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EL MOTOR I.E.S.María Ibars

José J. Miralles Pérez 45

3 EL MOTOR El motor eléctrico es una máquina capaz de convertir energía eléctrica en energía mecánica (fig. 3.1).

Figura 3.1. Transformación de la energía en un motor

3.1 PARTES DE UN MOTOR ASÍNCRONO El motor asíncrono consta básicamente de dos partes distintas: el estator y el rotor. En los apartados que siguen describiremos las dos partes.

Figura 3.2 Partes del motor asíncrono

3.1.1 EL ESTATOR El estator (fig. 3.3) es la parte fija del motor. Está constituida por una carcasa en la que está fijada una corona de chapas de acero de calidad especial y provista de ranuras. Los bobinados están distribuidos en estas últimas, y forman un conjunto de devanados que contienen tantos circuitos como fases de la red de alimentación.

Figura 3.3 Estator de un motor asíncrono

MOTOR E. ELÉCTRICA E. MECÁNICA



3.1.2 EL ROTOR El rotor (fig. 3.4) es la parte móvil del motor. Está situado en el interior del estator y constituido por un apilamiento de chapas de acero formando un cilindro solidario con el árbol del motor.

Figura 3.4 Rotor en cortocircuito Uno de los motores asíncronos más utilizados es el motor de jaula de ardilla o rotor en cortocircuito. Según el tipo de jaula podemos dividir el rotor en:

− Rotor de jaula simple. − Rotor de jaula doble.

En los agujeros o ranuras, dispuestas hacia el exterior del cilindro y paralelamente a su eje, se colocan los conductores.

Rotor de jaula de ardilla Rotor de doble jaula Rotor de ranura profunda

Figura 3.5 Conductores y ranuras del rotor de un motor asíncrono

Cada extremo de estos conductores se conecta a una corona metálica (fig. 3.5). El conjunto tiene el aspecto de una jaula de ardilla, de donde proviene el nombre de este tipo de rotor. En determinados motores, la jaula de ardilla está enteramente moldeada. Tanto para los conductores como para las aletas de refrigeración, se suele utilizar el aluminio inyectado a presión. Las aletas de refrigeración, hechas en la misma operación, hacen masa con el rotor. Estos motores tienen un par de arranque relativamente pequeño, y la intensidad absorbida en la puesta en tensión es muy superior a la intensidad nominal. El rotor de jaula doble contiene dos jaulas concéntricas, una exterior bastante resistente y otra interior de menor resistencia. 3.1.3 CAJA DE BORNES El bobinado del estator termina en la caja de bornes. Como es un motor trifásico, tenemos tres bobinas, con lo que hay seis extremos de bobina. Las denominaciones oficiales de los bornes son: U, V y W. A continuación de las letras llevan un número (1 ó 2) que nos indica si es la entrada o la salida.



Así pues, los bornes de un motor tienen la siguiente denominación:

− Entradas: U1, V1 y W1 − Salidas: U2, V2 y W2

En motores y esquemas antiguos, podemos encontrar una denominación distinta a la anterior, y es la siguiente:

− Entradas U, V y W − Salidas; x, y, z

La caja de bornas (fig. 3.6) se representa con un cuadrado y 6 círculos, que referencian los principios y finales de las bobinas.

U1

W2

V1

U2

W1

V2 Representación de la caja

de bornes Dibujo de una caja de

bornes Caja de bornes de un motor

Figura 3.6. Caja de bornes de un motor asíncrono trifásico

3.2 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR ASÍNCRONO TRIFÁSICO El principio de funcionamiento de los motores asíncronos está basado en la producción de un campo magnético giratorio en el estator, el cual induce una f.e.m. y una Intensidad en el rotor. Como la Intensidad del rotor es elevada, se crea un campo magnético en los conductores del mismo sentido, lo cual hace que los dos campos se repelan y el rotor gire. El rotor sigue el campo magnético giratorio creado por el estator. 3.2.1 VELOCIDAD DEL CAMPO MAGNÉTICO GIRATORIO La velocidad del campo giratorio viene dado por la formula:

pf60

n =

Donde:

n= revoluciones por minuto (rpm). f= frecuencia (Hz) p= pares de polos

La velocidad del rotor es inferior a la del campo giratorio, y por eso este tipo de motor se llama "asíncrono". En los motores trifásicos, el campo giratorio es producido por tres bobinados fijos geométricamente decalados 120º y recorridos por corrientes alternas con el mismo desfase eléctrico. La composición de los tres campos alternos producidos forma un campo giratorio de amplitud constante. En la figura 3.7 se han representado los vectores correspondientes a las tres fases L1, L2 y L3, alimentando a las bobinas del motor U1, V1 y W1 respectivamente. Las bobinas del motor se han bobinado de forma que cuando la corriente es positiva, en la entrada de la bobina se crea un polo Norte (N) y en la salida un polo Sur (S) y cuando la corriente es negativa, al contrario.



En el primer diagrama vectorial se ha supuesto que la fase L1 esta en un ángulo de 0º, y por tanto la bobina U1 - U2 no crea ningún campo magnético. La fase L2 está en un ángulo de 120º, por tanto es positiva y crea en V1 un polo N mientras que en V2 se crea un S. La fase L3 está en un ángulo de 240º, por tanto es negativa y crea en W1 un polo S, mientras que en W2 se crea un N. Como el campo magnético va de Norte a Sur, la resultante del campo magnético es una línea horizontal con dirección derecha izquierda. En los demás diagramas vectoriales se ha ido girando el diagrama 60º hasta completar los 360º. Siguiendo la misma metodología utilizada para el primer diagrama vectorial para el resto de diagramas, vemos que la componente del campo magnético va girando también 60º grados en el sentido contrario a las agujas del reloj. 3.2.2 CONEXIONES DE UN MOTOR ASÍNCRONO TRIFÁSICO La conexión de los tres grupos de bobinas en el estator puede hacerse en "estrella" o en "triángulo", según sea la unión de los extremos de las bobinas. En la figura 3.28 vemos cómo se realiza la conexión triángulo, la figura que da origen a su nombre así como la relación que existe entre las tensiones de fase y línea y las relaciones entre las intensidades de fase (intensidad que atraviesa una bobina) y línea (intensidad que circula por la línea de alimentación). Se puede observar que la tensión de fase y la de línea son iguales, mientras que la intensidad de fase es raíz de 3 veces menor que la que circula por la línea.

Uf

UL

V2W1

U1

W2

U2

V1

U1

U2

V1 W1

V2W2

IL

If

3

ILIf =

Ul = Uf Uf Tensión de fase, Tensión en bornes de la bobina UL Tensión de línea, Tensión entre fases If Intensidad de fase IL Intensidad de línea

Figura 3.8 Conexión de un motor en triángulo

L1-U

L1-U L1-U

L1-U

U1

U2

L2-V

L3-W

L2-V

L2-V L2-V

V2

V1

L3-W

L3-W

L3-W

W1

W2

S

S

N

N

U1

U2

V2

V1W1

W2

S

S

N

N

U1

U2

V2

V1W1

W2

S

S

N

N

U1

U2

V2

V1W1

W2S

S

N

N

U1

U2

L2-V

L3-W

V2

V1W1

W2S

S

N

N

U1

U2

V2

V1W1

W2S

S

N

N

U1

U2

V2

V1W1

W2S

S

N

N

U1

U2

V2

V1W1

W2S

S

N

N

L1-UL1-U

L1-U

L1-UL2-VL2-V

L2-VL3-W

L3-W L3-W

Figura 3.7. Campo magnético giratorio



En la figura 3.9 vemos como se realiza la conexión estrella, la figura que da origen a su nombre así como la relación que existe entre las tensiones de fase y línea y las relaciones entre las intensidades de fase (intensidad que atraviesa una bobina) y línea (intensidad que circula por la línea de alimentación. Se puede observar que, en este caso, la intensidad de fase y la de línea son iguales, mientras que la tensión de fase es raíz de 3 veces menor que la que circula por la línea.

UL

V2

W1

U1

W2

U2

V1

U1

U2

V1 W1

V2W2

L1L2

L3

Uf

IL

If

Il = If

3

UlUf =

Uf Tensión de fase, Tensión en bornes de la bobina UL Tensión de línea, Tensión entre fases If Intensidad de fase IL Intensidad de línea

Figura 3.9. Conexión de un motor en estrella

Los motores trifásicos, por tanto, pueden funcionar con dos tensiones de línea, pero las bobinas del motor están calculadas para funcionar, tanto en la conexión estrella como la conexión triángulo, a la misma tensión de fase, la tensión de triángulo. En los catálogos de los fabricantes lo normal es encontrarnos con motores de 400 V. Es la tensión nominal o de triángulo, y en base a ella se dan todas las características. 3.3 ARRANQUES DE MOTORES 3.3.1 ARRANQUE DIRECTO Es un sistema de arranque obtenido en un solo tiempo: el estator del motor se acopla directamente a la red. El motor arranca con sus características naturales y con una fuerte punta de intensidad (Ia) y un fuerte par de arranque (Ma) (fig. 3.10). Este procedimiento es ideal si es tolerable la punta de intensidad, y el par inicial de arranque del motor (fijado por el tipo de construcción del rotor y cerca de 2 veces el par nominal (Mn)) es el conveniente para la puesta en marcha de la máquina. En la puesta en tensión, la punta de intensidad es muy elevada, del orden de 4 a 8 veces la intensidad nominal. El par durante el arranque es siempre superior al nominal, sobre todo para los motores modernos de jaulas complejas. Es máximo cuando el motor alcanza el 80% de su velocidad, y a partir de este momento, la punta de intensidad está considerablemente amortiguada. Este sistema permite arrancar las máquinas incluso en plena carga, si la red admite la punta de corriente en el momento del arranque. Es, pues, indicado para las máquinas de pequeña y mediana potencia.

Figura 3.10 Características de par e Intensidad de un motor



Sin embargo, como el par en el momento de la puesta en tensión es cerca 2 Mn, este procedimiento no está recomendado si el arranque debe hacerse lenta y progresivamente (determinados montacargas, cintas transportadoras, etc.). En el arranque de un motor también hay que tener en cuenta lo que dice el REBT en la ITC 47:

Los motores de potencia superior a 0,75 kilovatios deben estar provistos de reóstatos de arranque o dispositivos equivalentes que no permitan que la relación de corriente entre el período de arranque y el de marcha normal que corresponda a su plena carga, según las características del motor que debe indicar su placa, sea superior a la señalada en la tabla 1

MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA

Potencia nominal del motor

kW

Constante máxima de proporcionalidad entre la intensidad de la corriente de

arranque y de la de plena carga

De 0,75 a 1,5 4,5 De 1,5 a 5,0 3,0

De 5,0 a 15,0 2,0 De más de 15,0 1,5

Tabla 3.1 Relación entre la Intensidad de arranque y la

nominal Así, en motores de gran potencia se deberá utilizar algún método de arranque que permita reducir la relación entre la intensidad de arranque y la nominal. 3.3.1.1 CÓMO DECIDIR SI EL MOTOR SE CONECTA EN TRIÁNGULO O EN ESTRELLA Como el motor se puede conectar en estrella o triángulo, debo decidir cuál es la conexión que debo realizar en el motor. Para ello hemos diseñado este cuadro.

Figura 3.11 Diagrama elección de la conexión de un motor trifásico

No

Elección de la conexión de un motor asíncrono trifásico de rotor en jaula de ardilla

Identifica la tensión de línea UL

Coincide UL con alguna tensión

del motor

Cambia el motor

Conecta en triángulo

SiCoincide UL con la tensión

mayor de motor

SiNo

Conecta en estrella



3.3.1.2 CONEXIÓN DE UN MOTOR CON ARRANQUE DIRECTO MEDIANTE CONTACTORES Para la conexión de un motor con arranque directo mediante contactores utilizaremos dos esquemas:

− Esquema de fuerza − Esquema de mando

El esquema de fuerza representa los cables que alimentan al motor, incluye las protecciones y los contactos de fuerza del contactor. En la figura 3.12 vemos una representación típica del esquema de fuerza para el arranque directo de un motor mediante contactor. Los elementos de protección representados son:

− Un Interruptor automático de curva magnética (Q1) para la protección contra cortocircuitos y,

− Un relé térmico (F1) para la protección contra sobrecargas. El interruptor automático puede ser sustituido por fusibles tipo aM. Otra posibilidad que existe es sustituir tanto Q1 como F1 por un disyuntor. En condiciones de funcionamiento normales, la apertura y cierre del circuito es ejercida por el contactor (KM1) El esquema de mando representa los cables que conectan los elementos de mando del contactor (pulsadores, señalizaciones, etc.). 3.3.1.3 ELECCIÓN DE LOS ELEMENTOS QUE COMPONEN EL ESQUEMA DE FUERZA Para la elección de los elementos que componen el circuito de fuerza, es necesario conocer la intensidad nominal del motor o la carga que se tenga que controlar. Para la conocer la intensidad nominal del motor tenemos varias posibilidades:

a- La placa de características del motor (fig. 3.13)

b- Conocido el motor, consultar el catálogo del fabricante (fig. 3.14)

c- Calcularla. Si tenemos que calcular la Intensidad nominal del motor, necesitaremos los siguientes datos:

− Potencia

− Rendimiento

− Factor de potencia (cos ϕ)

− Tensión Como se ha dicho al principio de este trabajo, el motor convierte la energía eléctrica en energía mecánica. Como en todas las transformaciones, hay unas pérdidas. Las pérdidas son debidas a la resistencia del cable del bobinado del motor, la dispersión del flujo magnético (no se aprovecha todo), el rozamiento del rotor, etc.

Figura 3.12 Esquema

de fuerza

Figura 3.13 Placa de características de un motor



La potencia que figura en la placa de características y el catálogo del fabricante es la potencia mecánica o útil, por tanto habrá que calcular primero la potencia eléctrica absorbida de la red. Para el cálculo de la potencia absorbida utilizaremos la siguiente fórmula:

η= u

abP

P

Donde:

Pab Potencia eléctrica absorbida de la red Pu Potencia mecánica o útil η rendimiento en tanto por uno

Ejemplo 1 Un motor de 5,5 kW tiene un rendimiento del 86%. Calcula la potencia eléctrica. Solución: Aplicando la fórmula de la potencia absorbida tenemos:

W395.686,010005,5P

P uab =

⋅=

η=

Una vez conocida la Potencia eléctrica, calculamos la Intensidad nominal del motor con las siguientes fórmulas:

ϕ=

cosU3

PIn ab

Motor trifásico [1]

Figura 3.14 Datos de un catálogo de motores ABB



ϕ=

cosUP

In ab Motor monofásico [2]

Una vez conocida la Intensidad nominal, elegimos las características de los elementos de protección y del contactor del circuito. Ejemplo 2 Tenemos un motor monofásico con una potencia de 0,75 kW; η = 85%; cos ϕ = 0,8 y tensión U = 230 V. Calcula la Intensidad nominal. Solución: Primero calculamos la potencia eléctrica absorbida:

W4,82285,0100075,0P

P uab =

⋅=

η=

Ahora calculamos la Intensidad nominal con la fórmula [2]:

A46,48,0230

4,822cosUP

In ab =⋅

=ϕ

=

Ejemplo 3 Una máquina es movida por un motor trifásico con las siguientes características: Potencia 7,5kW; η = 87%; cos ϕ = 0,9 y tensión U = 400 V. Calcula la Intensidad nominal. Solución Primero calculamos la potencia eléctrica absorbida:

W7,862087,010005,7P

P uab =

⋅=

η=

Ahora calculamos la Intensidad nominal con la fórmula [1]:

A8,139,04003

7,8620

cosU3

PIn ab =

⋅⋅=

ϕ=

3.3.1.4 ESQUEMA DE MANDO En el esquema de mando se representan las conexiones de los elementos utilizados para el gobierno del contactor (pulsadores, bobina, etc.) En la figura 3.15 vemos un esquema de mando típico para el arranque directo de un motor mediante contactor. Por el circuito de mando, la intensidad que circula es muy baja, puesto que la impedancia de los elementos de consumo (bobinas, pilotos, etc.) es muy elevada. Para el cálculo de la intensidad del elemento de protección, en este caso un magnetotérmico, bastará con sumar las intensidades de todas las ramas en paralelo. Las características de consumo las podemos encontrar en los catálogos de los fabricantes.

