Automatismos Industriales

Automatismo Eléctrico

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SEAS, Estudios Superiores Abiertos S.A.

Imprime:

El depositario, con autorización expresa de SEAS, S.A.

ISBN:

978-84-15545-26-2

Depósito Legal:

Z-721-2012

ÍNDICE ASIGNATURA

UNIDAD 1. AUTOMATISMO ELÉCTRICO 1.1. Definición de automatismo eléctrico 1.2. Estructura de un automatismo 1.3. Captación de datos 1.3.1. Sensores táctiles 1.4. Comunicación hombre-maquina 1.4.1. Accionamiento manual 1.4.2. Lámparas de señalización 1.5. Contactores 1.5.1. Elementos del contactor 1.5.2. Simbología del contactor 1.5.3. Selección de contactores 1.5.4. Funcionamiento del contactor 1.5.5. Accesorios 1.5.6. Otros tipos de componentes 1.6. Sistemas de protección 1.6.1. Relés térmicos 1.6.2. Protección de motores compensados 1.6.3. Protección de motores con arranque pesado 1.6.4. Colocación y ajuste de relés de protección 1.6.5. Fusibles 1.6.6. Otras protecciones 1.7. Temporizadores 1.7.1. Temporizadores con retardo a la conexión 1.7.2. Temporizadores con retardo a la desconexión 1.7.3. Temporizadores como impulso 1.7.4. Relé intermitente 1.7.5. Relé multifunción 1.8. Otros elementos para automatizar 1.8.1. Bornes de conexión 1.8.2. Fuentes de alimentación

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UNIDAD 2. MOTORES ELÉCTRICOS 2.1. Clasificación de los motores 2.2. Los motores trifásicos. Introducción y características 2.2.1. Características eléctricas 2.2.2. Características mecánicas 2.3. Los motores asíncronos trifásicos 2.3.1. Generalidades 2.3.2. Principio de funcionamiento 2.3.3. Conexionado 2.3.4. Cambio sentido de giro 2.3.5. Arranque 2.3.6. Protección para el motor 2.3.7. Regulación de velocidad en los motores asíncronos 2.3.8. Motor trifásico arrancado como monofásico 2.4. Motor de corriente continua 2.4.1. Constitución general de las máquinas de corriente continua 2.4.2. Principio de funcionamiento 2.4.3. Sistemas de excitación en las máquinas de c.c 2.4.4. Características de los motores de corriente continua 2.4.5. Denominación de bornes de las máquinas de corriente continua 2.5. Motores monofásicos

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UNIDAD 3. ESQUEMAS DE AUTOMATISMOS 3.1. Simbología 3.1.1. Letras para designar el tipo de un aparato, según une-en 81346-2:201 3.1.2. Letras para la designación de funciones generales, según une-en 813462:2011 3.1.3. Designaciones de algunos conductores y sus puntos de conexión (bornes, empalmes) según une-en 60445:2007 3.2. Tipos de esquemas utilizados en automatismo eléctrico 3.3. Normas básicas para la realización de esquemas 3.4. Esquema de mando 3.4.1. Funcionamiento del contactor 3.4.2. Función memoria 3.4.3. Relación entre varios contactores 3.4.4. Secuencia entre los contactores 3.4.5. Esquemas con temporización 3.5. Esquemas de automatización 3.5.1. Puesta en marcha de un motor por aproximación 3.5.2. Puesta en marcha de un motor con reposición 3.5.3. Puesta en marcha de un motor desde dos puntos 3.5.4. Inversión sin pasar por paro 3.5.5. Inversión pasando por paro 3.5.6. Inversión temporizada a la conexión 3.5.7. Inversión temporizada a la desconexión 3.5.8. Instalación de una puerta eléctrica 3.5.9. Puente grúa de tres movimientos 3.5.10. Arranque estrella-triángulo 3.5.11. Arranque estrella-triángulo con inversión 3.5.12. Dos velocidades con bobinados separados 3.5.13. Dos velocidades conexión Dahlander 3.5.14. Permutación de motores

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UNIDAD 4. GENERALIDADES AUTÓMATAS PROGRAMABLES PLC 4.1. Conceptos básicos 4.1.1. El interruptor como bit (unidad elemental de información) 4.1.2. El interruptor como parte de una instrucción u orden 4.2. Transición de la lógica cableada a la lógica programada 4.2.1. La lógica cableada 4.2.2. Traducción de circuitos eléctricos en listas de instrucciones 4.2.3. La lógica programable 4.3. Partes y funcionamiento de un autómata programable genérico 4.3.1. Estructura externa 4.3.2. Estructura interna 4.3.3. Tipos de memoria 4.3.4. Un vistazo al interior del autómata 4.3.5. Organización interna de los autómatas 4.4. Funcionamiento interno del autómata genérico

UNIDAD 5. ANÁLISIS DE AVERÍAS 5.1. 5.2.

Estructuración del mantenimiento Una breve clasificación del mantenimiento

5.2.1. Mantenimiento correctivo 5.2.2. Mantenimiento preventivo 5.3. Generalidades: fallos y averías 5.4. Clasificación de fallos 5.5. Naturaleza del fallo 5.6. Fallos y averías por sectores 5.6.1. Fallos de origen mecánico 5.6.2. Fallos de origen eléctrico 5.7. Estudio del fallo. Análisis 5.7.1. Estudio del fallo 5.7.2. Análisis del fallo 5.7.3. Niveles de urgencia 5.8. Tasa de fallos 5.9. Los 5 niveles de mantenimiento 5.9.1. A modo gráfico 5.10. Análisis de los tiempos de mantenimiento 5.10.1. Tiempo de apertura

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Índice OBJETIVOS ........................................................................................................ 3 INTRODUCCIÓN ................................................................................................. 4 1.1. Definición de automatismo eléctrico........................................................ 5 1.2. Estructura de un automatismo ................................................................. 6 1.3. Captación de datos.................................................................................... 9 1.3.1. Sensores táctiles ................................................................................. 9 1.3.1.1. Finales de carrera ......................................................................... 9 1.3.1.2. Termostatos ................................................................................ 17 1.3.1.3. Presostatos y vacuostatos ........................................................... 18 1.3.2. Sensores de proximidad .................................................................... 19 1.3.2.1. Sistema inductivo ........................................................................ 23 1.3.2.2. Detector capacitivo ...................................................................... 29 1.3.2.3. Sensores ópticos o fotosensores ................................................. 31 1.3.2.4. Sensores ultrasónicos ................................................................. 36 1.3.2.5. Sensores magnéticos tipo REED ................................................ 37 1.4. Comunicación hombre-maquina ............................................................ 40 1.4.1. Accionamiento manual....................................................................... 40 1.4.2. Lámparas de señalización ................................................................. 45 1.5. Contactores.............................................................................................. 48 1.5.1. Elementos del contactor .................................................................... 48 1.5.2. Simbología del contactor ................................................................... 52 1.5.3. Selección de contactores ................................................................... 53 1.5.4. Funcionamiento del contactor ............................................................ 56 1.5.5. Accesorios ......................................................................................... 57 1.5.6. Otros tipos de componentes .............................................................. 58 1.6. Sistemas de protección........................................................................... 60 1.6.1. Relés térmicos ................................................................................... 61 1.6.2. Protección de motores compensados ................................................ 64 1.6.3. Protección de motores con arranque pesado ..................................... 64 1.6.4. Colocación y ajuste de relés de protección ........................................ 65 1.6.5. Fusibles ............................................................................................. 68 1.6.6. Otras protecciones ............................................................................. 70 1.7. Temporizadores ....................................................................................... 72 1.7.1. Temporizadores con retardo a la conexión ........................................ 73 1.7.2. Temporizadores con retardo a la desconexión................................... 74 1.7.3. Temporizadores como impulso .......................................................... 75 1.7.4. Relé intermitente................................................................................ 75 1.7.5. Relé multifunción ............................................................................... 76

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Formación Abierta

1.8. Otros elementos para automatizar ......................................................... 78 1.8.1. Bornes de conexión ........................................................................... 78 1.8.2. Fuentes de alimentación .................................................................... 80 RESUMEN......................................................................................................... 83

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01

Objetivos Adquirir los conocimientos necesarios para poder identificar las partes de un automatismo. Estructurar los distintos elementos que informan sobre el estado del automatismo (captadores). Conocer el funcionamiento del elemento fundamental de la automatización: el contactor. Distinguir el sensor a utilizar para detectar un material en un proceso automático. Conocer la simbología de los elementos utilizados en un esquema de automatismos. Identificar qué elementos pertenecen a la parte de control y cuáles a la parte de potencia. Saber interpretar la información que aporta una lámpara de señalización según su color. Conocer con qué elementos puede el hombre aportar información al automatismo.

