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Automatismos Eléctricos Industriales 3 - IES Fr. Martín Sarmiento – Dpto. de Electricidad
Tipo: Guías, Proyectos, Investigaciones
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La energía eléctrica, puesta a disposición de industriales o de particulares a través de una red de distribución, no puede estar conectada permanentemente a un conjunto de receptores. Es pues necesario emplear sistemas de conmutación de potencia que permitan el transporte o la interrupción de la energía eléctrica procedente de la red, hacia los receptores. Estos son los interruptores, disyuntores y sobre todo los contactores que, aseguran esta función llamada «mando de potencia».
En la mayoría de los casos, para facilitar la utilización así como el trabajo del operador que se encuentra a menudo alejado de los órganos de conmutación de potencia, es preciso recurrir al mando a distancia. El cambio se realiza a través de un sistema motor, accionado por auxiliares de mando (pulsadores por ejemplo) que sustituye la acción manual del operador.
El contactor, gracias a su electroimán tiene la función de mando o de control a distancia. Esta última implica a menudo un informe de la acción realizada, bien por visualización con ayuda de un piloto luminoso o por mando automático de un segundo aparato. Los circuitos eléctricos complementarios llamados «circuitos de mando automático» están realizados con la ayuda de contactos incorporados en el contactor. Los contactores son hoy en día los aparatos que sustituyen a los interruptores de cuchillas y de palanca (en desuso). Su ventaja es el gobierno a distancia con muy poco consumo y mediante cualquiera de los elementos de mando y control (pulsadores, termostatos, presostatos, finales de carrera, etc.).
Un contactor es un dispositivo similar a un relé electromagnético convencional, utilizado para el control de cargas de elevada potencia.
Podemos definir el contactor como el mecanismo electromagnético capaz de cerrar un circuito mediante el suministro de una señal eléctrica y abrirlo de nuevo al cesar ésta (funcionamiento todo o nada).
El contactor es un mecanismo electromagnético y por tanto tendrá:
Fig. 2.1 CONSTITUCIÓN DE UN CONTACTOR
Fig. 1.1 CONTACTOR ELECTROMAGNÉTICO
El contactor:
es robusto y fiable porque no encierra ningún mecanismo delicado ; se adapta fácil y rápidamente a la tensión de alimentación del circuito de mando (red o fuente independiente); asegura durante una interrupción momentánea de corriente, la seguridad del personal contra los arranques intempestivos (mediante un mando por pulsadores de impulsión). facilita la repartición de los puestos de parada de emergencia y los enclavamientos impidiendo la puesta en marcha de la máquina si no son tomadas todas las precauciones; protege al receptor contra las caídas de tensión importantes (apertura instantánea por debajo de una tensión mínima) ; se presta a la concepción de equipos de automatismos simples o complejos.
En el circuito de mando se encuentran las bobinas de los contactores (principales y auxiliares).
Fig. 6.1 BOBINA DEL CONTACTOR
Inicialmente la tensión nominal de activado de los contactores, o la que se escoja por motivos de seguridad, es la que decide el valor de la tensión de alimentación de todo el circuito de mando. Fig.
En la Fig. 6.2 se muestran las tensiones más frecuentes de activado de contactores.
∼ 50-60 Hz 24 32 42 48 110 115 120 127 208 220 230 240 277 380 400 415 440 450 500
U
Fig. 6.2 TENSIONES DE ACTIVADO DE LOS CONTACTORES
La potencia de una bobina (llamada consumo medio) tiene siempre un valor pequeño, pero hay que tenerlo en cuenta cuando existan muchos contactores y la tensión de mando proviene de un transformador.
Ejemplo:
La bobina LX1-D09220 de la marca Telemecánica para 50-60 Hz tiene de características:
Cualquier contactor está provisto de: Fig. 7.
contactos principales o polos (si se trata de un contactor principal). Estos contactos son los que conmutan la carga (motores, resistencias...). Figuran en el esquema principal.
contactos auxiliares de diversos tipos. Los contactos auxiliares conmutan elementos del circuito de mando, tales como señalización, alarmas, bobinas de contadores..., y realizan funciones de enclavamiento,
temporización, etc. Figuran en el esquema de fuerza (potencia).
CONTACTOS
PRINCIPALES
CONTACTOS
AUXILIARES Fig. 7.1 Contactos de un contactor
Marcado de bobinas de mando
Los bornes de las bobinas de mando se marcan con una letra (A o B) seguida de un número de borne. Los bornes de aparatos con un único devanado se marcan como A1 y A2. Aquellos que incorporan dos devanados, como A1 y A2 para el primero y B1 y B2 para el segundo. Fig. 7.