Figura 3.15 Circuito de mando



Ejemplo 4 En el circuito de mando de la figura 3.15, según los datos del fabricante sabemos que la bobina del contactor tiene una impedancia de 756 Ω y que los pilotos luminosos tienen un consumo de 2 mA. Calcula la intensidad total del circuito. Solución: Calculamos la intensidad que consume la bobina del contactor:

A30,0756230

ZU

I ===

Como tenemos dos pilotos, la intensidad de los pilotos será: Ip = 2 · 25 mA = 50 mA = 0,050 A La intensidad total será: IT = 0,30 + 0,050 = 0,35 A 3.3.1.5 INVERSIÓN DE GIRO DE UN MOTOR ASÍNCRONO TRIFÁSICO

Como ya se indicó en anteriormente, el rotor del motor asíncrono tiende siempre a girar en el mismo sentido que gira su campo magnético. El sentido de éste depende de la sucesión en que se hayan aplicado las fases de la línea de alimentación al devanado del estator.

3.3.1.5.1 CAMPO MAGNÉTICO GIRATORIO Un bobinado trifásico de corriente alterna, alimentado por un sistema trifásico de corrientes, produce un campo magnético de valor constante, pero giratorio, con velocidad igual a la de sincronismo.

Anteriormente se ha visto como se producía el campo magnético giratorio. En ese caso, las fases se conectaban de la siguiente forma (fig. 3.16):

− L1 – U1

− L2 – V1

− L3 – W1 Ahora vamos a ver que ocurre con el campo magnético giratorio cuando cambiamos dos fases. En la figura 3.17, las fases se conectan de la siguiente forma:

− L1 – U1

− L2 – W1

− L3 – V1 Recordemos que es el mismo motor.

L1-U

L1-U L1-U

L1-U

U1

U2

L2-V

L3-W

L2-V

L2-V L2-V

V2

V1

L3-W

L3-W

L3-W

W1

W2

S

S

N

N

U1

U2

V2

V1W1

W2

S

S

N

N

U1

U2

V2

V1W1

W2

S

S

N

N

U1

U2

V2

V1W1

W2S

S

N

N

U1

U2

L2-V

L3-W

V2

V1W1

W2S

S

N

N

U1

U2

V2

V1W1

W2S

S

N

N

U1

U2

V2

V1W1

W2S

S

N

N

U1

U2

V2

V1W1

W2S

S

N

N

L1-UL1-U

L1-U

L1-UL2-VL2-V

L2-VL3-W

L3-W L3-W

Figura 3.16. Campo magnético giratorio a derechas



Como se puede ver en la figura 3.17, el campo magnético gira en el sentido de las agujas del reloj. Por tanto, se ha invertido el sentido de giro. La inversión de giro es posible realizarla manual o automáticamente mediante contactores. En este último caso, el equipo de control está compuesto de dos contactores. Se debe tener en cuenta que durante la conmutación tiene que intercalarse una pausa suficientemente extensa para que se extinga el arco en el aparato que desconecta antes de conectar el segundo aparato de maniobra. Para esto, los contactores deben estar enclavados eléctrica y/o mecánicamente. Normalmente, en los inversores se utiliza un sistema muy simple de enclavamiento, el cual consiste en conectar en serie con la bobina de un contactor un contacto auxiliar normalmente cerrado del segundo contactor, y viceversa. Al propio tiempo, y con objeto de proporcionar una mayor seguridad al conjunto, el inversor puede disponer de un enclavamiento mecánico. A continuación se desarrollará un estudio sobre inversores de giro automáticos para el accionamiento de motores asíncronos trifásicos, exponiéndose, en primer lugar, la parte que hace referencia al circuito de fuerza y, a continuación, la del circuito de mando. 3.3.1.6 CIRCUITO DE FUERZA DE INVERSORES TRIFÁSICOS La inversión de las dos fases, necesaria para efectuar la inversión de giro de un motor asíncrono trifásico, es posible realizarla sobre dos contactos cualquiera de los contactores, lo mismo a la entrada que a la salida de aquellos. En la figura 3.18, se indican las conexiones del circuito principal perteneciente a un inversor de giro para motor trifásico mediante contactores, pudiéndose comprobar sobre el mismo que la inversión de las fases (L1 y L3) de la línea tiene lugar a la salida de los contactos (1 -2 y 5 - 6 ) de ambos contactores, permaneciendo inalterable la fase (L2) de la línea, que se encuentra conectada a los bornes (3-4) de los mismos. La conexión del contactor KM1 une las fases (L1 - L2 - L3) con los extremos (U1 – V1 – W1) del motor, respectivamente, dando lugar al funcionamiento del motor con sentido de giro izquierda, mientras que la conexión del contactor KM2 comunica las fases (L1 - L2 - L3) con (W1 – V1 – U1), respectivamente, invirtiéndose con ello el sentido de giro del motor.

L1-U

L1-U L1-U

L1-U

U1

U2

L3-V

L2-W

L3-V

L3-V

L3-V

V2

V1

L2-W

L2-W L2-W

W1

W2S

S

N

N

U1

U2

V2

V1W1

W2

S

S

N

N

U1

U2

V2

V1W1

W2

S

S

N

N

U1

U2

V2

V1W1

W2

S

S

N

N

U1

U2

V2

V1W1

W2S

S

N

N

U1

U2

V2

V1W1

W2S

S

N

N

U1

U2

V2

V1W1

W2S

S

N

N

U1

U2

V2

V1W1

W2

S

S

N

N

L1-UL1-U

L1-U

L1-UL3-V

L3-V

L3-VL3-V

L2-W

L2-WL2-W

L2-W

Figura 3.17 Campo magnético giratorio a izquierdas

Figura 3.18 Esquema de fuerza para la inversión de giro de un motor

asíncrono trifásico



3.3.1.7 CIRCUITOS DE MANDO DE INVERSORES DE GIRO AUTOMÁTICOS Además del accionamiento manual por interruptor, podemos realizar diferentes tipos de accionamientos automáticos. A continuación vamos a enumerar algunos de los tipos que podemos encontrarnos en la práctica:

− Inversión de giro pasando por paro: figura 3.19.

− Inversión de giro sin pasar por paro: figura 3.20.

− Inversión de giro con un pulsador de marcha y uno de paro e interruptores de posición

− Inversión de giro con un pulsador de paro y uno de marcha y temporizando la inversión.

Figura 3.19. Circuito de mando para una inversión de giro de un motor asíncrono trifásico pasando por paro

El resto de esquemas se dejarán para más adelante, una vez se hayan estudiado los detectores y los temporizadores.



Figura 3.20. Circuito de mando para una inversión de giro de

un motor asíncrono trifásico sin pasar por paro 3.3.2 ARRANQUE DE MOTORES ASÍNCRONOS TRIFÁSICOS DE ROTOR EN CORTOCIRCUITO A TENSIÓN REDUCIDA Cuando tenemos motores de gran potencia, para poder cumplir con la tabla 3.1 se tiene que limitar la intensidad de arranque. En los motores de rotor en cortocircuito, esto se efectúa por el arranque a tensión reducida. Los métodos de arranque a tensión reducida son los siguientes:

− Arranque por conmutación estrella triángulo.

− Arranque por resistencias estatóricas.

− Arranque por autotransformador. El principio del arrancador a tensión reducida consiste en alimentar el motor, durante un cierto período del arranque, con una tensión inferior a la de la línea, con lo que la intensidad de arranque se reduce a los

Figura 3.21 Esquema de fuerza para un arranque estrella/triángulo



valores deseados, y con ella también el par. No obstante, hay que tener en cuenta que si bien la intensidad varía casi en proporción directa con la tensión aplicada, el par lo hace con el cuadrado de dicha tensión. 3.3.2.1 ARRANQUE POR CONMUTACIÓN ESTRELLA / TRIÁNGULO Es el procedimiento de arranque a tensión reducida más difundido por Europa. Es aplicable a motores de rotor en cortocircuito (no a todos, depende de la tensión de la línea y la tensión del motor). El arranque tiene lugar en tres tiempos. 3.3.2.2 ETAPAS DE ARRANQUE 3.3.2.2.1 PRIMER TIEMPO: ACOPLAMIENTO DE LOS ARROLLAMIENTOS EN ESTRELLA Al estar los bobinados del motor conectados en estrella (fig. 3.23), los bobinados del motor recibirán una tensión UZ = UL/1,73. El par de arranque en estrella, que llamaremos M, estará en la siguiente proporción con respecto al par nominal Mn:

3M

M

31

U

)3

U(

UU

MM

n

2n

2L

2n

2

n

=

===

La corriente de arranque en estrella estará, con respecto a la corriente de arranque en triángulo, en la siguiente relación:

3I

I

31

ZU3

Z3

U

II

ZU3

I3I

Z3

UII

LTLE

F

L

F

L

LT

LE

F

LFTLT

F

LFELE

=

==

==

==

Según esto, se deduce que el motor arrancará a tensión reducida, con una punta de corriente y un par reducidos a 1/3 del valor que tomarían en arranque a plena tensión. 3.3.2.2.2 SEGUNDO TIEMPO: TRANSICIÓN DEL PRIMER AL SEGUNDO TIEMPO El paso del primer al segundo tiempo no puede ser inmediato, ya que la desconexión del motor en estrella tampoco es instantánea, sino que es un proceso acompañado de arco

Figura 3.22 Curvas de par e intensidad en un arranque estrella

/triángulo

Figura 3.23. Primer tiempo, conexión estrella

Figura 3.24 Cronograma del arranque estrella triángulo



eléctrico entre contactos, y hasta que la desconexión estrella no se ha completado no puede iniciarse la conexión del motor en triángulo. De ser así, se produciría un cortocircuito entre las tres fases de la línea de alimentación a través del punto de unión en estrella en los puntos U2, V2 y W2. De aquí viene la necesidad de la etapa de transición, en la que el motor debe estar desconectado o, como máximo, con las tres fases de la línea conectados a los extremos U1, V1 y W1, pero sin ninguna conexión más. En un conmutador estrella triángulo a base de contactores, es obvio, pues, que de coincidir los contactores estrella y triángulo se produce un cortocircuito directo. Un sistema para evitarlo es el empleo de un enclavamiento eléctrico, lo que es satisfactorio en la mayoría de casos, si bien introduce una prolongación de la pausa en la etapa de transición. Si el motor va sobrecargado o no puede acelerar lo suficiente en estrella (del orden de 80 al 90% de la velocidad síncrona), el contactor estrella deberá cortar una intensidad mucho más alta, lo que puede dar lugar a que aún no se haya extinguido el arco

eléctrico cuando entre el contactor triángulo, con el consiguiente cortocircuito. Como sea que los contactores actuales suelen ser muy rápidos (tiempo de actuación ≤ 20 ms) pude ser necesario un tiempo adicional de pausa entre la desconexión del contactor estrella y la conexión del contactor triángulo. 3.3.2.2.3 TERCER TIEMPO: ACOPLAMIENTO DE LOS ARROLLAMIENTOS DEL MOTOR EN CONEXIÓN TRIÁNGULO El motor adquiere sus características naturales con una punta elevada de corriente y par (fig. 3.26). Este procedimiento requiere que el par resistente originado por la máquina durante el comienzo del arranque sea muy débil, y que el acoplamiento en triángulo se efectúe, como mínimo, al 80% de la velocidad nominal. El arrancador de este tipo obliga a separar el motor de la red en el momento de la conmutación, cuando se encuentra en pleno período de aceleración. 3.3.2.3 ELECCIÓN DEL RELÉ TÉRMICO El relé térmico es el elemento más empleado, asociado a contactores, para la protección del motor contra las sobrecargas moderadas y prolongadas. El relé se suele conectar a la salida del contactor de línea, con lo que el motor queda protegido tanto en conexión estrella como en conexión triángulo. Otra disposición muy usual para la conexión del relé térmico es colocarlo después de los contactores

Figura 3.25 Segundo tiempo: apertura de los puentes

Figura 3.26 Tercer tiempo, conexión triángulo



triángulo y estrella. Con ésta conexión, el motor queda protegido tanto en la conexión estrella como en triángulo. En arranques normales, las posiciones del relé térmico antes descritas son independientes, y en ambos casos debe ser ajustado a 3/1 veces la intensidad nominal del motor en triángulo. Si el arranque del motor es pesado o lento, la disposición del relé térmico antes descrita no es adecuada, puesto que durante la etapa de arranque en estrella es posible que se produzca el disparo del mismo, desconectando al arrancador. No es correcto ajustar el relé térmico a un valor superior a 0,58 In, ya que entonces queda anulada su condición protectora en marcha normal. Para estos casos, se puede seguir uno de los dos sistemas siguientes:

a- Conectar el relé térmico a la salida del contactor triángulo y antes de la conexión del contactor estrella. Con esta conexión el motor no queda protegido en la etapa de arranque.

b- Conectar un relé térmico a la salida del contactor de línea y otro a la salida del contactor de triángulo y antes del contactor estrella. El relé térmico conectado en la salida del contactor triángulo debe estar dimensionado para una intensidad de 0,58 In, mientras que el conectado a la salida del contactor de línea debe regularse en función del tiempo necesario para la conmutación y la punta de intensidad que tenga en el momento de arranque.

