciones en proposiciones lógicas. Luego se dibujará un esquema lógico representativo de cada una. La proposición correspondiente a la máquina 1 para las tres etapas de funcionamiento es: funciona cuando T1 y FS1 conducen y T2 no conduce o cuando T 3 y FS1 conducen. El esquema correspondiente a la máquina 1 está representado en la figura 10-19a. La proposición correspondiente a la máquina 2 es: Funciona cuando T 2 y FS1 conducen y la máquina 1 no funciona o cuando T 3 y FS1 conducen. El diagrama lógico correspondiente a la máquina 2 está representado en la figura 10-19b. En la tercera fase del proyecto se combinan los dos diagramas lógicos en un circuito completo haciendo uso únicamente de los componentes que realmente sean necesarios. El circuito completo está representado en la figura 10-19c. El análisis cuidadoso del circuito final pone de manifiesto que una de las unidades Y ha sido eliminada a causa de que basta una unidad para satisfacer los requisitos del circuito. También ha sido eliminada una unidad NO por la misma razón.

T1

YFS1

T2

T3

Y

No. 1

(a)

T2

YFS1

T3

Y

No. 2

(b)

La etapa No. 1está funcionando

T1

YT2

T3

FS1

Y

No. 1

(d)

Y

No. 1



R.L. Mc.Intyre

10-7 Proyecto del circuito 3 Circuito control para tres transportadores. Hay dos pulsadores ARRANQUE, uno situado en cada extremo del sistema transportador, y tres PARADA, situados cada uno de ellos en su transportador respectivo. Cada transportador debe ser protegido por un interruptor de límite o fin de carrera. Accionando cualquiera de los pulsadores ARRANQUE se pondrán en marcha secuencialmente todos los transportadores. El accionamiento de cualquier pulsador PARADA o interruptor de límite parará inmediatamente al transportador precedente en la secuencia. La proposición lógica correspondiente al transportador 1 es: funciona cuando se aprieta el pulsador ARRANQUE 1 o e l ARRANQUE 2, a condición de que el pulsador PARADA 1 y LS1 estén cerrados, así como el pulsador 2 y LS2. La proposición lógica correspondiente al transportador 2 es: funciona cuando lo hace el transportador 1 y PB2 y LS2 están cerrados y PB3 y LS3 están también cerrados.

Arranque

Arranque

PB1

LS1

PB2

LS2

PB3

LS3

No. 1

No. 2

No. 3


La proposición lógica para el transportador 3 es: funciona cuando lo hacen los transportadores 1 y 2 y PB3 y LS3 están cerrados. El circuito completo está representado en la figura 10-20. 10-8 Proyecto del circuito 4 La finalidad de este circuito es el control secuencial de velocidades de un motor con tiempo definido. El motor debe ser arrancado en su primera velocidad mediante el pulsador ARRANQUE 1 y se puede pasar a la segunda velocidad por medio del botón ARRANQUE 2, siempre que haya transcurrido un tiempo dado tal que haya permitido llegar a la estabilización de la primera velocidad. Luego se puede pasar a la tercera velocidad mediante el botón ARRANQUE 3, después de un retardo de tiempo. El pulsador PARADA ocasiona el paro del motor cualquiera que sea la velocidad en que esté funcionando. Arranque 1

Parada

Arranque 2

Arranque 3

No. 1

No. 2

No. 3

Fig. 10-21 Proyecto del circuito Nº. 4.

La proposición lógica para la primera velocidad es: funciona cuando el pulsador ARRANQUE está cerrado y el de PARADA lo está también. Será necesaria una MAMORIA a causa del contacto momentáneo del pulsador ARRANQUE.


R.L. Mc.Intyre

La proposición lógica para la 2.a y 3.a velocidad es: funciona cuando está cerrado el pulsador ARRANQUE y ha transcurrido el intervalo correspondiente al retardo fijado de tiempo desde que se ha introducido la 1.a y 2.a velocidad, respectivamente. En la figura 10-21 está representado el circuito completado. Las salidas NO de las MEMORIA se utilizan para eliminar cada una de las velocidades inferiores cuando sea necesario. 10-9 Proyecto del circuito 5 El equipo a controlar posee dos válvulas solenoides. La primera, SOL1, debe ser accionada cuando el interruptor de límite de contacto momentáneo LS1 está cerrado, debiéndose mantener accionada hasta que cierre el interruptor de límite de contacto momentáneo LS2. El cierre de LS2 debe excitar también la segunda válvula solenoide, SOL2, que permanecerá excitada hasta que se produzca el cierre momentáneo de LS1 en el ciclo subsiguiente de la máquina.

SOL1LS1

SOL2LS2

(a)

LS1

LS1

SOL1

SOL2

Fig. 10-22 Proyecto del circuito Nº. 5.

