1.- INTRODUCCIÓN
2.– ELEMENTOS DE CIRCUITOS DE CONMUTACIÓN CON RELES.
2.1.-CONTACTORES.
2.2.-EL RELE
2.2.1. Definición.
2.2.2..-Funcionamiento del relé.
2.2.3.-Tipos de relés.
2.3. MAGNETOTÉRMICOS.
2.4. RELÉS TÉRMICOS.
2.5 INTERRUPTOR DIFERENCIAL
2.6 EL RELÉ REED.
2.7. RELÉS O INTERRUPTORES ELECTRÓNICOS. APLICACIONES.
2.7.1. El tiristor o SCR.
2.7.2. El Triac
3. APLICACIONES Y CIRCUITOS TIPICOS DE POTENCIA Y CONTROL DE MOTORES.
3.1.-APLICACIONES DE CIRCUITOS CON RELÉS ELECTROMAGNÉTICOS.
3.1.1. Relé inversor de giro en motor de continua.
3.1.2. Relé enclavado.
3.1.3 .Arranque directo de un motor trifásico de rotor en circuito.
3.1.4. Inversor del sentido de giro de un motor trifásico.
3.1.5. Arranque estrella triángulo de un motor trifásico de rotor en cortocircuito.
3.1.6. Arranque con autotransformador.
3.1.7. Arranque mediante resistencias estatóricas
3.1.8. Conexión Dahlander.
3.1.9. Arranque directo de un motor de corriente continua con excitación
3.2.- APLICACIONES DE CIRCUITOS CON RELÉS ELECTRÓNICOS.
3.2.1.- Marcha e inversión del sentido de giro de un motor trifásico.
3.2.2.- Circuitos de potencia para el control de velocidades en motores de corriente continua.
4.-CONCLUSION
Bibliografía
− Electrónica industrial, dispositivos, equipos y sistemas para procesos y comunicaciones industriales. Paraninfo.
− Motores eléctricos. Automatismos de control. Paraninfo.
− Electrotecnia. Paraninfo.
1.- INTRODUCCIÓN
El hombre al principio de sus orígenes ha trabajado de forma manual pero con el paso del tiempo ha intentado automatizar los procesos de trabajo y es actualmente cuando más se ha desarrollado el control programado y los autómatas incluyendo los relés como elementos de control de potencia.
El relé y el contactor como variante de gran potencia, no han podido ser sustituidos todavía en multitud de aplicaciones dadas sus características de robustez, seguridad eléctrica, funcionamiento en ambientes hostiles y capacidad de manejo de grandes potencias eléctricas tanto en la conexión como en la desconexión de motores y otros receptores.
Además no podemos olvidar el papel que el relé electromagnético y el contactor desempeñan en un sistema de control de elementos actuadores o de salida de autómatas programables por ejemplo. Si bien es cierto que en la parte de mando o control, la lógica cableada, es sustituida cada vez más por el control programado, cuando entra en juego el manejo de grandes potencias es la robustez del contactor el que no puede ser sustituido en muchas aplicaciones.
2.- ELEMENTOS DE CIRCUITOS DE CONMUTACIÓN CON RELES.
2.1.-CONTACTORES.
El contactor es un aparato mecánico de conexión y desconexión eléctrica accionado por cualquier forma de energía excepto la manual, capaz de establecer e interrumpir el circuito incluso en sobrecarga. El
accionamiento puede ser neumático, mecánico, etc.
Es un aparato mecánico de conexión accionado por un electroimán que funciona en todo o nada. Cuando la bobina del electroimán es alimentada el contactor cierra el circuito entre la alimentación y el receptor. Los contactos se pueden mover por traslación de las partes paralelas fijas o por rotación sobre un eje. Cuando la bobina no tiene corriente los contactos vuelven a su posición natural ya sen normalmente cerrados o normalmente abiertos.
El contactor tiene la ventaja de controlar grandes corrientes activadas por intensidades pequeñas, funcionan tanto en régimen permanente o intermitente y sirven de mando a distancia con la ayuda de conductores de pequeña sección.
Consta de 3 partes, el electroimán, los polos y los contactos auxiliares.
El electroimán es el elemento motor del contactor y está formado por un circuito magnético y una bobina. Los polos activan o interrumpen el paso de la corriente por el circuito de potencia. Lleva una parte fija y otra móvil, y deben aguantar tanto el arco eléctrico como la resistencia mecánica.