Ejemplo 5 Un motor de 4 kW de potencia útil a 400 V tiene un rendimiento del 85,7% a plena carga y su factor de potencia es de 0,91. El fabricante nos dice que la relación entre la intensidad de arranque y la nominal es de 7,5. Se pide:

1. Intensidad nominal. 2. Intensidad de arranque. 3. Intensidad máxima permitida en el arranque. 4. Los componentes del circuito de fuerza. 5. Intensidad del circuito de mando. 6. Indica si el arranque estrella/triángulo cumple con la Tabla 1 de la ITC 47

Solución: 1.- Intensidad nominal Primero calculamos la potencia absorbida:

W4,4667857,010004P

P uab =

⋅=

η=

Ahora calculamos la Intensidad nominal

A4,791,04003

4,4667

cosU3

PIn ab =

⋅⋅=

ϕ=

2.- Intensidad de arranque La intensidad de arranque será:

A5,554,75,7In5,7Ia5,7InIa

=⋅=⋅=⇒=

Pero al arrancar en estrella, la Intensidad se reduce a la tercera parte. Por tanto:

A5,183

5,553Ia

IaE ===

3.- Intensidad máxima permitida en el arranque



Según la tabla 1, para una potencia de 4 kW la relación Ia/In tiene que ser 3. Por tanto:

A2,224,73In3Ia3InIa

=⋅=⋅=⇒=

4.- Los componentes del circuito de fuerza Para la protección contra cortocircuitos se elije un interruptor de corte magnético de 10 A. Para la protección contra sobrecargas, un relé térmico. La intensidad del relé debe ser la de fase:

A3,43

4,7

3

ILIf ===

Por tanto, el relé será el LRD – 10. Para la protección también se puede elegir un disyuntor tipo GV2 – P10. El disparo magnético se produce a 13 veces la intensidad de reglaje máxima (13 x 6,3 = 81,9 A). El contactor de línea y de triángulo se elegirán para la Intensidad de fase (4,3 A). El modelo es el LC1 – D09. El contactor estrella puede ser para una intensidad inferior, puesto que su misión es hacer el puente y la intensidad puede ser la mitad. 5.- Intensidad del circuito de mando Según el esquema de funcionamiento, sólo estarán dos bobinas de contactor y un pilo de señalización funcionando al mismo tiempo. Las bobinas de los contactores tienen una impedancia de 750 Ω a 230 V, y el consumo de los pilotos de señalización es de 25 mA. Por tanto:

A30,0756230

ZU

I ===

Las dos bobinas: 0,30 · 2 = 0,60 A La intensidad total es de: 0,60 + 0,025 = 0,625 A 7.- Indica si el arranque estrella/triángulo cumple con la Tabla 1 de la ITC 47 Como al arrancar en estrella la Intensidad de arranque se reduce a la tercera parte, podemos decir que la relación Ia/In del catálogo se convierte en lo siguiente:

5,2InIa

In5,23In5,7

IaIn5,7Ia5,7InIa

=⇒==⇒=⇒=

Esta relación es inferior a 3, que es la máxima permitida. También se pueden comparar las intensidades calculadas en los puntos 2 (Intensidad de arranque) y 3 (Intensidad máxima permitida en el arranque) 18,5 < 22,2 3.3.3 ARRANQUE POR RESISTENCIAS ESTATÓRICAS El principio de este sistema de arranque consiste en intercalar un grupo de resistencias entre la red de alimentación y el motor durante el período de aceleración. Mediante la caída de tensión en las resistencias de arranque, se reduce la tensión en bornes del



motor, limitando la intensidad y el par a unos valores previamente fijados. Una vez ha transcurrido el periodo de aceleración, las resistencias se eliminan y se aplica la plena tensión de la línea al motor. El arranque por resistencias estatóricas, a par inicial equivalente, proporciona una punta de intensidad superior a la que se obtendría en el arranque con un sistema estrella/triángulo o con autotransformador. La intensidad absorbida por el motor es la misma que recorre las resistencias, siendo máxima en el momento de la conexión y descendiendo a medida que el motor acelera. Es por ello que la tensión en bornes del motor no es constante durante el período de aceleración, sino que aumenta progresivamente con el incremento de la velocidad, alcanzando al final del arranque un valor próximo al nominal. Como consecuencia de lo anterior, tendremos un incremento gradual del par con un arranque rápido. Debido a las resistencias intercaladas, se logra una suavidad en la aceleración y un alto factor de potencia durante el arranque. Una ventaja muy importante, con respecto al arranque estrella/triángulo, es el poder tener continuidad en la alimentación del motor sin existir corte de los arrollamientos, con lo que la transición de arranque a marcha normal se efectúa sin perdida de velocidad.

3.3.3.1 ETAPAS DE ARRANQUE La puesta en marcha o arranque se realiza en dos o más etapas:

a) Reposo b) Primer tiempo c) Segundo tiempo

Figura 3.28 Esquema de fuerza y etapas del arranque

Figura 3.27 Conexión del motor y las

resistencias



3.3.3.1.1 PRIMERA ETAPA: RESISTENCIAS INTERCALADAS ENTRE EL MOTOR Y LA LÍNEA Conexión del motor en estrella o triángulo, según la tensión de línea, y acoplamiento a través de unas resistencias intercaladas entre la línea de alimentación y el motor. En las condiciones de la figura 3.28, la punta de intensidad en el arranque se reduce en la misma proporción en que queda reducida la tensión compuesta del motor con resistencias Un con respecto a la tensión compuesta de línea U, es decir, en la proporción Un/U. En cuanto al par de arranque, su valor queda reducido al cuadrado de la citada relación, es decir, la proporción (Un/U)2. 3.3.3.1.2 SEGUNDA ETAPA: ELIMINACIÓN DE LAS RESISTENCIAS APLICANDO LA TENSIÓN COMPUESTA DE LÍNEA AL MOTOR (MARCHA NORMAL). Finaliza el arranque por la eliminación de las resistencias, una vez el motor haya alcanzado una velocidad cercana a la nominal, con lo que la tensión de línea U queda aplicada a los bornes del motor, funcionando ya con sus características naturales. 3.3.3.2 CONEXIÓN KUSA Para conseguir un arranque suave en la puesta en marcha de motores trifásicos con rotor en jaula de ardilla, se emplea, en algunos casos, la denominada conexión KUSA (fig 3.29). Esta conexión consiste en intercalar, en serie con una sola fase del motor, una única resistencia o reactancia, la cual es eliminada al finalizar el arranque. Con este sistema de arranque, el campo magnético del motor viene desfigurado y el par de giro adquiere una característica especial, denominada "característica Flyer". Con la conexión KUSA no se consiguen reducciones de la intensidad de arranque mencionables. Es más, la intensidad de arranque en las dos fases sin resistencia es ligeramente superior al valor que se obtiene con el arranque a plena tensión. Sí, en cambio, influye este sistema de arranque en el par de giro del motor, de forma que las máquinas accionadas sensibles a los golpes del par de giro pueden entrar perfectamente en funcionamiento, puesto que se consigue reducir el par de arranque al valor que se desee, desde un valor prácticamente nulo con fase cortada, al de la plena tensión sin la resistencia intercalada. 3.3.3.3 ELECCIÓN DE LOS COMPONENTES DEL ARRANCADOR Los distintos elementos que componen un arrancador estatórico deben ser calculados y elegidos por separado por el propio usuario, siendo necesario para ello disponer de una serie de datos relativos a la línea de alimentación, motor y máquina accionada. Nosotros sólo nos fijaremos en los contactores y el relé térmico. Como tenemos dos esquemas de conexión, los consideraremos por separado. 3.3.3.3.1 CONTACTORES 1er tiempo. Conexión del contactor KM2.

− Este contactor deberá estar dimensionado para la intensidad de arranque

Figura 3.29 arranque KUSA



2º tiempo. Conexión del contactor KM1.

− Este contactor deberá estar dimensionado para una intensidad In o Pn. 3.3.3.3.2 RELÉ TÉRMICO.

− El relé térmico en un arranque normal lo calibraremos para una intensidad In.

Si el arranque es lento (arranque pesado), conectaremos dos relés térmicos, uno a la salida de cada contactor. De este modo, tendremos uno para el periodo de arranque (resistencias intercaladas), calibrado para la intensidad de arranque, y otro para el período de funcionamiento normal, calibrado para In. 3.3.4 ARRANQUE POR AUTOTRANSFORMADOR 3.3.4.1 AUTOTRANSFORMADOR MONOFÁSICO En la figura 3.30 se representa un autotransformador monofásico conectado a una tensión de alimentación U1 y frecuencia f, que entre sus bornes 1U1 y 1U2 del arrollamiento de alta tensión tiene N1 espiras, mientras que entre sus bornes 1U2 y 1U3 del arrollamiento de baja tensión tiene N2 espiras. Cuando el autotransformador funciona en vacío (fig. 3.30), por el arrollamiento 1U1 - 1U2 circula una intensidad de vacío I0 pequeña con respecto a la de carga, al tomar el autotransformador únicamente el valor necesario para mantener el flujo en el circuito magnético, el cual genera en el arrollamiento primario 1U1 -1U2 una f.e.m. primaria E1. En el arrollamiento secundario 1U2 - 1U3, el mismo flujo magnético genera una f.e.m. secundaria E2. Cuando el autotransformador funciona en carga (fig. 3.31), el circuito secundario es recorrido por la intensidad de carga o secundaria I2, con lo que el autotransformador absorbe de la línea una intensidad primaria I1 mayor que la de vacío. Ello motiva que la intensidad que circula por la parte del arrollamiento común, 1U2 - 1U3, sea la diferencia entre las intensidades secundaria I2 y primaria.

3.3.4.2 AUTOTRANSFORMADOR TRIFÁSICO En un autotransformador trifásico, cada fase está constituida por un arrollamiento igual al que se ha expuesto en la figura 3.30, y así en la figura 3.32 se representa un autotransformador trifásico en estrella con una toma intermedia. El cierre en estrella del autotransformador trifásico de la figura 3.32, y su conexión a la correspondiente línea trifásica viene indicado en la figura 3.33. En un autotransformador, puede elegirse fácilmente, antes de ponerse en servicio la máquina accionada, la tensión compuesta

Figura 3.30 Autotransformador

Monofásico en vacío

Figura 3.31 Autotransformador

Monofásico en carga

a) Caja de bornes

b) Conexión estrella

Figura 3.32 Autotrasformador trifásico conectado en estrella



UT. Para ello puede preverse una serie de tomas en autotransformador trifásico y elegir aquella que permita fijar el momento de arranque necesario para la máquina accionada. Los autotransformadores trifásicos están previstos, generalmente, para tensiones compuestas secundarias comprendidas entre el 50 y el 80 % de la tensión nominal o compuesta de línea, siendo usuales autotransformadores trifásicos con una, dos o tres tomas, que suministran tensiones del orden del 50, 65 y 80 % de la nominal, para permitir la elección de la tensión más adecuada para el arranque. El valor de la tensión o tensiones a emplear y el número de etapas de arranque es establecido en función del valor necesario para el momento de arranque del motor, de su potencia y del par resistente de la máquina que acciona. A medida que el motor va acelerando, se pasa la conexión del mismo a las sucesivas tomas del autotransformador, para ir aplicando al motor tensiones cada vez más altas durante el periodo de arranque, desde un valor determinado por las condiciones iniciales de arranque, hasta aplicarle la tensión nominal o tensión compuesta de línea, obteniéndose de esta forma una reducción de la intensidad en la línea de alimentación y del par motor. El autotransformador se pone fuera de servicio cuando el arranque ha finalizado y al motor trifásico se le ha aplicado la tensión nominal o compuesta de la línea de alimentación. Una de las ventajas de este sistema de arranque es que el par de arranque puede ser amoldado a al par resistente de la máquina a accionar. Por otra parte, la intensidad que circula por la línea de alimentación o circuito primario del autotransformador se reduce, aproximadamente, con el cuadrado de la relación de tensión del secundario al primario. Las intensidades secundarias, que recorren también el circuito del motor, quedan reducidas en la misma proporción que las tensiones aplicadas al motor. Por lo que respecta a los pares de arranque del motor, éstos quedan en la misma proporción que las intensidades primarias o de línea, ya que varían con el cuadrado de la tensión aplicada al motor. 3.3.4.3 ETAPAS DE ARRANQUE La puesta en marcha o arranque de un motor mediante el arrancador por autotransformador trifásico se realiza en dos o más etapas. 3.3.4.3.1 ARRANQUE EN DOS ETAPAS CON CONMUTACIÓN ABIERTAS Considerando un arranque a tensión reducida en dos etapas mediante el empleo de un autotransformador trifásico con una toma intermedia (fig. 3.34), se tendrán las etapas que a continuación se describen. 3.3.4.3.1.1 PRIMERA ETAPA: AUTOTRANSFORMADOR INTERCALADO ENTRE EL MOTOR Y LA LÍNEA (ARRANQUE) Conexión del motor en estrella o en triángulo, y alimentación del mismo con tensión reducida a través

a) Bornes

autotransformador conectados en

estrella

b) Tensiones en los bornes del autotransformador conectado en estrella

Figura 3.33 Tensiones en los bornes del

autotransformador



de la correspondiente toma del autotransformador conectado a la línea de alimentación. La intensidad en el arranque en el lado de la línea o intensidad de arranque primaria IaL, queda reducida al cuadrado de la relación de tensiones, es decir en la proporción (UT/U)2. En cuanto al par de arranque con autotransformador MaT, su valor queda reducido en la misma proporción del punto anterior, es decir, con (UT/U)2. 3.3.4.3.1.2 SEGUNDA ETAPA: DESCONEXIÓN DEL AUTOTRANSFORMADOR APLICANDO LA TENSIÓN COMPUESTA DE LÍNEA AL MOTOR (MARCHA NORMAL) Una vez el motor ha alcanzado una velocidad cercana a la de régimen, se procede a desconectar el autotransformador aplicando la tensión compuesta de línea al motor, el cual queda funcionando con sus características naturales. El paso de la primera etapa de arranque a la segunda se considera que se efectúa con conmutación abierta (llamada transición con circuito abierto, lo que quiere indicar que es una disposición del circuito con el que la intensidad en el motor es interrumpida durante el paso de una etapa a la otra.

a) Esquema de reposo b) Primera etapa c) Segunda etapa

Figura 3.34 Esquema de fuerza y etapas de arranque

3.3.5 MOTOR DE DOS VELOCIDADES CON UN ARROLLAMIENTO CONMUTABLE EN CONEXIÓN DAHLANDER Con el empleo de este tipo de conexión en un solo arrollamiento, se obtiene el máximo rendimiento al mejorar el aprovechamiento de los motores trifásicos de polos conmutables. El aprovechamiento es relativamente grande, y referido al arrollamiento con mayor número de polos (velocidad menor), aquél viene a ser de un 80% de la potencia correspondiente del motor trifásico con una sola velocidad. Con este sistema de conexión se puede establecer una relación de velocidades de 2:1; por ejemplo 4 y 8 polos, lo que a una frecuencia de 50 Hz dan una relación de velocidades de 1500 y 750 r.p.m.



respectivamente. La conexión Dahlander se caracteriza por subdividir el arrollamiento de cada fase en dos mitades iguales con una toma central en cada una de ellas, y previsto de forma que origine p o 2p polos, para que con una adecuada conmutación sobre la placa de bornes del motor se obtenga la velocidad

deseada (fig. 3.35). De forma elemental, el principio de esta conexión se basa en que si las dos mitades en que se ha subdividido el arrollamiento de cada fase se conecta en serie, el número de polos obtenido es el doble que si conectan en paralelo.

Figura 3.36 Datos de catálogo de motores de dos velocidades, conexión Dahlander 3.3.5.1 ELEMENTOS PARA EL FUNCIONAMIENTO DE UN MOTOR DAHLANDER POR CONTACTORES EN CONEXIÓN TRIÁNGULO/DOBLE ESTRELLA En la velocidad baja es necesario aplicar la línea de alimentación a los bornes U1, V1 y W1, mientras que en la velocidad alta es necesario aplicarla a los bornes U2, V2 y W2 y unir entre sí los bornes U1, V1 y W1. Consecuentemente, para la velocidad baja se precisa, como mínimo un contactor tripolar, mientras que para la velocidad alta se precisa, como mínimo, un contactor de cinco polos o dos contactores tripolares para efectuar las citadas uniones. Los contactores que deben conectarse durante la velocidad alta y baja deben estar enclavados entre sí para evitar la simultaneidad de las dos conexiones. Lo mismo que el de velocidad alta y estrella lo deben estar para evitar un cortocircuito.

a) Motor desconectado b) Motor conectado con

baja velocidad c) Motor conectado con alta velocidad

Figura 3.35 Conexionado del motor Dahalander para baja y alta velocidad



Se dispondrá de dos relés térmicos, uno para cada velocidad.

3.3.6 MOTOR DE ANILLOS ROZANTES O ROTOR BOBINADO 3.3.6.1 GENERALIDADES En el motor de anillos rozantes es posible intercalar, en serie con el arrollamiento del rotor, una resistencia adicional regulable que permite ajustar el par y la intensidad de arranque a valores adecuados, existiendo también la posibilidad de regular la velocidad del motor entre ciertos límites.

