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Unidad 12. Accionamiento automático de motores eléctricos de corriente alterna de motores eléctricos de corriente alterna Estudiaremos: El contactor. • Relé térmico de sobreintensidad. • Elementos de mando y señalización. • Elementos auxiliares de mando. • Automatizaciones básicas de motores monofásicos y trifásicos.

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Unidad 12. Accionamiento automático de motores eléctricos de corriente alternade motores eléctricos de corriente alterna

Estudiaremos:

• El contactor.• Relé térmico de sobreintensidad.• Elementos de mando y señalización.• Elementos auxiliares de mando.• Automatizaciones básicas de motores

monofásicos y trifásicos.

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1. Introducción

Automatismo se entiende como el funcionamiento de un mecanismo,

sistema o proceso por si mismo, sin la intervención obligada de la mano del

hombre.

El automatismo minimiza el fallo humano.

Los automatismos en el campo eléctrico han evolucionado

considerablemente y lo podemos realizar de dos formas: una convencional o

cableada y otra programable.

En el automatismo convencional se trabaja fundamentalmente con

elementos que accionan y protegen los receptores de consumo (contactores

y relés de protección), y elementos de mando y señalización (pulsadores,

temporizadores, detectores, finales de carrera, etc.), que son los

encargados de realizar las distintas maniobras.

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2. El contactor

Podemos definir un contactor como un interruptor de corriente cuyas

operaciones de conexión y desconexión se realizan de forma no manual.

Basa su funcionamiento en la acción ejercida por el campo magnético

creado por un electroimán que atrae a los contactos, cerrándolos cuando

esta sometido a tensión y abriéndolos una vez desconectado de tensión por

la acción de los muelles antagonistas.

Esta constituido por:

• Soporte.

• Circuito magnético.

• Bobina.

• Contactos principales.

• Contactos auxiliares.

• Sistema de soplado.

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Es la carcasa que envuelve

todos los elementos constitutivos

del contactor aislándolos entre

ellos y del exterior.

Se construye de material aislante

poco absorbente y con buena

resistencia a los golpes.

Todas las conexiones se sacan

al exterior mediante tornillos o

terminales.

Soporte del contactor

Distintos modelos de contactores

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5 Constitución del contactor

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El circuito magnético esta formado por dos partes:

la culata o parte fija y el martillo o parte móvil. La

culata suele tener forma de E y en su columna

central se aloja la bobina que cuando se somete a

tensión genera un campo magnético que atrae a la

armadura (parte móvil).

Circuito magnético

El circuito magnético de los contactares esta constituido por un

núcleo de acero dulce si es para corriente continua, y por chapa

magnética aislada y apilada, para reducir el magnetismo

remanente, si es para corriente alterna.

Circuito magnético del contactor

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Como en los motores eléctricos, entre la columna central y la armadura

queda un espacio de aire que se denomina entrehierro, y tiene como

misión evitar que el contactor quede cerrado una vez que cesa la

alimentación de la bobina a causa del magnetismo remanente.

Los contactores de corriente alterna

incorporan en las columnas exteriores de la

culata unas espiras en cortocircuito,

también llamadas espiras de sombra, cuya

misión es producir un flujo de reacción,

como se expuso en el motor de espira en

cortocircuito, que hace que el circuito

magnético permanezca cerrado en los

instantes en que la corriente pasa por el

valor 0.

Detalle de las espiras de sombra del contactor de corriente alterna.

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Es el elemento que utilizamos para

controlar el contactor a distancia.

La bobina esta constituida por un

arrollamiento en espiral de hilo

esmaltado de pequeña sección

sobre un carrete aislante, que se

aloja en la columna central de la

culata.

Se fabrican para distintas tensiones

de funcionamiento tanto para

corriente continua como alterna.

Bobina

Bobinas de contactor

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Pueden ser unipolares, bipolares, tripolares o

tetrapolares y están formados por dos partes, una

fija y otra móvil. Esta ultima es la que arrastra el

martillo del contactor haciendo que se una a la

parte fija del contacto cuando se acciona.