Como los contactos LS1 y LS2 sólo están cerrados momentáneamente y el solenoide de la válvula debe «recordar» si estaban cerrados o abiertos, el circuito requerirá el uso de elementos de MEMORIA retentiva. Conectando LS1 a las entradas CONEXIÓN (ON) de la unidad de MEMORIA y DESCONEXIÓN (OFF) de la segunda unidad de MEMORIA (figura 10-22a), quedarán cumplidos la mitad de los requisitos de este circuito y conectando LS2 a las entradas DESCONEXIÓN de la primera MEMORIA y CONEXIÓN de la segunda MEMORIA, se completa el circuito. Este circuito puede simplificarse utilizando una sola memoria según la figura 10-22. En este caso LS1 se conectará a la entrada CONEXIÓN y LS2 a la DESCONEXIÓN, cumpliéndose los requisitos propuestos. 10-10 Equivalencia de circuitos lógicos y circuitos con relés Varios contactos normalmente abiertos (fig. 10-23a) conectados en serie pueden quedar representados por el circuito lógico equivalente Y (figura 10-23b). A veces es necesario hacer uso de más de un elemento Y para obtener el número necesario de entradas. La figura 10-23c y d ilustra cómo se pueden conseguir nueve entradas cuando sólo se dispone de elementos Y de tres entradas.

A B CR

R

ABC

R

(b)(a)

Y

(c)

1R

2 3 4 5 6 7 8 9

R

123

R

Y

456

Y

789

Y

Y

(d) Fig. 10-23 Circuito con relé equivalente al Y lógico


R.L. Mc.Intyre

El equivalente lógico de contactos de relé normalmente abiertos en paralelo es el circuito O (fig. 10-24).

A

B

C

R

R

ABC

R

Fig. 10-24 Circuito con relé equivalente al O lógico Relés con contactos normalmente cerrados equivalen a un NO (figura 10-25a), a un NOR (fig. 10-25b) o a un NAND (fig. 10-25c), según el número de contactos y el modo de estar éstos conectados. La conocida disposición de puesta en marcha y paro mediante pulsadores y contactor (fig. 10-26a) se puede reproducir en los circuitos lógicos utilizando una MEMORIA no retentiva (fig. 10-26b) . La salida NO de la MEMORIA puede estar representada por una línea de trazos o bien por el símbolo de la función NO situado en el interior de la MEMORIA, según puede verse en la figura 10-26b. El circuito de la figura 10-26c provee el mismo control básico utilizando un circuito y con realimentación y permite disponer de otras entradas. El enclavamiento, que es tan importante en las máquinas y en el control de procesos, se puede conseguir fácilmente con circuitos lógicos utilizando la salida de una función lógica en una parte del circuito como una de las entradas de otro elemento lógico en una parte diferente del circuito (fig. 10-27).

R

(a)

A R

A

R

AR1

BR2

R1 R2

RA

BR

A

B

(b)

AR1

BR2

(c)C

R3

R1

R2

R3

ABC

RNANDABC

R

Fig. 10-25 Circuitos con relés equivalentes al NO, NOR Y NAND lógicos.


R.L. Mc.Intyre

M

M(a)

M

MY

(b)

(c)

Fig. 10-26 Circuito con relé equivalente de la MEMORIA lógica

Fig. 10-27 Enclavamiento en circuitos lógicos

10-11 EL TRANSISTOR COMO INTERRUPTOR ESTÁTICO El esquema lógico da una información completa sobre el funcionamiento del sistema de control pero no da ninguna indicación sobre el funcionamiento y circuito del propio elemento lógico. En la instalación de un sistema de control sólo se deben utilizar elementos lógicos producidos por el mismo fabricante, ya que generalmente no son compatibles los de distintos fabricantes porque las tensiones e intensidades nominales de los elementos lógicos difieren entre los diversos fabricantes. Una vez elegido un sistema de un fabricante determinado, el instalador puede confiar en que los elementos lógicos individuales funcionarán cuando están correctamente conectados de acuerdo con el esquema lógico. Las fuentes de alimentación están proyectadas para el suministro de todas las tensiones necesarias. Los convertidores de señal están proyectados para suministrar la señal entrada precisa en los elementos lógicos. La salida de cada elemento lógico está proyectada para entregar la señal de entrada correcta a los otros elementos lógicos o a los amplificadores. Puesto que los requisitos de interconexión están incorporados en los elementos lógicos, no es absolutamente necesario que el instalador o el reparador tenga un conocimiento completo del circuito real del propio elemento lógico. La práctica general consiste en reemplazar un elemento defectuoso o devolverlo a la fábrica para su reparación. El instalador o el reparador necesitarán una información específica de la instalación sobre el sistema individual en el que está trabajando, y estará mucho mejor preparado para localizar o evitar las averías si sabe cómo funcionan los elementos lógicos. En todos los componentes lógicos asequibles comercialmente se utiliza el transistor como dispositivo básico de conmutación. Durante los últimos años del decenio 1940-1950, los elementos lógicos se construyeron empleando como componente esencial una reactancia saturable, pero estos elementos ya no se fabrican salvo para renovar los utilizados en sistemas existentes. Para comprender el funcionamiento de los componentes lógicos transistorizados, primero hay que estudiar cómo responde un transistor a la tensión y a la corriente. La figura 10-28 representa los símbolos de los transistores NPN y PNP con la polaridad necesaria para estar en estado conductor. Los tres terminales del transistor están representados por sus nombres correctos: C para colector, B para base y E para emisor. En los circuitos de transistor se


R.L. Mc.Intyre

sobreentiende siempre que las flechas de los símbolos corresponden al sentido convencional de la corriente. El transistor es un dispositivo semiconductor con dos circuitos: emisor a base y emisor a colector. El circuito emisor a base se denomina generalmente circuito de base; el circuito emisor a colector se denomina circuito de potencia o de salida.