Fig. 7.2 IDENTIFICACIÓN DE LOS TERMINALES DE MANDOS ELECTROMAGNÉTICOS
Marcado de contactos principales
Para marcar los bornes de los contactos principales, incluidos los de los relés térmicos, utilizamos una única cifra de 1 a 4 en equipos bipolares, de 1 a 6 en aparatos tripolares o de 1 a 8 en tetrapolares. El borne de entrada se marca con un número impar y el de salida con el número par inmediatamente superior. Fig. 7.
Fig. 7.3 MARCADO DE CONTACTOS PRINCIPALES
Marcado de contactos auxiliares
Los contactos auxiliares de los contadores y los contactos de los auxiliares de mando (pulsadores, relés, interruptores, finales de carrera, etc.) se marcan con dos cifras que indican: Fig. 7.
a b Fig. 7.
En la actualidad se tiende a construir los contactores principales en dos bloques:
En la Fig. 7.7 tenemos dos ejemplos de disposición de ambos bloques, junto a los tres esquemas más frecuentes de un bloque base tripolar.
Fig. 7.7 Fig. 7.
Indicamos en la Fig. 7.8 algunos tipos de bloques suplementarios. El número de orden de sus contactos comienza por el número 5 por razones de uniformidad, ya que también pueden acoplarse a contactores auxiliares de cuatro contactos. En algunos modelos, esta numeración puede arrancar del número 1.
Ya hemos definido el activado del contactor como la puesta en tensión de su bobina, con el consiguiente cierre de sus contactos. La Fig. 6.2 recoge las tensiones habituales de activado, siendo la de 230 V en corriente alterna la más habitual.
Un contactor con bobina para 230 V ¿a qué valor de tensión cierran sus contactos?. Es interesante este dato, ya que una disminución del valor de ésta puede provocar la desconexión y parada de los motores conmutados.
Las actuales normas establecen que un contador activado a una tensión de valor 0,85·Un (siendo Un la nominal) debe tener ya sus contactos cerrados y con buena presión.
Si la tensión desciende a partir de ese valor, aunque lo haga lentamente, deberá llegar un momento en el que la desconexión sea total y prácticamente instantánea.
Una escasa presión entre los contactos atravesados por la corriente provoca calentamientos, chispas y su desgaste prematuro.
Asimismo, un contactor deberá poder soportar permanentemente una tensión de valor 1,1·Un aplicada a su bobina.
Se sitúa en 0,4·Un el valor de total desconexión y en 0,85· Un el de total conexión ( Fig. 8.1 ).
Fig. 8.
En un contactor con bobina a 230 V, esos valores son de 92 V y 195 V, respectivamente.
El tiempo de activado ( ta ) de un contactor se define como el tiempo que transcurre entre el instante de aplicación de tensión a la bobina y el cierre de sus contactos.
El tiempo de desactivado td se define, asimismo, como el transcurrido entre el corte de la tensión y la apertura de los contactos.
El tiempo ta depende -en corriente alterna- del punto de la onda senoidal en el que se realiza la conexión. El tiempo td depende de la fuerza del resorte interno.
En cualquier caso, estos tiempos son muy pequeños y no superan las 25 milésimas de segundo en contadores de Ie (AC3) ≤ 65 A.
Para dejar activado un contactor, el cierre del circuito de la bobina ha de realizarse con un interruptor que mantenga de modo estable esta posición. Un simple interruptor manual u otro contacto con posición de cierre estable son suficientes ( Fig. 8.2 ).
Si quiere activar un contactos por medio del cierre breve de un contacto (o "impulso") el sistema más simple consiste en emplear una pareja de pulsadores. Fig. 8..
Fig. 8.
Para realizar tal tipo de activado es preciso que el contactor esté provisto de un contacto auxiliar NA, que cierre y abra solidariamente con sus contactos principales. La práctica totalidad de los contadores cuenta con dicho contacto auxiliar, cuyos bornes se numeran con 13- 14 ( Fig. 8.4 ).
Fig. 8.
Fig. 8.
En otros casos, el contactos tiene dos contactos auxiliares, que pueden ser:
según convenga al circuito.
A veces, interesa que un contactor permanezca activado (contactos cerrados) a pesar de haber desaparecido la tensión en la bobina. Un sistema como éste evita el consumo eléctrico de la bobina y protege contra desconexiones no deseadas cuando hay cortes esporádicos en la tensión de activado. Conseguimos este efecto acoplando al contactos un bloque de retención mecánica , cuya disposición y esquema recoge la Fig. 8.. Un simple impulso al pulsador S1 deja el contactor activado y bloqueado en dicha posición. Otro impulso al pulsador S2 actúa sobre la bobina E1- E del bloque de retención, que lo libera y desactiva el contactor ( Fig. 8.9 ).