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Formación Abierta

Introducción En la asignatura de Electricidad se han visto las instalaciones y las protecciones que necesitan, ahora ya estamos en disposición de conocer el mundo de la automatización. Para ello, en este tema se estudiarán las partes que intervienen en el automatismo, con los componentes que las integran, describiendo cada una de ellas con su simbología. A la hora de preparar un automatismo, existen dos posibilidades: una es cableando todos los elementos y la otra mediante la programación en un autómata programable. En los dos sistemas se encuentran como elementos indispensables los captadores y pulsadores, que informan del estado del proceso; a los relés y temporizadores que coordinan todas las funciones, y a los contactores que alimentarán a través de sus contactos principales, a los motores. Todo esto tratando de mejorar la seguridad de las personas y para tener mejor controlada nuestra instalación, sin olvidar la mejora de productividad, adaptando la máquina a los criterios de producción, de rendimiento o de calidad.

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1.1. Definición de automatismo eléctrico Automatismo eléctrico Conjunto de máquinas dirigidas por un sistema de control único que permite realizar sin la actuación del hombre una serie de operaciones.

El automatismo generalmente estará aplicado a procesos industriales (de montaje o fabricación) para conseguir: Simplificar el trabajo que realiza el hombre para que éste pueda pasar a realizar trabajos de control y mantenimiento. Poder cambiar con facilidad el proceso de fabricación en caso de ser necesario. Mejorar la calidad de los productos aumentando su producción, ya que con el automatismo evitamos la fatiga que puede tener el hombre. Mejorar la seguridad de las personas ya que evitamos que el hombre realice tareas peligrosas o complejas.

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1.2. Estructura de un automatismo Cualquier sistema automático puede descomponerse en 2 partes fundamentales: Parte de control, en la cual se elaboran las órdenes necesarias para la ejecución del proceso, dependiendo de las señales o informaciones que se perciban del mismo. Parte de potencia, donde se efectúan las operaciones mediante motores u otro tipo de actuadores de acuerdo a las órdenes que proporciona la parte de control. El siguiente esquema nos aclarará las dos partes: Entradas

Trabajo

- Captadores - Comunicación Hombre Máquina Parte de Control

-Motores

Parte de Potencia

Proceso de Datos - Relés - Temporizadores

Figura 1.1.

Salidas -Contactores

Estructura de un Automatismo.

Desarrollaremos con mayor profundidad cada uno de los elementos indicados en el gráfico anterior. Captadores de señal, entre los cuales podemos enumerar los finales de carrera, sensores de proximidad, presostatos, detectores de temperatura, etc. Comunicación hombre-máquina, realizada con pulsadores o teclados; la máquina nos informa mediante pilotos de señalización. El proceso de datos puede realizarse mediante dos sistemas:



Lógica programada, implementada mediante los autómatas programables.



Lógica cableada, implementada mediante relés, temporizadores, contactos auxiliares de contactores, etc.

Los actuadores más importantes son los contactores encargados de alimentar a las máquinas. Máquinas: motores de corriente continua y corriente alterna, elementos que serán desarrollados posteriormente.

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01

El siguiente ejemplo ayudará a comprender mejor el concepto de automatismo y su estructura.

Sea una puerta de garaje automática movida por un motor asíncrono, tal como se muestra en la figura 1.2. El ciclo de funcionamiento es el siguiente:  Un pulsador S1 pone el motor en funcionamiento para que la puerta empiece a subir siempre que esté abajo, es decir, que esté accionado el final de carrera FC 1. El motor se pone en funcionamiento, levantando la puerta mediante el contactor K1.  La puerta seguirá subiendo hasta que active al final de carrera FC2, donde se para.  La puerta permanece arriba durante 5 segundos controlados con el temporizador T1.  Cuando transcurran esos 5 segundos la puerta empezará a bajar mediante el contactor K2 ya que se invierte el giro del motor.  La puerta bajará hasta que accione el FC1, donde terminará el ciclo.

Motor asíncrono FC2 K1 K2

S1

Alimentador al motor Pulsador Puesta en Marcha

FC1

Figura 1.2.

Puerta de garaje.

En la figura anterior se observa que disponemos como entradas de datos a los captadores o finales de carrera (FC1 y FC2) y como comunicación por parte del hombre mediante el pulsador S1. A la hora de procesar los datos se dispone de los contactos auxiliares de los contactores K1 y K2 y el temporizador T1. Para la alimentación del motor, o como salida del proceso se tienen de los contactores K1 y K2 (contactos de potencia).

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Formación Abierta

Entradas FC1 FC2 S1

Proceso de Datos T1 K1 y K2 (auxiliares)

Salidas K1 K2 (Potencia)

Figura 1.3.

Motor

Trabajo

Estructura de automatismo de una puerta de garaje.

En los siguientes apartados se muestran los diferentes elementos que componen este automatismo explicando sus características.

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01

1.3. Captación de datos La captación de datos consiste en detectar los fenómenos exteriores a los cuales esta ligado el proceso automático. Los sensores y transductores ofrecen una información fundamental relacionada íntimamente con los factores físicos que queremos controlar. Los transductores ofrecen una información más detallada, ya que su salida varia del mismo modo que la variable que deseamos controlar.

Un ejemplo de sensor es una célula fotoeléctrica en la puerta de un ascensor, la cual nos índica la presencia de personas en la misma.

Son transductores, por ejemplo, las resistencias semiconductoras (NTC, PTC, LDR) que dependen de las variables externas, como luz, temperatura. El valor de la resistencia varía conforme lo hace la magnitud exterior.

1.3.1.

Sensores táctiles

Los sensores táctiles son aquellos que nos van a informar de una determinada variable mediante el contacto físico.

1.3.1.1.

Finales de carrera

También llamados interruptores de posición los cuales establecen o interrumpen un contacto eléctrico por medio de una fuerza externa. Estos elementos nos ofrecen la posibilidad de conocer la presencia o no presencia de un objeto cuando éste realiza un movimiento, tal como muestran las siguientes figuras.

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Formación Abierta

En reposo

Figura 1.4.

Detección electromecánica. Movimiento rectilíneo.

En reposo

Figura 1.5.

Activado

Activado

Detección electromecánica. Movimiento angular.

Los finales de carrera, dependiendo su accionamiento, pueden tener contactos de ruptura brusca, en los cuales la velocidad de desplazamiento de los contactos móviles es independiente de la velocidad del elemento de mando. Esta particularidad permite obtener rendimientos eléctricos satisfactorios aun en el caso de bajas velocidades del desplazamiento del elemento de mando. Otro tipo de contactos son los de ruptura lenta, en los cuales la velocidad de desplazamiento de los contactos móviles es igual o proporcional a la velocidad del elemento de mando, (figuras 1.6. y 1.7).

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13

14

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Reposo

Figura 1.6.

Contacto con ruptura lenta en reposo. Accionamiento

21

22

13

14

Activado

Figura 1.7.

Contacto con ruptura lenta activo.

En las dos figuras anteriores hemos observado en la numeración de los contactos, que para el contacto abierto se emplea 13 14 y para el contacto cerrado 11 12 . El 1 indica el número de contacto dentro del plano. La simbología a emplear en un esquema de automatismo será la siguiente:

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Formación Abierta

11

13 FC1

FC2 14

12

Contacto abierto

Figura 1.8.

Contacto cerrado

Simbología final de carrera.

Si queremos representar el contacto segundo normalmente abierto del final de carrera FC3, nos quedará:

23 Por ser abierto (3 - 4) FC3

24

Figura 1.9.

Contacto normalmente abierto.

Una aplicación de un final de carrera puede ser en la inversión de un cilindro de doble efecto por medio de finales para ajustar el recorrido del vástago, tal como indica la siguiente figura: Carrera del cilindro

Figura 1.10.

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Aplicación de un final de carrera.

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Resumiendo, las partes más importantes de un final de carrera son las mostradas en la siguiente figura:

1

2 6 3 7 4 8 5

9

1- Muelle de compresión

6- Muelle arqueado

2- Caja

7- Muelle de presión de contactos

3- Disco de retención

8- Lámina de contacto

4- Contactos normalmente abiertos

9- Perno de guía

5- Contactos normalmente cerrados Figura 1.11.

Partes de un final de carrera.

Son los elementos de enlace entre las partes móviles de la máquina y la maniobra de la misma, para el mando de procesos, de movimientos para la señalización o para otras funciones, como por ejemplo, contador de impulsos.

Figura 1.12.

Finales de carrera.

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Para este tipo de accionamientos, la normativa exige comodidad de accionamiento, de conexión y de montaje. En correspondencia con los diversos sentidos de accionamiento y las diversas formas de los elementos de las máquinas, se dispone en el mercado de una gran variedad de ejecuciones. El lugar del montaje de los aparatos viene determinado por la propia instalación o por la máquina, de modo que los interruptores final de carrera trabajan en muchas ocasiones en condiciones adversas, como humedad, polvo, elevados esfuerzos mecánicos, etc. Por ello un envolvente adecuado es la base previa del servicio. Grados de protección El grado de protección es una condición importante para la elección del aparellaje eléctrico, una vez concluida su definición técnica específica (tensión, potencia y corriente). El grado de protección define las condiciones de seguridad de funcionamiento, en función de la agresividad del ambiente y de la seguridad de las personas, en lo referente a la posibilidad de acceder al aparellaje poniendo en riesgo su vida. La publicación UNE 20324, entre otras, indica con las siglas IP los grados de protección que ofrece el envolvente del material eléctrico frente al acceso de las personas a las partes peligrosas y frente a la penetración de agua y objetos sólidos. Estas normas no deben ser tenidas en cuenta contra la protección de los riesgos de explosión, o contra la humedad, los vapores corrosivos, los hongos o los parásitos. En algunos materiales el grado de protección indicado corresponde al que su montaje en un envolvente permite obtener después de instalado. El código IP está formado por dos cifras características, aunque puede ser ampliado con una tercera letra adicional. En la siguiente tabla vienen especificados los índices de protección.