C

B

-

-

+

C

B

-

-

+

Fig. 10-28 Símbolos de transistor. Consideremos el circuito de la figura 10-29. Cuando el contacto B está cerrado, la base del transistor está al mismo potencial que emisor, y el circuito emisor-colector no será conductor. Para el análisis consideremos en general que el circuito emisor a colector es un interruptor abierto siempre que la base de un transistor PNP está a una diferencia de potencial nula con respecto al emisor. Lo mismo se conseguiría si la base es más positiva que el emisor. Si la base de un transistor PNP es suficientemente más negativa que el emisor, el transistor conducirá de emisor a colector. En este caso el circuito emisor-colector actúa como interruptor cerrado, y prácticamente no produce caída de tensión. Cuando el contacto A (figura 10-29) está cerrado y el contacto B está abierto, la tensión de base es de -12 voltios. El transistor conducirá de emisor a base y, por la acción de transistor, conducirá también de emisor a colector. La intensidad estará limitada por la resistencia de R1. Si se considera como tensión de salida la existente entre el terminal del colector y el negativo común, dicha tensión será 12 voltios. Naturalmente, esto es debido a la caída

de tensión en R1, que, en estado conductor del transistor, será igual a la tensión de línea.

C

B

-

-

+E

12 V c.c.

-

+

Salida

Fig. 10-29 Interruptor básico con transistor. Las consideraciones anteriores permitirán comprender el comportamiento como interruptor. Cuando la base del transistor (fig. 10-29) es positiva, al estar el contacto B cerrado y el A abierto, la salida está a 0 voltios a causa de que no hay caída de tensión en R1. Cuando la base es negativa, por estar el contacto A cerrado y el B abierto, la señal de salida será de 12 voltios a causa de la caída de tensión en R1 y ser nula la correspondiente a emisor-colector. En virtud de diversas consideraciones de diseño, es conveniente que el transistor esté en estado conductor cuando no se aplique señal y deje de conducir cuando se aplique la señal. En una ligera modificación del circuito (fig. 10-30), se ha sustituido el contacto A por la resistencia R2, y se ha añadido la resistencia R4. Las resistencias R2 y R4 constituyen un divisor de tensión y mediante la selección adecuada de sus valores proveerá el valor apropiado de potencial negativo en la base a fin de obtener la plena conducción en el circuito emisor-colector. El transistor está en estado


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conductor dando una tensión de salida de 12 voltios. El cierre del contacto B conectará el conductor de base a la línea positiva y hará que el transistor no conduzca, estado de corte, reduciendo así la salida a 0 voltios. Supongamos que el contacto B sea el dispositivo piloto utilizado para controlar el interruptor. Cuando el contacto está cerrado, el interruptor tiene una señal de entrada., pero no de salida. Cuando el contacto no está cerrado, no hay señal de entrada, pero sí la hay de salida. Esta acción se denomina lógica NO o inversión. Ésta es la disposición constructiva básica de todos los elementos lógicos transistorizados. Di-ferentes fabricantes utilizarán diferentes disposiciones de circuito para conseguir la operación NO del transistor. Sin embargo, lo que hemos expuesto será suficiente para explicar el funcionamiento del interruptor de transistor.

C

B

-

-

+E

12 V c.c.

-

+

Salida

R1

R2

R4B

Fig. 10-30 Interruptor con transistor como elemento lógico No.

Cuando no se desea la acción NO del interruptor de transistor (inversión lógica), se añade un segundo transistor al circuito básico. La figura 10-31 muestra el nuevo circuito. Cuando está cerrado el contacto B, T1 no conducirá, y la base de T2 está entonces a un valor negativo con respecto a su emisor, por estar conectada mediante R1 al negativo y no haber caída de tensión en R1. El potencial negativo en la base de T2 hará que este transistor esté en estado conductor, por lo que pasará una corriente a través de R3, obteniéndose una tensión de salida de 12 voltios.

Cuando el contacto B está abierto, T1 conduce y pone la base de T2 al mismo potencial que el conductor común positivo; por consiguiente T2 está en corte, y no hay tensión de salida. El interruptor de transistor es ahora una combinación de los dos circuitos básicos NO y produce una salida cuando hay una entrada. Cuando no hay señal de entrada, tampoco hay señal de salida. 10-12 El Interruptor de transistor como elemento «Y» El interruptor básico de transistor se puede realizar de modo que realice la función Y mediante un circuito de entrada apropiado. Los circuitos reales los estudiaremos en los últimos capítulos, pero aquí examinaremos la representación simbólica, ya que puede facilitar el estudio.

12 V c.c.

-

+

SalidaR1R2

R4B

R3

T1T1

T2

B Salida

Fig. 10-31 Interruptor con dos transistores.

La figura 10-32 muestra el interruptor básico conectado a través de los contactos A, B y C en serie. El interruptor no puede tener entrada hasta que la base de Tl esté conectada al conductor positivo y el transistor Tl pase a estado no conductor o de corte. Los divisores de tensión por resistencia son los que generalmente se utilizan para un circuito de entrada en la práctica. El circuito está dispuesto de


R.L. Mc.Intyre

modo que la tensión de entrada correcta deba ser aplicada a todas las entradas antes de que la tensión de base llegue a ser suficientemente positiva para el corte de Tl.