Si este motor arranca en una sola etapa, es decir, con el arrollamiento rotórico cortocircuitado, se tiene una elevada punta de intensidad y un bajo momento de arranque que pueden ser inadmisibles, de forma similar a lo que ocurre con el motor de rotor en cortocircuito. Por ello, en ese tipo de motor no se emplea el arranque directo con el arrollamiento rotórico cortocircuitado. Lo correcto es, pues, que a la vez que se alimenta el estator a la plena tensión de la línea de alimentación, se intercale la resistencia adicional en serie con el arrollamiento del rotor.

Este sistema de arranque permite adaptar el par de arranque y las puntas de intensidad correspondientes a las características propias de la instalación, y se desarrolla por eliminación progresiva de las resistencias intercaladas en el circuito rotórico. La eliminación de la resistencia intercalada en serie con el arrollamiento rotórico puede efectuarse en dos o más etapas de arranque, adaptando así progresivamente los valores de la intensidad y del momento. 3.3.6.2 ESTATOR DEL MOTOR El estator del motor de anillos rozantes no se diferencia en nada del motor de rotor en cortocircuito. Está formada por una carcasa a la que está fijada una corona de chapas magnéticas con unas ranuras en las que se dispone el bobinado del estator. 3.3.6.3 ROTOR DEL MOTOR. Es la parte móvil del motor, y está constituido por un paquete de chapas magnéticas con unas

a) Circuito en reposo b) Velocidad lenta c) Velocidad rápida

Figura 3.36 Esquema de fuerza y etapas de arranque

Figura 3.38 Corte de un motor de rotor bobinado



ranuras para alojar un arrollamiento similar al del estator (fig. 3.39). El arrollamiento del rotor generalmente es trifásico, aunque en algunos casos el constructor adopta un arrollamiento bifásico (aunque el estator sea trifásico), con objeto de poder simplificar la resistencia adicional de arranque. La conexión del arrollamiento normalmente viene efectuada en estrella, con los extremos libres conectados a tres anillos solidarios con el rotor, sobre los que descansan sendas escobillas. De aquí el nombre de rotor bobinado o rotor de anillos. Cuando el motor ya está casi o completamente arrancado, las escobillas se unen entre sí, con lo que el arrollamiento del rotor queda cortocircuitado. 3.3.6.4 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO La conexión del estator a una línea trifásica origina una corriente alterna en cada grupo de bobinas con un desfase entre ellas de 120º, que da lugar a otros tantos campos o flujos magnéticos alternos desfasados entre sí tanto en el espacio como en el tiempo. La composición de los tres flujos magnéticos da lugar a un único flujo de amplitud constante que gira en un sentido que está determinado por la sucesión de fases en que hayan sido aplicadas las tres fases de la línea de alimentación, y que corta tanto a los conductores del estator como del rotor. Tanto en el estator como en el rotor se inducen fuerzas electromotrices (en el estator contraelectromotrices) que dan lugar a corrientes que recorren el arrollamiento y la resistencia adicional. Estas corrientes reaccionan con el flujo magnético giratorio dando lugar a un par motor suficiente para vencer el par resistente y provocar el giro del rotor, que es desplazado en el mismo sentido que el flujo magnético giratorio. Como características sobresalientes del arrollamiento rotórico se tienen:

1. La tensión rotórica medida entre anillos con el rotor bloqueado y su circuito abierto. 2. La intensidad rotórica a la potencia nominal con el arrollamiento rotórico en cortocircuito.

3.3.6.5 ESTADOS DE FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR Tomando como base la expresión del deslizamiento, pueden considerarse distintos estados de funcionamiento característicos del motor: 3.3.6.5.1 MARCHA EN SINCRONISMO Si el rotor se hace girar a una velocidad N2 igual a la del flujo magnético giratorio N1, no existe velocidad relativa entre ambos, por lo que el deslizamiento es nulo. La f.e.m. inducida en el rotor es nula y también la intensidad retórica, con lo que el par motor es también nulo. Por consiguiente la marcha en sincronismo solo es posible sin par resistente alguno.

Figura 3.40 Esquema de fuerza para el arranque

de un motor de rotor bobinado en 4 etapas

Figura 3.39 Rotor



3.3.6.5.2 MARCHA EN VACÍO Prácticamente se considera que coincide con el caso anterior, es decir, sin par resistente aplicado al eje. El motor absorbe la intensidad de vacío, que es la necesaria para originar el flujo magnético giratorio y un par motor suficiente para vencer las resistencias propias del motor.

1ª etapa

2ª etapa

3ª etapa

4ª etapa

Figura 3.41. Etapas del arranque de un motor de rotor bobinado en 4 etapas 3.3.6.5.3 MARCHA EN HIPOSINCRONISMO Este es el caso más normal de funcionamiento. Tenemos un deslizamiento mayor que cero. En estas condiciones, se induce una f.e.m. en los conductores del rotor que es proporcional al deslizamiento, y da lugar a que por ellos circule una intensidad.



Tendremos un par motor proporcional a la intensidad del rotor y capaz de vencer un par resistente aplicado al eje. 3.3.6.5.4 MARCHA EN HIPERSINCRONISMO Si hacemos girar el rotor aplicando un par ajeno al originado por el flujo magnético y a una velocidad superior a la de sincronismo, la velocidad relativa del rotor con respecto al flujo magnético, y por consiguiente la f.e.m. e intensidad rotórica, se invierten con respecto al caso anterior. También se invierte el par motor, que actúa en estas condiciones en sentido opuesto a la marcha del motor, es decir, como si se tratase de un par resistente. En este caso, la máquina funciona como generador. Esta situación se aprovecha en las grúas, en el movimiento de descenso, para limitar la velocidad.

SINCRONISMO /VACíO HIPOSINCRONISMO HIPERSINCRONISMO Velocidad del rotor (N2) N2 = N1

v rotor = v estator N2 > N1 v rotor > v estator

N2 < N1 v rotor < v estator

Inducción de f.e.m. e Intensidad en el rotor

f.e.m. = 0 I = 0

f.e.m. > 0 I > 0

f.e.m. < 0 I < 0

Par M = 0 M > 0 M < 0 Funcionamiento En vacío Normal Como generador

Tabla 3.2 Resumen de los estados de funcionamiento del motor de rotor bobinado

La resistencia adicional está formada por un conjunto de parrillas de chapa estampada conectadas de forma adecuada, con objeto de obtener el valor óhmico fijo y la capacidad de conducción deseados, las cuales son maniobradas mediante contactores con sus correspondientes temporizadores o relés de intensidad, tensión o frecuencia. El número de etapas se elige considerando el número de puntos de velocidad necesarios para regular la misma, y el grado de suavidad deseado en la aceleración del motor. La eliminación de resistencias se efectúa generalmente:

TIPO DE RELÉ SISTEMA DE ELIMINACIÓN ACONSEJABLE

Temporizadores A tiempos fijos − En equipos que accionan máquinas de par constante − En equipos que accionan máquinas de par variable efectuando

arranques poco frecuentes (menos de 6 maniobras hora) De tensión, frecuencia, etc.

En función del par resistente Tiempo de arranque variable con la carga

− En equipos que accionan máquinas de par variable, efectuando arranques frecuentes (más de 6 arranques hora)

Tabla 3.3 Tipos de relé utilizados para la eliminación de resistencias

P

kW In A Cos ϕ

η %

Mn Nm

Ur V

Ir A

30 58,4 0,82 89,5 296 250 74 37 68,4 0,86 90,2 363 351 65 45 81,1 0,88 91,1 442 316 86 55 96,1 0,90 91,5 540 412 82 75 147 0,81 90,7 737 200 248 90 171,2 0,82 91,9 883 232 238 110 212 0.82 91,7 1080 275 249 132 248 0,83 91,7 1294 302 250 160 288,2 0,85 93,8 1554 380 258 200 364 0,85 93,3 1947 424 287

Tabla 3.4 Características de los motores de rotor bobinado



Motores de jaula Motores de anillos

Arranque directo Arranque Dahlander Arranque estrella-triángulo Arranque estatórico Arranque por

autotransformador Arrancador progresivo Arranque rotórico

Corriente de arranque 100% 50% 33% 70% 40 / 65 / 80% Regulable de 25 a 75%

(potenciómetro) 70%

Sobrecarga de la línea 4 a 8 In 2 a 4 In 1,3 a 2,6 In 4,5 In 1,7 a 4 In < 2,5 In

Par en % de Md 100% 50% 33% 50% 40 / 65 / 80 % Regulable de 10 a 70% Par inicial de arranque 0,6 a 1,5 Mn 0,3 a 0,75 Mn 0,2 a 0,5 Mn 0,6 a 0,85 Mn 0,4 a 0,85 Mn Regulable de 0,1 a 0,7

Mn < 2,5 Mn

Mando Todo o nada Todo o nada Todo o nada 1 posición fija 3 posiciones fijas Progresivo De 1 a 5 posiciones Motor de jaula económico y robusto

Ventajas Arrancador simple Económico Par de arranque importante

Simple Par de arranque más elevado que en estrella triángulo Sin corte de alimentación durante el arranque

Arrancador económico Buena relación par/corriente

Posibilidad de ajuste de los valores en el arranque Sin corte de alimentación durante el arranque Fuerte reducción de las puntas de corriente transitorias

Buena relación par/corriente Posibilidad de ajuste de los valores en el arranque Sin corte de alimentación durante el arranque

Regulable durante la puesta en servicio Dimensiones reducidas Estático Adaptable a cualquier ciclo

Excelente relación par/corriente Posibilidad de ajuste de los valores en el arranque Sin corte de alimentación durante el arranque

Inconvenientes Punta de corriente muy importante Arranque brutal

Sin posibilidad de ajuste Motor especial Red especial

Par de arranque débil Sin posibilidad de ajuste Corte de alimentación en el cambio de acoplamiento y fenómenos transitorios Motor de 6 bornas

Débil reducción de la punta de arranque Necesidad de resistencias voluminosas

Necesidad de un autotransformador costoso Implica riesgos en redes con perturbaciones

Genera perturbaciones Motor de anillos más costoso Necesita resistencias

Tiempos de arranque 2 a 3 segundos 3 a 6 segundos 3 a 7 segundos 7 a 12 segundos 7 a 12 segundos Regulable de 1

a 60 segundos 3 tiempos 2,5 s 4 y 5 tiempos 5 s

Aplicaciones habituales

Pequeñas máquinas, aunque arranquen a plena carga

Máquinas que arrancan en vacío o a poca carga (compresores para grupos de climatización)

Máquinas que arrancan en vacío Ventiladores y bombas centrífugas de poca potencia

Máquinas de elevada inercia sin problemas especiales de par ni de corriente en el arranque

Máquinas de elevada potencia o inercia, en casos en los que la reducción de la punta de corriente sea un criterio importante

Bombas, ventiladores, compresores, transportadores

Máquinas de arranque en carga, de arranque progresivo, etc.

Tabla 3.5 Resumen de los sistemas de arranque de los motores



ANEXO A A.1 MAGNETISMO Desde la antigüedad se conoce el poder de atracción que tienen unos materiales sobre el hierro. A estos materiales se les denomina imanes. Todos los imanes tienen dos propiedades peculiares:

1. Atraen el hierro y lo retienen (efecto de fuerza).

2. Si se pueden mover libremente, se sitúan en dirección norte-sur (efecto de orientación).

A.2 POLOS MAGNÉTICOS Si se introduce en un montón de limaduras de hierro un imán recto, éste las atrae. En la figura A.1 se indica la distribución de las limaduras. Los extremos del imán atraen gran cantidad de limaduras de hierro, mientras que en el centro apenas hay. Los puntos de máxima atracción se denominan polos del imán. En concordancia con su efecto de orientación, cada imán tiene un polo norte y otro sur. Si se observa el comportamiento mutuo de dos imanes, se constata que sus polos ejercen fuerzas entre sí, como se indica en la figura A.2. A.3 EL CAMPO MAGNÉTICO El espacio en que actúan fuerzas magnéticas se denomina campo magnético. Este se forma, por ejemplo, entre los extremos de un imán recto Es posible visualizar los campos magnéticos. Si por encima de un imán se coloca un papel tensado en un marco y se esparcen sobre él limaduras de hierro, éstas se ordenan, como consecuencia de la fuerza que actúa sobre ellas, formando líneas. Por este motivo, se habla de las líneas de fuerza o del campo magnético. Hay que imaginarse el espacio alrededor del imán atravesado por líneas de fuerza. En la figura A.3 se muestra la disposición de las limaduras de hierro en el campo magnético de un imán recto. A.4 FLUJO MAGNÉTICO Si se dibuja el resultado del experimento realizado con limaduras de hierro se obtiene la figura A.4: Las líneas a trazos indican el recorrido de las líneas de fuerza. Para representar el

Figura A.1. Polos magnéticos

Figura A.2. Atracción y repulsión de los polos

magnéticos

Figura A.3. Limaduras de hierro alrededor de un

imán

Figura A.4. Representación del campo

magnético



flujo magnético, basta con dibujar algunas de las líneas. Las líneas de fuerza no sólo existen fuera del imán, sino que también recorren su interior. De ello se deduce la siguiente regla:

Las líneas de fuerza de un campo magnético son siempre cerradas. Todas las líneas de fuerza de un campo magnético constituyen el flujo magnético. El flujo se representa por la letra griega φ (fi) y su unidad se llama Weber (Wb). A.5 DENSIDAD DE FLUJO MAGNÉTICO Los campos magnéticos ejercen fuerzas que son tanto más intensas cuanto mayor sea el número de líneas de fuerza que contiene el campo correspondiente, es decir, cuanto más juntas estén dichas líneas de fuerza. La fuerza que actúa entre dos imanes rectos alcanza su valor máximo en los polos (repulsión o atracción), porque el flujo magnético tiene en ellos su densidad máxima. La densidad del flujo magnético expresa el efecto del campo. También se denomina inducción magnética. Se representa por la letra B y su unidad es la Tesla (T) A.6 ELECROMAGNETISMO Al circular una corriente eléctrica por un conductor, se forma un campo magnético sin que se precise para ello un material ferromagnético. Esto se demuestra con un sencillo experimento: Si se hace circular una corriente continua por un alambre, la aguja de una brújula situada en las proximidades del alambre se desviará de su posición de reposo mientras circule la corriente. Sobre la aguja de la brújula actúa una fuerza a lo largo de todo el alambre. De ello se deduce:

En las proximidades de un conductor por el que pasa una corriente eléctrica se forma un campo magnético.