Estos contactos se suelen fabricar de plata con

óxidos de cadmio, materiales que presentan una

buena continuidad a la vez que los dota de una

gran resistencia a la oxidación, al arco eléctrico y a

los choques mecánicos.

Han de estar dimensionados para permitir el paso

de la intensidad nominal sin calentamiento

anormal.

Representación esquemáticade los contactos de un contactor

Contactos principales de un contactor

Contactos principales

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Pueden ser tanto abiertos como cerrados, así como bloques temporizados.

Han de estar diseñados solo para la intensidad de consumo de las bobinas

de los contactores.

Normalmente los contactores incorporan un contacto auxiliar abierto (N.A.) y

otro cerrado (N.C.).

Contactos auxiliares

Si se necesitan mas contactos, se suelen

acoplar al contactor bloques de contactos

para aumentar el numero.

También es posible usar relés o

contactores auxiliares que llevan solo

contactos auxiliares.

Su bobina se conecta en paralelo con la

del contactor de forma que estos

contactos quedan asociados al contactor.

Bloques de contactos auxiliares para ampliar el número y bloque temporizado para contactor

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Para evitar que el contactor se deteriore rápidamente es necesario que

esté dotado de sistemas de soplado del arco.

Se emplean varios sistemas: por autoventilación, por soplado magnético o,

el mas utilizado, de cámaras desionizadoras o cámaras apagachispas.

Sistema de soplado

Representación esquemática del apagachispas de un contactor.

Estas ultimas están constituidas por unas

aletas metálicas colocadas cerca del

contacto que hacen que cuando aparece el

arco, este se desvíe hacia las aletas y los

contactos, reduciendo el tiempo de enfriado

y como consecuencia la desaparición del

arco.

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Cuando aplicamos tensión a la

bobina del electroimán, éste se

activa y la armadura unida a los

contactos es atraída, los contactos

normalmente abiertos (N.A.) se

cierran y los normalmente cerrados

(N.C.) se abren.

Al cortar la tensión a la bobina del

electroimán, se desactiva.

La armadura vuelve a reposo por la

acción de unos muelles

antagonistas y los contactos

vuelven a su posición de reposo.

Funcionamiento del contactor

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Lo que nos interesa es que el contactor se accione o se pare mediante impulsos de corriente y no de una forma permanente como se hace mediante interruptores.

Si pulsamos S1 el contacto 1-2 se cierra, y la lámpara se enciende, si dejamos de pulsar la lámpara se apagará.

Accionamiento del contactor mediante pulsadores

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Para mantener la lámpara encendida, añadimos un contacto auxiliar abierto 13-14 del contactor, en paralelo con el pulsador S1. Al pulsar S1, la bobina del contactor cierra los contactos 1-2 y 13-14, con lo que el contactor permanece conectado porque se realimenta a través del contacto 13-14 aunque dejemos de pulsar S1.

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Para poder apagar la lámpara, conectamos en serie con el circuito un pulsador S2 normalmente cerrado

por delante del pulsador S1. Si damos un pulso a S1,

el contactor se activa cerrando los contactos 13-14 y 1-2. La lámpara se enciende y permanecerá encendida hasta que demos un pulso a S2, con lo

que desconectamos la bobina del contactor y este a su vez desconecta los contactos 13-14 y 1-2. La lámpara se apaga y permanecerá apagada hasta que volvamos a pulsar S1.

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Los contactores presentan ventajas frente a los interruptores manuales, como son:Seguridad de los operarios en los accionamientos. No actuamos sobre el elemento de corte del motor directamente que, en caso de avería del motor en su puesta en marcha, repercute sobre el interruptor manual mientras lo accionamos.Proporciona un gran ahorro en conductores. Para conectar un motor mediante interruptores manuales, llevamos los tres conductores de alimentación del motor desde la línea de alimentación pasando por el interruptor y llegando al motor. Si usamos contactores, colocamos el contactor cercano al motor y a la línea, llevando para el accionamiento solo tres conductores de pequeña sección para conectar los pulsadores, Se acciona el motor a distancia. El operario no tiene que situarse cerca del motor ni de la línea de este. El alejamiento se realiza con unos costes mínimos.