-

+

SalidaR1R2

R4

R3

T1

T2

CBA

SalidaABC

Y

Fig. 10-32 Interruptor de transistor como elemento lógico Y. Si no se hubiese incluido el segundo transistor, T2, en el circuito básico del interruptor, el resultado hubiese sido un elemento lógico NAND. 10-13 El interruptor de transistor como elemento «O» La figura 10-33 representa el interruptor básico de transistor conectado a tres contactos en paralelo. Si uno de estos contactos, A o B o C, estuviese cerrado, la base de Tl estaría conectada a la línea positiva y Tl estaría en estado de corte. El circuito real de entrada del interruptor de transistor está constituido por resistencias y/o diodos. Cuando está conectado correctamente, el circuito de entrada o debe hacer que la base de Tl sea positiva cuando cualquiera de sus entradas o una combinación de ellas tenga aplicada la tensión de entrada correcta.

Si no se hubiese utilizado en el circuito interruptor el segundo transistor T2, el resultado hubiese sido un elemento NOR.

-

+

SalidaR1R2

R4

R3

T1

T2

CBA

SalidaABC

Fig. 10-33 Interruptor de transistor como elemento lógico O.

En los capítulos 11 a 13 estudiaremos detalladamente los circuitos comerciales reales. Cada fabricante adopta su propio diseño para realizar lo que ilustran en este capítulo los circuitos simbólicos. Resumen Los sistemas estáticos de control se construyen interconectando correctamente cinco bloques básicos de construcción: Y, O, NO, MEMORIA Y RETARDO. La sección de información del circuito de control comprende ordinariamente los dispositivos detectores o sensibles del tipo de contacto convencionales. Señales de tensión relativamente altas que llegan de la sección de información del sistema son modificadas por los convertidores de señal a la corriente continua de baja tensión necesaria para los elementos lógicos de la sección de decisión. La sección de acción o ejecución del sistema convierte la señal de baja tensión y


R.L. Mc.Intyre

baja potencia de la sección de decisión en la potencia necesaria para el dispositivo que ha de ser controlado. Todos los elementos lógicos posibles están construidos a base del interruptor o conmutador de transistor básico, pero difieren en la aplicación de los circuitos específicos. El proyecto de los circuitos estáticos de control viene a ser una ampliación del proyecto de control electromagnético estudiado en el capítulo 6. Los principios son sencillos pero requieren práctica. El estudiante consciente debe practicar el proyecto de muchos circuitos y cuando sea posible realizar prácticamente los circuitos después de diseñarlos, con lo que alcanzará un alto grado de aprovechamiento. Las cinco fases del proyecto de un circuito lógico son:

1. Convertir las especificaciones en proposiciones lógicas. 2. Representar cada proposición en forma de símbolo lógico. 3. Interconectar los símbolos lógicos individuales. 4. Combinar las funciones cuando sea posible para simplificar el circuito. 5. Revisar el circuito en su conjunto y comprobar que cumple las

especificaciones. Preguntas de repaso 1. ¿Cuáles son los requisitos de un elemento Y? 2. ¿Cuáles son los requisitos de un elemento O? 3. ¿Cuáles son los requisitos de un elemento NO? ¿Cuáles son los requisitos de un

elemento NOR? 4. Describir la acción del elemento de memoria no retentiva cuando falta la

energía de alimentación y luego vuelve a serle aplicada. 5. Describir la acción del elemento de MEMORIA RETENTIVA cuando

falta la energía de alimentación y luego vuelve a serle aplicadas, 6. Dibujar los símbolos correspondientes a cada uno de los siguientes elementos

lógicos: Y, O, NO, NOR, NAND, MEMORIA RETENTIVA, MEMORIA NO RETENTIVA y los cuatro tipos de RETARDO.

7. Proyectar un circuito lógico que excite a un solenoide cuando se apriete un pulsador ARRANQUE de contacto momentáneo normalmente abierto. El

solenoide debe permanecer excitado hasta que se apriete un segundo pulsador PARADA de contacto momentáneo normalmente abierto.

8. Proyectar un circuito lógico para las siguientes especificaciones. Una bobina debe ser excitada cuando se cierre un interruptor de límite normalmente abierto LS1 y un interruptor de presión PS1 y un termostato T1, o cuando se cierre un botón pulsador PB1 normalmente abierto y un termostato T2.

9. Proyectar un circuito lógico para las siguientes especificaciones. Una lámpara de señal se debe encender cuando están cerrados todos los contactos normalmente abiertos A, B, C y D, a condición de que los contactos E y F normalmente cerrados no estén abiertos.

10. ¿Cuál es la función del convertidor de señal? 11. ¿Cuál es la función del amplificador de salida?


R.L. Mc.Intyre

Cada fabricante adopta su solución particular en el diseño de circuitos y la aplicación del control estático transistorizado. En este capítulo expondremos detalladamente el sistema de la General Electric Company. El material para este capítulo ha sido facilitado por la General Electric Company.1 En los capítulos 12 y 13 expondremos otros sistemas. 11-1 TEORÍA DE FUNCIONAMIENTO En todo sistema lógico de control se emplean circuitos básicos transistorizados. La figura 11-1, representa un circuito con una tensión continua de alimentación de ⎯ 12 voltios y tres resistencias conectadas en serie. Debido a los valores de las resistencias que particularmente se utilizan en este circuito, el punto de conexión de entrada estará a ⎯ 4 voltios.

1 FUENTE BIBLIOGRÁFICA: General Electric Company Publication GPC-B53D.

Entrada

- 12 V c.c.

0 V

R1

R2

R3

i1

Fig. 11-1 Circuito básico de entrada. Entrada abierta.