A.7 DISTRIBUCIÓN DEL CAMPO ALREDEDOR DE UN CONDUCTOR Las líneas de fuerza de un conductor recto por el que circula una corriente eléctrica, son círculos cuyo centro común se encuentra en el conductor. Como el campo magnético se extiende a lo largo de todo el conductor, hay que imaginarse las líneas de fuerza muy juntas, casi formando tubos alrededor del conductor. En todos los conductores por los que circula una corriente eléctrica (incluso líquidos y gases), se forman campos magnéticos. La densidad del flujo magnético alcanza su valor máximo en la superficie del conductor, y disminuye a medida que aumenta la distancia con respecto a éste, siendo indiferente que el alambre esté provisto de una envoltura aislante o no, pues en los materiales que no son magnéticos el campo magnético se produce de forma aproximadamente igual a como ocurre en el aire. La figura A.6 muestra las líneas de fuerza originadas por el paso de la corriente eléctrica. La separación entre ellas, que se incremento de dentro a fuera, representa la disminución de la

Figura A.5.Comprobación

del campo magnético creado por una corriente

Figura A.6. Distribución del campo magnético

alrededor de un conductor



densidad del flujo magnético a medida que aumenta la distancia con respecto al conductor. A.8 SENTIDO DEL CAMPO MAGNÉTICO Si se desplaza la aguja de una brújula en una órbita circular alrededor del conductor por el que circula una corriente eléctrica de intensidad suficiente, dicha aguja se colocará siempre perpendicularmente al radio, indicando así el sentido de las líneas de fuerza. Por convenio, se ha fijado que el polo norte de la aguja de una brújula señala el sentido de las líneas de fuerza (fig A.7). A.9 INDICACIÓN DEL SENTIDO DE LA CORRIENTE Para caracterizar el sentido de circulación de la corriente en un dibujo, se utilizan dos símbolos: una cruz y un punto. Estos símbolos se derivan de una flecha que señala en el sentido de la corriente. Si se mira en el sentido de circulación de la corriente, se ven las aletas de estabilización de la flecha, que se representan esquemáticamente mediante una cruz. Si se mira en el sentido contrario al de circulación de la corriente, se ve la punta de la flecha, que se representa mediante un punto. En la figura A.9 se muestra la caracterización del sentido de la corriente, tomando como ejemplo dos conductores. A.10 SENTIDO DE LA CORRIENTE Y DEL CAMPO En la figura A.10 se muestra la relación que existe entre el sentido de circulación de la corriente y el del campo magnético:

En lugar de la aguja de una brújula, se ha dibujado en las líneas de fuerza anulares una flecha, cuya punta indica el sentido de dichas líneas de fuerza. Si se mira en la dirección de circulación de la corriente, las líneas de fuerza discurren alrededor del conductor en el sentido de las agujas del reloj.

A.11 REGLA DEL SACACORCHOS Para retener en la memoria la relación que existe entre el sentido de la corriente y el del campo magnético, hay diversas reglas. Una de ellas es la «regla del sacacorchos». Suponiendo que un sacacorchos se introduce en el conductor, avanzando en la dirección en que circula la corriente, su sentido de giro equivale al de las líneas de fuerza (fig. A.11). A.12 CAMPO MAGNÉTICO EN UNA ESPIRA Como se ha dicho anteriormente, alrededor de un conductor por el que circula una corriente eléctrica, se forma un campo magnético, que se extiende a

Figura A.7. Sentido del

campo magnético

Figura A.8. Sentido de la corriente

Figura A.9. Sentido de la

corriente en los conductores

Figura A.10. Sentido del campo y

la corriente

Figura A.11. Regla del sacacorchos



todo lo largo del conductor. Estos campos magnéticos son muy débiles. Se pueden aumentar elevando la intensidad de la corriente que circula por el conductor. Si se dobla el conductor formando una espira, en la superficie de ésta se concentran las líneas de fuerza y, como consecuencia, aumenta el campo magnético, como se muestra en la figura A.12. A.13 CAMPO MAGNÉTICO EN UNA BOBINA En la figura A.13 se muestra el campo magnético de una bobina formada por varias espiras de hilo conductor. Los campos magnéticos de las diversas espiras se suman,

formando el campo magnético total de la bobina. Este es muy concentrado y rectilíneo en el interior de la bobina. Las distancias entre las diversas líneas de fuerza son iguales. Fuera de la bobina, las líneas de fuerza se separan y se cierran formando un arco más o menos grande alrededor de ella. Por consiguiente, en el interior de la bobina la densidad del flujo magnético es mucho mayor que fuera de ella. Además, el campo magnético en el interior es homogéneo.

A.14 DETERMINACIÓN DE LOS POLOS DE UNA BOBINA El campo magnético de una bobina es similar al de un imán recto. En este último, el punto de salida de las líneas de fuerza se considera como polo norte, y el de entrada como polo sur. Los puntos de salida y de entrada de las líneas de fuerza de una bobina por la que circula una corriente eléctrica, es decir, los polos norte y sur, se pueden determinar fácilmente mediante la regla de las agujas del reloj (fig. A.14): Si la corriente circula en el mismo sentido que las agujas del reloj, se mira sobre el polo sur de la bobina. Si la corriente circula en el sentido contrario al de las agujas del reloj, se mira sobre el polo norte de la bobina. A.15 FUERZAS ENTRE LOS CAMPOS MAGNÉTICOS DE UN IMÁN Y UN CONDUCTOR Cuando un conductor por el que circula una corriente es introducido en un campo magnético, el conductor tiende a desplazarse La figura A.15 muestra un conductor por el que circula una corriente I y está bajo la acción del campo magnético de inducción B. El paso de corriente I por el conductor produce un campo magnético circular (figura

Figura A.12. Campo

magnético en una espira

Figura A.13. campo

magnético en una bobina

Figura A.14. Polos de una bobina

Figura A.15. acción entre un campo magnético

y el campo de un conductor



A.16a), que se superpone al campo creado por los imanes (figura A.16b) y da lugar a un campo resultante (figura A.16c). El campo magnético resultante se ha distorsionado, por lo que aparece una fuerza F que actúa sobre cada línea de campo, tendiendo a acortar su trayectoria como si fuera un hilo elástico.

a) campo magnético producido por

un conductor b) campo magnético producido

por dos polos magnéticos c) resultante de los campos

magnéticos

Figura A.16 composición de fuerzas entre los campos magnético creados por un conductor y dos polos magnéticos

A.16 VALOR DE LA FUERZA ELECTROMAGNÉTICA EN UN CONDUCTOR La fuerza electromagnética desarrollada sobre un conductor es proporcional:

− A la inducción. (B) − A la intensidad que circula por el

conductor (I) − A la longitud del conductor (l) − Al seno del ángulo formado por la

inducción y el conductor (sen α)

F = B l I sen α Si las direcciones de la inducción B y del conductor son perpendiculares, (α=90º) y sen α = 1, con lo que: F = B I l La fuerza vendría en Newton (N) A.17 SENTIDO DE LA FUERZA ELECTROMAGNÉTICA PRODUCIDA EN UN CONDUCTOR El sentido de la fuerza electromagnética desarrollada sobre un conductor se determina aplicando la regla de Fleming o de la mano derecha. Al cerrar el interruptor (figura A.18), se observará un movimiento del conductor, que se desplaza sobre dos carriles conductores en la dirección de la flecha, según resulta de aplicar la regla de Fleming. A.18 APLICACIÓN DE LA FUERZA ELECTROMAGNÉTICA AL MOTOR Una de las principales aplicaciones de la fuerza electromagnética es el electromotor o motor

Figura A.17 Valor de fuerza electromagnética en un conductor

Figura A.18 Sentido de la fuerza electromagnética producida en un

conductor



eléctrico, en el que se busca la disposición de los conductores del inducido (estator) de forma que se sume la fuerza electromagnética en todos ellos, para crear así un par electromagnético que hará girar el inducido (rotor). El sentido de giro se determina aplicando la regla de la mano izquierda (fig. A.19) a cualquier conductor que esté bajo la acción del campo magnético. La regla de la mano izquierda usa los dedos pulgar, índice y corazón de dicha mano, abiertos y formando ángulos rectos entre sí. Los tres dedos representan:

− Pulgar: el sentido del movimiento del conductor. − Indice: el sentido del campo mágnético (norte –

sur) − Corazón: el sentido de la corriente

Como recordatorio o regla nemotécnica, se utiliza las dos primeras letras de cada palabra (MO- CA-CO)

Figura A.19 Regla de la mano izquierda

Movimiento

Campo

Corriente



PROBLEMAS PARA RESOLVER Ejemplo 1 Calcula la potencia absorbida de los motores de la siguiente tabla

P (kW)

η %

Pab (kW)

1 1.10 74.4 2 1.50 80.0 3 2.20 80.0 4 3,00 84.5 5 4,00 85.5 6 5.50 86.0 7 7.50 89.3 8 11,00 89.8 9 15,00 90.8

Ejemplo 2 Calcula la Intensidad nominal de los siguientes motores monofásicos

P (kW)

η %

Cos ϕ

Pab (kW

)

In (A)

1 0.18 55.0 0.95 2 0.25 57.5 0.95 3 0.3 62.0 0.95 4 0.37 64.0 0.95 5 0.55 64.0 0.91 6 0.65 67.0 0.91 7 1.3 72.0 0.99 8 1.5 73.0 0.99 9 1.85 75.5 0.99

10 2.2 78.5 0.99 Ejemplo 3 Calcula la Intensidad nominal de los siguientes motores trifásicos

P (kW)

η % Cos

ϕ

Pab (kW

)

In (A)

1 0.75 72.0 0.59 2 1.10 73.0 0.64 3 1.50 73.5 0.70 4 1.50 74.5 0.65 5 2.20 80.5 0.67 6 3,00 82.0 0.68 7 4,00 84.1 0.69 8 5.50 84.7 0.70 9 7.50 86.3 0.70

10 11,00 89.6 0.76



Ejemplo 4 Para los motores de la tabla siguiente, calcula:

a. Intensidad nominal. b. Intensidad de arranque c. Par de arranque d. Indica si el arranque estrella – triángulo cumple con la Tabla 1 de la ITC 47

P

(kW)

η %

Cos ϕ Ia/In Mn

Nm Ma/MnPab (kW

)

In (A)

Ia (A)

Ma Nm

Cumple ITC 47

1 1.1 82.8 0.85 8.1 3.69 4.2 2 1.5 85.9 0.87 7.7 5 2.7 3 2.2 85.8 0.87 7.4 7.3 3.0 4 3 87.6 0.86 10.0 9.9 3.9 5 5.5 85.0 0.83 7.0 18 2.8 6 4 87.7 0.93 7.5 13.4 2.6 7 5.5 88.6 0.88 9.2 18.1 3.8 8 7.5 90.9 0.90 11.0 24.6 5.1 9 11 91.0 0.88 6.2 36 2.1

10 15 91.3 0.90 6.4 49 2.3



CUESTIONARIO

CONSTITUCIÓN DEL MOTOR Num Pregunta V F

1 El motor eléctrico es una máquina que convierte energía mecánica en energía eléctrica 2 El motor eléctrico está compuesto por estator y rotor 3 El estator es la parte del motor que gira 4 Está formado por una sola pieza de hierro 5 En las ranuras del estator hay tantos circuitos como fases 6 El rotor es la parte móvil de motor 7 El rotor está situado dentro del estator 8 El rotor está formado por chapas de acero 9 El rotor tiene forma un paralelepípedo

10 El rotor de jaula de ardilla tiene conductores de acero 11 Los conductores del rotor están cortocircuitados 12 Un motor trifásico tiene tres bobinas 13 Un motor trifásico tiene sólo tres bornes 14 Los bornes del motor se denominan U, V y W

FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR 1 La velocidad del motor se mide en km/h 2 La velocidad del motor depende del número de polos 3 La velocidad del rotor es la misma que la del campo magnético giratorio 4 El campo magnético giratorio lo producen las bobinas del estator 5 Los motores trifásicos se pueden conectar en estrella o triángulo 6 En la conexión triángulo se conecta el principio de un bobina con el final de la otra 7 En la conexión triángulo la tensión de fase es mayor que la de línea 8 En la conexión triángulo la intensidad de línea y de fase son iguales 9 En la conexión estrella se conectan todos los finales de bobina entre sí

10 En la conexión estrella la tensión de fase y la de línea son iguales 11 En la conexión estrella la intensidad de línea es menor que la de fase

ARRANQUE DIRECTO 1 En el arranque directo el estator se acopla a la red por medio de unas resistencias 2 La punta de intensidad puede llegar hasta 8 veces la In 3 La punta del par puede llegar hasta 2 veces Mn 4 Este tipo de arranque es el ideal para los montacargas 5 La ITC 47 limita la intensidad de arranque para motores superiores a 0,75 Kw 6 Un motor 400/690 V y línea de 230/400 V se conecta en estrella 7 Un motor 230/400 V y línea de 230/400 V se conecta en estrella 8 En un motor la tensión mayor corresponde a la tensión de estrella 9 En un motor la tensión menor corresponde a la tensión de estrella

10 Para la conexión de un motor con arranque directo necesitamos dos contactores 11 Para la protección del motor se necesita un disyuntor adecuado 12 La potencia útil de un motor es mayor que la absorbida de la red 13 Para el cálculo de la potencia absorbida de la red, el rendimiento se aplica en tanto por

cien

INVERSIÓN DE GIRO 1 El rotor no gira siempre en el mismo sentido que el campo magnético giratorio 2 El sentido de giro del campo magnético giratorio lo determina la sucesión de fases 3 Cambiando al conexión de dos fases se cambia el sentido de giro de un motor trifásico 4 Para el automatismo de una inversión de giro se necesitan dos contactores 5 Los dos contactores utilizados en la inversión de giro pueden conectarse al mismo

tiempo

6 Los contactores utilizados en la inversión de giro deben estar enclavados 7 El cambio de las dos fases se realiza en el circuito de mando



ARRANQUE POR CONMUTACIÓN ESTRELLA - TRIÁNGULO

1 Es un tipo de arranque directo 2 El arranque estrella – triángulo tiene tres etapas 3 En la primera etapa se conecta el motor en triángulo 4 La segunda etapa se desconectan los puentes del motor 5 En la tercera etapa se conecta el motor en triángulo 6 Para la conmutación estrella – triángulo se necesitan tres contactores 7 El contactor estrella y el contactor triángulo pueden activarse al mismo tiempo 8 En el arranque por conmutación estrella triángulo no existe desconexión del motor 9 La intensidad en el momento del arranque se reduce a raíz de 3

10 El par en el momento del arranque se reduce a la tercera parte 11 Si el motor se protege por medio de un interruptor de curva magnética, la In de éste

será de acuerdo con la In del motor

12 Los contactores de línea y triángulo serán para una intensidad igual a la In del motor 13 El contactor de estrella puede ser para una intensidad la mitad de In del motor 14 El relé térmico será para una In del 58% de In del motor 15 La tensión nominal de un motor es la tensión de estrella

ARRANQUE POR RESISTENCIAS ESTATÓRICAS 1 Es un tipo de arranque a tensión reducida 2 Las resistencias se intercalan antes de aplicar la plena tensión 3 Cuando las resistencias están intercaladas, en bornes de las bobinas del motor se mide

la tensión nominal

4 Normalmente se arranca en dos etapas 5 Se necesitan dos contactores 6 Los dos contactores no pueden estar conectados al mismo tiempo 7 La intensidad en bornes del motor aumenta según aumenta la velocidad 8 La punta de intensidad en el arranque se reduce con el cuadrado de la reducción de

tensión

9 La punta de par se reduce con el cuadrado de la reducción de tensión 10 El arranque KUSA utiliza dos resistencias estatóricas

ARRANQUE POR AUTOTRANSFORMADOR 1 Los autotransformadores utilizados para arranques de motores tienen tensiones de

secundario de 20%, 40% y 70 %

2 El autotransformador se pone fuera servicio cuando el arranque ha finalizado 3 El par de arranque es fijo 4 La intensidad de línea se reduce con el cuadrado de la relación de tensión del

secundario al primario

5 Las intensidades secundarias se reducen con el cuadrado de la relación de tensión del secundario al primario

6 El par de arranque se reduce en la misma proporción que las intensidades primarias 7 En el arranque en dos etapas lo primero es dejar el punto de estrella del

autotransformador abierto

8 La segunda etapa es cortocircuitar el transformador y abrir el punto de estrella MOTOR DE DOS VELOCIDADES. CONEXIÓN DAHLANDER