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1ª cifra característica Protección del material contra la penetración de cuerpos sólidos extraños.

Protección de las personas contra el acceso a partes peligrosas.

2ª cifra característica

Letra adicional

Protección del material contra la penetración de agua con efectos nocivos.

Protección de las personas contra el acceso a partes peligrosas.

0

no protegido

no protegido

0

no protegido

A

dorso de la mano

1

mayor o igual a 50 mm

dorso de la mano

1

gotas de agua verticales

B

dedo

2

mayor o igual a 12,5 mm

dedo

2

gotas de agua 15º inclinación

C

herramienta

3

mayor o igual a 2,5 mm

herramienta

3

lluvia

4

mayor o igual a 1 mm

hilo 1 mm

4

proyección de agua

D

hilo 1 mm

5

protegido contra el polvo

hilo 1 mm

5

proyección con lanza de agua

6

estanco al polvo

hilo 1 mm

6

proyección potente con lanza

Figura 1.13.

7

inmersión temporal

8

inmersión prolongada

01

Cifras del código IP.

Elementos para accionar Los elementos para accionar los interruptores de posición pueden ser reglas, discos de levas, levas, puertas, objetos, etc. Mediante la elección del elemento apropiado, se alcanza una vida larga, incluso efectuando poco mantenimiento (engrasar los accionamientos con vástago sencillo o de marcha por inercia, aceitar los vástagos de rodillo, etc.).

Figura 1.14.

Accionamientos mecánicos (finales de carrera).

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Ángulos de rodamiento Las reglas y las levas de disco deben estar diseñadas de tal manera que sus ángulos de rodamiento, al accionar y retornar a la posición de reposo, no den origen a esfuerzos inadmisibles.

Figura 1.15.

Otros tipos de accionadotes.

Amortiguación en el punto cero Los interruptores de posición con palanca basculante o palanca cilíndrica pueden ser suministrados por el fabricante con o sin amortiguación en el punto cero. Con dicha amortiguación se evita que la palanca sobrepase considerablemente el punto cero al retornar libremente desde el ángulo en el cual fue accionada y, por tanto, se evitan órdenes falsas.

Figura 1.16.

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Sistema de amortiguación del punto cero.

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Velocidad de los elementos para accionar La velocidad admisible de los elementos que accionan los interruptores de posición, en dependencia de la dirección de accionamiento, la suministra el fabricante del material y depende de la dirección de accionamiento. La longitud de una regla para accionar un interruptor de posición depende de la velocidad con que ésta se mueve. Su valor debe dimensionarse, de tal manera que el tiempo durante el que los contactos del interruptor de posición permanezcan conmutados sea lo suficientemente largo.

1.3.1.2.

Termostatos

Son aparatos que cierran o abren circuitos en función de la temperatura que les rodee. Hay que aclarar que el termostato no nos da el valor de la variable de temperatura en cada momento, si no que dispara un contacto en función de la consigna prefijada.

Tº

Termostato abierto Figura 1.17.

Termostato activado

Imagen de un termostato y esquema de funcionamiento.

En la imagen superior se puede observar un termostato para control de temperaturas de fluidos. El bulbo debe ser sumergido en el fluido cuya temperatura se desea controlar. El punto de consigna, es decir la temperatura en la que cambiará de posición el contacto, se regula mediante el muelle.

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El funcionamiento es el siguiente: la presión del vapor interno del bulbo, que aumentará proporcionalmente con la temperatura, actúa sobre una membrana que a través de un pistón abrirá o cerrará los contactos.

1.3.1.3.

Presostatos y vacuostatos

Son aparatos que accionan circuitos en función de la presión que actúa sobre una instalación neumática o hidráulica. La función de los vacuostatos es regular depresiones. Pueden ser de tipo mecánico cuyo principio de funcionamiento es similar al de los termostatos. También existen los presostatos electrónicos que constan de un sensor cerámico piezo-resistivo (resistencia que varía con la presión). Además poseen un display y pueden ser programados mediante teclas. Normalmente los presostatos y vacuostatos electrónicos disponen de dos puntos de consigna, uno alto (PA) y otro bajo (PB) que se pueden regular de forma independiente.

Punto de consigna alto Es el valor máximo de presión escogido y ajustado en el presostato o el vacuostato para el que la salida eléctrica cambiará de estado cuando la presión sea ascendente. Punto de consigna bajo Es el valor de presión mínima escogido y ajustado en el presostato o el vacuostato para el que la salida eléctrica cambiará de estado cuando la presión sea descendente.

Figura 1.18.

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Automatismo eléctrico

Ejemplos de presostatos: mecánico y electrónico.

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01

Se utilizan frecuentemente para:



Controlar la puesta en marcha de grupos compresores en función de la presión del depósito.



Asegurarse de la circulación de un fluido lubricante o refrigerador.



Limitar la presión de ciertas máquinas-herramienta provistas de cilindros hidráulicos.



Detener el funcionamiento de una máquina en caso de baja presión.

Los principales criterios de selección son los siguientes:



Tipo de funcionamiento, vigilancia de un umbral o regulación entre dos umbrales.



Naturaleza de los fluidos (aceites hidráulicos, agua, aire...).



Valor de la presión que se controla.



Entorno.



Tipo de circuito eléctrico, circuito de control (el caso más frecuente), circuito de potencia (presostato de potencia).

1.3.2.

Sensores de proximidad

Un sensor es un elemento que nos va informar de una determinada variable, es decir, si existe o no, pero sin realizar contacto físico a diferencia de los finales de carrera. La ventaja principal de los sensores está en la resistencia al desgaste. Los sensores no contienen partes móviles que puedan desgastarse y además realizan una conmutación rápida en los contactos, ya que la señal se genera electrónicamente. Estos sensores están libres de rebotes y no crean errores en las señales emitidas.

Se utilizan para el control de secuencias en instalaciones técnicas y como tales, para supervisión y salvaguarda de procesos; se utilizan además para la detección anticipada de fallos en los productos y procesos de producción.

Automatismo eléctrico

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La mayoría de los sensores de proximidad nos proporcionan señales todo - nada. Tienen un contacto abierto y otro cerrado en reposo, o nos proporcionan una tensión a su salida cuando realizan la detección (puede ser una tensión positiva o masa en función del sensor usado), que podremos emplear según la aplicación. Los símbolos de los sensores de proximidad más habituales aparecen a continuación:

BN(1)

BN(1)

1

BK(4)

5

WH(2) BK(4)

BU(3)

BN(1) BN(1)

WH(2)

2

BK(4)

6 BK(4)

BU(3)

BU(3)

BN(1)

3

BK(4)

BN(1)

7

BU(3)

AV

BN(1)

4

BK(4) BU(3)

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Automatismo eléctrico

WH(2)

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Automatismo Eléctrico

01

Donde: 1- Sensor de proximidad magnético. 2- Sensor de proximidad inductivo. 3- Sensor de proximidad capacitivo. 4- Sensor óptico de barrera (emisor y receptor en cuerpos separados) 5- Sensor optimo de proximidad en un cuerpo. 6- Sensor óptico de barrera con los contactos correspondientes. 7- Sensor ultrasónico. 8- Sensor de proximidad general. Figura 1.19.

Simbología sensores proximidad.

Podemos encontrar estos sensores con tecnología de dos, tres y cuatro hilos: Tecnología de dos hilos BN

BN

BU

BU

Figura 1.20.

Conexión sensor tecnología de 2 hilos.

La tensión de alimentación puede ser corriente continua o alterna. Tienen como ventaja que la conexión es en serie con la carga como los interruptores de posición mecánicos. Como desventajas existe una corriente de fuga (pequeña corriente que circula en estado abierto) y una tensión residual (que se mediría en bornes del detector cuando se encuentra en estado cerrado). Tecnología de tres hilos BN

+24 V

BN

BK

+24 V

BK

PNP

NPN BU

Figura 1.21.

0V

BU

0V

Conexión sensor tecnología de 3 hilos.

Automatismo eléctrico

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Formación Abierta

Estos aparatos constan de dos hilos para la alimentación en corriente continua y un hilo para la transmisión de la señal de salida. Pueden ser de dos tipos:



Tipo PNP: conmutación sobre la carga del potencial positivo.



Tipo NPN: conmutación sobre la carga del potencial negativo.

Tecnología de cuatro hilos BN

+24 V

BN

BK

+24 V

BK

PNP

NPN WH

WH

BU

Figura 1.22.

BU

0V

0V

Conexión sensor tecnología de 4 hilos.