(General Electric Company) Si ahora el terminal de entrada se conecta al conductor común o de referencia de potencial 0 (fig. 11-2), pasará la corriente desde este conductor hasta el de ⎯ 12 voltios a través de la resistencia a R1. Como el punto común a las resistencias R1 y R2 estará a cero voltios, no pasará corriente por las resistencias R2 y R3 a causa de que no existe diferencia de potencial entre sus extremos.

Entrada

- 12 V c.c.

0 V

R1

R2

R3

i2

Fig. 11-2 Circuito básico de entrada. Entrada cerrada.


11

Control estático de la General

Electric Company


R.L. Mc.Intyre

Si se conecta un transistor y resistencias de carga apropiadas R4, R5 y R6 (con los mismos valores que R1, R2 y R3, respectivamente), según indica la figura 11-3, la conexión de salida estará a ⎯ 4 voltios a no ser que el transistor estuviese en estado conductor. El transistor de germanio tipo PNP, representado en la figura 11-3, tiene tres puntos de conexión llamados emisor, base y colector. Si se excita este transistor, es decir, si se hace pasar una intensidad de valor apropiado por el circuito emisor base, pasará una corriente de mucha mayor intensidad por el circuito emisor-colector. Cuando no haya corriente de emisor a base, tampoco habrá corriente de emisor a colector. El transistor está saturado cuando una corriente adicional emisor-base no produzca un aumento de la corriente emisor-colector. Cuando el transistor se excita desde cero hasta la saturación, la resistencia emisor-colector varía desde un valor muy elevado hasta un valor muy bajo, actuando en esencia como un interruptor en el circuito emisor-colector.

Salida

- 12 V c.c.

0 V

R4

R5

R6

BaseColector

Emisor

Fig. 11-3 Circuito básico de salida, precedido por un transistor. (General Electric Company)

El circuito representado en la figura 11-4 se obtiene combinando las figuras 11-1 y 11-3. Con la conexión de entrada a ⎯ 4 voltios, pasará la corriente apropiada desde el emisor a la base del transistor PNP, para que el transistor permita el paso de corriente por su circuito emisor-colector a través de la resistencia de carga R4. Esto da lugar en la conexión de salida a una tensión prácticamente nula a causa de que la resistencia emisor-colector del transistor en la saturación es muy baja.

Salida

- 12 V c.c.

0 V

R4

R5

R6

Base

Colector

Emisor

R1

R2

R3

Entrada

Fig. 11-4. Circuito básico NO con resistencias de salida (General Electric Company)

Por el contrario, si se conectase el terminal de entrada al conductor común de cero voltios (línea de trazos) no habría corriente desde el emisor hasta la base a causa de que el emisor y la base estarían al mismo potencial, o sea cero voltios. El resultado sería que no habría corriente desde el emisor hasta el colector a causa de que la resistencia de emisor a colector es muy alta, ya que el transistor no está excitado. La tensión en el terminal de salida será por lo tanto de ⎯ 4 voltios, y está determinada por las resistencias R4, R5 y R6. En este sistema de control estático, una señal de cero voltios de c.c. representa una señal de TRABAJO o estado 1, y una señal de ⎯ 4 voltios de c.c. representa una señal de REPOSO o estado 0. La figura 11-4 es un circuito básico NO. Una señal de entrada TRABAJO produce la ausencia de señal a la salida o REPOSO. Inversamente si la entrada recibe señal de REPOSO, la salida dará señal TRABAJO.

En la figura 11-5 y en los circuitos subsiguientes, la salida final dispositivo no tiene las resistencias R4, R5 y R6, ya que la salida estará conectada a las entradas de los elementos lógicos tales como Y, etc. Los circuitos de entrada actúan lo mismo que las resisten R4, R5 y R6 respecto al elemento anterior. El elemento lógico NO está representado en la figura 11-6. Es idéntico al de la figura 11-5, excepto que la tensión c.c. de ⎯ 12 voltios está indicada por ⎯ P, y 0 voltios c.c. están indicados + P. La entrada y la salida están representadas por


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los terminales o bornes típicos, numerados 1 y 4 ó 5 y 8, respectivamente. El terminal de salida puede excitar hasta 12 entradas.

Salida

- 12 V c.c.

0 V Fig. 11-5 Esquema de un elemento NO. (General Electric Company

1 4

+P

-P

1 4

5 8

Fig. 11-6 Circuito N O de la General Electric Company con indicación de los terminales. (General Electric Company)

Si se añaden circuitos de entrada en paralelo (fig. 11-7), y todos los terminales de entrada 1 y 2 y 3 se conectan a 0 voltios, se eliminará la corriente emisor-base, desapareciendo la corriente emisor-colector y apareciendo una señal de salida (⎯ 4 voltios de tensión).

4

-P

+P

14

321

23

586

7

Fig. 11-7 NAND de tres entradas.