1 El motor Dahlander tiene dos bobinados 2 La relación de velocidades es 3 a 1 3 El arrollamiento de mayor número de polos es el de mayor velocidad 4 El arrollamiento de menor número de polos es el de mayor velocidad 5 La conexión Dahlander subdivide el arrollamiento de cada fase en dos mitades 6 En la velocidad alta, la alimentación se aplica a los bornes U1, V1 y W1 7 En la velocidad baja, la alimentación se aplica a los bornes U1, V1 y W1 8 Para la protección por sobrecargas, se utiliza un relé térmico 9 Los contactores de la velocidad alta y baja pueden estar conectados al mismo tiempo

MOTOR DE ROTOR BOBINADO 1 El motor de rotor bobinado arranca con resistencia intercaladas en el rotor 2 Este motor permite regular la velocidad del rotor 3 No se puede adaptar la intensidad de arranque 4 El estator es especial 5 La conexión de los bobinados del rotor viene en triángulo 6 Las resistencias se conectan al rotor a través de las escobillas 7 E rotor se cortocircuita al principio del arranque 8 La marcha en sincronismo es cuando N2 < N1 9 La marcha en hiposincronismo es cuando N2 = N1



10 La marcha en hipersincronismo es cuando N2 < N1 MAGNETISMO

1 Los imanes no atraen al hierro 2 Si los imanes se mueven libremente, se orientan de norte a sur 3 El punto de máxima atracción es el centro de un imán 4 Si enfrentas dos polos Norte, se atraen 5 El espacio en que actúan fuerzas magnéticas se denomina campo magnético 6 Las líneas de fuerza de un campo magnético son siempre abiertas 7 El efecto del campo magnético se llama inducción magnética

ELECTROMAGNETISMO I 1 Una corriente que circula por un conductor, crea un campo magnético 2 Las líneas de fuerza en un conductor son círculos concéntricos 3 El valor máximo del flujo magnético es proporcional a la distancia 4 Si colocamos una aguja imantada cerca de un conductor por el que circula una

corriente, ésta marcará el centro del conductor

5 Si miramos un conductor en el sentido de circulación de la corriente, vemos un punto 6 Si miramos un conductor en sentido contrario al de circulación de la corriente, vemos

una cruz

7 Si miramos un conductor en el sentido de circulación de la corriente, las líneas de fuerza giran en el sentido de las agujas del reloj

8 Si se dobla un conductor formando una espira, diminuye el campo magnético 9 En una bobina, los campos de cada espira se suman

10 En el interior de una bobina, la inducción es menor que en el exterior 11 En una bobina, si la corriente circula en el sentido de las agujas del reloj, se mira el

polo sur de la bobina

ELECTROMAGNETISMO II 1 Un conductor por el que circula una corriente y que está colocado dentro de un campo

magnético, tiende a no moverse

2 Si colocamos un conductor por el circula una corriente dentro de un campo magnético, los campos magnéticos se suman

3 La fuerza electromagnética desarrollada sobre un conductor depende de la inducción y la longitud

4 La aplicación de la fuerza electromagnética es el motor eléctrico 5 La regla de la mano izquierda indica: Pulgar – ca, indice – mo, corazón - co



PRÁCTICAS A REAIZAR Práctica 8. Monta los circuitos de fuerza y mando para el arranque de un motor asíncrono trifásico de las siguientes características:

P =4 kW; η = 0,86%; cos ϕ = 0,91; U = 400 V NOTA. Debes elegir de los catálogos los materiales a instalar en función del motor

Práctica 9. Monta los circuitos de fuerza y mando de dos motores asíncronos trifásicos que deben funcionar de la siguiente forma:

1. Al pulsar el pulsador S1 se pondrá en marcha el motor M1 2. Al pulsar el pulsador S2 se pondrá en marcha el motor M2 si el motor M1 está en

marcha. 3. Pulsando S0 se detendrá el funcionamiento de M1 y M2 en cualquier momento.

Los motores tienen las siguientes características:

M1 P = 2,2 kW; η = 83,6%; cos ϕ = 0,87; U = 400 V M2 P = 0,75 kW; η = 81,2%; cos ϕ = 0,75; U = 400 V

NOTA. Debes elegir de los catálogos los materiales a instalar en función del motor

Práctica 10.- Monta los circuitos de fuerza y mando de dos motores asíncronos trifásicos que deben funcionar de la siguiente forma:

1. Al pulsar el pulsador S1 se pondrá en marcha el motor M1 si el motor M2 no está en marcha.

2. Al pulsar el pulsador S2 se pondrá en marcha el motor M2 si el motor M1 no está en marcha.

3. Pulsando S0 se detendrá el funcionamiento de M1 y M2 en cualquier momento

Los motores tienen las siguientes características:

M1 P = 3 kW; η = 85%; cos ϕ = 0,81; U = 400 V M2 P = 1,5 kW; η = 80,3%; cos ϕ = 0,79; U = 400 V

NOTA. Debes elegir de los catálogos los materiales a instalar en función del motor

Práctica 11. Monta los circuitos de fuerza y mando para la inversión de giro de un motor asíncrono trifásico. Para poder invertir el sentido de giro hay que pasar previamente por paro. Las características del motor son las siguientes:

P = 7,5 kW; η = 88%; cos ϕ = 0,83; U = 400 V

Práctica 12.- Monta los circuitos de fuerza y mando para la inversión de giro de un motor asíncrono trifásico. Para poder invertir el sentido de giro no hace falta pasar previamente por paro.

Las características del motor son las siguientes:

P = 5,5 kW; η = 87%; cos ϕ = 0,83; U = 400 V



Práctica 13.- Un contactor está accionado por una botonera Paro (S0) – Marcha (S1). El funcionamiento es el siguiente:

Al pulsar Marcha, se activa el contactor KM1 y después de 5 segundos de estar en marcha se para automáticamente.

Práctica 14.- Un contactor está accionado por una botonera Paro (S0) – Marcha (S1). El funcionamiento es el siguiente:

Al pulsar Marcha, se activa el contactor KM1. Al pulsar Paro, el contactor continúa funcionando durante 5 segundos y se para automáticamente.

Práctica 15.- Monta los circuitos de fuerza y mando para el arranque de un motor asíncrono trifásico por conmutación estrella/triángulo. Las características del motor son las siguientes:

P = 15 kW; η = 90,4%; cos ϕ = 0,82; U = 400 V; Ia/In = 7,1

NOTA. Debes elegir de los catálogos los materiales a instalar en función del motor Calcula: La Intensidad de arranque, Ia, e indica si cumple con la tabla 1 de la ITC 47



NOTAS

DETECTORES I.E.S.María Ibars


4. DETECTORES 4.1 INTRODUCCIÓN Cuando “arrancamos” o “paramos” una máquina, lo hacemos con pulsadores abiertos (marcha) o cerrados (paro). El proceso de automatización industrial comprende una serie de procesos, en los cuales la máquina necesita conocer una serie de datos necesarios para la evolución del sistema. La adquisición o captura de datos durante el proceso de la máquina, nos la dan los detectores. Dentro de las necesidades de detección, podemos encontrar:

− controlar la presencia, ausencia o posición de un objeto, − chequear el movimiento, flujo u obstrucción de objetos, − contaje.

Para ello se utilizan dispositivos "todo o nada”. Es el caso de las aplicaciones típicas de detección de piezas en cadenas de montaje o en manutención, así como de la detección de personas o vehículos. Hay otras necesidades más específicas, como la detección de:

− presencia (o nivel) de un gas o fluido, − formas, − posición (angular, lineal etc.), − etiquetas, con la lectura y escritura de datos codificados.

4.2 TECNOLOGÍAS DE DETECCIÓN Los fabricantes de detectores utilizan diferentes magnitudes físicas, siendo las más usuales:

− mecánicas (presión, fuerza), para interruptores electromecánicos de posición, − electromagnéticas (campo, fuerza), para sensores magnéticos y detectores de proximidad

inductivos, − de luz (potencia lumínica o desviación) para células fotoeléctricas, − de capacidad, para detectores de proximidad capacitivos, − acústicas (tiempo de recorrido de una onda), para detectores por ultrasonidos, − de fluido (presión) para presostatos, − ópticas (análisis de imagen) para la visión.

Estos sistemas tienen ventajas y límites para cada tipo de sensor: algunos son robustos pero necesitan estar en contacto con la pieza a detectar, mientras que otros trabajan en ambientes hostiles pero únicamente con piezas metálicas. En los puntos que siguen analizaremos algunos de los detectores. 4.3 INTERRUPTORES ELECTROMECÁNICOS DE POSICIÓN Los Interruptores electromecánicos de posición son conocidos como interruptores de posición o finales de carrera. Se encuentran en todas las instalaciones automatizadas y en diferentes aplicaciones, debido a las numerosas ventajas de su tecnología. En ellos, la detección se realiza a través del contacto físico (palpador u órgano de control) con un objeto móvil o inmóvil. Los datos se envían al sistema a través de un contacto eléctrico (todo o nada). 4.3.1 COMPOSICIÓN DE LOS INTERRUPTORES DE POSICIÓN Los interruptores de posición constan de los tres elementos básicos siguientes: un contacto eléctrico, un cuerpo y una cabeza de mando con su dispositivo de ataque. La mayoría de estos aparatos se combinan a partir de distintos modelos de cuerpos dotados de un



contacto eléctrico, de cabezas de mando y de dispositivos de ataque. Esta modularidad facilita en gran medida el mantenimiento, gracias a la posibilidad de cambiar cualquier elemento con comodidad.

a) Cuerpo b) Cabeza c) dispositivo de ataque

d) Interruptor de posición

e) Contacto NA f) Contacto NC

Figura 4.1 Composición del detector de posición y representación de los contactos

4.3.2 CONTACTO ELÉCTRICO Es el denominador común de la mayoría de los aparatos. Existen versiones 1 NO/NC, 2 NO/NC simultáneos y 2 NO-NC decalados de ruptura brusca y NO+NC decalados de ruptura lenta. 4.3.3 CUERPO Existen varias opciones: normalizado CENELEC o de dimensiones reducidas, fijo o enchufable, metálico o termoplástico y con una o varias entradas de cable. 4.3.4 CABEZAS DE CONTROL, DISPOSITIVOS DE ATAQUE Pueden asociarse numerosos modelos al cuerpo que contiene el elemento de contacto dependiendo del movimiento del detector, el cual es capaz de detectar múltiples posiciones y adaptarse a los objetos a controlar de una manera fácil:

− movimiento rectilíneo, − movimiento angular, − movimiento multidireccional.

4.3.5 MODOS DE FUNCIONAMIENTO DE LOS CONTACTOS 4.3.5.1 CONTACTO DE RUPTURA BRUSCA Se caracteriza por un fenómeno de histéresis. Esto es, los puntos de accionamiento y de desaccionamiento son diferentes (Fig. 4.3a). La velocidad de desplazamiento de los contactos móviles es independiente de la velocidad del elemento de mando. Cada vez más, los interruptores de posición con contacto de ruptura brusca tienen apertura positiva; esto se refiere a la apertura del contacto, y se define como sigue:

"Un dispositivo cumple este requerimiento cuando se pueden llevar con certeza todos los elementos de sus contactos de apertura a su posición de apertura, esto es, sin ningún tipo de enlace elástico entre partes móviles y dispositivos de control sujeto al esfuerzo del funcionamiento."

Figura 4.2 Movimientos posibles en los sensores



Posición de

reposo Aproximación Interrupción del contacto

Operación positiva

a) Posición de reposo

b) Posición de trabajo

a) Contacto de ruptura brusca b) Contacto de ruptura lenta

Figura 4.3 Tipos de contactos de los interruptores de posición 4.3.5.2 CONTACTO DE RUPTURA LENTA Este modo de funcionamiento se caracteriza por:

- puntos de accionamiento y de desaccionamiento no diferenciados, - velocidad de desplazamiento de los contactos móviles igual o proporcional a la velocidad del

elemento de mando (que no debe ser inferior a 0,001 m/s). Por debajo de este valor, los contactos se abren demasiado lentamente, cosa que no es buena dado que existirá riesgo de arco eléctrico de larga duración,

- distancia de apertura dependiente de la carrera del elemento de mando. El diseño de estos contactos es por naturaleza en modo de apertura positiva: el pulsador actúa directamente sobre los contactos móviles.

Figura 4.4 Ejemplos de aplicación de los interruptores de posición Ejemplo1 Tenemos una cinta transportadora accionada por pulsadores Paro Marcha. El funcionamiento es el siguiente:

− Un operario pone un paquete en la cinta y acciona el pulsador de Marcha (S1).

− La máquina se pone en macha hasta que el paquete llega a un punto y se para.

− Para volver a poner en macha la cinta es necesario retirar el paquete.

− La maniobra se puede detener en cualquier momento con el pulsador de Paro (S0)

− Los pilotos de señalización deben indicar la marcha y el disparo del térmico. NOTA. Tanto el circuito de fuerza como el de mando deben contar con la protecciones reglamentarias



Solución:

4.4 DETECTORES DE PROXIMIDAD INDUCTIVOS Estos aparatos se utilizan principalmente en aplicaciones industriales. Detectan cualquier objeto metálico sin necesidad de contacto, sirven para: control de presencia o de ausencia, detección de paso, etc. Ventajas:

− compatibilidad con los automatismos electrónicos − durabilidad independiente del número de ciclos de maniobra − adaptación a ambientes húmedos, corrosivos y con atascos, − detección de objetos frágiles, recién pintados, etc.

4.4.1 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO El componente sensible es un circuito inductivo (inductancia L). Este circuito está conectado a una capacitancia C para formar un circuito de resonancia a una frecuencia Fo, usualmente comprendida entre 100kHz y 1MHz. El circuito resonante es un circuito en el cual la reactancia inductiva es igual a la reactancia capacitiva

Un detector de proximidad inductivo detecta la presencia de cualquier objeto de material conductor sin necesidad de contacto físico. Consta de un oscilador, cuyos bobinados forman la cara sensible, y de una etapa de salida. El oscilador crea un campo electromagnético alterno delante de la cara sensible.

Cuando un objeto conductor penetra en este campo, soporta corrientes inducidas circulares que se desarrollan a su alrededor (efecto piel). Estas corrientes constituyen una sobrecarga para el sistema oscilador y provocan una reducción de la amplitud de las oscilaciones a medida que se acerca el objeto, hasta bloquearlas por completo.

Figura 4.5 Partes de un detector inductivo



La detección del objeto es efectiva cuando la reducción de la amplitud de las oscilaciones es suficiente para provocar el cambio de estado de la salida del detector. 4.4.2 PARTES DE UN DETECTOR INDUCTIVO

− Transductor: consta de una bobina de cobre de varios hilos dentro de un recipiente ferrítico, que dirige las líneas de campo hacia la parte frontal del detector.