Al igual que los anteriores constan también de dos hilos para la alimentación en corriente continua, pero para la señal tiene uno más. El nuevo hilo (WH) nos da una señal NC (normalmente cerrada). También pueden ser de tipo PNP o NPN. Para todas estas tecnologías la designación de los terminales del sensor es tal y como sigue: Conexión del terminal

Color

Designación

Desig. numérica

Alimentación (+)

Marrón

BN

1

Alimentación (-)

Azul

BU

3

Salida del sensor (abierta)

Negro

BK

4

Salida ambivalente

Blanco

WH

2

Figura 1.23.

Designación terminales de un sensor.

Existen de varios tipos, tamaños, marcas y formatos. A continuación mostramos los más comunes.

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Automatismo Eléctrico

1.3.2.1.

01

Sistema inductivo

Un detector inductivo consta esencialmente de un oscilador cuyos bobinados constituyen la cara sensible. En la parte frontal de esta última, se crea un campo magnético alterno generado por el núcleo de ferrita.

Figura 1.24.

Sensor de proximidad inductivo.

Los sensores inductivos emiten un campo magnético y aprecian los cambios que los objetos a detectar provocan en él. Estos sensores se aplican especialmente a metales ferrosos, si bien pueden utilizarse con otros objetos metálicos no ferrosos, aunque aceptando una disminución en su sensibilidad. Cuando un objeto metálico se acerca a la cara del sensor, el campo magnético que éste genera induce unas corrientes parásitas en su superficie, aumentando la carga del elemento oscilador del sensor (el oscilador es el que genera el campo magnético). En un momento determinado, dependiendo de la sensibilidad del aparato, la carga motivada por las corrientes parásitas hace que el oscilador diga “¡basta ya!, hasta aquí hemos llegado.”, quedando anulada la oscilación. Esta circunstancia es la que precisamente se usa para activar la salida del sensor, e indicarnos que el chisme tiene algo enfrente “que le ha tocado los osciladores”. La distancia de detección crece con el área sensible del instrumento, y disminuye con la conductividad del material del objeto que lo activa (a mayor conductividad, menor potencia parásita). El principal inconveniente de este tipo de sensores es la influencia de las perturbaciones electromagnéticas, que pueden alterar el campo generado. Es el caso, por ejemplo, de los soldadores, en los que las corrientes de elevada energía que se desarrollan en los electrodos, producen ondas electromagnéticas cuyo campo puede inducir un cambio en el del sensor, similar al creado por una pieza.

Automatismo eléctrico

23

Formación Abierta

La siguiente figura nos muestra el esquema interno de estos sensores.

6 7

9

RC

G

8

2

1

3

4

5

Donde: 1

Oscilador.

2

Demodulador.

3

Etapa de disparo.

4

Indicador de estado de activación.

5

Etapa de salida con circuito protector.

6

Tensión externa.

7

Alimentación interna constante.

8

Zona activa.

9

Salida de señal. Figura 1.25.

Esquema interno sensor inductivo.

Cuanto mayor sea la bobina incorporada en el sensor, mayor será la distancia a la que se producirá la conmutación. Los hay de distintas formas y tamaños Como características más relevantes, podemos citar que poseen un tiempo de conmutación casi instantáneo, y que son insensibles a la suciedad. Generalmente se distinguen dos tipos de sensores inductivos: PNP con salida positiva y NPN con salida negativa.

24

Automatismo eléctrico

Automatismo Eléctrico

01

Esquema interno del sensor tipo PNP BN (1)

+12 V CC

BK (4)

BU (3) 0V

Figura 1.26.

Esquema interno del sensor tipo PNP.

La carga se conecta entre el terminal BK y masa. Cuando el sensor de la figura detecte una pieza, se aplicará una tensión de 12 voltios sobre la carga. Los diodos sirven para proporcionar una protección. Esquema interno del sensor tipo NPN BN (1)

+12 V CC

BK (4)

BU (3) 0V

Figura 1.27.

Esquema interno del sensor tipo NPN.

Cuando se aplica una tensión al sensor, el oscilador se activa; si un objeto conductor de electricidad se introduce en la zona activa de conmutación, el oscilador se atenúa y esto produce un cambio en el consumo de corriente del sensor, por lo que encontramos dos estados: oscilación atenuada y oscilación sin atenuar. Elemento actuador Campo magnético de alta frecuencia Superficie activa

Circuito resonante de la bobina Sensor de proximidad sin actuar (oscilador no atenuado)

Figura 1.28.

Sensor de proximidad sin actuar (oscilador no atenuado).

Automatismo eléctrico

25

Formación Abierta

Se resta energía al campo magnético de alta frecuencia Sensor de proximidad actuado (oscilador atenuado)

Figura 1.29.

Sensor de proximidad actuado (oscilador atenuado).

Los detectores inductivos sólo pueden detectar materiales conductores de electricidad. En la práctica, las piezas a controlar son generalmente de acero, de dimensión equivalente a la cara sensible del aparato. Para tener una detección segura, hay que cerciorarse de que la pieza a detectar pasa a una distancia inferior o igual a los valores indicados en las fichas técnicas del aparato elegido. Objeto a detectar Indicador LED Estado de funcionamiento

Campo de funcionamiento

Figura 1.30.

Detector inductivo.

El montaje de estos aparatos puede ser de dos formas: empotrado y sin empotrar, como muestra las siguientes figuras.

Sin influencia lateral Alcance reducido

Figura 1.31.

26

Automatismo eléctrico

Inductivo empotrado.

Automatismo Eléctrico

01

Alcance dos veces superior al del modelo empotrable Despeje lateral para evitar Influencias de masas

Figura 1.32.

Inductivo sin empotrar.

En la figura siguiente se encuentra el esquema general de un detector inductivo.

+ 24 V Señal Carga exterior 0V

Figura 1.33.

Inductivo a tres hilos.

Los inductivos a tres hilos disponen de 2 hilos para la alimentación (+ y -) del aparato y 1 hilo para la transmisión de señal, la cual puede ser positiva si el tipo es PNP o negativa si el tipo es NPN. Tipo 3 hilos NPN

Tipo 3 hilos PNP xs

+

+ BN

BN Señal (+)

Señal (-)

BU

Figura 1.34.

xs

BU

Inductivos NPN y PNP.

También nos podemos encontrar sensores inductivos a 2 hilos los cuales son alimentados en serie con la carga a controlar, tal y como muestra la siguiente figura.

Automatismo eléctrico

27

Formación Abierta

2 hilos polarizados BN -/+ R Carga BU +/-

xs

Figura 1.35.

Inductivo a 2 hilos.

Una de las aplicaciones más comunes es el detectar un pale o transportador de una pieza que se mueve por una cinta transportadora o una cadena de montaje, como se muestra en la figura.

Transportador de pieza

Cinta transportador

Sensor de Proximidad inductivo

Figura 1.36.

28

Automatismo eléctrico

Aplicación sensor inductivo.

Automatismo Eléctrico

1.3.2.2.

01

Detector capacitivo

El principio de funcionamiento de un sensor capacitivo está basado en la variación de la capacitancia eléctrica en un circuito, ante la aproximación de un material.

Figura 1.37.

Sensor de proximidad capacitivo.

El principio de funcionamiento es el mismo que en el sensor inductivo, con la diferencia de que aquí se mide el campo electrostático por la proximidad o lejanía de un objeto. Esto es posible por los cambios de capacitación en un circuito RC. La cara activa del sensor es de capacidad variable con la pieza a detectar. Esto depende de varios parámetros, la distancia a la pieza, sus dimensiones y su constante dieléctrica. Cuanto menor sea la constante dieléctrica de un material a detectar menor será de distancia de conmutación. Esta sensibilidad puede ajustarse mediante un potenciómetro. La máxima distancia de detección que puede obtenerse depende de la marca que empleamos, pudiendo llegar a varios cm. El alcance de los detectores capacitivos, varía notablemente en función de las características del ambiente, de la humedad y temperatura del aire y de la cantidad de polvo en suspensión. Por ello, su utilización no está muy extendida, y su uso se limita a los casos en los que no sea posible aplicar otra tecnología, por ejemplo, con líquidos y materiales granulosos o pulverulentos. Las aplicaciones de estos sensores pueden ser las siguientes, entre otras:



Detección de objetos a través de paredes no metálicas de grosor no superior a 4 mm, siempre que el material a detectar tenga una constante dieléctrica superior a 4 veces la de la pared.



Nivel de llenado de contenedores de almacenamiento.



Detección de materiales no metálicos.



Detección de objetos de color mate o negro.

Automatismo eléctrico

29

Formación Abierta



Detección del nivel de líquidos.



Detección del nivel de material a granel.



Supervisión de la rotura de un cable de cobre.

Cuando un material conductor o aislante se introduce en ese campo modifica las capacidades, por lo que después de la etapa de transformación se emite una señal de salida correspondiente a un contacto de cierre (NA) o de apertura (NC).

La sensibilidad o distancia de detección de la mayoría de los sensores de proximidad capacitivos, puede ajustarse por medio de un potenciómetro. De esta forma, es posible eliminar la detección de ciertos medios. Una de las aplicaciones de este sensor sería la comprobación del nivel de líquido dentro de una botella a través del vidrio.