Es decir, si se eliminan todas las señales de entrada, debido a la disposición de las resistencias de entrada, aparecerá una señal de salida, luego este dispositivo será un elemento lógico NAND. Los terminales 1, 2 y 3 deben tener señal TRABAJO para obtener una salida REPOSO, o dicho de otra forma; los terminales 1, 2 y 3 de entrada deben estar en estado 1 para que la salida esté en estado 0. También se dispone de un elemento NAND de siete entradas que requiere la existencia de una señal TRABAJO en los terminales 1 a 7 a fin de conseguir que la función lógica no tenga señal de salida en el terminal 8 o sea señal 0. El terminal de salida del elemento NAND puede excitar hasta otras 12 entradas. Este sistema de control estático transistorizado se denomina a veces sistema NAND, ya que los circuitos interiores básicos utilizados realizan realmente esta función. Un elemento NAND con una sola entrada constituye un elemento NO, ya que no existe «SITUACIÓN Y» con un dispositivo de simple entrada. Si un elemento NO va seguido en un circuito de otro elemento (figura 11-8), la señal de entrada para la primera función NO es misma que la de la salida de la segunda función NO. Por ejemplo, la señal de entrada del primer elemento NO, es REPOSO, la señal de su salida será TRABAJO 1; por consiguiente, la señal de entrada del segundo elemento NO es de TRABAJO y la salida es de REPOSO. Para obtener la función Y, se añade un circuito NO a la salida de uno NAND (fig. 11-9)


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Trabajo

Reposo

Trabajo

Reposo

Trabajo

Reposo

Fig. 11-8 Inversión de señal a través de dos NO en serie (General Electric Company)

4

-P

+P

321

Entrada Entrada Entrada SalidaNAND

EntradaNO

Salida

Fig. 11-9 Circuito lógico NAND básico seguido de uno NO. (General Electric Company)

4

-P

+P

3211

423

586

7

Fig. 11-10 Circuito lógico y de tres entradas con indicación de los

terminales. (General Electric Company)

Si no existe señal en las tres entradas del Y, no habrá señal de salida. Esta ausencia de señal de salida en la entrada del elemento producirá una señal en la salida. De esta forma se proyecta un elemento Y de tres entradas y se fabrica como una unidad lógica completa (fig. 11-10). En este sistema NAND se dispone de una salida adicional, la NO incorporada en la salida normal, siendo muy útil. Significa una inversión de la salida normal y se halla conectada a la conexión de entrada de la última etapa del elemento lógico (fig. 11-9). En la figura 11 se ve que se ha suprimido una conexión de entrada en el elemento Y básico (fig. 11-10) para disponer de un terminal para la salida NO adicional incorporada. También se fabrican elementos Y de seis entradas con salida NO adicional incorporada y con terminales de entrada 1 a 6, salida normal en el terminal 8 y salida NO en el terminal 7. Igualmente se fabrican circuitos Y de siete entradas, con terminales de entrada 1 a 7 y salida en el terminal 8, para completar la familia de funciones lógicas Y. Cada salida de una unidad Y puede excitar a otros 12 terminales de entrada.

4

8

4

-P

+P

21123

567

3

Fig. 11-11 Circuito lógico Y de dos entradas con salida NO.

(General Electric Company) El elemento O utiliza un tipo diferente de transistor llamado NPN como parte de su circuito. Su acción es análoga a la del PNP, pero la corriente circula en sentido opuesto. En lugar de que el sentido se de emisor a base para que el transistor se sature, es de base a emisor. El resultado es que la corriente circula de


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colector a emisor en este transistor NPN en lugar de emisor a colector como en el transistor PNP, adoptando el convenio de sentido de corriente de más a menos. En la figura 11-12 cada terminal de entrada está a ⎯ 4 voltios, el punto a está también aproximadamente a ⎯ 4 voltios. El emisor del NPN está aproximadamente a ⎯ 3 voltios, y siendo su base más negativa que él, no habrá corriente de base a emisor.

NPN1

23

PNP

4

-P

+P

c

b

e

c

e

b

a

Salida

123

4

567

8

Fig. 11-12 Circuito lógico O de tres entradas con indicación de los terminales.

(General Electric Company) Así, con el NPN en estado no conductor, el PNP no puede conducir de emisor a base. Cuando es aplicada una señal TRABAJO (0 voltios) a un terminal de entrada, la tensión del punto a varía hasta aproximadamente 0,6 voltio, entonces la base del NPN se hace más positiva con respecto al emisor, y el NPN pasa a estado conductor. Esto permite que se establezca corriente de colector a emisor, lo que hace que en el PNP se establezca la corriente de emisor a base. A su vez esto hace que la tensión del colector pase a 0 voltios, o sea, una señal TRABAJO en el terminal de salida. Al aplicar señales de trabajo a los otros terminales de entrada, se mantiene la señal TRABAJO en el terminal de salida. La supresión de todas las señales de trabajo en los terminales de entrada hace que la tensión del punto a vuelva a ⎯ 4 voltios, lo que a su vez hace que la base del NPN sea más negativa que su emisor, y que cese la corriente en ambos transistores. El terminal de salida vuelve a tener entonces su señal anterior de REPOSO, ⎯ 4 voltios suministrada por la configuración de entrada por resistencia de la unidad lógica subsiguiente a la cual

está conectada la salida. La salida del elemento O puede excitar hasta otras 12 unidades.

1

2

3

4

+P

-P

123

4

567

8

x

Fig. 11-13 Circuito lógico NOR de tres entradas. (General Electric Co.)