Los contactos auxiliares se encargan de asegurar la alimentación, los mandos y enclavamiento en los contactores. Los contactos auxiliares pueden ser de varios tipos, como normalmente abierto, normalmente cerrado, NA+NC o temporizados.
En definitiva el relé se basa en el funcionamiento de un contactor pero el contactor se usa como interruptor automático en corrientes y tensiones altas abriendo o cerrando circuitos que hacen otras funciones.
2.2.-EL RELE
2.2.1. Definición.
Un relé es un interruptor electromagnético accionado por un electroimán. El relé puede tener uno o más contactos conmutados de modo que puede actuar sobre la apertura y el cierre de uno o más circuitos. El siguiente esquema representa la constitución del relé y su símbolo. Su constitución lleva una bobina, un núcleo de material ferromagnético, pivote, armadura y contactos NA y NC.
Su dibujo es este
Sus símbolos son, relé de un circuito o de dos circuitos.
El relé consta de dos partes diferenciadas montadas sobre un chasis de material plástico. Lleva una bobina de cobre que se conecta al circuito de mando y los contactos común y normalmente abiertos o cerrados que hacen la función de interruptor o conmutador del relé sobre el circuito de trabajo o potencia.
Dependiendo si trabajamos en corriente alterna o continua con la bobina, esta debe ser de un material u otro. En continua la oposición a la corriente se debe a la resistencia óhmica y en la alterna se debe tanto a la resistencia óhmica como a la reactancia. De ahí que en corriente continua la bobina es de muchas espiras finas y en alterna de pocas y mas gruesas.
En los contactos dada su función de apertura y cierre en tensión elevada, deben reunir unos requisitos como alta conductividad térmica y eléctrica, débil tendencia as soldarse, alta resistencia a la erosión y gran resistencia mecánica.
En los contactos hay que tener cuidado en lo rebotes, el desgaste y la soldadura, por ello deben ser de un material que aguante estas características y se fabrican en aleaciones de plata y cadmio o platinio e iridio. Se hacen en forma convexa para mejorar el contacto y evitar el arco eléctrico.
2.2.2..-Funcionamiento del relé.
El funcionamiento consiste en que la bobina se alimenta con tensión alterna o continua dependiendo del nivel de potencia con el que se trabaja. La corriente que pasa por la bobina hace que aparezca sobre el núcleo una fuerza magnetomotriz, y esta fuerza genera un flujo magnético que genera una inducción magnética que hace que aparezca la fuerza magnética de atracción sobre la armadura que hace que se abran o cierren los contactos asociados al relé.
2.2.3.-Tipos de relés.
Los relés según su funcionamiento pueden ser de 5 tipos.
1. Térmicos, que se basan en la acción ejercida por la deformación de una lámina bimetálica recorrida por la corriente eléctrica.
2. Electrodinámicos, que se basan en la acción de 2 campos magnéticos inducido por 2 bobinas, una móvil y otra fija.
3. Electromagnéticos, basados en la fuerza de atracción de piezas magnéticas que mueven las piezas en función de la reluctancia.
4. De inducción, basados en campos magnéticos alternos desfasados.
5. Electrónicos, de constitución electrónica utilizando tiristores y triacs.
2.3. Magnetotérmicos.
Los magnetotérmicos protegen los motores de corriente alterna o continua contra sobrecargas. Llevan 2 sistemas de protección, uno térmico y otro magnético.
La protección térmica está formada por un bimetal a través del cual pasa la corriente del circuito y protege de sobrecargas cuando se supera.
La protección magnética protege de cortocircuitos y lleva una bobina arrollada a un núcleo que se desplaza cuando se excita la bobina. Los valores nominales de intensidad suelen ser de 10, 15, 20 y 25
Amperios.
Un motor se protege ante un cortocircuito y por sobrecargas cuando la intensidad es mayor que la soportada por el magnetotérmico.
2.4. Relés térmicos.
Los relés térmicos se usan en corriente alterna o continua y sirven para asegurar una protección térmica contra las sobrecargas pequeñas en base al calor producido por efecto Joule. Donde una corriente al pasar por un conductor seccionado por una corriente determinada puede dar lugar a un calentamiento del conductor cuando circula una corriente mayor. De ahí que se use en motores para protegerlos de sobrecalentamientos y éstos no se pueden rearmar hasta que no se enfríen lo bimetales que se mueven por el efecto del calor.
