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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL NORDESTE Donar Órganos es FACULTAD DE INGENIERIA donar Esperanzas INSTITUTO DE ELECTROMECÁNICA UNNE Av. Las Heras 727 - Tel-Fax (054 - 03722) 420076 Líneas Rotativas - C.C. 552 - 3500 - Resistencia (Chaco) - Argentina Ø AÑO 2001 . INSTITUTO DE ELECTROMECÁNICA – AÑO 2001 C CU...

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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL NORDESTE FACULTAD DE INGENIERIA INSTITUTO DE ELECTROMECÁNICA UNNE

Donar Órganos es donar Esperanzas

Av. Las Heras 727 - Tel-Fax (054 - 03722) 420076 Líneas Rotativas - C.C. 552 - 3500 - Resistencia (Chaco) - Argentina

Ø AÑO 2001 .

INSTITUTO DE ELECTROMECÁNICA – AÑO 2001

C CU UR RS SO OP PR RA AC CT TIIC CO OD DE E LLO OG GIIC CA AC CA AB BLLE EA AD DA A

INTRODUCCIÓN: En este curso trataremos de examinar las principales aplicaciones de la electricidad en las industrias, analizando en preferencia el control de la misma mediante dispositivos electromecánicos y explicar como están estructurados en general los automatismos eléctricos utilizados para gobernar máquinas y procesos. AUTOMATIZACIÓN: La automatización eléctrica se refiere al uso de dispositivos eléctricos como relés, contactores, microswitches, etc., para realizar automáticamente operaciones secuenciales sobre una maquina o proceso. Aunque muchas de estas acciones también pueden ser realizadas por un operador humano, el uso de automatismos eléctricos proporciona respuestas más rápidas, confiables, seguras y limpias. Además optimizan los procesos, liberan al operario de tareas difíciles y peligrosas, mejoran la productividad y calidad, ahorran tiempo y dinero, etc. Durante muchos años, las funciones de automatización en la industria fueron realizadas casi exclusivamente utilizando interruptores electromagnéticos, es decir relés y contactores, como dispositivos de control y maniobra. Actualmente, como resultado de las mejoras permanentes en su construcción y diseño, los automatismos eléctricos siguen siendo muy utilizados. Sin embargo, no son la única alternativa posible. También se dispone de automatismos electrónicos o de estado sólido, controladores lógicos programables (PLCs), y de automatismos neumáticos, electroneumáticos, hidráulicos, etc. Con respecto a los automatismos electrónicos, los automatismos eléctricos de relés y contactores presentan las siguientes ventajas: • Son más económicos y fáciles de realizar cuando la aplicación es relativamente sencilla. Esto se debe a que se alimentan directamente de la fuente principal de energía, reciben directamente información de los microswitches y otros tipos de detectores, y pueden manejar directamente motores y otros tipos de cargas. • No son susceptibles al ruido. En otras palabras, no pueden ser engañados por picos de voltaje, transitorios, interferencias y otros tipos de señales extrañas. • Pueden funcionar eficientemente a altas temperaturas comúnmente encontradas en los ambientes industriales. • Son más fáciles de diagnosticar y reparar por personal no especializado. Esto se debe a que la mayor parte de los técnicos de mantenimiento están mas familiarizados con la lógica de relés que con la lógica de estado sólido y, por lo tanto, pueden detectar más rápido cualquier problema. -Curso Práctico de Lógica Cableada-1

ELEMENTOS DE LOS AUTOMATISMOS ELÉCTRICOS

En su forma mas general, un automatismo eléctrico se compone de los elementos o bloques estructurales indicados en el siguiente esquema:

Como se ve en el esquema un automatismo eléctrico pude ser tratado como un circuito compuesto por seis bloques, los cuales detallamos a continuación: l La maquina en si y los accionadores, como motores, resistencias, calefactoras y solenoides, constituyen la parte operativa o de salida del proceso, es decir la que ejecuta físicamente la tarea. l La etapa de comando de potencia esta formada por dispositivos de maniobra y protección como preaccionadores, contactos principales o de potencia, variadores de velocidad, relés térmicos, etc., que se encargan de conectar y desconectar físicamente los accionadores de la fuente de energía. l La etapa de detección esta formada por los dispositivos y elementos auxiliares de mando que se encargan de recoger automáticamente, sin intervención del operario, información acerca de las condiciones del sistema. Esta información puede representar, por ejemplo, la presencia de partículas metálicas extrañas en un tejido, la llegada de un líquido a un nivel determinado, el paso de un objeto por un punto específico, etc. l La etapa de mando esta formada por elementos auxiliares como pulsadores, selectores, interruptores, pilotos, etc., a través de los cuales el operario se comunica con la maquina, introduce información y vigila el proceso. La información introducida por el operador representa la respuesta deseada del sistema, es decir los resultados de producción esperados del mismo, por ejemplo sellar bolsas a una cierta velocidad, mantener constante la temperatura del aceite en un tanque de templado o detener inmediatamente el proceso cuando se detecta una anormalidad. l Finalmente, la etapa de tratamiento esta formada por dispositivos de control especiales que recogen la información suministrada por los detectores, la combinan con la suministrada por el operario a través de la etapa de mando y toman decisiones relacionadas con la próxima acción que debe efectuar el sistema, por ejemplo arrancar o apagar un motor, abrir o cerrar una válvula, energizar o desenergizar un solenoide, etc. Ejemplos de dispositivos eléctricos de control son los relés, los contactos auxiliares, los temporizadores y los bloques de memoria.

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CIRCUITOS Y ESQUEMAS ELÉCTRICOS Las instalaciones y máquinas eléctricas industriales están formadas por circuitos que cumplen funciones específicas dentro de cada sistema. Trataremos de explicar cómo está estructurado un circuito eléctrico en general y examinar la representación de circuitos mediante esquemas multifilares y de mando para facilitar su análisis ejecución y reparación. GENERALIDADES: Para que una corriente eléctrica pueda realizar un trabajo útil, por ejemplo energizar la bobina de un contactor, accionar un motor, encender una lámpara, necesita un camino cerrado para su circulación. Esta trayectoria continua se denomina circuito eléctrico. El estudio de los circuitos eléctricos, así como la adquisición de habilidades para su representación y análisis a través de esquemas, son factores claves para comprender como funcionan las instalaciones, máquinas, aparatos y demás sistemas eléctricos industriales. CONCEPTOS BÁSICOS DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS: Un circuito eléctrico comprende el recorrido completo que realiza la corriente desde que sale de la fuente de energía hasta que retorna a ella, pasando por las cargas y los elementos de control y protección, a través de unos conductores. Estos elementos son fundamentales para que un circuito opere de manera segura y confiable. La fuente de voltaje de un circuito es la encargada de producir la fuerza electromotriz, voltaje o tensión. En este curso trabajaremos preferentemente con fuentes de voltaje monofásicas. Los conductores en un circuito cualquiera proporcionan un camino de baja resistencia para la circulación de la corriente eléctrica. Son generalmente cables de cobre aislados disponibles en diferentes calibres. La carga de un circuito eléctrico está representada por elementos como motores, resistencias, bobinas, pilotos, solenoides, etc., que convierten la energía en fuerza, calor, rotación, luz y otras formas útiles de energía. Obviamente un circuito puede tener una o más cargas conectadas en serie, paralelo o en una configuración mixta. Los dispositivos de control o mando regulan el paso de la corriente a través de un circuito. Los más usuales en los sistemas eléctricos son los interruptores electromecánicos, representados por contactos normalmente abiertos o cerrados de relés, contactores, pulsadores, selectores, sensores, -Curso Práctico de Lógica Cableada-3

etc. Actualmente es muy común también el uso de interruptores de estado sólido, basados en transistores, tiristores, y otros tipos de semiconductores. Finalmente, los dispositivos de protección se encargan de interrumpir el paso de la corriente a través de un circuito en caso de sobrecarga o cortocircuito, actuando como interruptores automáticos. CIRECUITOS LÓGICOS CONJUNCIÓN LÓGICA Circuitos “Y” o su versión en inglés “AND”.

