Tema 59 - Circuitos de conmutación con relés

Tema 59 – Circuitos de conmutación con relés

1 INTRODUCCIÓN……………………………………………………………………………………………………………………………. 1

2 relés. tipos clásicos…………………………………………………………………………………………………………….. 1

2.1 Relés electromagnéticos………………………………………………………………………………………………………… 1

2.2 Contactores…………………………………………………………………………………………………………………………….. 1

2.3 Relés o relevadores electrónicos………………………………………………………………………………………….. 2

2.3.1 El Tyristor (o SCR)……………………………………………………………………………………………………………. 2

2.3.2 El Triac……………………………………………………………………………………………………………………………… 3

3 aplicaciones y c ircuitos típicos de potencia y controlde motores………… 3

3.1 Arranque e inversión de giro de motores por medio de contactores……………………………………… 3

3.1.1 Arranque directo de un motor trifásico…………………………………………………………………………….. 3

Inversión del sentido de giro de un motor trifásico…………………………………………………………………………. 3

3.1.3 Arranque estrella – triángulo de un motor trifásico…………………………………………………………. 4

3.1.4 Arranque directo e inverso de giro de un motor Shunt de corriente continua………………….. 4

3.2 Control de velocidad de motores por medio de Tyristores……………………………………………………. 5

3.2.1 Motores de corriente continua………………………………………………………………………………………….. 5

3.2.2 Motores de inducción………………………………………………………………………………………………………… 5

3.3 Circuitos de potencia para el control de velocidad en motores de c.c…………………………………. 5

3.3.1 Circuitos del convertidor trifásico de media onda y onda completa…………………………………. 5

3.3.2 Circuitos del convertidor de cuatro cuadrantes………………………………………………………………… 6

3.4 Circuitos de potencia para el control de la velocidad en motores de inducción…………………. 6

3.4.1 Circuitos de los reguladores de corriente alterna…………………………………………………………….. 6

3.4.2 Circuito de inversor autónomo ( o convertidor continua-alterna)……………………………………. 7

3.5 Circuitos de control……………………………………………………………………………………………………………….. 7

3.5.1 Control de fase………………………………………………………………………………………………………………….. 7

3.5.2 Circuito por UJT……………………………………………………………………………………………………………….. 8

3.5.3 Circuito transistorizado…………………………………………………………………………………………………….. 8

1 INTRODUCCIÓN

Los circuitos de conmutación son aquellos cuyas señales de salida pueden ser exclusivamente, activos (sí) o inactivos (no). A lo largo de este tema veremos los diferentes tipos de relés.

Cuando la electrónica no había alcanzado el apogeo actual, el relé era el aparato electromagnético, controlado a distancia, que cerraba o abría automáticamente unos contactos. Actualmente también nos referimos a sofisticados semiconductores que actúan del mismo modo.

Podemos clasificar los relés en dos ramas:

– Relés electromagnéticos.

– Relés o relevadores electrónicos.

2.2 Relés electromagnéticos

Son conmutadores que se accionan a distancia y que vuelven a su posición de reposo cuando las condiciones del circuito de que forman parte así lo determinen.

Están formados por:

– Electroimán: bobina arrollada sobre un núcleo magnético (chapas laminadas en c.a. o bloque de acero en c.c.). La parte móvil del electroimán se junta al núcleo cuando éste se magnetiza y, cuando cesa, vuelve a su posición.

– Bobina: su comportamiento y características dependen de si trabajan a corriente continua o alterna (en esta caso hay que considerar la reactancia inductiva de la bobina).

– Contactos: sometidos a máximo trabajo, deben reunir: gran conductividad eléctrica y térmica, gran resistencia al soldeo, resistencia a la corrosión, dureza, resistencia mecánica. Acciones que reúnen estas condiciones: Plata-Cadmio, Plata-Níquel, Platino-Iridio.

Su funcionamiento está basado en un electroimán que, al ser recorrido por corriente, pone en movimiento una parte móvil.

2.3 Contactores

Partes de un contactor:

– Contactos principales: realizan el cierre o apertura del circuito. Pueden ser unipolares, bipolares, tripolares y a su vez fijos o móviles. Se fabrican con materiales aleados: Plata-Cadmio, Plata-Paladio y Plata-Níquel.

– Contactos auxiliares: gobiernan el contactor y su señalización. Pueden estar abiertos o cerrados.

– Circuito electromagnético: para c.a o c.c. Consta de tres partes: núcleo, armadura y bobina. El núcleo, en forma de E lleva arrollada en su parte central una bobina que, al paso de corriente, genera un campo que atrae a la armadura (parte móvil), que al presionar los contactos, cierra los abiertos y abre los cerrados.