Fig. 8.
Un pequeño contacto interno de dicho bloque evita que su bobina pueda recibir tensión innecesariamente, cuando el contactor está desactivado.
Los bloques de retención tienen los mismos valores de tensión de activado que los contactores ( Fig. 6.2 ).
Sin embargo, y por exigencias del circuito, pueden tener valores diferentes, como en el ejemplo de la Fig. 8.. El pulsado de S1 arranca el motor, y el pulsado del S2 lo detiene.
Fig. 8.
Fig. 8.
También podemos obtener el activado permanente de un contador, tras un breve impulso de tensión a su bobina, utilizando el sistema de retención magnética (Fig. 8.11 ).
En este tipo de contactos la bobina es doble y tiene tres bornas:
Un breve impulso de corriente continua o alterna, deja el núcleo magnetizado permanentemente y el contador activado. Otro impulso en la borna opuesta, lo desactiva.
Puede realizarse esta operación manualmente con una pareja de pulsadores S1 y S2 ( Fig. 8.12 ).
Fig. 8.12 CONTACTORES DE RETENCIÓN MAGNÉTICA. ACTIVADO Y REACTIVADO
Los contactores con retención magnética tienen ciertas ventajas, tales como:
Sus peculiaridades constructivas los hacen prácticos en tamaños medianos y grandes.
La norma IEC 60947 define las características eléctricas y mecánicas de los contactores. Están sacadas de la norma IEC 60947, fascículo 1.
Tensión asignada de empleo (Ue). Tensión para la cual los polos trabajan en óptimas condiciones. La tensión asignada de empleo de un material es un valor que, al combinarse con la corriente asignada de empleo, determina el empleo del material y el valor que toman como referencia los correspondientes ensayos y la categoría de empleo. Para materiales unipolares, la tensión asignada de empleo suele expresarse por la tensión a través del polo y para materiales multipolares, por la tensión entre fases.
Tensión asignada de aislamiento (Ui) Es la máxima tensión que son capaces de soportar los polos sin que aparezcan problemas de aislamiento. Es el valor de tensión que sirve como referencia en los ensayos dieléctricos y para las líneas de fuga. El valor más elevado de la tensión asignada de empleo en ningún caso debe sobrepasar el de la tensión asignada de aislamiento.
Tensión asignada de resistencia a los choques (Uimp) Valor de cresta de una tensión de choque, de forma y polaridad prescritas, que debe poder soportar el material sin que se produzca una descarga eléctrica, en unas condiciones de ensayo específicas, y que sirve como referencia para los valores de las distancias de aislamiento. La tensión asignada de resistencia a los choques de un material debe ser igual o superior a los valores fijados para las sobretensiones transitorias que aparecen en el circuito donde está colocado dicho material.
Corriente asignada de empleo (Ie) o potencias asignadas de empleo Es la corriente nominal máxima del receptor que el contactor puede establecer, soportar e interrumpir en unas condiciones de utilización definidas, sin recalentamiento excesivo ni desgaste exagerado de los contactos (máxima intensidad aconsejable para que conmute).
Fig. 8.
Poder asignado de corte (desconexión) Ico (Id) Intensidad en el momento de la desconexión del contactor. El poder asignado de corte de un material es un valor de corriente, fijado por el fabricante, que el material puede cortar satisfactoriamente en unas condiciones de corte específicas. Se expresa por el valor eficaz de la corriente que el contactor puede interrumpir con una tensión de empleo determinada, sin emisión excesiva de llamas hacia el exterior de las cámaras apagachispas, sin arco permanente, sin cebado entre fases o entre fase y masa. De otra forma, es la intensidad máxima que puede soportar un contactor en el momento del corte.
Las condiciones de corte que deben especificarse son:
El poder asignado de corte se expresa en función de la tensión asignada de empleo y de la corriente asignada de empleo.
Durabilidad mecánica En cuanto a la resistencia al desgaste mecánico, un material se caracteriza por el número, indicado en la correspondiente norma de material, de ciclos de maniobras en vacío (es decir, sin corriente en los principales contactos) que debe poder efectuar el material sin que sea necesario revisarlo o cambiar piezas mecánicas; no obstante, puede admitirse un mantenimiento normal según las instrucciones del fabricante para materiales diseñados para ser mantenidos. Cada ciclo de maniobras consiste en una maniobra de cierre seguida de una maniobra de apertura.
Durabilidad eléctrica En cuanto a su resistencia al desgaste eléctrico, un material se caracteriza por el número de ciclos de maniobras en carga que es capaz de efectuar sin reparaciones ni cambios de piezas, en las condiciones de servicio indicadas en la correspondiente norma
Fig. 9.3 CARACTERÍSTICAS DE UN CONTACTOR.