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DISYUNCIÓN LÓGICA Circuito “O” , que su versión en inglés es “OR”.

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NEGACIÓN LÓGICA Circuito “NO” o su versión en inglés “NOT”.

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ESQUEMAS ELÉCTRICOS: Con el fin de facilitar su análisis, ejecución y mantenimiento, los circuitos eléctricos industriales se representan mediante esquemas, también llamados planos o diagramas. Un esquema es simplemente una representación gráfica, en lenguaje simbólico, de los elementos de un circuito y la forma en que se conectan entre sí para cumplir una función determinada, independientemente de su ubicación o características físicas. La realización e interpretación de esquemas es una parte fundamental del trabajo eléctrico industrial. De hecho, todo el proceso de diseño y ejecución de una instalación eléctrica se expresa en la forma de esquemas o planos eléctricos. Los esquemas eléctricos industriales se elaboran principalmente a partir de símbolos gráficos que representan los componentes propiamente dichos, y de líneas o trazos que representan las conexiones eléctricas o mecánicas entre ellos. Adicionalmente, los componentes, trazos, bornes y demás elementos se identifican mediante símbolos alfanuméricos llamados designadores, formados por números, letras, o grupo de letras y un número, que individualizan cada elemento y permiten diferenciarlo de otros del mismo tipo. Los designadores literales y numéricos se denominan también marcas e índices, respectivamente. Un esquema eléctrico debe ser realizado de tal forma que muestre las condiciones del circuito al que se refiere en condiciones de reposo y sea fácil de interpretar por otros. En particular, deben minimizarse los cruces entre líneas, y especificarse claramente cuando dos líneas que se cruzan están o no conectadas entre sí. Asimismo, deben diferenciarse claramente las uniones eléctricas de las uniones mecánicas, utilizando líneas continuas para el primer caso y líneas punteadas para el segundo. Igualmente, todos los elementos de un esquema deben estar claramente identificados, así como sus respectivas entradas y salidas. Por razones obvias, los símbolos de elementos pertenecientes a un mismo dispositivo, digamos la bobina y los contactos de un contactor, se identifican con la misma marca. No obstante, en un mismo esquema no pueden existir clones, es decir varios símbolos con las mismas marcas y los mismos índices, porque es físicamente imposible que un mismo dispositivo pueda estar en dos o más partes diferentes de un circuito realizando simultáneamente varias funciones distintas. Ver Información y tablas de Símbolos en el Anexo

TIPOS DE PLANOS Los Planos, diagramas y esquemas eléctricos deben dibujarse mostrando las condiciones del sistema en estado de reposo, es decir con las bobinas y los elementos de carga desenergizados, y los dispositivos de mando y maniobras sin accionar. Cualquier modificación a estas reglas generales deben indicarse explícitamente en los planos. -Curso Práctico de Lógica Cableada-7