Observamos que este sensor reacciona ante una amplia gama de materiales. Son muy sensibles a la humedad, y además, por razones de precio, se prefieren generalmente los inductivos en la detección de objetos metálicos. En la detección de objetos no metálicos también compiten con los sensores ópticos que luego veremos. Los sensores capacitivos son adecuados para supervisar niveles de llenado o bien para detectar objetos mates y negros no metálicos, los cuales son difíciles de detectar por sensores ópticos. Otra de las aplicaciones en las que tienen dificultades los inductivos, es en la detección de cables o conductores eléctricos de diámetro pequeño.

Figura 1.38. Detección del nivel de líquido.

30

Automatismo eléctrico

Figura 1.39. Supervisión rotura de un cable.

Automatismo Eléctrico

1.3.2.3.

01

Sensores ópticos o fotosensores

Los sensores de tipo óptico utilizan la emisión y recepción de luz roja o infrarroja para la detección de objetos.

La luz roja tiene la ventaja frente a la infrarroja de que es visible; esta última es utilizada para distancias largas.

Los sensores ópticos están basados en la interceptación o modificación por parte del objeto a detectar, de un haz luminoso que lanza un emisor y es recogido por un elemento receptor. Podemos encontrarlos de tres tipos: de retrorreflexión, de reflexión directa y de barrera luminosa. Un caso especial de ambos son los fotosensores de fibra óptica.

Figura 1.40.

Sensor óptico o fotosensor.

Constan básicamente de dos partes: emisor y receptor, los cuales se encuentran instalados en un mismo cuerpo (sensores de reflexión directa y retrorreflexión) o en sitios separados, en los sensores de barrera. Normalmente se incluye un diodo LED emisor de luz que se activa cuando obtenemos en la salida. Uno de los problemas de estos sensores es el ensuciamiento del entorno ya que podría alterar su funcionamiento. Dependiendo de dónde se encuentre el emisor y el receptor, como hemos visto antes, existen tres tipos de sensores ópticos: a.

Sensores de barrera.

b.

Sensores de retrorreflexión.

c.

Sensores de reflexión.

Automatismo eléctrico

31

Formación Abierta

Sensores de barrera Los dos componentes (emisor y receptor) están montados separadamente. Emisor

Receptor

Objeto a detectar

Figura 1.41.

Sensor de barrera.

La zona de respuesta está definida por el tamaño del emisor y receptor. La salida que puede proporcionar el receptor, al igual que los detectores inductivos, es por transistor PNP o NPN Las ventajas con respecto a los otros sensores ópticos son:



Mayor alcance. Puede detectar pequeños objetos a largas distancias.



Los objetos a detectar pueden ser reflectantes y traslúcidos

Los problemas más importantes son:



Al ser dos elementos separados (emisor y receptor) se requiere conexiones independientes.



No lo podemos utilizar en objetos totalmente transparentes.

Una de las aplicaciones podría ser la detección de una broca, como muestra la siguiente figura.

32

Automatismo eléctrico

Automatismo Eléctrico

Emisor

Figura 1.42.

01

Receptor

Aplicación de un sensor de barrera.

Sensores de retrorreflexión En estos el emisor y el receptor se encuentran en un solo cuerpo, para que pueda recibir señal el receptor necesitamos colocar un reflector que nos refleje la luz a este. Cuando se coloque un objeto en esa línea, lo dará como detectado y tendremos señal a la salida.

Reflector

Emisor

Receptor

Objeto

Figura 1.43.

Sensor de retrorreflexión.

Hay que tener cuidado con objetos especulares, los cuales pueden reflejar el haz hacia el receptor. La instalación es mucho más sencilla que los anteriores, pero la distancia de detección es menor.

Automatismo eléctrico

33

Formación Abierta

La barrera de luz que estos sensores establecen entre el emisor y el receptor es interrumpida por el objeto que se interpone entre ambos elementos, activándose las señales oportunas. Este sistema es más seguro para grandes distancias y el que mejor se adapta a condiciones ambientales severas.

Figura 1.44.

Sensor réflex y diferentes catadióptricos.

Una aplicación podría ser el conteo de objetos por una cinta transportadora. Su funcionamiento es muy similar al de los de barrera luminosa, y la diferencia con respecto a los de reflexión directa es que en aquellos se usa el propio objeto a detectar para realizar la reflexión del haz de luz.

Reflector

Emisor y receptor

Figura 1.45.

34

Automatismo eléctrico

Aplicación de un sensor de Retrorreflexión.

Automatismo Eléctrico

01

Sensores de reflexión directa Al igual que en el caso anterior, tenemos el receptor y el emisor en el mismo cuerpo; en este caso la luz es reflejada por el objeto a detectar. Dependiendo de las características del receptor, la salida es activada o desactivada. En este caso la distancia de actuación depende mucho de la reflexión del objeto. Se deberá tener cuidado con el fondo, ya que podría reflejar ese haz hacia el receptor.

Emisor Fondo Receptor

Objeto

Figura 1.46.

Sensor de reflexión directa.

La superficie del objeto a detectar debe estar alineada perpendicularmente con la dirección del rayo. Fotosensores de fibra óptica En aplicaciones muy específicas, pero también muy difundidas, el sensor fotoeléctrico está asociado a fibras ópticas. Gracias a esto, se pueden detectar piezas de reducido tamaño y muy próximas. La fibra óptica permite la instalación alejada de los elementos electrónicos de tratamiento. Estos sensores pueden funcionar como dispositivos de barrera y como dispositivos de reflexión. La fibra óptica es insensible a las perturbaciones de campo, reduce la necesidad de espacio para los dispositivos ópticos en el punto de aplicación, puede aplicarse con temperaturas ambiente de hasta 250ºC y también en lugares expuestos a peligro de explosión, o en el seno de líquidos. Su peso limitado y elevada resistencia a las vibraciones y al desgaste la hacen especialmente apta para la colocación sobre órganos en movimiento.

Automatismo eléctrico

35

Formación Abierta

1.3.2.4.

Sensores ultrasónicos

Un sensor de proximidad ultrasónico está basado en la emisión y reflexión de ondas acústicas entre emisor, el objeto a detectar y un receptor.

Figura 1.47.

Ejemplos de sensores de ultrasonidos.

Normalmente, como el medio de transmisión de estas ondas es el aire, se mide y se evalúa el tiempo que tarda en desplazarse el sonido. Una de las ventajas de los sensores ultrasónicos consiste en que pueden detectar una amplia gama de materiales.

La detección es independiente de la forma, color y material; el problema fundamental es que su precio es muy caro; también tenemos que tener cuidado con la inclinación de los objetos, por que puede desviar el sonido.

Una de las aplicaciones principales la tenemos en las figuras siguientes.

Figura 1.48. Supervisión de chorro de líquido.

36

Automatismo eléctrico

Figura 1.49. Supervisión del nivel del llenado de silos.

Automatismo Eléctrico

1.3.2.5.

01

Sensores magnéticos tipo REED

Los detectores magnéticos son un tipo de detector clasificado dentro del grupo de proximidad (no necesitan contacto físico para que se provoque el contacto eléctrico). Su aplicación está muy difundida, sobre todo dentro de los automatismos electroneumáticos ya que este tipo de detectores es ideal para la captación de la posición de los cilindros neumáticos. Este tipo de sensores reaccionan ante los campos magnéticos de imanes permanentes o electroimanes.

Figura 1.50.

Sensores magnéticos.

Funcionamiento de un detector magnético tipo REED Los detectores magnéticos tipo REED están compuestos por un contacto eléctrico (láminas de material ferromagnético) posicionado en el interior de una cápsula de vidrio que contiene gas inerte (para la no formación de arcos voltaicos en la conmutación). Reacción ante la aparición de campos magnéticos o electromagnéticos.

Figura 1.51.

Contacto magnético.

Si se acerca un campo magnético al sensor las láminas se unen por magnetismo y se produce el contacto eléctrico. Esquema interno: Los diodos y la resistencia forman un circuito de protección para carga inductiva.

Automatismo eléctrico

37

Formación Abierta

BN (1) +24 V C.C

BK (4)

R

RC

BU (3) 0V C.C

Figura 1.52.

Esquema interno detector magnético tipo REED.

No debe colocarse cerca de campos magnéticos. La distancia mínima entre ellos deberá ser de 60 mm. Suelen utilizarse para detectar la posición de cilindros neumáticos. Existen en diversas disposiciones de contactos (N.C, N.A, Conmutados…), pero la más habitual es la disposición de un contacto N.A. Su conexión puede realizarse mediante 2 ó 3 hilos, dependiendo del modelo y fabricante. Suelen estar dotados de un diodo emisor de luz para visualizar el momento en que se produce el contacto eléctrico.

N

Figura 1.53.

S

Detector magnético tipo REED.

A la hora de realizar el montaje de estos detectores hay que tener en cuenta una serie de factores, tales como:

38



Respetar una distancia mínima en su colocación, ya que los campos magnéticos asociados a un detector podrían afectar a los detectores cercanos.



Colocarlos en lugares o ambiente magnéticamente “no agresivos”.



No manipular directamente sobre el detector.



Limitar el paso de corriente (generalmente no permiten más de 100 / 150 mmA).