Como la elección de un contactor principal se escapa del objetivo de este tema, que es la de exponer los aspectos generales, función y funcionamiento, solamente indicaremos los elementos a tener en cuenta para su elección.
Existen contactores de muy diversos tamaños para conmutar la amplia gama de potencias de los motores y de los receptores eléctricos en general.
Una característica importante para la elección del contactor para un receptor eléctrico es la naturaleza de éste y su modo de ser conmutado. Lo explicamos a continuación.
Los contactos de un contactor soportan:
Resulta, entonces, que un contactor puede conectar y desconectar un receptor de determinada intensidad nominal, en diversas circunstancias. La categoría de empleo del contactor los define.
Para una mejor comprensión de las categorías de empleo de un contactor, definiremos diez tamaños de contadores, con la denominación de la Fig. 11.1. Las características que iremos definiendo de cada uno ellos serán similares a las que podemos encontrar en los catálogos de diversos fabricantes.
Fig. 11.1 ejemplo de una denominación de contactores de un fabricante X
En esta categoría no hay punta de intensidad al establecimiento. En el corte, la intensidad es la nominal. Fig. 11..
Iestablecimiento = In Icorte = In
En esta categoría de empleo, la única limitación es la impuesta por la temperatura alcanzada por los contactos. Por ello, la temperatura ambiente ha de ser tenida en cuenta.
La Fig. 11.5 recoge la intensidad nominal máxima de los receptores resistivos que puede conmutar la serie K definida anteriormente. Se proporcionan dichos valores para dos temperaturas ambientales diferentes.
Ejemplo:
Resistencias de calefacción conmutadas por contactor. Potencia: 16 kW. Tensión: 400 V.
Solución:
El contactor trabaja en categoría de empleo AC1.
ϕ
De la figura anterior escogemos el contactos K18 (32 A) si la temperatura no rebasa los 55 ºC o el K25 (28 A) si puede alcanzar los 75 ºC.
Para los valores de intensidad de la figura anterior, cada contactor tiene una durabilidad determinada, es decir, un número de maniobras (conexión + desconexión) que soportan sus contactos sin que deban ser cambiados. Una cifra muy frecuente es la de un millón de maniobras.
Si un contactor trabaja en categoría AC1 con una carga de intensidad inferior a la máxima de empleo, su durabilidad aumenta.
De la Fig. 11.6 se puede obtener la nueva durabilidad en esta circunstancia.
Fig. 11.6 DURABILIDAD DE LOS CONTACTORES EN CATEGORIA DE EMPLEO AC1. TEMPERATURA ≤≤≤≤ 55 ºC
Fig. 11.
Fig. 11.
Ejemplo:
Durabilidad previsible para un contador K25 que trabaja en AC1 con un consumo de 20 A.
Solución:
De la figura anterior obtenemos la cifra de 5 millones de maniobras.
La categoría de empleo en AC2 es aplicable a los motores de rotor bobinado, y podemos considerarla una variante de la AC3. En dicha categoría la corriente de establecimiento y la de corte se sitúan ambas en el mismo valor de 2,5 In.
Resulta adecuado para ambos el K32, que va a permitir del orden de dos millones de maniobras.
Un contactor trabaja en esta categoría de empleo cuando conmuta motores trifásicos y éstos llegan a estabilizar su velocidad de régimen.
En estas condiciones, el contactor tiene por intensidad de establecimiento la de arranque del motor y por intensidad de corte, la nominal del motor. Fig. 11.
Iestablecimiento = Ia Icorte = In
Fig. 11.
En categoría AC3, la punta de intensidad que sufren los contactos del contactos Limita los valores de la intensidad nominal del motor a conmutar.
La intensidad de empleo de un contactor en categoría AC3 es su dato más característico y el que define su calibre.
En la serie de contadores K definida, la cifra adjunta es precisamente dicha intensidad. El contactos, por ejemplo K32, tiene una Ie (AC3) = 32 A.
Para escoger el contactor que va a trabajar en categoría AC3 basta con conocer la intensidad nominal del motor In, y escoger uno que verifique que Ie (AC3) ≥ In.
Ejemplo:
Sea un motor de características: 30 kW, 1460 rpm., 55 A, cos ϕ=0’87. Tras su período de arranque directo, trabaja cierto tiempo a su carga nominal antes de ser desconectado. El contactor a colocar trabaja, evidentemente, en categoría AC3.
El motor tiene una intensidad nominal de 55 A. Escogeremos un contador K65.
También en categoría AC3, los contadores tienen su propia gráfica de durabilidad. Ésta nos permite conocer su número previsible de maniobras cuando trabajan a su intensidad nominal de empleo, o a otras inferiores ( Fig.