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Categorías de empleo de los contactores

A la hora de elegir un contactor, hay que tener en cuenta algunas características de

la instalación que ha de controlar, como son el tipo de corriente, el tipo de receptor

que va a alimentar, así como la potencia de los receptores.

Categoría de empleo para contactores según IEC 60 947-4-1

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Las averías mas frecuentes en los contactores suelen deberse a las siguientes causas:

Calentamiento excesivo o soldadura de los contactos: puede estar originado por mala elección

del contactor o por avería en el receptor que alimenta.

Fallos de la bobina: normalmente producidos por excesivo calentamiento de esta o por corte del

hilo.

Fallos por problemas en el circuito electromagnético: son los provocados por el deterioro o

desgaste de las piezas del contactor debido a un excesivo numero de maniobras, por vibraciones o

por el excesivo calentamiento del contactor.

B. Averías más frecuentes del contactor

Categoría de empleo para contactos y contactores auxiliares según IEC 60 947-5-1

Categoría de empleo de los contactos y contactores auxiliares

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3. Relé térmico

El relé térmico es el elemento utilizado en automatismos para proteger los

motores eléctricos contra sobrecargas y desequilibrios o faltas de fase.

El uso de automatismos permite realizar la protección de forma mas eficaz y

a la vez mas económica.

Para ello, se hace uso de los relés térmicos.

Puede ser térmico de sobreintensidad o

térmico diferencial.

Pueden utilizarse tanto en corriente continua

como alterna.

. Distintos modelos de reléstérmicos de sobreintensidad

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A. Relé térmico de sobreintensidad

Estos relés son los mas utilizados y protegen a los motores eléctricos

contra las sobrecargas prolongadas.

Basan su funcionamiento en la curvatura que experimenta un bimetal como

consecuencia del calentamiento.

Sobre el bimetal se arrolla un hilo calefactor conectado en serie con cada

fase.

Comportamiento de un bimetal ante un calentamiento Constitución del bimetal

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Los relés suelen estar formados por tres bimetales, uno por fase.

Están unidos por una regleta que se desplaza solidaria con los

bimetales. La intensidad absorbida calienta el arrollamiento calefactor,

haciendo que las laminas bimétalicas se deformen en mayor o menor

grado en función de dicha intensidad.

A la hora de elegir un relé, habrá que conocer la intensidad nominal del

motor y elegir uno en el que el margen de regulación incluya la

intensidad de este.

Como en los disyuntores magnetotérmicos, la intensidad de corte se

ajusta a la intensidad nominal del motor mediante un mecanismo de

regulación incorporado al relé, así como un pulsador de parada y otro

para resetearlo en caso de corte.

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Cuando la deformación es suficiente,

actúa sobre el elemento de disparo,

que suele ser un contacto auxiliar.

Puede ser cerrado, abierto o, como en

la mayoría de los casos, incorporar los

dos. Representación esquemáticadel disparo de un relé térmico

El contacto cerrado se acopla en serie con la bobina del contactor.

En caso de abrir por calentamiento, desconecta el motor.

El contacto abierto se suele usar para la señalización de la anomalía.

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Esquema de conexión de un motor trifásico mediante contactores; a) funcionamiento normal y señalización; b) parada por sobrecarga y señalización

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B. Relé térmico diferencial

Cuando, además de las sobrecargas,

necesitamos proteger de forma eficaz el

desequilibrio de fases (diferencia de valor de las

intensidades de fases) o bien la falta de una de

las fases, ya sea por falta de esta o porque haya

fundido un fusible, recurrimos al relé térmico

diferencial.

En esencia, es igual que el térmico, pero

incorpora dos regletas en vez de una, cuyo

movimiento solidario con los bimetales controla el

desplazamiento. Representación esquemáticadel funcionamiento del relé térmico diferencial

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El relé térmico diferencial no se

debe utilizar en circuitos

desequilibrados o circuitos trifásicos

que alimenten receptores

monofásicos, ya que el mismo

circuito haría cortar al relé.

Para poder utilizarlo en un circuito

monofásico bastaría con poner en

serie dos bimetales.