Automatismo eléctrico

Automatismo Eléctrico

01

Aplicación de los detectores magnéticos tipo REED Como habíamos indicado previamente, una de las aplicaciones típicas para este tipo de detector es la captación de posición para cilindros neumáticos. El émbolo (zona interna) está dotada de un imán anular permanente. Cuando este alcanza la posición del detector se provoca la conmutación y con ello el contacto eléctrico, tal y como podemos apreciar en la figura.

Figura 1.54.

Aplicación de los detectores REED.

Automatismo eléctrico

39

Formación Abierta

1.4. Comunicación hombre-maquina Anteriormente hemos visto la forma de captar informaciones del propio proceso, principalmente posicionamiento de piezas. Además de esas informaciones, debemos tener en cuenta que una parte de la información la tiene que proporcionar el hombre, como sería la puesta en marcha, paradas... todo esto lo podremos realizar mediante los pulsadores. Por otra parte nosotros debemos conocer el estado del automatismo, por lo que los automatismos suelen disponer de pilotos de señalización. La interacción del hombre con la maquina se realizara por medio de estos elementos pudiendo ser de dos tipos: De accionamiento manual. Elementos de señalización.

1.4.1.

Accionamiento manual

Son los encargados de transformar las órdenes dadas manualmente en señales eléctricas. La normativa vigente exige que este tipo de aparatos tenga: fiabilidad en las maniobras, confort en la manipulación y operación, y adaptación a las condiciones más dispares, sean ambientales o de servicio. Los contactos que nos vamos a encontrar en los pulsadores, al igual que en los sensores, son normalmente abiertos y normalmente cerrados. Al accionar el pulsador cambian de estado. La simbología que vamos a emplear es: 13 S1 14

Numeración de los contactos

Identificación del pulsador Simbología

Figura 1.55.

40

Automatismo eléctrico

Simbología de un pulsador.

Automatismo Eléctrico

01

La numeración de los bornes es la misma que se empleó en los sensores: _3, _4 para contactos abiertos y _1, _2 para contactos cerrados, siendo el primer dígito, en este caso “ _ ” , el número de contacto de ese pulsador dentro del plano. La identificación del pulsador se hará con la letra S, siendo 1 el número de pulsador para distinguir los diferentes pulsadores que podemos tener en ese proyecto.

Simple de marcha

Doble marcha + paro

Figura 1.56.

Tipo “seta” de emergencia

Pulsadores de accionamiento manual.

Otro tipo de pulsador muy utilizado como elemento de paro de un proceso (principalmente a causa de una emergencia), son las setas de emergencia. Habitualmente son de color rojo sobre disco de fondo amarillo de diámetro normalizado. La simbología empleada cambia simplemente en el símbolo del elemento, los contactos son normalmente cerrados. 11 S1

12

Figura 1.57.

Simbología de seta de emergencia.

Otros elementos auxiliares utilizados para la comunicación con el automatismo los encontramos en los manipuladores o ruptores, elementos de fácil manipulación y una posición de reposo. Su funcionamiento es similar a un pulsador.

Automatismo eléctrico

41

Formación Abierta

Figura 1.58.

Manipulador.

Los interruptores de pedal de apertura positiva en la liberación solamente se pueden utilizar cuando la orden de funcionamiento no ponga en peligro la seguridad de las personas.

Figura 1.59.

Interruptor de pedal.

Para el control de movimientos se suele utilizar las cajas de pulsadores, desde las cuales se puede controlar todos los movimientos de la máquina.

Figura 1.60.

42

Automatismo eléctrico

Caja de pulsadores.

Automatismo Eléctrico

01

La anterior caja tiene 3 pulsadores, de los cuales, 1 rasante blanco (flecha negra), 1 rasante rojo y 1 rasante negro (flecha blanca) con la siguiente simbología: 13

13

21

“NA”

“NC”

“NA”

14

22

14

Paro

Pulsador Marcha

Figura 1.61.

Pulsador Marcha

Simbología pulsadores.

Casi todos los pulsadores existentes en el mercado tienen un grado de protección IP 65, con lo que cubren un amplio abanico de aplicaciones y condiciones ambientales adversas. Están compuestos de tres partes claramente diferenciadas:



Módulo de accionamiento. A través del cual accionamos manualmente los contactos anteriormente citados, según podemos apreciar en la la figura (a).



Bastidor. Es la pieza donde colocaremos las cámaras de contacto y el módulo de accionamiento, según podemos apreciar en la figura siguiente (b)



Cámaras de contactos. Llevan en su interior un contacto cerrado y/u otro abierto (se entiende en reposo), que son accionados al mismo tiempo, según podemos apreciar en la la figura (c). c

b

a

Figura 1.62.

Componentes del pulsador.

Automatismo eléctrico

43

Formación Abierta

Para accionamientos frecuentes se suelen elegir accionamientos manuales con función de pulsador. El empleo típico debe distinguirse, según norma IEC 73, por medio de diferentes colores, que se detallan a continuación. COLORES PARA PULSADORES Color

Significado

Empleo típico Paro de emergencia.

Accionamiento en caso de peligro.

Servicio de extinción de incendios. Desconexión total. Paro de uno o varios motores.

Rojo

Stop (paro) o desconexión.

Paro de una parte de la máquina. Desconexión de un interruptor. Botón de rearme combinado con paro.

Amarillo

Intervención.

Interrupción para interrumpir condiciones anormales o para evitar cambios no deseados. Conexión de todo el equipo. Puesta en marcha de uno o varios motores.

Verde

Marcha o puesta en tensión. Puesta en marcha de una parte de la máquina. Conexión de un interruptor.

Azul

Cualquier significado no cubierto por los colores anteriores.

Este color puede usarse en los casos particulares cuya función no la abarquen los anteriores colores.

No se les adscribe ningún significado especial.

Pueden ser empleados para cualquier función, excepto las de paro o conexión.

Negro Gris Blanco Figura 1.63.

44

Automatismo eléctrico

Colores para pulsador.

Automatismo Eléctrico

1.4.2.

01

Lámparas de señalización

Como su propio nombre indica, se emplean para señalizar diferentes estados del proceso automático. Su ejecución o forma física es muy parecida, en muchos casos, a los pulsadores, pudiéndose encontrar los dos elementos juntos. Anteriormente hemos visto los elementos que nos van a servir para poder comunicarnos o darle información al automatismo. Este, a su vez éste, nos podrá informar si colocamos elementos de señalización a través de pilotos, lámparas o LED.

Figura 1.64.

Piloto de señalización.

La simbología que utilizamos para los pilotos de señalización es:

X1 X1 H1 X2 X2 Para Lámpara

Figura 1.65.

Para Led

Simbología de pilotos de señalización.

Automatismo eléctrico

45

Formación Abierta

Las partes de que se compone un piloto de señalización son: las terminales de conexión, la lámpara, la sujeción al armario y el protector de lámpara.

Figura 1.66.

Partes de un piloto de señalización.

Los colores que se colocarán en el protector de la lámpara nos indicarán la función de la misma. Todos ellos aparecen reflejados en la siguiente tabla. Existen diferentes variantes que pasamos a definir.



Lámpara de señalización dotada con lente cónica y anillo frontal intercambiable. Esta ejecución se distingue claramente de los pulsadores luminosos y ofrece una buena visibilidad lateral.



Lámpara de señalización con lente plana, roscable y anillo frontal. En esta variante se puede incorporar un disco grabado interior para una identificación rápida.

Figura 1.67.

Lámpara de señalización.

Existen, además, en el mercado otras variantes, pero sería arduo y excesivamente denso intentar definir toda la gama que los fabricantes ofrecen actualmente. Basta con saber que tenemos a nuestra disposición indicadores luminosos de tipo neón, con resistencia en serie para limitación de intensidad o para conectarla en tensiones superiores; lámparas incandescentes dotadas o no con diodos, de manera que se puedan verificar todas las lámparas de señalización pertenecientes a un mismo cuadro con un solo pulsador.

46

Automatismo eléctrico

Automatismo Eléctrico

01

Colores de lámparas de señalización Como en el caso anterior de los pulsadores, las lámparas de señalización también deben tener unos colores definidos para cada uso concreto. Color

Significado

Explicación

Casos típicos de empleo Fallo del sistema de engrase. Temperatura que excede los límites de seguridad prescritos.

Rojo

Peligro o alarma.

Advertencia de un posible peligro o de un estado que requiere una acción inmediata.

Paro de una parte esencial del equipo debido a una actuación de la protección. Peligro debido a elementos accesibles bajo tensión o a elementos en movimiento.

Amarillo

Precaución.

Modificación o cambio próximo de condiciones.

Temperatura o presión que difiere del valor normal. Sobrecarga admisible por tiempo limitado. Circulación del refrigerante.

Verde

Azul

Blanco

Seguridad.

Señalización de condiciones de servicio seguras, o bien, luz verde para seguir funcionando.

Información específica.

Puede tener cualquier significado distinto de los anteriores.

Información general.

Puede usarse para confirmación y para cualquier significado sobre el empleo de los colores amarillo y verde.

Figura 1.68.