Su funcionamiento se basa en que el relé actúa con una intensidad mayor donde los bimetales se deforman y accionan un dispositivo diferencial cuyo desplazamiento lateral o vertical provoca la rotación de una leva activando el disparo.
2.5 Interruptor diferencial
El interruptor diferencial se emplea como protección contra los contactos indirectos asociado a la puesta a tierra de las masas.
El interruptor diferencial monofásico lleva 2 bobinas colocadas en serie con los conductores de corriente y que producen un campo magnético opuesto así como un núcleo o armadura que mediante un dispositivo mecánico puede accionar unos contactos.
Cuando hay una diferencia de corriente en el circuito el campo magnético no es nulo y se produce la apertura de los contactos, cortando el paso de la corriente hacia la carga. Para ponerlo en marcha hay que volver a rearmarlo. La sensibilidad del diferencial la marca la intensidad que provoca la apertura y pueden ser de alta sensibilidad con 10 miliamperios a baja sensibilidad con 0.5 miliamperios. El tiempo de respuesta es de milisegundos protegiendo así a las personas y cosas.
2.6 El relé Reed.
Está formado por una ampolla de vidrio con nitrógeno e hidrógeno, en cuyo interior hay unos contactos montados sobre delgadas láminas metálicas. Dichos contactos se cierran por medio de la excitación de una bobina que está situada alrededor de la ampolla.
El accionamiento del relé se puede hacer por bobina o imán permanente.
2.7. Relés o interruptores electrónicos. Aplicaciones.
Estos relés también actúan de la misma manera que el relé electromagnético pero su constitución es distinta. No llevan partes móviles y están hechos de una sola pieza con varios terminales. Ejemplos de ellos son los triac y los tiristores que trabajan como todo o nada en un circuito de control.
Los relés electrónicos más empleados son el tiristor y el triac.
2.7.1. El tiristor o SCR.
Es un semiconductor de silicio formado por cuatro capas de material semiconductor con estructura PNPN o bien NPNP. Sus siglas en inglés son SCR. Su símbolo es como el diodo y del cátodo sale la puerta. Su símbolo es el siguiente:
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Un tiristor posee tres conexiones: ánodo, cátodo y puerta. La puerta es la encargada de controlar el paso de corriente entre el ánodo y el cátodo. Funciona básicamente como un diodo rectificador controlado, permitiendo circular la corriente en un solo sentido. Mientras no se aplique ninguna tensión en la puerta del tiristor no se inicia la conducción y en el instante en que se aplique dicha tensión, el tiristor comienza a conducir. Una vez arrancado, podemos anular la tensión de puerta y el tiristor continuará conduciendo hasta que la corriente de carga disminuya por debajo de la corriente de mantenimiento. Trabajando en corriente alterna el tiristor se desexcita en cada alternancia o ciclo.
Los tiristores se utilizan en aplicaciones de electrónica de potencia y de control. Podríamos decir que un tiristor funciona como un interruptor electrónico.
Las aplicaciones del tiristor pueden ser muy variadas, pero cualquier circuito está basado en un circuito elemental de potencia y otro de mando donde se dispara o se mantiene cebado al tiristor.
2.7.2. El Triac
Un Triac es un dispositivo semiconductor, de la familia de los tiristores . La diferencia con un tiristor convencional es que éste es unidireccional y el triac es bidireccional. De forma coloquial podría decirse que el triac es un interruptor capaz de conmutar la corriente alterna.
Su estructura interna se asemeja en cierto modo a la disposición que formarían dos tiristores en antiparalelo. Su símbolo es el siguiente:
Posee tres electrodos: A1, A2 y puerta o compuerta. El disparo del triac se realiza aplicando una corriente al electrodo puerta.
Las aplicaciones más comunes es que su versatilidad lo hace ideal para el control de corrientes alternas. Una de ellas es su utilización como interruptor estático ofreciendo muchas ventajas sobre los interruptores mecánicos convencionales.
3. APLICACIONES Y CIRCUITOS TIPICOS DE POTENCIA Y CONTROL DE MOTORES.
3.1.-Aplicaciones de circuitos con relés electromagnéticos.
3.1.1. Relé inversor de giro en motor de continua.
En este apartado podemos considerar 2 partes, donde en una es trata el relé como circuito de control en el aula taller a nivel de los proyectos típicos con los alumnos de la ESO y otra parte como función de contactor como elemento de control en las aplicaciones industriales en sus facetas de potencia y mando de motores.