Forma de utilización de unrelé térmico diferencial con receptores monofásicos

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4. Elementos de mando y señalización

Los dispositivos de mando son muy numerosos. Su elección se realiza

teniendo en cuenta las condiciones de utilización así como el tipo de

intervención, que puede ser de:

Mando por intervención humana (manual): pulsadores, conmutadores,

pedal, maneta, etc.

Mando automático: mando de contacto, roldana, presostato, temporizador,

detector de proximidad, etc.

Tanto en un caso como en el otro, los elementos de mando incorporan en

su interior unos contactos abiertos, cerrados o conmutados, que son los

encargados de intervenir sobre el circuito de mando de la instalación para

realizar las distintas maniobras.

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A. Mando manual

El mando manual puede ser permanente o

instantáneo.

El permanente es aquel en que el dispositivo

mantiene la posición hasta que se actúa de

nuevo sobre el elemento.

Son los denominados biestables, que, como se

ha explicado anteriormente, suelen ser los

interruptores, conmutadores, selectores, etc.

Elementos de mando permanente

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Los elementos de mando instantáneos (monoestables) son los que

recuperan la posición de reposo una vez que cesa la fuerza ejercida

sobre ellos. Encontramos en este grupo los pulsadores y los finales de

carrera. Estos elementos se utilizan tanto para accionar (incorporan

contacto abierto) como para detener (incorporan contacto cerrado).

Elementos de mandoinstantáneo (pulsadores)

Elementos de mando instantáneo(finales de carrera)

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Un pulsador especial es el de parada de

emergencia.

No es mas que un pulsador normalmente

cerrado, que en algunos casos incorpora

enclavamiento para mantener la posición de

abierto una vez accionado.

Es del tipo saliente y su impulsor tiene forma de

seta, de ahí que reciba el nombre de seta de

emergencia por su similitud con los hongos.

Se inserta en el circuito de mando de las

distintas maquinas o de la instalación en su

totalidad para desconectar de forma rápida en

caso de anomalía grave.

Elementos de mando instantáneo (finales de carrera)

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B. Mando automático

El mando automático aprovecha los cambios de algunas magnitudes

físicas, como pueden ser la presión, el nivel, la temperatura, la

iluminación, etc.

Estos cambios físicos, asociados mediante el mecanismo adecuado a

unos contactos, los utilizamos en el control de los contactores que

alimentan las distintas maquinas de una instalación.

Los contactos asociados a los elementos se insertan en los circuitos de

mando de los contactores haciendo que las maquinas se pongan en

funcionamiento o se paren según se haya previsto.

En el mercado podemos encontrar una gran variedad de elementos de

mando automático.

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Son elementos de mando que realizan

funciones parecidas a las de los contactos por

mando mecánico, aunque son estáticos y no

contienen piezas en movimiento.

Se basan en el disparo de un circuito

electrónico cuya señal de salida es similar a la

del contacto electromecánico de apertura o

cierre.

Detector de proximidad

Los mas utilizados son los siguientes:

• Inductivos: detectan cualquier objeto o material conductor.

• Capacitivos: detectan cualquier tipo de objeto o material sean o no

conductores.

• De ultrasonidos: también detectan cualquier tipo de objeto. Tienen

la ventaja de poder ajustar el campo de detección.

Detectores de proximidad.

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Los detectores fotoeléctricos constan de un emisor y un receptor de luz,

esta luz puede ser de tipo visible o invisible, normalmente infrarrojos.

Cuando un objeto se interpone en el haz luminoso y modifica la cantidad

de luz que llega al receptor, provoca el cambio de estado de la salida.

Permite la detección de todo tipo de objetos y es de gran aplicación en

el campo industrial.

Detector fotoeléctrico

Distintos modelos de detectores fotoeléctricos

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Normalmente llevan incorporado un contacto conmutado libre de tensión

que cambia de posición cuando un objeto corta el haz.

De los sistemas existentes, los de mas aplicación son los siguientes:

• Sistema de barrera

• Sistema réflex

• Sistema de proximidad

Representación esquemática de los sistemas de detección fotoeléctrica

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Son elementos de mando encargados de

controlar la presión tanto de gases como de

líquidos.