Conexión automática de la maniobra de la caldera. Máquina dispuesta para la puesta en marcha. Señal para maniobra remota. Selector colocado en posición de preparación. Interruptor general conectado, hay tensión en el circuito. Velocidad o sentido de rotación elegido.

Colores de lámparas de señalización.

Para los pulsadores luminosos son válidas ambas tablas. Los pulsadores luminosos rojos no se deben emplear para paro de emergencia. El color de la lámpara señala el estado de servicio que se produce al accionar el pulsador. En las lámparas de señalización y pulsadores luminosos, podrán utilizarse intermitencias como información adicional a la que da el color. La información funcional que da el color puede complementarse adicionalmente con símbolos, según IEC 417, con inscripciones.

Automatismo eléctrico

47

Formación Abierta

1.5. Contactores Podemos definir el contactor tal y como nos lo indica la Norma UNE 20-109-81:

"Aparato mecánico de conexión con una sola posición de reposo (correspondiente a la posición abierto o cerrado de los contactos principales), accionado de cualquier forma menos manualmente, capaz de establecer, soportar e interrumpir corrientes en condiciones normales del circuito, incluidas las condiciones de sobrecarga en servicio"

Su principal aplicación es efectuar las maniobras de apertura y cierre de circuitos relacionados con instalaciones de motores.

Figura 1.69.

1.5.1.

Contactor.

Elementos del contactor

Los elementos que costa un contactor son:

48



Soporte o Chasis.



Estructura magnética.



Contactos.

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Automatismo Eléctrico

01

Soporte o chasis El conjunto magnético y los contactos están unidos por medio de un elemento aislante, montado de forma que las posibles vibraciones recibidas por el contactor no afecten al perfecto funcionamiento del mismo. El conjunto va montado en una estructura adecuada, en la cual se han previsto los alojamientos necesarios para la colocación de los elementos.

Figura 1.70.

Dimensiones de soporte o chasis de un contactor.

Las partes aislantes son de gran resistencia eléctrica superficial, para evitar arcos eléctricos, resistentes mecánicamente para soportar, sin roturas ni grietas, los golpes de la armadura, en algunos tipos de contactor bastante considerables, e indeformables ante el tiempo y el calor, para no entorpecer el movimiento de los conjuntos que se desplazan en su interior. Estructura magnética La estructura del electroimán está formada por un núcleo magnético, compuesto por chapas laminadas y aisladas entre sí para reducir pérdidas por corrientes de Foucault, sobre este núcleo se monta la bobina de accionamiento y la armadura móvil, del mismo material que el núcleo y que cierra el circuito magnético. La armadura móvil acciona los contactos móviles, y, cuando circula corriente por la bobina, el núcleo atrae a la armadura efectuando la unión de los contactos móviles con los fijos. Las bobinas se alimentan con corriente alterna o corriente continua, siendo las más utilizadas:



24, 48 V.A.C. - V.D.C.



230 y 400 V.A.C.

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49

Formación Abierta

La intensidad y potencia de la bobina depende, naturalmente, del contactor. Contacto abierto principal 2

1

Borne contacto principal

Muelle

A1

A1

Borne bobina

Figura 1.71.

Bobina

Circuito magnético

Elementos de un contactor.

Cuando se alimenta a los terminales de la bobina A1 y A2 con la tensión necesaria, se genera un campo magnético suficientemente grande para vencer la fuerza del muelle que mantiene separado el circuito magnético. Este es solidario al dispositivo encargado de cambiar la posición de los contactos, tal como muestra la figura superior. Según sea el tipo de corriente, el circuito magnético y la bobina presentan las siguientes características:



Corriente alterna: 

Circuito magnético: chapas laminadas (para disminuir pérdidas por corrientes de Foucault)



Bobinas: resistencia reducida e inductancia elevada. La corriente inicial está en torno a 5 ó 6 veces la del circuito cerrado.

Además, en los contactores de corriente alterna existe lo que se denomina espira de sombra, que es una pequeña espira cerrada, montada sobre una ranura producida en las armaduras del circuito magnético, que tiende a anular la tendencia del circuito magnético a abrirse cada vez que la corriente pasa por cero.



50

Corriente continua: 

Circuito magnético: hierro macizo



Bobinas: Elevada resistencia óhmica.

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Automatismo Eléctrico

01

Contactos Los contactos principales son las piezas que están sometidas al trabajo más duro. Para cumplir perfectamente su cometido, deben reunir las propiedades mecánicas y eléctricas siguientes: 1. Alta conductividad eléctrica y térmica. 2. Pequeña resistencia de contacto. 3. Débil tendencia a pegarse o soldarse. 4. Buena resistencia a la erosión eléctrica producida por el arco. 5. Dureza elevada y fuerte resistencia mecánica. 6. Poca tendencia a formar óxidos o sulfuros resistentes eléctricamente. Son los elementos encargados de establecer y cortar la corriente, estos, dependiendo de la Intensidad que pueda pasar y de su uso, se denominan contactos principales y contactos auxiliares.



Contactos principales Son los encargados de alimentar a los receptores, principalmente motores. Según el número de polos será monopolar, bipolar o, tripolar. Referente a la intensidad nominal de un contactor, sobre catálogo y según el fabricante, podremos encontrar contactores desde 5 A hasta varios cientos de amperios, es decir, los contactores pueden controlar potencias dentro de un gran margen. Cuando el fabricante establece la corriente lo hace para cargas puramente óhmicas y con ello, sobre catálogo, marca un número de maniobras, si el cos de la carga es menor que 1, la vida del contactor se ve reducida. Normalmente en las placas de características de los contactores que utilicemos, aparecerá de acuerdo a las normas I.E.C. (Comité Electrotécnico Internacional) lo siguiente: 

AC-1: para cargas resistivas.



AC-2: para cargas inductivas. Cos de marcha de motores de anillos.



AC-3: para cargas inductivas. Principalmente arranque de motores de jaula.



AC-4: para motores de jaula, arranque, marcha a impulsos y frenado por inversión.

= 0,65. Ej.: Arranque e inversión

Automatismo eléctrico

51

Formación Abierta



Contactos auxiliares Son los encargados de asegurar la realimentación, señalización, enclavamiento,… en general, todos aquellos servicios en los que se precisa poca intensidad (normalmente la que necesitan las bobinas de los propios contactores). Estos contactos pueden ser abiertos o cerrados. A los primeros se les suele llamar contactos normalmente abiertos (NA) y a los segundos, contactos normalmente cerrados (NC). Generalmente en catálogo viene reflejada la Intensidad máxima, como I = 10 A.

1.5.2.

Simbología del contactor

Bobina

A1 K1

Bornes de la bobina A2

El contador Nº 1 Identificando al contador

Figura 1.72.

Simbología de la bobina.

Contactos principales

1

3

5

2

4

6

K1

Figura 1.73.

Simbología Contactos principales.

El identificativo K1 indica que son contactos del contactor y pertenecen al número 1.

52

Automatismo eléctrico

Automatismo Eléctrico

01

Los bornes de los contactos se indican con un número, siendo impar para las entradas y par para las salidas. Contactos auxiliares

13 K1

21 K1

14 NA

Figura 1.74.

22 NC

Simbología contactos auxiliares.

El identificativo K1 indica que son contactos del contactor K1. Los bornes 13 - 14 para el contacto NA, y 21 - 22 para el contacto NC nos indican que son auxiliares; para diferenciarlos de los contactos principales parecen dos dígitos.

1.5.3.

Selección de contactores

Para seleccionar un contactor de acuerdo con su aplicación, debemos atender a dos conceptos fundamentales: Vida útil de los contactos En los de corriente alterna, depende de la corriente de conexión y de si las cargas son de tipo óhmico o inductivo; normalmente suelen ser de un millón de maniobras, pero dependerá siempre de la marca empleada. Los fabricantes nos ofrecen en sus catálogos las características propias de cada uno de ellos. Categoría de empleo (IEC 947) La categoría de empleo tiene en cuenta el valor de las corrientes que el contactor debe establecer o cortar durante las maniobras en carga. Depende de:



La naturaleza del circuito controlado: motor de jaula, de anillos, resistencias de calefacción, alumbrado, etc.



Las condiciones en las cuales se efectúan los cortes: motor lanzado o en reposo.

Automatismo eléctrico

53

Formación Abierta

Las categorías más usuales para corriente alterna son las siguientes:



Categoría AC1: se aplica a todos los aparatos de utilización en corriente alterna donde el factor de potencia sea, al menos, igual a 0,95.



Aplicaciones: receptores de calefacción, líneas de distribución.



Categoría AC ’2: concierne a los motores de anillos, el corte de corriente se produce a motor lanzado. Al cierre, el contactor establece la corriente de arranque, superior a 2,5 veces la intensidad nominal del motor. El valor exacto está en función de la resistencia del circuito rotórico. A la apertura, el contactor corta la corriente nominal del motor. La tensión que aparece en sus Bornes está en función de la fuerza contra-electromotriz del motor. Aplicaciones: motores de anillos rozantes.