El relé como operador electromagnético que se utiliza en el aula utiliza tensiones entre 6 y 24 voltios y con más o menos contactos para diversas conexiones a los circuitos de trabajo. Podemos utilizar el relé como interruptor pero también como inversor de giro de un motor de corriente continua y además si incorporamos unos finales de carrera nos sirve para un montacargas.
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El circuito del motor como inversor de giro es el siguiente y lleva 2 pilas, un relé de 3 circuitos, un interruptor y un motor.
Cuando actúa la bobina cambia los contactos e invierte el sentido de giro del motor.
3.1.2. Relé enclavado.
En el circuito anterior cuando deja de pasar corriente por la bobina al soltar el pulsador, los contactos vuelven a su posición original, pero si conseguimos retroalimentar la bobina cuando se conecta por primera vez, podemos dejar enclavado el relé. Para enclavar un relé podemos usar un relé de 3 circuitos como el del esquema siguiente, con un pulsador NormalmenteAbierto y otro Normalmente Cerrado.
El primer circuito enclava el relé y los otros dos se encargan del cambio del sentido de giro.
A continuación paso a describir los circuitos como elemento de control en aplicaciones industriales como potencia y mando.
3.1.3 .Arranque directo de un motor trifásico de rotor en circuito.
Colocando el pulsador de parada normalmente cerrado antes del pulsador de marcha y al estar en paralelo los contactos del relé, se puede enclavar el relé actuando el motor sin parar hasta que pulsemos el de parada.
Un circuito típico de arrancar y parar un motor puede seguir el siguiente esquema.
El circuito de potencia lleva de la línea de fases R, S y T al circuito de mando contactos de fuerza del contactor, contacto del relé térmico y motor
El circuito de mando está formado por, fusible F1, el relé térmico F2 cerrado, el pulsador de paro S1 cerrado, el de marcha S2 abierto, el contacto KM1 abierto paralelo con S2 y la bobina del contactor. Cuando se pulsa S2 se pone en marcha el motor y alimenta el relé enclavandolo con lo que paramos con S1.
El circuito de mando y potencia dibujado es este
Este método se hace en motores de pequeña potencia e inviable en motores grandes por la gran cantidad de corriente que se necesita para el arranque.
3.1.4. Inversor del sentido de giro de un motor trifásico.
Para invertir el sentido de giro hay que intercalar 2 de las 3 fases y se puede invertir instantáneamente frenándose por contracorriente o parando el motor e invirtiendo el sentido después.
El circuito de potencia está formado por las 3 fases R, S y T, de cada fase sale una línea y cada línea lleva magnetotérmico en cada fase+ 3 contactores KM1 abiertos + relé térmico que coge las 3 fases+ el motor con U, V y W., pero en paralelo al KM1 esta el KM2 pero cambiando fases.
El circuito de mando sale de la línea L1 y llegará hasta Neutro y consta de: fusible F1 + relé térmico F2 cerrado+ pulsador S1 cerrado + pulsadores S3 cerrado + pulsador S2 abierto + contactor KM2 cerrado y bobina del KM1 que llega a neutro, pero paralelo a S2 abierto está el contacto KM1 abierto. Después de S1 sale un ramal paralelo con S2 cerrado + S3 abierto + contactor KM1 cerrado + bobina KM2 y llega a neutro, pero paralelo a S3 abierto, está el contacto KM2 abierto.
La marcha a derechas la efectúa un contactor y el otro sentido el otro contactor. Al pulsar sobre S2 se excita la bobina del contactor KM1 y se interrumpe el circuito de accionamiento del contactor KM2 mediante el contacto asociado.
Al accionar la bobina del contactor KM1 cierra los contactos principales y el contacto de autoalimentación y abre los contactos del enclavamiento eléctrico y evita que se pueda someter a tensión la bobina del contactor KM2. Para invertir el sentido de giro se acciona el pulsador S3 y para parar se acciona el S1. El circuito de mando y potencia es el siguiente:
3.1.5. Arranque estrella triángulo de un motor trifásico de rotor en cortocircuito.
Este tipo de arranque se hace para reducir el voltaje de fase durante el arranque del motor para disminuir la corriente durante el arranque. El procedimiento es hacer la conexión en estrella del motor a la línea en el arranque y pasados unos segundos es conecta en triangulo siendo la forma normal de conexión del motor.