Su funcionamiento se basa en una membrana

que se pone en contacto con el medio a

controlar que, a su vez, arrastra un contacto.

Presostato

Presostato

Podemos encontrar presostatos de máxima, de mínima o diferenciales.

En los de máxima presión, el contacto abre al llegar a la presión

regulada.

En los de mínima, el contacto cierra al llegar a la presión regulada.

El presostato diferencial controla tanto la presión máxima como la

mínima, el mismo contacto cierra con la presión mínima y abre con

la presión máxima.

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Estos elementos supervisan el nivel de liquido de los

depósitos, arrancando o parando de forma automática

las electrobombas para mantener el nivel del deposito.

Los podemos encontrar de tipo flotador libre o de

flotador fijo.

El primero lleva en el interior del flotador un contacto de

ampolla de mercurio que abre desconectando el

circuito cuando el flotador esta en posición vertical con

el contrapeso abajo.

El de flotador fijo incorpora un contacto mecánico que

abre cuando el flotador esta en el nivel alto y, mediante

una leva, empuja al contacto desconectando el circuito.

Interruptor de nivel

Interruptor de nivel, flotador libre

Interruptor de nivel, flotador fijo

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C. Elementos de señalización

En las instalaciones eléctricas se suele recurrir a

elementos de señalización que nos indican en todo

momento el estado de funcionamiento de la misma.

Para ello se recurre a lámparas de señalización o

elementos acústicos, o ambos combinados.

La norma UNE EN-60 204-1 establece el código de

colores que deben tener estos indicadores: el verde

para funcionamiento normal, el rojo para alarma y el

ámbar para alguna alerta.

La señalización en automatismos se suele realizar mediante pilotos, que

incorporan talcos de colores para las distintas indicaciones.

Estos colores están normalizados tanto para los pilotos de señalización como

para los pulsadores.

Pilotos de señalización.

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La señalización acústica se realiza

mediante sirenas, silbatos, bocinas,

etc.

Se utilizan para alertar de avisos o

anomalías que requieren atención

temprana o en recintos de gran

extensión. 

La señalización óptico-acústica se suele utilizar para indicar maquinas en

movimiento y evitar los golpes imprevistos.

En muchos casos es necesario vigilar los parámetros de la instalación

con mayor precisión, como pueden ser intensidad, temperatura, presión,

nivel de programa, etc. En estos casos, se recurre a visualizadores

numéricos o alfanuméricos que presentan sobre una pantalla o display la

información de una manera mas exhaustiva de la que nos pueden

aportar los anteriormente expuestos.

Bocina y sirena para señalización

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5. Elementos auxiliares de mando

Cuando en la realización de un automatismo se nos presenta la

necesidad de realizar maniobras cíclicas o repetitivas que no

necesiten la intervención del operario, recurrimos a otros

elementos.

En unos casos, requerimos que estos elementos realicen la

maniobra en un tiempo determinado; en otros, dada la

complejidad del automatismo, necesitamos mas contactos de los

que incorporan los propios contactores. Recurrimos a elementos

auxiliares que nos solucionan estas tareas.

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A. Relé auxiliar

Para ampliar el numero de contactos o

realizar maniobras adicionales en una

instalación de automatismos, recurrimos a

los relés auxiliares.

Su constitución y funcionamiento es idéntico

al del contactor, aunque menos voluminoso,

y sus contactos están diseñados para

soportar las intensidades de los circuitos de

maniobras.

Los podemos encontrar de tipo compacto o de tipo enchufable.

Los podemos encontrar para distintas tensiones en corriente alterna o

continua.

Pueden incorporar uno o varios contactos libres de tensión, que pueden

ser abiertos, cerrados o conmutados, para utilizarlos según convenga.

Relés auxiliares de mando.

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B. Relé temporizado

En automatismos se presentan maniobras que han de

realizarse a partir de un tiempo desde la maniobra

anterior o hay que realizar maniobras cíclicas.

Para estos casos se recurre a los relés temporizados.

Estos elementos están constituidos por un circuito

electrónico temporizador que actúa sobre la bobina de

un relé auxiliar que, a su vez, incorpora uno o varios

contactos auxiliares libres de tensión. Relés temporizados

El tiempo que son capaces de regular puede ser desde impulsos hasta de

horas.