Dependiendo de los niveles de corriente manejados, los circuitos eléctricos industriales se clasifican en Circuitos de Potencia o Principales y Circuitos de Mando o Auxiliares. Se distinguen varios tipos de planos: Plano General o unifilar: Es la representación más simple de una conexión eléctrica. Los conductores de mando no se representan. Plano de Funcionamiento o diagrama funcional: El plano de funcionamiento es la representación detallada en un solo esquema de los circuitos de potencia y de mando de una conexión eléctrica. Plano de circuitos: Es la forma más usual de representar un circuito. Se dividen en el circuito Principal (o de Potencia) y en el circuito Auxiliar (o de mando), dibujados separadamente, el primero a la derecha y el segundo a la izquierda. El circuito Principal se dibuja en un diagrama multifilar, con los símbolos de los componentes y los contactos que involucran sólo al circuito de potencia. Los circuitos Auxiliar (o de mando), por su parte, se representan mediante esquemas bifilares. Este tipo de esquemas muestra la forma como se conectan y gobiernan las bobinas de los contactores y demás elementos de control y señalización. Están compuestos básicamente por dos trazos horizontales separados, correspondientes a las líneas de alimentación, y una serie de trazos verticales entre ellos, que representan los circuitos parciales, y en los cuales se ubican los símbolos de los distintos elementos involucrados. La interconexión de los circuitos parciales se realiza mediante trazos horizontales. En estos últimos no deben ubicarse elementos de control ni de otro tipo. Los esquemas de potencia y de control son complementarios. Por lo tanto, todo esquema de potencia debe estar siempre acompañado de un esquema de mando, y viceversa. Planos de Montaje: Se dibujan los componentes del circuito del tablero, con su forma real, a una determinada escala. La finalidad del mismo es poder representar la ubicación de los componentes dentro de un gabinete, y mostrar como se distribuirán los conductores, barras borneras etc.

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CONTACTORES Y DISPOSITIVOS DE MANDO Desde su introducción, los contactores revolucionaron el mundo de la automatización eléctrica y aun hoy sigue siendo muy utilizado en la industria. Examinaremos qué son los contactores, y como funcionan y se clasifican. También veremos las características generales de los principales tipos de dispositivos manuales y automáticos utilizados para su control, como pulsadores, selectores, finales de carrera, temporizadores, detectores, etc. GENERALIDADES Un contactor es, fundamentalmente, un interruptor electromagnético, es decir accionado por un electroimán o bobina con corriente. Como tal, se utiliza para permitir o interrumpir automáticamente el flujo de corriente a través de motores y otro tipo de cargas de potencia. Los contactores se emplean normalmente para conmutar tensiones bajas y medias (menor a 1kV) y corrientes desde unos pocos hasta varios cientos de amperios. Aunque son esencialmente dispositivos electromecánicos, muchos de ellos incluyen circuitos electrónicos que les permiten trabajar con una vasta gama de tensiones de mando, funcionar indistintamente con CA y CC (AC o DC en versión inglesa), y otras facilidades. Los contactores electromagnéticos son dispositivos de conmutación y mando de potencia relativamente sencillos, robustos y versátiles, con numerosas posibilidades de aplicación en sistemas de distribución de energía y de automatización eléctrica. Los mismos, que han reemplazado los tradicionales interruptores de cuchillas en las instalaciones industriales, ofrecen, entre otras, las siguientes ventajas: • Permiten automatizar el arranque y paro de motores. • Posibilitan el control de una máquina desde varios puntos o estaciones de maniobra. • Permiten accionar equipos sometidos a corrientes muy altas, digamos 200A, mediante corrientes muy pequeñas. • Proporcionan un alto nivel de seguridad para las personas, dado que las maniobras se realizan desde lugares alejados de la carga y las corrientes y tensiones relacionadas con los circuitos de mando son relativamente pequeñas. • Permiten controlar y automatizar equipos y máquinas que manejan procesos relativamente complejos mediante la ayuda de dispositivos auxiliares de mando como interruptores de final de carrera, detectores de proximidad (inductivos, capacitivos, fotoeléctricos, etc.), temporizadores, presostatos, termostatos, etc. • Se montan sobre rieles o perfiles normalizados DIN de 35 mm de ancho, como casi todos los dispositivos de mando, maniobra y protección modernos, lo cuál simplifica el diseño de aplicaciones y permite aprovechar al máximo el espacio disponible en los tableros. Como alternativa, pueden ser fijados también con tornillos. • Disponen de una gran variedad de accesorios, incluyendo bloques de contactos auxiliares NO y NC de instalación frontal o lateral, los cuales se acoplan generalmente a presión, sin necesidad de herramientas. Esta característica reduce al mínimo el tiempo de montaje y garantiza conexiones seguras y confiables. -Curso Práctico de Lógica Cableada-9