Para el arranque estrella triángulo se usan contactores temporizado que al arrancar conectan el motor en estrella y después pasan a triángulo.
Este arranque es muy utilizado porque no hay pérdidas de potencia en el arranque. La corriente de arranque y el par es un tercio del arranque directo. Este método se utiliza en motores preparados para trabajar en triángulo a la tensión de la red y no se puede elegir los valores de arranque.
Sus aplicaciones son para aquellas máquinas que en el arranque necesitan poco par en vacío como bombas centrífugas, ventiladores, etc.
3.1.6. Arranque con autotransformador.
Consiste en conectar el inductor del motor a la red utilizando un autotransformador donde en el arranque se aplica un bajo voltaje y se aumenta progresivamente hasta el régimen de trabajo. Este método permite elegir los valores de arranque y su precio es elevado.
3.1.7. Arranque mediante resistencias estatóricas
Este método consiste en insertar una serie de resistencias en serie con la bobina inductora de cada fase para disminuir la corriente durante el arranque donde por medio del relé se intercalan o no las resistencias. Tiene el inconveniente de no utilizar toda la potencia absorbida en el arranque ya que parte se consume en las resistencias, aunque en este tipo de arranque se pueden elegir las condiciones de arranque.
3.1.8. Conexión Dahlander.
Si tenemos un motor de inducción y variamos el número de polos al doble o la mitad se obtiene la mitad o el doble de velocidad respectivamente. Este es el principio de los motores de dos velocidades mediante arrollamientos separados o en conexión Dahlander. El relé hace la función de intercalar una u otra conexión.
3.1.9. Arranque directo de un motor de corriente continua con excitación
Cuando se arranca un motor de continua la intensidad que absorbe de la red es grande por no existir fuerza contraelectromotriz en los devanados del inducido. Esta intensidad puede hacer que se quemen las escobillas y el colector de delgas e incluso el propio devanado del inducido.
Para evitar este riesgo, se usan dispositivos especiales llamados arrancadores que además de favorecer el creciente aumento de la fuerza contraelectromotriz sirven para acelerar y regular la velocidad de giro del motor. En el proceso de arranque lo que interesa es reducir la intensidad que circula por el inducido al tiempo que el motor coge velocidad de régimen. La manera de reducir la tensión aplicada al inducido puede obtenerse mediante resistencias intercaladas entre la red de alimentación y el inducido, ya sea por grupos rotativos especiales, por variadores de tensión o con tiristores y transistores.
3.2.- APLICACIONES DE CIRCUITOS CON RELÉS ELECTRÓNICOS.
Los tiristores y los triacs sustituyen a los relés y contactores convencionales debido a las ventajas siguientes: rapidez de respuesta, menor tamaño y ausencia de chispa entre contactos.
A continuación explico 2 tipos de circuitos.
3.2.1.- Marcha e inversión del sentido de giro de un motor trifásico.
Los circuitos que utilizan tiristores y triacs como relés estáticos suelen adoptar una disposición como la siguiente, donde un sensor o interruptor activa el circuito de disparo y este actúa sobre el elemento de control de potencia y éste sobre la carga.
El interruptor de control, ya sea triac o tiristor, hace la función de contactor permitiendo la conexión de la carga a la red. Está gobernado por un circuito de disparo y éste a su vez está controlado por un interruptor manual o un sensor si se quiere hacer el proceso de forma automática.
3.2.2.- Circuitos de potencia para el control de velocidades en motores de corriente continua.
En un motor de corriente continua el inductor se aloja en el estator y el inducido en el rotor, y para regular las velocidades se puede utilizar dos formas, ya sea variando el flujo manteniendo constante la tensión del inducido o viceversa. Y para regular el sentido de giro se tiene 2 formas, como invertir el sentido del flujo o invertir el sentido de la tensión aplicada al inducido, que se consigue variando el sentido de la corriente en la excitación o en el inducido.
Hay dos circuitos para controlar la velocidad en los motores de corriente continua, de modo que para variar el flujo se utilizan 2 cuadrantes inducido y 4 en inductor y para variar la tensión 4 cuadrantes de inducido y el inductor sin excitación.
4.-CONCLUSION
Se han visto los circuitos mas representativos así como lo elementos que los constituyen destacando que los relés tanto electromagnéticos como electrónicos son ampliamente utilizados.