En la función NOR (fig. 11-13) se obtendrá señal REPOSO en su terminal minal de salida cuando haya una señal TRABAJO en cualquiera de sus terminales de entrada. Si no existe señal TRABAJO en los terminales de entrada, ambos lados de los diodos de separación estarán a ⎯ 4 voltios. Por el transistor PNP podrá pasar entonces corriente de emisor a base, y estará en estado conductor, dando una señal TRABAJO en el terminal de salida. Si se aplica una señal TRABAJO a cualquier terminal de entrada, aparecerá una tensión de 0 voltio aproximadamente en el lado de cátodo de los diodos aislantes. Como por lo menos se requiere un voltio para vencer la resistencia directa de los dos diodos en serie, no pasará corriente por ellos cuando se aplique una tensión de 0 voltio aproximadamente en el punto X. Esto hace que el transistor PNP pase a estado no conductor y aparezca una señal REPOSO en el terminal de salida. Suprimiendo la señal de TRABAJO en los terminales de entrada se provocará nuevamente el estado de conducción del PNP ya que la tensión en el punto X volverá a ser ⎯ 4 voltios. La salida del NOR puede proveer un máximo de 12 señales de entrada para otros elementos lógicos.


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La operación MEMORIA no retentiva se puede comprender mejor refiriéndose a los términos más sencillos representados en la figura 11-14.

Fig. 11-14 Esquema de bloques de una MEMORIA no retentiva. (General Electric Company)

Supongamos inicialmente que ya existe tensión de alimentación pero que no se ha accionado ningún pulsador. La unidad de reposición o retorno de la que después trataremos, provee una señal de TRABAJO retardada. Tan pronto como se aplica la tensión de alimentación, los elementos NAND Al y B1 producen inmediatamente una salida, pero la unidad de reposición retrasa su salida durante determinado tiempo con el fin de que la unidad NAND B2 conduzca. Con NAND B2 y NAND A1 excitando a NAND A2 con señales de TRABAJO, NAND A2 da señal REPOSO de salida y por consiguiente la salida normal queda en la condición de REPOSO. Cuando se aprieta el pulsador TRABAJO, el elemento NAND Al, al recibir señal TRABAJO en sus dos entradas, dará señal REPOSO en su salida, haciendo que el NAND A2 dé señal TRABAJO (terminal 8), señal que al ser aplicada a B2 hará que éste dé en su salida señal REPOSO (terminal 7). Esta señal REPOSO de salida se aplica a una de las entradas del A2, lo que asegurará la señal de TRABAJO en la salida 8 del A2 cualquiera que sea el estado del A1, que podrá volver al estado TRABAJO al soltar el pulsador TRABAJO. Si apretamos el pulsador REPOSO, siguiendo un razonamiento análogo al anterior, B1 dará salida REPOSO y el B2 (en el terminal 7) salida TRABAJO, lo que hará que A1 (terminal 8) pase a estado REPOSO. El primer pulsador que se accione predominará mientras esté actuando. Por ejemplo, actuando el pulsador TRABAJO se suprime la salida de A1, lo que a su vez suprime una entrada en B1. Una vez ha sido suprimida la entrada de B1, el accionamiento del pulsador REPOSO no tiene efecto. La primera señal de entrada impide el efecto de la segunda mientras se mantenga la primera. Cada salida de la MEMORIA puede excitar otras doce entradas. La función lógica de MEMORIA retentiva es una modificación de la MEMORIA anterior, consistiendo su diferencia en el comportamiento de una y otra cuando por cualquier causa se interrumpe la tensión de alimentación y más tarde se restaure. La MEMORIA retentiva volverá a su condición anterior de salida, mientras que la MEMORIA no retentiva vuelve a la condición de REPOSO. Como evidencia la

figura 11-15, la condición de la salida depende de cómo se conecte la unidad de reposición. Con la unidad de reposición conectada a B2 la MEMORIA retentiva volverá a la condición de reposo, y habrá presente una señal de TRABAJO en el terminal 7 cuando se restablezca la tensión de alimentación en el sistema. Con la unidad respuesta conectada al NAND A2, la memoria volverá a la condición de TRABAJO, y existirá salida de TRABAJO en el terminal 8 cuando se restablezca la tensión en el sistema. Para realizar esta función de conmutación se utiliza un microrruptor conmutador de lámina en cápsula sellada y accionado por dos imanes y una bobina de control (relé Reed). En la figura 11-15 vemos que el polo móvil es mantenido en uno u otro lado del conmutador por los respectivos imanes permanentes. La bobina, conectada entre los terminales 7 y 8, produce suficiente flujo para superar el efecto de los imanes de polarización. La corriente circulará en uno u otro sentido por la bobina, dependiendo de cual sea el terminal de salida que esté a 0 voltios y cuál esté a ⎯ 4 voltios.

Fig. 11-15 Esquema de bloques de MEMORIA retentiva. (General Electric Company)

El conmutador de lámina mencionado tiene una duración prácticamente indefinida en cuanto a su funcionamiento mecánico, y en cuanto a su funcionamiento eléctrico debe tenerse en cuenta que debido al retardo de la unidad de reposición, durante la conmutación no pasa corriente, por lo que la vida mecánica y eléctrica del conmutador de lámina en la MEMORIA retentiva es muy compatible con la confiabilidad del sistema estático transistorizado. La velocidad de operación de la MEMORIA retentiva no depende de la velocidad del conmutador de lámina. El flip-flop formando con los elementos NAND puede conmutarse a su máxima velocidad, y el conmutador de lámina puede seguir funcionando a velocidad más lenta, ya que la última posición de la lámina del conmutador, cuando por cualquier causa se interrumpe la energía de alimentación, determina su posición retentiva. En una red de energía de c.a. a 115 voltios una moderada disminución de 15 voltios es suficiente para conmutar la lámina en su posición correcta. A causa de la carga que significa la conexión de la bobina del conmutador de lámina a los terminales de salida, la capacidad de excitación de la MEMORIA