− Oscilador − Tratamiento de la señal − Etapa de salida

4.4.3 CAMPO ELECTROMAGNÉTICO Y ZONA DE INFLUENCIA El dibujo lateral representa el campo electromagnético generado por un detector inductivo. La intensidad del campo disminuye rápidamente a medida que se aleja de la cara sensible. La zona de influencia (la zona en la que la intensidad del campo es suficiente para que se produzca la detección), es por tanto más pequeña. Condiciona las distancias que deben respetarse entre aparatos o entre aparatos y masas metálicas. 4.4.4 CURVAS Y DISTANCIAS DE DETECCIÓN Las curvas y distancias de detección se determinan mediante una placa cuadrada de acero dulce Fe 360, de 1 mm. de espesor. Para trazar la curva de detección la placa se sitúa a distintas distancias de la cara sensible, en paralelo y hasta los puntos de conmutación de la salida. La curva de detección se obtiene por la unión de estos puntos. 4.4.4.1 ALCANCE NOMINAL O ALCANCE ASIGNADO (SN) Es el alcance convencional que permite designar el aparato y que figura en los catálogos de los fabricantes. No tiene en cuenta las dispersiones (fabricación, temperatura ambiente, tensión de alimentación). 4.4.4.2 ALCANCE REAL (SR) El alcance real, Sr, se mide bajo la tensión asignada Un y a la temperatura ambiente asignada Tn. Debe estar comprendido entre el 90% y el 110% del alcance Sn del detector.

0,9 Sn ≤ Sr ≤ 1,1 Sn 4.4.4.3 ALCANCE ÚTIL (SU) El alcance útil, Su, se mide en los límites admisibles de temperatura ambiente, Ta, y de tensión de alimentación Ub. Debe estar comprendido entre el 90% y el 110% del alcance real Sr.

Figura 4.6 Campo electromagnético y zona de influencia

Figura 4.7 Principio de funcionamiento de un detector inductivo

Figura 4.8 Curva de detección de un detector inductivo

Figura 4.9 Distancias de detección



0,9 Sr ≤ Su ≤ 1,1 Sr 4.4.4.4 ALCANCE DE TRABAJO (SA) El alcance de trabajo, Sa, está comprendido entre 0 y el 81% del alcance nominal Sn. Es la zona de funcionamiento en la que se asegura la detección de la placa de medida, con independencia de las dispersiones de tensión y temperatura.

0 ≤ Sa ≤0,9 x 0,9 x Sn 4.4.4.5 RECORRIDO DIFERENCIAL El recorrido diferencial (histéresis) H, es la distancia medida entre el punto de accionamiento cuando la plaqueta de medida se aproxima al detector y el punto de desactivación cuando se aleja de él. Se expresa en % del alcance real Sr. 4.4.4.6 REPRODUCTIBILIDAD La reproductibilidad (fidelidad) R, es la precisión de reproducción entre dos medidas del alcance útil para intervalos dados de tiempo, temperatura y tensión

1) Control de proceso 2) Selección 3) Control de ruptura

de acoplamiento 4) Contar y seleccionar

objetos metálicos

Figura 4.11 Ejemplos de aplicación de detectores inductivos

a) Dos hilos corriente alterna y

continua b) Tres hilos corriente continua

PNP c) Tres hilos corriente continua

NPN

Figura 4.12 Conexión de los detectores inductivos 4.5 DETECTORES CAPACITIVOS Los detectores capacitivos son adecuados para detectar objetos o productos no metálicos de cualquier tipo (papel, vidrio, plástico, líquido, etc.). Un detector de posición capacitivo se compone de un oscilador cuyos condensadores forman la cara sensible. En este caso, la superficie sensible del detector constituye la armadura de un condensador. A esta superficie se le aplica una tensión senoidal para crear un campo eléctrico alternativo enfrente del detector. Dado que esta tensión se asigna con relación a un potencial de referencia (como es el caso de la tierra), se constituye una segunda armadura con un electrodo conectado al potencial de referencia. Estos detectores disponen de un potenciómetro de regulación de sensibilidad. Se compone principalmente de un oscilador cuyo condensador está formado por 2 electrodos

a) Contacto abierto b) contacto cerrado

Figura 4.10 Símbolo del detector inductivo

Figura 4.13 Partes de un detector

capaciti o



colocados en la parte frontal del aparato. En el aire (εr = 1), la capacidad del condensador es de C0. εr es la constante dieléctrica, la cual depende de la naturaleza del material.

a) Aislante el aire b) Se introduce un elemento no conductor

Figura 4.14 Principio de funcionamiento del detector capacitivo

Cuando un objeto de cualquier naturaleza (εr > 2) se encuentra frente al lado sensible del detector, se traduce en una variación del acoplamiento capacitivo (C1). Esta variación de capacidad (C1 > C0) provoca el arranque del oscilador. Tras la puesta en formato, se emite una señal de salida. 4.5.1 DISTANCIAS DE FUNCIONAMIENTO El alcance de trabajo depende de la naturaleza del objeto que se va a detectar:

St = Sn x Fc Donde:

St = alcance de trabajo. Sn = alcance nominal del detector. Fc = factor de corrección relativo al material que se va a detectar.

a) Ningún detector activo b) Detector 1 activo c) Detectores 1 y 2 activos

Figura 4.16 Ejemplo de aplicación de los detectores capacitivos

Ejemplo 2 Tenemos una cinta transportadora accionada por pulsadores Paro Marcha. El funcionamiento es el siguiente:

− Un operario pone en funcionamiento la cinta accionando el pulsador de Marcha (S1).

− La cinta lleva los recipientes para su llenado.

− Los detectores 1 (para materiales aislantes) y 2 (para materiales conductores) no están activados.

− Cuando el recipiente entra en la zona de detección del detector 1, la cinta para y empieza la operación de llenado. El detector 2 no está activado.

− El detector 2 detecta el nivel alcanzado y detiene el llenado, poniéndose en funcionamiento la cinta de nuevo.

a) Contacto abierto b) contacto cerrado

Figura 4.15 Símbolo del detector capacitivo



− La maniobra se puede detener en cualquier momento con el pulsador de Paro (S0)

− Los pilotos de señalización deben indicar la marcha y el disparo del térmico. NOTA. Tanto el circuito de fuerza como el de mando deben contar con la protecciones reglamentarias Solución:

a) dos hilos corriente alterna y

continua b) Tres hilos corriente continua

PNP c) Tres hilos corriente continua

NPN

Figura 4.17 Conexión de los detectores inductivos 4.6 DETECTORES FOTOELECTRICOS Los detectores fotoeléctricos funcionan bajo un principio que los hace aptos para la detección de cualquier tipo de objeto: opaco, transparente, reflectante, etc. Son además utilizados para la detección de personas (apertura de puertas, etc.). 4.6.1 FUNCIONAMIENTO Un detector fotoeléctrico detecta un objeto o una persona por medio de un haz luminoso. Sus dos componentes básicos son un emisor y un receptor de luz. La detección es efectiva cuando el objeto penetra en el haz de luz y modifica suficientemente la cantidad de luz que llega al receptor para provocar

Figura 4.18 Partes de un detector fotoeléctrico



el cambio de estado de la salida. Para ello, se siguen dos procedimientos:

− bloqueo del haz por el objeto detectado, − retorno del haz sobre el receptor por el objeto detectado.

Los detectores fotoeléctricos disponen de un emisor de diodo electroluminiscente y de un receptor de fototransistor. Estos componentes se utilizan por su elevado rendimiento luminoso, su insensibilidad a los golpes y a las vibraciones, su resistencia a la temperatura, su durabilidad prácticamente ilimitada y su velocidad de respuesta. Dependiendo del modelo de detector, la emisión se realiza en infrarrojo o en luz visible verde o roja. La corriente que atraviesa el LED emisor se modula para obtener una emisión luminosa pulsante e insensibilizar los sistemas a la luz ambiental. 4.6.2 TIPOS DE DETECTORES FOTOELÉCTRICOS Disponen de cinco sistemas básicos:

− barrera, − réflex, − réflex polarizado, − proximidad, − proximidad con borrado del plano posterior,

4.6.2.1 DE BARRERA El emisor y el receptor se sitúan en dos aparatos separados. El emisor, que consta de un LED y de una lente convergente, crea un haz de luz paralelo. El receptor, que consta de un fotodiodo (o fototransmisor) y de una lente convergente, proporciona una corriente proporcional a la energía recibida. El sistema envía una información "todo o nada" en función de la presencia o ausencia de un objeto en el haz de luz. Ventaja: la distancia de detección puede ser considerable (hasta 50m o más); ello depende de las lentes y, por lo tanto, de las dimensiones del detector. Inconveniente: se requieren dos aparatos separados, lo que implica también dos alimentaciones diferenciadas. La alineación para distancias superiores a 10 m puede ser problemática. 4.6.2.2 RÉFLEX Existen dos sistemas Réflex: estándar y polarizado. 4.6.2.2.1 RÉFLEX ESTÁNDAR

Figura 4.19 Espectro luminoso

Figura 4.20 Modulación del haz luminoso

Figura 4.21 Detector fotoeléctrico de barrera

Figura 4.22 Detector fotoeléctrico réflex estandar



El haz de luz normalmente se encuentra en el espectro infrarrojo (de 850 a 950nm). Ventajas: el emisor y el receptor se encuentran en el mismo aparato (una única alimentación). La distancia de detección es considerable, si bien menor que en el caso anterior (hasta 20m). Inconveniente: un objeto reflectante (ventana, carrocería de un automóvil, etc.) puede ser interpretado como un reflector y no ser detectado. 4.6.2.2.2 RÉFLEX POLARIZADO El haz de luz normalmente se encuentra en el espectro rojo (660 nm). La radiación emitida se polariza verticalmente por un filtro de polarización lineal. El reflector cambia el estado de la polarización de la luz, por lo que parte de la radiación devuelta tiene una componente horizontal. El filtro de polarización lineal del receptor deja pasar esta componente y la luz alcanza el receptor. A diferencia del reflector, un objeto reflectante (espejo, placa metálica, etc.) no altera el estado de polarización, por lo que la luz que refleja no puede alcanzar el polarizador del receptor (C Fig.17). Ventaja: este tipo de detector supera el problema que presenta un detector fotoeléctrico réflex estándar. Inconvenientes: este detector es más caro y sus distancias de detección son más reducidas que en el caso de un réflex estándar:

− Réflex estándar -->20m − Réflex polarizado ---> 8m

4.6.2.3 DE PROXIMIDAD 4.6.2.3.1 DE PROXIMIDAD ESTÁNDAR Este sistema se basa en la reflexión del objeto a detectar. Ventaja: no se requiere un reflector. Inconvenientes: la distancia de detección es muy corta (hasta 2m). Además, varía con el color del objeto a detectar y el plano posterior que éste presenta (para unas condiciones dadas, la distancia es mayor para un objeto blanco y menor para un objeto gris o negro); un plano posterior más claro que el objeto a detectar puede hacer que la detección resulte imposible. 4.6.2.3.2 DE PROXIMIDAD CON BORRADO DEL PLANO POSTERIOR Este sistema de detección utiliza la triangulación. La distancia de detección (hasta 2m) no depende de la reflectividad del objeto, sino de su posición, por lo que un objeto claro se detecta a la misma distancia que un objeto oscuro y un plano posterior más allá de la distancia de detección será ignorado. 4.7 DETECTORES POR ULTRASONIDOS 4.7.1 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

Figura 4.23 Detector fotoeléctrico réflex polarizado

Figura 4.24 Detector fotoeléctrico réflex polarizado

Principio de no detección

Figura 4.25 Detector fotoeléctrico de

Proximidad estandar

Figura 4.26 Detector fotoeléctrico de

proximidad con borrado del plano posterior



Los ultrasonidos se producen eléctricamente con un transductor electroacústico (efecto piezoeléctrico), alimentado con energía eléctrica que es convertida en vibraciones mecánicas mediante la piezoelectricidad o mediante el fenómeno que se conoce como magnetostricción. Este principio consiste en medir el tiempo que necesita la onda acústica para propagarse entre el sensor y el objeto a detectar.

1 Generador de alto voltaje. 2 Transductores piezoeléctricos (emisor y receptor). 3 Etapa de tratamiento de la señal. 4 Etapa de salida.

Figura 4.27 Detector por ultrasonidos

La velocidad de propagación es de 340 m/s en el aire a 20°C, esto es, para 1m el tiempo medido ronda los 3ms. El tiempo lo mide un contador integrado en un microcontrolador. La ventaja de los detectores por ultrasonidos radica en el hecho que pueden trabajar a grandes distancias (hasta 10m) y, por encima de todo, detectar cualquier objeto que refleje el sonido, sin importar su forma o color. 4.7.2 APLICACIÓN Excitado por el generador de alta tensión, el transductor (emisor-receptor), genera una onda ultrasónica pulsante (de 100 a 500kHz, dependiendo del producto) que viaja a través del aire ambiente a la velocidad del sonido. Tan pronto como la onda choca contra un objeto, una onda reflejada (eco) vuelve al transductor. Un microprocesador analiza la señal de entrada y mide el intervalo de tiempo entre la señal emitida y el eco. Comparando este intervalo con tiempos predefinidos, se determina y controla el estado de las salidas. Si se conoce la velocidad a la que se propaga el sonido, se puede calcular la distancia existente 4.7.3 PARTICULARIDADES DE LOS DETECTORES POR ULTRASONIDOS Y DEFINICIONES Zona ciega: zona entre la cara sensible del detector y la distancia mínima a la cual un objeto no puede ser detectado de forma fiable. Es imposible detectar objetos correctamente en esta zona. Zona de detección: área en la que el detector es sensible. Dependiendo del modelo de detector, esta zona se puede ajustar o fijar con un pulsador de tipo ordinario. Factores de influencia: los detectores por ultrasonidos son especialmente adecuados para detectar objetos duros con una superficie plana perpendicular al eje de detección 4.7.4 MODOS DE FUNCIONAMIENTO

− Modo de proximidad: un único detector emite la onda de sonido y la recibe después de ser reflejada por un objeto.

Figura 4.28 Limites de funcionamiento



En este caso, es el objeto el que refleja la onda.

− Modo réflex: un único detector emite la onda de sonido y la recibe después de reflejarse en un reflector, por tanto el detector está permanentemente activo. En este caso, el reflector es una pieza plana y rígida. El objeto es detectado cuando la onda se "interrumpe". Este modo está especialmente indicado para detectar objetos que absorben el sonido o con formas angulosas.

− Modo de barrera: el sistema de barrera consiste en dos productos separados, un emisor por

ultrasonidos y un receptor, situados de forma opuesta.

a) En modo de proximidad b) En modo réflex

Figura 4.29 Modos de funcionamiento de un detector por ultrasonidos

4.7.5 VENTAJAS DE LA DETECCIÓN POR ULTRASONIDOS

− No existe contacto físico con el objeto, por tanto no hay juego mecánico y se pueden detectar objetos frágiles o recién pintados.

− Cualquier material, independientemente de su color, puede ser detectado en el mismo rango sin factores de ajuste o de corrección.

− Dispositivos estáticos: no hay partes móviles en el detector, por lo que su vida útil no queda afectada por el número de ciclos de funcionamiento.

− Buena resistencia en ambientes industriales: vibraciones, impactos, humedad, polvo, etc. − Función de aprendizaje presionando un botón para definir la zona de detección. Se

memorizan los rangos mínimo y máximo (eliminación muy precisa del fondo y del primer plano hasta ± 6mm).

4.8 OTROS TIPOS DE DETCTORES Otros detectores utilizados en la industria son los siguientes: IDENTIFICACIÓN POR RADIOFRECUENCIA (RFID)

La identificación por radiofrecuencia (RFID) es una tecnología reciente de identificación automática diseñada para aplicaciones que requieren el seguimiento de objetos y personas (trazabilidad, control de accesos, selección, almacenamiento). Su principio de funcionamiento se basa en asociar a cada objeto una memoria accesible sin contacto, tanto para su lectura como para su escritura. La información se almacena en una memoria accesible a través de una conexión por radiofrecuencia que no necesita ni contacto ni campo de visión, a una distancia que puede ir desde escasos centímetros hasta varios metros. Esta memoria tiene forma de etiqueta electrónica o transpondedor (TRANSmisor + resPONDEDOR), que contiene un circuito electrónico y una antena.