Este tiempo no es de valor fijo, sino que puede regular un tramo de tiempo,

que ajustamos sobre un potenciómetro incorporado al aparato.

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C. Reloj horario

Cuando la carga a controlar supera a la que pueden soportar

los contactos, estos actúan sobre la bobina de un contactor

activando el circuito de potencia para accionar la carga.

Cuando los tiempos a regular afectan a días, semanas o años,

se utilizan los relojes.

En esencia, es un reloj electrónico que a la hora programada

activa un relé interno que abre o cierra uno o varios contactos.

Pueden ser analógicos o digitales.

Permiten hacer conexiones, desconexiones y pulsos de corriente para realizar

maniobras de corto espacio de tiempo o, en otros casos, de horas.

Se conecta a la red para alimentar el sistema de relojería que, por lo general,

tiene una reserva de tiempo para seguir funcionando en el caso de quedarse sin

suministro eléctrico.

Permiten maniobras cíclicas diarias, semanales o anuales.

Relojes horarios

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D. Interruptor crepuscular

Es un dispositivo eléctrico que controla el accionamiento de una instalación de

alumbrado cuando el nivel de iluminación natural que incide sobre el no alcanza

el establecido.

Dispone de una resistencia de valor variable (LDR) que, con la luz que recibe,

asociada a un sistema comparador, va midiendo la señal recibida por la LDR y

la compara con un valor prefijado en el interruptor crepuscular.

Dependiendo de dicho valor, abre o cierra sus contactos a través de un relé.

El contacto suele accionar la bobina del

contactor para cerrar el circuito de

potencia.

Incorpora un mecanismo retardador para

que entre la conexión y la desconexión no

se realicen conmutaciones repetidamente,

o para que no le afecte una luz fugaz.Interruptores crepusculares

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12 Accionamiento automático de motores eléctricos de corriente alterna

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6. Automatizaciones básicas de motores monofásicos y trifásicos

Cuando se diseña una maniobra con automatismos, tenemos que

utilizar distintos elementos, como pueden ser aparatos de protección,

contactores, elementos de mando, señalización, etc. Para agrupar y

conectar todos estos elementos, se recurre a los cuadros de

maniobras, que centralizan todos los elementos y se conectan con la

línea de alimentación y los receptores mediante borneros de

conexión.

Borneros de conexión de los cuadros de automatismos.

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12 Accionamiento automático de motores eléctricos de corriente alterna

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Los cuadros de mando son armarios que pueden ser tanto metálicos como

de poliéster.

Incorporan en su interior una placa extraíble sobre la que se coloca la

instalación y los borneros de conexión al exterior.

La puerta se mecaniza para situar los elementos de mando y señalización.

Cuadro de mando de cabina de pintura para vehículos. Vista exterior (izquierda), vista interior (derecha).

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12 Accionamiento automático de motores eléctricos de corriente alterna

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Cuando diseñamos un automatismo, lo primero es realizar el esquema de

conexiones de dicho automatismo.

Generalmente, se suele diferenciar en dos esquemas, uno para el circuito

de fuerza o potencia y otro para el circuito de maniobra.

Los esquemas se han de realizar mediante símbolos normalizados, para

que cualquier técnico pueda interpretar y en su caso montar el circuito de

automatismo.

En las Tablas siguiente se recoge la simbología de los elementos mas

utilizados en automatismos.

Para la identificación de los elementos, suelen ir acompañados por

una o dos letras seguidas de un numero que los relaciona entre ellos.

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12 Accionamiento automático de motores eléctricos de corriente alterna

46 Simbología de automatismos

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12 Accionamiento automático de motores eléctricos de corriente alterna

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Simbología de automatismos (continuación)

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Simbología de automatismos (continuación)

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49Simbología de automatismos (continuación)

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Esquema de conexión para motor trifásico con inversión de giro mediante

finales de carrera

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Esquema de conexión para motor trifásico con arranque en estrella

triángulo

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Esquema de conexión para motobomba de agua trifásica mediante presostato