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retentiva es de 7 unidades, en lugar de las 12 que correspondían a la MEMORIA no retentiva. Se puede formar un circuito Y de tres entradas combinando tres elementos NAND como se indica en la figura 11-16. Este nuevo circuito toma el nombre de circuito Y con memoria o circuito Y retentivo, y requiere la presencia de señal en los tres terminales de entrada 1, 2 y 3 para que se obtenga señal de salida en el terminal 8. Una vez obtenida dicha señal de salida, aunque se supriman las señales de en-trada 2 y 3 no suprimirán la señal de salida del terminal 8. El NO normal de salida está siempre disponible en el terminal 7, y en el terminal 5 se requiere una conexión auxiliar a una unidad de reposición que proporciona una señal TRABAJO retardada al aplicar la energía de alimentación al sistema.

Fig. 11-16 Esquema de bloques de circuito Y con memoria. Con entradas 1 y 2 retentivas. (General Electric Company)

Para analizar la acción interna del elemento Y retentivo (fig. 11-16), supongamos que acaba de ser aplicada la energía de alimentación y no existen señales de entrada en los terminales 1, 2 ó 3. El terminal 4 ha sido conectado al terminal 3, por lo que recibirá señal el NAND B1 cuando se aplique al 3 del NAND Al. El NAND Al produce inmediatamente señal de salida al alimentar con 12 voltios el sistema, ya que no existen señales de entrada. La unidad de reposición retarda siempre su salida para asegurar que al elemento NAND B1 le faltará momentáneamente por lo menos una señal de entrada, de lo que resulta una señal de salida en B1. Con los elementos Al y B1 proveyendo una señal a cada una de las entradas del elemento A2 no existirá señal de salida en el terminal 8; esto hace que falte una de las señales de entrada en B1. Todo ello hace que continúe habiendo una señal de salida en B1 aún cuando la reposición entregue una señal al terminal 5, y por consiguiente permanece en la condición de TRABAJO, es decir, con señal de salida. Cuando es aplicada una señal TRABAJO al terminal 3, no ocurre ningún cambio en las salidas de Al o B1, ya que cada uno de estos elementos permanece sin tener presentes señales en todas sus entradas. Las señales de entrada deben estar presentes simultáneamente en los terminales 1, 2 y 3 para que desaparezca la señal de salida en Al. Esto suprime una señal de entrada en el A2, de lo que resulta una señal de salida en el terminal 8 y también una pérdida de señal de salida en el terminal 7, ya que ahora todas las entradas de B1 poseen señal. Al no entregar ahora B1 señal de entrada al A2, aunque se supriman las señales de entrada en los

terminales 1 y/o 2 no afectarán al estado de la salida del A2. únicamente la supresión de la señal de entrada en el terminal 3 producirá un cambio: en B1 aparecerá señal de salida, la cual suprimirá la señal de salida del terminal 8 a causa de que nuevamente todas las entradas de A2 poseen señal. La combinación del NAND A2 y del B1 forma un flip-flop, y con el terminal 4 conectado al terminal 3, las señales entradas en el terminal 1 y 2 son «memorizadas» o «retenidas» cuando las tres señales de entrada han estado simultáneamente presentes, lo cual se ha traducido en una señal de salida en el terminal 8 gracias a la actuación del flip-flop. La línea entre los terminales 8, 1 y 2 no significa una conexión real, sino un símbolo que representa la acción retención o, memoria. La línea desde el terminal 4 hasta el terminal 3 sí que representa una conexión real. Con el terminal 4 conectado al terminal 2, sólo se memoriza la señal aplicada al terminal 1 (véase fig. 11-17).

Fig. 11-17 Circuito lógico Y con memoria, con sólo la entrada 1 retentiva. (General Electric Company)

Esta nueva disposición requiere aún que estén presentes todas las señales de entrada para obtener una de salida en el terminal 8, pero ahora la desaparición de señal en los terminales 2 ó 3 hará que aparezca una señal de salida en el terminal 7 del B1 y la subsiguiente pérdida de señal en el terminal 8. Cada terminal de salida del elemento Y retentivo puede excitar otras 12 entradas. El elemento función RETARDO proporciona la demora requerida en la aparición de una señal de salida al ser excitado con una de entrada en diferentes escalas individuales de temporización. La temporización se produce mediante la carga de un condensador a través de una resistencia (red RC) y excitación de un transistor monounión. La constante de tiempo RC se puede variar mediante un potenciómetro ajustable lineal. El monounión es un dispositivo semiconductor con tres terminales, comprendiendo un emisor y dos bases (fig. 11-18).

Fig. 11-18 Transistor monounión. (General Electric Company) Si la tensión Vb1 es del mismo valor que Vb2, no hay, diferencia de tensión en las bases; Vb1b2 es igual a cero, y cualquier tensión en el emisor provocará la conducción en el transistor monounión desde el emisor hasta la base 1. Por el contrario, estando las dos bases a diferente potencial, Vb1b2 es mayor que cero;


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puede aumentarse la tensión en el emisor hasta aproximadamente el 60 % de Vblb2, y en Resumen Preguntas de repaso 1.

ie control de motores elctricos

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