– Sistema de soplado: al abrir los contactos se da paso a la corriente, que pasa a través del aire ionizado, originándose mucho calor y desgastando por erosión a los contactos. Para reducirlo se emplean métodos como: soplado de aire a presión, soplado magnético, baño de aceite y cámaras desionizadoras.

– Soporte o estructura: caja de materiales aislantes, donde se fijan los contactos principales, auxiliares y el circuito. Al exterior solo salen los bornes de conexión del circuito de potencia y mando.

Son conmutadores mandados a distancia que vuelven a la posición de reposo cuando la fuerza de impulsión no actúa ya sobre ellos.

2.4 Relés o relevadores electrónicos

Carecen de partes móviles y contactos que pueden estar sujetos a desgastes o averías. Se trata de una estructura sólida cuyo funcionamiento está basado en las propiedades de varias uniones de semiconductores con diferente dopado. Los más empleados son: el tristor, el triac y el transistor.

2.4.1 El Tyristor (o SCR)

Semiconductor de Silicio formado por cuatro capas P y N dispuestas alternativamente.

Consta de 3 electrodos: cátodo (K), ánodo (A) y puerta (G).

Para establecer una corriente entre ánodo y cátodo existen dos formas:

– Aplicando una tensión elevada ánodo y cátodo.

– Aplicando en la puerta G, una intensidad de corriente. (Método más utilizado). Bastará con un impulso inicial de corta duración para que exista corriente.

Curvas características:

La curva del Tyrstor representa la corriente del ánodo, en función de la tensión ánodo-cátodo:

– Al crecer a tensión en sentido V_F, se alcanza valor máximo V_d que provoca el cebado; el Tyristor se hace conductor, cae la tensión ánodo-cátodo y aumenta la corriente.

– La aplicación de una corriente en la puerta desplaza el punto de disparo V_d.

– Polarizando el Tyristor inversamente se observa la existencia de una débil corriente de fuga I_R, hasta llegar a una tensión máxima que provoca la destrucción del elemento.

Como la unión puerta cátodo es PN, similar al diodo, la característica de puerta será igual a la de un diodo.

Características de puerta:

2.4.2 El Triac

En la curva vemos:

– El triac puede conducir en sentido directo I_F o inverso I_R.

– Los impulsos de encendido pueden ser tanto positivos como negativos.

Pertenece a la familia de los Tyristores, pero con la particularidad de ser bidireccional. Es un semiconductor de tres electrodos (uno de mando y dos de conducción). Se le puede considerar como una conexión antiparalelo de dos tyristores.

3 aplicaciones y c ircuitos típicos de potencia y controlde motores

3.2 Arranque e inversión de giro de motores por medio de contactores

3.2.1 Arranque directo de un motor trifásico

Circuito de potencia formado por:

– Fusibles

– Contactos de fuerza del contactor.

– Componentes bimetálicos del relé térmico.

Circuito de control (funcionamiento):

– Se pulsa sobre M

– Se excita la bobina del contactor C.

– Se cierran los contactos del c. potencia y c. control.

El motor recibe tensión y la bobina se autoalimenta.

3.2.2
Inversión del sentido de giro de un motor trifásico

Basta con invertir la conexión de dos fases cualquiera (con la conexión de dos contactores).

Es preciso, para invertir la marcha, detener antes el motor mediante el pulsador de paro (común a ambos).

3.2.3 Arranque estrella – triángulo de un motor trifásico

Esta conexión reduce el consumo elevado de potencia a 1/3 en la fase de arranque del motor. Consiste en conexionar en estrella un motor que debería conectarse en triángulo durante un tiempo (hasta que alcance el 75% de la velocidad nominal) a partir del cual se realizará su conexión normal a triángulo.

Se consigue con la ayuda de tres contactores:

– El contactor C₁ conecta el motor a la red.

– El contactor C₃, realiza la conexión en estrella.

– El contactor C₂ lo hace en triángulo.

– Para que el control sea automático a partir de un pulsador de marcha, necesitamos un temporizador T.

– Al activar M, entra C₁ y C₃ y T y el motor queda conectado en estrella.

– Esta conexión en estrella dura el tiempo ajustado en el temporizador T, al cabo del cual, cambia la posición y activa el contactor triángulo.

3.2.4 Arranque directo e inverso de giro de un motor Shunt de corriente continua

Arranque directo

– Cabe destacar los contactos cerrados de enclavamiento mutuo que tienen los dos contactores entre sí (fig 2) que cumplen la función de proteger de posibles cortocircuitos ante la activación de los dos contactores al mismo tiempo.

Arranque inverso

3.3 Control de velocidad de motores por medio de Tyristores

3.3.1 Motores de corriente continua

Ambos se alimentan en c.c. (con convertidor de dos cuadrantes)

– El inductor se aloja en el estator.