VISIÓN

Es el "ojo" de una máquina, que da visión a un sistema de automatización. Una cámara hace una foto de un objeto y digitaliza sus características físicas para proporcionar información



relacionada con

− sus dimensiones, − su posición, − su apariencia (acabado superficial, color, brillo, presencia de defectos, etc.), − su marcaje (logos, caracteres, etc.).

El usuario puede además automatizar funciones complejas tales como:

− funciones de medida, − funciones de guiado, − funciones de identificación.

ENCODER ÓPTICO

La rotación de un disco graduado genera impulsos idénticos en la salida del sensor óptico, dependiendo del movimiento del objeto a controlar. La resolución, esto es, el número de impulsos por vuelta, corresponde al número de graduaciones en el disco o un múltiplo de este número. Cuanto más grande es este número, mayor es el número de medidas por vuelta, lo que permite conocer de forma más precisa el desplazamiento o la velocidad de la parte móvil de la máquina conectada al encoder. Aplicación típica: máquina de corte longitudinal.

DETECTORES PARA CONTROL DE PRESIÓN

Los interruptores de presión, los interruptores de vacío y los transmisores de presión se usan para supervisar, controlar o medir la presión o el vacío en circuitos hidráulicos y neumáticos. Los interruptores de presión y los interruptores de vacío convierten un cambio en la presión en una señal eléctrica todo o nada cuando se alcanzan los puntos de consigna indicados.



CUESTIONARIO

DETECTORES Num Pregunta V F

1 A los Interruptores electromecánicos de posición se les conoce como finales de carrera 2 Estos detectores no necesitan contacto físico para la detección 3 Se componen de contacto, cuerpo y cabeza de mando 4 Siempre llevan dos contactos NA cerrados 5 No pueden detectar el movimiento multidireccional 6 En los contactos de ruptura brusca el desplazamiento del contacto depende de la

velocidad del elemento de mando

7 En los contactos de ruptura lenta, la distancia de apertura es independiente de la carrera del elemento de mando

8 Los contactos de ruptura lenta son de apertura negativa

9 Los detectores inductivos necesitan estar en contacto con el objeto a detectar 10 Los detectores inductivos detectan objetos metálicos 11 El elemento sensible es un circuito inductivo 12 El circuito resonante es aquel que no tiene no tiene ni inducción ni capacidad 13 El oscilador crea un campo magnético delante de la cara sensible 14 Las partes de un detector inductivo son : Oscilador, Tratamiento de la señal y Etapa de

salida

15 En un detector inductivo, el campo aumenta rápidamente a medida que se aleja de la cara sensible

16 El alcance nominal tiene en cuenta las dispersiones 17 El alcance de trabajo es aquel en el que está la detección de la placa de medida 18 El recorrido diferencial es la distancia entre el punto de activación y desactivación

19 Los detectores capacitivos no necesitan contacto con el objeto a detectar 20 Los detectores capacitivos sólo detectan objeto metálicos 21 La cara sensible de los detectores capacitivos la forma un condensador 22 La distancia de trabajo no depende de la naturaleza del objeto a detectar

23 Los detectores fotoeléctricos detectan cualquier tipo de material 24 El detector fotoeléctrico detecta por medio de un haz luminoso 25 Sus componentes básicos son un emisor y un receptor 26 El emisor es un fototransistor 27 El receptor es un diodo electroluminiscente 28 En el sistema de barrera, el emisor y el receptor están en el mismo aparato 29 En el sistema de barrera, la distancia puede ser considerable 30 En el sistema réflex, el emisor y el receptor están en el mismo aparato 31 La distancia es mayor que en el de barrera 32 Si el objeto a detectar es reflectante puede no detectarlo 33 En el sistema réflex polarizado, los objetos reflectantes no se detectan 34 La distancia de detección es mayor que el réflex estándar 35 El sistema de proximidad estándar se basa en la reflexión del objeto a detectar 36 Se requiere un reflector 37 La distancia es muy pequeña 38 En el sistema de proximidad con borrado del plano posterior, la detección depende de

la posición del objeto a detectar

40 En el sistema de proximidad con borrado del plano posterior, la detección depende de de la reflectividad del objeto a detectar

41 Los ultrasonidos se producen eléctricamente con un transductor electroacústico 42 El principio de funcionamiento de este detector consiste en medir el tiempo que

necesita una onda acústica para propagarse entre el sensor y el objeto a detectar

43 Sólo pueden trabajar en distancias cortas 44 En la zona ciega de un detector por ultrasonidos, se detecta todo lo que pasa 45 En la zona de detección de un detector por ultrasonidos sólo se detecta lo que interesa 46 Los modos de funcionamiento son: de proximidad, réflex y barrera



PRÁCTICAS A REALIZAR Práctica 16 Se desea automatizar la puerta de acceso a un supermercado de la siguiente forma:

S2 S1

KM1

KM2

D

− Al detectar una fotocélula la presencia de una persona, la puerta corredera deberá abrirse hasta el final de su recorrido, momento en el que parará durante cinco segundos.

− Pasado este tiempo, la puerta se cerrará.

− Si mientras está cerrando el sensor detectara la presencia de una persona, la puerta deberá abrirse de nuevo.

La instalación tiene las siguientes características:

− Motor trifásico jaula de ardilla.

− P = 5,5 kW; 230/400 V; η = 87% cos φ = 0,83; Ia/In = 7,3 Calcula:

− La intensidad nominal y selecciona las protecciones necesarias, justificándolas

− Indica el tipo de conexión del motor

− El catálogo nos indica que la relación entre la intensidad de arranque y la nominal es de 6,6. Utiliza el método de arranque apropiado según la ITC – BT 47 Apartado 6

− La sección de alimentación y sus protecciones, si el cuadro de protección está instalado a 15 m del cuadro del automatismo.

Práctica 17 Un taladro debe de realizar la siguiente maniobra:

− Previamente a su puesta en marcha, un sensor deberá detectar la presencia de una pieza en el portapiezas.

− Al pulsar marcha, el portabrocas girará movido por el motor trifásico M1.

− A continuación, otro motor trifásico (M2) iniciará la bajada del taladro hasta un punto en el que un final de carrera parará la bajada sin detener el giro de M1.

− Al cabo de 5 segundos, se iniciará la subida M2 hasta el punto de partida, en que se parará el proceso automáticamente.

− La operación se podrá parar en cualquier momento.

− Se deberá disponer de señalización luminosa de paro y marcha de la broca. La instalación tiene las siguientes características:

− Motores trifásicos jaula de ardilla.

− P1 = 0,75 kW; 230/400 V; η = 78,2%; cos φ = 0,74

− P2 = 3 kW; 230/400 V; η = 85%cos φ = 0,81.



Calcula:

− La intensidad nominal y selecciona las protecciones necesarias, justificándolas

− Indica el tipo de conexión del motor

− La sección de alimentación y sus protecciones si el cuadro de protección está instalado a 25 m del cuadro del automatismo.

Práctica 18 En una empresa de reciclaje de plásticos, se dispone de una cinta transportadora accionada por un motor trifásico por la que llega el material a la tolva. Funcionamiento:

− La cinta se activará mediante un pulsador de marcha.

− Se desea disponer de un sistema de seguridad por el que si se encuentra algún elemento metálico entre el material, se pare la cinta y se encienda una luz de aviso. La cinta deberá seguir parada hasta que se haya retirado el elemento metálico.

− El sistema se podrá parar manualmente en cualquier momento y deberá disponer de señalización luminosa de funcionamiento de la cinta.


a- Motor trifásico jaula de ardilla.

b- P = 7,5 kW; 230/400 V; η = 88%; cos φ = 0,83

c- Selecciona las protecciones necesarias, justificándolas

d- Indica el tipo de conexión del motor

e- El catálogo nos indica que la relación entre la Intensidad de arranque y la nominal es de 7,9. Utiliza el método de arranque apropiado según la ITC – BT 47 Apartado 6

f- El cuadro de protección está instalado a 10 m del cuadro del automatismo. Calcula la sección de alimentación y sus protecciones.

EJERCICIOS DE AMPLIACIÓN I.E.S.María Ibars


EJERCICIOS DE AMPLIACIÓN Práctica 19 Realiza el automatismo para el arranque de un motor trifásico por conmutación estrella triángulo con inversión de giro. Deberá estar comandado por los siguientes pulsadores: S0 pulsador de paro S1 Pulsador de marcha a derechas S2 Pulsador de marcha a izquierdas En los dos sentidos se hará el arranque estrella triángulo Características del motor:

P = 3 kW; cos ϕ = 0,75 η = 84 %

NOTA. Debes elegir de los catálogos los materiales a instalar en función del motor Práctica 20 Realiza el automatismo para la inversión de giro de un motor trifásico que mueve una lanzadera.

Condiciones:

a) Protección térmica.

b) Al accionar un pulsador S1, el motor se pone en marcha en un sentido desde el punto A.

c) Al llegar al final del recorrido, punto B, un final de carrera lo detecta y hace que el motor invierta el sentido de giro.

d) Al llegar de nuevo a A, otro final de carrera lo detecta, haciendo que invierta el sentido de giro de nuevo.

e) Continua repitiendo operaciones hasta que al pulsar paro (S0) continua el ciclo hasta llegar al punto A y sólo entonces se para.

f) Señalización luminosa de funcionamiento de los dos sentidos. Características del motor:

P = 5,5 kW; η = 86%; cos ϕ = 0,88; U = 400 V; Ia/In = 6,8

NOTA. Debes elegir de los catálogos los materiales a instalar en función del motor Calcula: La Intensidad de arranque Ia e indica si cumple con la tabla 1 de la ITC 47

Práctica 21 Realiza el automatismo para la puesta en marcha de un montacargas para subir paquetes desde la planta baja (Pb), hasta la planta alta (Pa), con las siguientes condiciones:

− Motor trifásico de jaula de ardilla.

− La maniobra se deberá poder parar en cualquier momento desde Pa o desde Pb.

− Para subir tiene que estar cerrada la puerta y actuar el pulsador de subida.

− Estando arriba y si esta cerrada la puerta, puede bajar inmediatamente si actuamos en el pulsador de bajada. Si no pulsamos bajar, lo hará automáticamente al cabo de 30".




Motor trifásico jaula de ardilla.

a- P1 = 4 kW; 230/400 V; cos φ = 0,85

b- Selecciona las protecciones necesarias, justificándolas

c- Indica el tipo de conexión del motor

d- El catálogo nos indica que la relación entre la Intensidad de arranque y la nominal es de 3. Utiliza el método de arranque apropiado según la ITC – BT 47 Apartado 6

e- El cuadro de protección está instalado a 25 m del cuadro del automatismo. Calcula la sección de alimentación y sus protecciones.

Práctica 22. Dos motores mueven unas piezas colocadas en unos husillos:

Motor A

AI ADMAD

MAI

Motor B

BI BDMBD

MBI

M

SECUENCIA DE LAS MANIOBRAS

1- Al cerrar el pulsador M, el motor A moverá su pieza a la derecha por medio de un contactor MAD hasta el final de carrera AD.

2- En este momento el motor B moverá su pieza a la derecha por medio del contactor MBD hasta

el final de carrera BD. Estando las dos piezas en la derecha ambos motores moverán sus piezas simultáneamente hacia la izquierda por medio de los contactores MAI y MBI hasta encontrar cada uno su final de carrera correspondiente AI y BI. Práctica 23 Tenemos una tolva que almacena áridos, los cuales, cuando se abre la compuerta caen sobre una cinta transportadora accionada por un motor. Se quiere automatizar el conjunto para que tenga el siguiente ciclo de funcionamiento: PUESTA EN MARCHA:

1. Al pulsar S1 se inicia el movimiento de la cinta. 2. Una temporización de tres segundos permite que se

abra la compuerta. DETENCIÓN DEL SISTEMA:

1. Al pulsar S0, la compuerta se cierra. Motor cinta

S0 S1

M



2. Tras un tiempo de transporte de duración 10 segundos se detiene la cinta Práctica 24 Una prensa está accionada por un motor trifásico. El mando debe realizarse de forma que la estampa no pueda bajarse:

1. Si la rejilla de protección no está cerrada (D3, D4), y la prensa está en la posición básica (D1).

2. Si no están los dos pulsadores (S1, S2) accionados.

3. Si en la bajada de la estampa se abre la rejilla protectora o uno de los pulsadores deja de accionarse, entonces la estampa debe parar rápidamente.

4. Durante el movimiento hacia arriba, puede abrirse la rejilla y los pulsadores pueden dejar de accionarse.

5. Cuando se alcanza nuevamente la posición superior o inicial (final de carrera D1), termina la fase de trabajo.

S2 S3

Motor D1

D2

D3D4

Práctica 25 Hay que automatizar una un puente grúa. Dicho puente tiene un movimiento de traslación lateral (M1) y otro movimiento de subida y bajada del gancho (M2). Los dos motores son asíncronos trifásicos. CICLO DE FUNCIONAMIENTO

a- Al pulsar S1 el motor M2 se desplaza desde D1 hasta D2. b- Una vez el motor M2 ha llegado a D2, el motor M1 se desplaza desde D3 hasta D4. c- Una vez M1 ha llegado a D4, el motor M2 se desplaza desde D2 hasta D1. d- Después de 5 segundos M2 se desplaza hasta D2. e- Al llegar M2 a D2, el motor M1 se desplaza desde D4 hasta D3. f- Al llegar M1 a D3, el motor M2 se desplaza desde D2 hasta D1 quedando a la espera de una

nueva orden

M1

M2

D1

D2

D3 D4

S1



NOTAS

BIBLIOGRAFÍA I.E.S. María Ibars

José J. Miralles 107

BIBLIOGRAFIA TITULO: Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión (REBT) AUTOR: Ministerio de industria http://www.ffii.nova.es/puntoinfomcyt/rebt_itcs.asp TITULO: Guía técnica de aplicación AUTOR: Ministerio de Industria http://www.ffii.nova.es/puntoinfomcyt/rebt_itcs.asp DOCUMENTOS TITULO: Guía de protección diferencial Autor: Schneider electric TITULO: Guía de soluciones de automatizaciones Autor: Schneider electric TITULO: Telesquemario Autor: Telemecanique http://www.sebyc.com/descargas/telesquemario/ManualElecTeleme.pdf CATÁLOGOS Nueva gama de aparellaje en protección y control de potencia tesys Telemecanique http://www.schneiderelectric.es/es/in-comercial/com_docs.nsf/WebTipoInfoCI-AUT/93fb262a8fcf9e78c1256c770043b268?OpenDocument Aparamenta carril DIN Cofrets modulares y estancos Tomas de corriente industriales Distribución Eléctrica en Baja Tensión Catálogo ‘08 Schneider Electric http://www.schneiderelectric.es/es/in-comercial/com_docs.nsf/2ceb4bb381be3d3fc1256bab003449d0/6fd365a2330b3159c1256d4a0047f121?OpenDocument Información técnica complementaria. Coordinación de la aparamenta, selectividad y filliación Schneider Electric http://conecta.schneiderelectric.es/img/Productos/archivo.asp?Id=e493244cffbf2fbec12574f20057bebf Catalogo de Fusibles Ferraz Shawmut http://es.ferrazshawmut.com/

BIBLIOGRAFÍA I.E.S. María Ibars

José J. Miralles 108

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