Los contactores se catalogan como dispositivos de maniobra automáticos con poder de corte, lo cual implica que pueden abrir o cerrar un circuito sin intervención de un operador humano y bajo condiciones de carga. Además de su acción básica como dispositivos de maniobra automáticos, los contactores pueden también realizar funciones de control. Esta es un de sus principales fortalezas. Para ello disponen de gran variedad de accesorios, los cuales se acoplan mecánicamente a los mismos y sirven para señalizar otros circuitos. Estos incluyen, principalmente, bloques de contactos auxiliares, enclavamientos mecánicos, módulos de cableado, puentes de unión, limitadores de sobretensiones, etc. A un contactor se le pueden acoplar también directamente guardamotores, temporizadores electrónicos y neumáticos, y otros dispositivos de mando y protección que examinaremos más adelante. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Y CARACTERÍSTICAS CONSTRUCTIVAS Un contactor electromagnético, en su forma más simple, consta de una bobina, un núcleo fijo, un núcleo móvil o armadura, y un juego de contactos. La bobina está arrollada sobre el núcleo fijo, mientras que la armadura soporta la pieza móvil de cada contacto. Las dos partes de este último se alojan en la carcasa o soporte general del contactor. Cada contacto móvil lleva un resorte que garantiza su conexión y desconexión efectiva respecto a los contactos fijos desde el punto de vista mecánico. La carcasa provee también los bornes de acceso de la bobina y los contactos. La bobina, el núcleo fijo y la armadura constituyen lo que se denomina circuito electromagnético.

Al aplicar una tensión a la bobina, a través de esta circula una corriente y se produce en su interior un campo magnético, que es concentrado e intensificado por el núcleo fijo. Esta campo, a su vez, ejerce una fuerza sobre la culata móvil, superior a la fuerza ejercida por el resorte. Como resultado, la culata es atraída por el núcleo, cerrándose el circuito magnético, y el resorte se comprime. Esto último causa que los contactos se cierren. Esta situación se mantendrá mientras permanezca energizada la bobina. Al retirar la tensión, cesa la corriente, se extinguen el campo magnético y la fuerza atractiva, y el resorte retorna los contactos a su posición inicial. La bobina, cuya función es generar el campo magnético cuando se alimenta con la tensión auxiliar AC o DC, está formada por un gran número de espiras de alambre de cobre muy delgado arrolladas sobre el núcleo y separadas de este último a través de un carretel (o formaleta) aislante.

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En el caso de una bobina AC, la corriente inicial, denominada corriente de llamada o de cierre, es relativamente alta, lo cual permite producir un campo magnético intenso, suficiente para que el núcleo atraiga la armadura. Una vez que se cierra el circuito magnético, la corriente de llamada se reduce considerablemente hasta estabilizarse en un valor 10 o más veces menor, llamada corriente de mantenimiento. Las bobinas AC se diseñan para soportar la alta corriente de llamada sólo durante unos pocos milisegundos y operar con la corriente de mantenimiento el resto del tiempo. Si, por alguna razón, el circuito magnético no se cierra por completo, la corriente de llamada circula durante más tiempo del previsto y la bobina se calienta excesivamente llegando a quemarse. Esto no sucede en una bobina DC, donde la corriente de llamada y mantenimiento son iguales. Por esta razón una bobina AC no debe alimentarse con DC, y viceversa. En la actualidad, se consiguen contactores AC de 24 V, 48V, 100-120V o 208-240V para 50 o 60 hz., y contactores DC desde 12V hasta 220V. La tendencia actual es utilizar bobinas AC de 120V o 208-240V debido a que consumen menos corriente. De cualquier modo, las normas internacionales est...