–

M = K₂ * f * I

El inducido en el rotor.

–

M = K₂ * V /f

El par M es proporcional al flujo del polo y a la corriente del inducido:

– La velocidad angular es proporcional a la tensión e inversamente proporcional al flujo:

Formas de control:

– Sobre la excitación: se varía f y se mantiene V constante (el par varía).

– Sobre el circuito principal: variando la tensión V y manteniendo el flujo f constante. Así, para cualquier velocidad, puede obtenerse el par máximo. Amplio control y mejor aprovechamiento del motor.

Arranque: se parte de una V próxima a cero y se eleva lentamente hasta el valor deseado.

Para invertir el giro:

– Invertir el sentido de f, mediante alimentación del inductor con convertidor de cuatro cuadrantes (rectificador completamente controlado).

– Inversión de V, mediante alimentación del inducido con convertidor de cuatro cuadrantes (rectificador semicontrolado).

3.3.2 Motores de inducción

Mas barato. Empleo creciente en sustitución del de c.c.

– El inductor se aloja en el estator (alimentación directa)

– En el rotor: devanado secundario cortocircuitado (puede ser bobinado o barras conductoras soldadas por sus extremos a unos anillos).

– El devanado estatórico crea un campo giratorio de velocidad angular o síncrona.

La velocidad viene dada por:

n_r = n (1 – s)

f = frecuencia

p = número de pares de polos

s =deslizamiento

n = f / p

Para variar la velocidad n_r:

– Actuar sobre s variando la tensión de alimentación a través de un regulador de corriente alterna.

– Actuar sobre n, es decir, sobre f, bien mediante un cicloconvertidor o bien rectificando la tensión de la red de c.a. y obtener mediante un inversor la frecuencia y amplitud requeridas.

3.4 Circuitos de potencia para el control de velocidad en motores de c.c

3.4.1 Circuitos del convertidor trifásico de media onda y onda completa

– El control de velocidad de un motor de c.c se obtiene variando la tensión en el inducido. De entre los métodos, el puente trifásico es el preferido.

– Para el control de la tensión de salida se emplea el tyristor distinguiéndose el puente de media onda y el puente de onda completa cuyos circuitos pueden verse en las figuras

3.4.2 Circuitos del convertidor de cuatro cuadrantes

– A) Mediante un puente doble con tyristores en antiparalelo.

– B) Puente de tyristores y contactor conmutador.

– C) Puente de tyristores y conmutador de inversión (igualmente con tyristores).

–

D) Mediante montaje en puente de chopper regenerativo.

3.5 Circuitos de potencia para el control de la velocidad en motores de inducción

3.5.1 Circuitos de los reguladores de corriente alterna

Los reguladores de corriente alterna, deben conducir una corriente que circule en los dos sentidos, para los cual, es necesario prever un círculo antiparalelo de dos tyristores o el empleo de un circuito triac, si la potencia a controlar es pequeña.

Circuito de potencia de regulador monofásico.

Circuito de potencia de regulador trifásico

– Semiperíodo negativo = tyristor polariza inversamente.

– Semiperíodo positivo = polariza directamente.

– a = ángulo de encendido (desfase entre señal de entrada e impulso de puerta).

– q = ángulo de conducción (tiempo durante el cual el tyristor conduce).

a = t / T a + q= 180º

– t = tiempo entre señal alterna y aplicación del impulso.

– T = período de la señal alterna.

El ángulo de encendido se puede variar si elegimos el instante de aplicación del impulso

Tensión V_R que aparece en la carga

Tren de impulsos

Corriente del circuito

Tensión alterna de alimentación

3.6.2 Circuito por UJT

Para el control de tyristores y triacs, es muy frecuente utilizar el transistor uniunión.

El condensador se carga hasta V_p. En ese momento UJT bascula y C se descarga sobre R_B. Cuando la tensión < 2V, el emisor deja de conducir, el transistor se bloquea y comienza un nuevo ciclo.

Condiciones de establecimiento del circuito con disparo UJT:

– Se limita R_B1 < 100 W

– R₁ puede variar entre 3K y 3M.

– Tensión de alimentación comprendida entre 10V – 35V.

3.6.3
Circuito de control sencillo de onda completa.
– Cuando aparece c.c en bornes del diodo, la base del transistor adquiera potencial positivo y TR₁, permanece bloqueado.
– A través de R₅ pasa corriente, que eleva el potencial del emisor. Este se hace más positivo y TR₁ empieza a conducir.
– Con al realimentación positiva a través del transformador, se produce efecto acumulativo, se satura TR₁, cae potencial yTR₁ se bloquea.
– El condensador empieza de nuevo a cargarse a través de R₅ y el ciclo se repite.
Circuito transistorizado

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