Categoría AC2: esta categoría se refiere al arranque, al frenado contracorriente, así como a la marcha por impulsos de los motores de anillos, Cos = 0,3 a 0,7. Al cierre, el contactor establece la corriente de arranque, cerca de dos veces la intensidad nominal del motor. A la apertura, debe cortar la corriente nominal con una tensión inferior o igual a la tensión de la red, tensión tanto más elevada cuanto más débil es la velocidad del motor, con lo cual la fuerza contra-electromotriz es poco elevada.



Categoría AC3: se refiere a los motores de jaula cuyo corte se efectúa a motor lanzado. Al cierre, el contactor establece la corriente de arranque, que es de 5 a 7 veces la intensidad nominal del motor. A la apertura, corta la corriente nominal absorbida por el motor; en este momento, la tensión en los bornes de sus polos es igualmente del orden del 20 % de la tensión de la red. Aplicaciones: todos los motores de jaula de ardilla corrientes, ascensores, escaleras mecánicas, compresores, etc.



Categoría AC4: esta categoría se refiere al arranque, al frenado por contracorriente y a la marcha por impulsos de los motores de jaula. Al cierre, el contactor establece la corriente de arranque, que es de 5 a 7 veces la intensidad nominal del motor.

54

Automatismo eléctrico

Automatismo Eléctrico

01

A la apertura, corta esa misma intensidad nominal a una tensión tanto más elevada cuanto más débil es la velocidad del motor. Esta tensión puede ser igual a la de la red. Aplicaciones: Trefiladoras, metalurgia, elevación, etc. Para corriente continua, las más usuales son:



Categoría DC1: se aplica a todos los aparatos que utilizan corriente continua cuya constante de tiempo (L/R) es igual o inferior a un milisegundo.



Categoría DC3: se refiere al arranque y frenado en contracorriente, así como a la marcha por impulsos de los motores shunt cuya constante de tiempo sea igual a dos milisegundos. Al cierre, el contactor establece la corriente de arranque, cerca de 2,5 veces la intensidad nominal del motor. A la apertura, debe cortar esa misma intensidad nominal a una tensión tanto más elevada cuanto más débil es la velocidad del motor. De esta forma, su fuerza contra-electromotriz es poco elevada.



Categoría DC5: se refiere al arranque y frenado en contracorriente, así como a la marcha por impulsos de los motores serie, cuya constante de tiempo sea menor o igual a 7,5 milisegundos. Al cierre, el contactor establece la corriente de arranque, cerca de 2,5 veces la intensidad nominal del motor. A la apertura, corta esa misma intensidad nominal a una tensión tanto más elevada cuanto más débil es la velocidad del motor. Esta tensión puede ser igual a la de la red.

Cálculo de la duración de los contactos La duración de los contactos es la suma de todos los ciclos de maniobra posibles, hasta que el contacto queda desechable por el uso. La duración del contacto se puede calcular para el servicio normal, intermitente o mixto. Según Siemens:

A

x=

1+

C A 1 100 B

Automatismo eléctrico

55

Formación Abierta

Donde:

1.5.4.

X

Duración de los contactos en servicio mixto

A

Duración de los contactos en servicio normal

B

Duración de los contactos en servicio intermitente

C

Porcentaje del servicio intermitente en relación a las maniobras totales en %

Funcionamiento del contactor

Al aplicar la tensión adecuada a la bobina del electroimán que lleva instalado en su interior, crea un campo magnético que se cierra a través del núcleo de chapa magnética. El flujo da lugar a un par electromagnético, superior al par resistente debido a los muelles. El par originado atrae a la armadura móvil, con lo que cierra el circuito magnético y, a la vez, acciona los contactos principales y auxiliares. Resumiendo, podemos decir que cuando a través de la bobina del electroimán se hace circular la corriente eléctrica: 1. El electroimán es excitado. 2. La armadura unida a los contactos es atraída. 3. Los contactos, dependiendo del tipo, se abren o cierran conectando o desconectando el circuito. Al interrumpirse la corriente en la bobina del contactor: 1. El electroimán se desexcita. 2. La armadura se desplaza por la acción de los muelles. 3. Los contactos, dependiendo del tipo, se abren o cierran conectando o desconectando el circuito. Un contactor magnético está siempre constituido por un cierto número de contactos de apertura, que pueden ser abiertos o cerrados, instantáneos o temporizados. En esta consideración hay que tener en cuenta que el contactor se encuentra en reposo. El Contacto cerrado es aquel que tiene establecida la conexión entre dos puntos cuando el contactor se encuentra en reposo, es decir, cuando a la bobina no le llega tensión. Efectúa la desconexión cuando a la bobina del electroimán le llega tensión. El Contacto abierto es aquel que no tiene establecida la conexión entre dos puntos cuando el contactor se encuentra en reposo, es decir, cuando a la bobina no le llega tensión. Efectúa la conexión cuando a la bobina del electroimán le llega tensión.

56

Automatismo eléctrico

Automatismo Eléctrico

01

El Contacto instantáneo es aquel que produce la conexión o desconexión entre dos puntos cuando se excita la bobina con la tensión adecuada. El Contacto temporizado es aquel que produce la conexión o desconexión entre dos puntos por medio de un temporizador, bien independiente o añadido al propio contactor por medio de una cámara. Los temporizadores son descritos más adelante.

1.5.5.

Accesorios

Existe multitud de accesorios en el mercado para acoplar o complementar a los contactores; entre ellos los más utilizados son los componentes montados en fábrica, como los arrancadores estrella-triángulo, inversores, arrancadores con protección, etc. La siguiente figura nos muestra un conjunto inversor montado en fábrica.

Figura 1.75.

Conjunto inversor montado en fábrica.

Aunque sean los menos conocidos, las cámaras de contactos auxiliares, acopladas o no en el propio contactor, son de suma utilidad a la hora de diseñar circuitos de maniobra/mando de automatización. Pueden solucionarse infinidad de problemas surgidos en la práctica con los siguientes componentes:



Retardadores de conexión y desconexión.



Bloques de contactos temporizados a la conexión y a la desconexión.



Limitadores de sobretensiones.

Automatismo eléctrico

57

Formación Abierta

Figura 1.76.

Retardador de conexión.

Figura 1.78.

1.5.6.

Figura 1.77. Bloque de contactos temporizados.

Limitadores de sobretensión.

Otros tipos de componentes

No todos los contactores existentes en el mercado con aplicación industrial son como los descritos hasta ahora. La gran variedad de aplicaciones y las exigencias actuales requerían un enorme esfuerzo por parte de los fabricantes de componentes para automatización, así, en muy poco tiempo, se observa la implantación de manera creciente en el mercado de elementos como los que se describen a continuación.

Figura 1.79.

58

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Contactor electrónico.

Automatismo Eléctrico

01

Los contactores electrónicos están construidos sin soldaduras y no producen ruidos ni vibraciones. Conectan casi instantáneamente y tienen una duración ilimitada de maniobras. Son imprescindibles en zonas donde no se admitan perturbaciones sonoras y en aplicaciones con un elevado número de maniobras, como por ejemplo máquinas-herramientas, de inyección, oficinas automatizadas, etc. Están basados en la electrónica de mando que estudiaremos en temas posteriores, en base a semiconductores de potencia y un cuerpo refrigerante. En cuanto a la protección contra contactos directos y la conexión, no se diferencian de los contactores convencionales.

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59

Formación Abierta

1.6. Sistemas de protección El motor asíncrono trifásico es de uso corriente en cualquier tipo de industria, no tienen facilidad para averiarse si funciona en condiciones normales. Sin embargo, sucede en la práctica que las condiciones de funcionamiento no son siempre las normales, sino que se dan muchas irregularidades como: Sobrecarga de la máquina accionada por el motor. Disminución de la tensión de red, que dará lugar a una sobrecarga. Excesivas puestas en marcha por unidad de tiempo. Falta de una fase, con lo que el motor estará funcionando a dos fases. Calentamiento de la máquina, a causa de una elevada temperatura ambiente. Recorrido de frenado por contracorriente defectuoso. Por tanto, los dispositivos de protección desconectarán el motor de la red cuando se presenten sobrecargas que puedan destruir o disminuir su duración. Los dispositivos a emplear para una protección eficaz de motores pueden depender de la corriente, como son los que funcionan bajo el principio de los bimetales o de los electrónicos, y los que lo hacen dependiendo de la temperatura, con sondas a base de semiconductores para la medición.

60

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Automatismo Eléctrico

1.6.1.

01

Relés térmicos

Funcionan aprovechando la deformación de los bimetales (ferroníquel e invar) bajo el efecto del calor producido por el paso de la corriente que alimenta al motor.

T

1

Figura 1.80.

2

3

Esquema de un relé térmico.

Cuando la corriente alcanza un valor superior al nominal, los bimetales 1, 2 y 3 se curvan empujando a la placa T, que abre el circuito de mando que alimenta la bobina del contactor principal, con lo cual éste libera los contactos principales y deja de funcionar el motor. Los relés bimetálicos están provistos de un botón giratorio o de una palanquita para el ajuste de cualquier valor que se encuentre en el margen de ajuste del mismo. La corriente límite de disparo está comprendida entre 1,05 y 1,2 veces la corriente ajustada.

Automatismo eléctrico

61

Formación Abierta

Figura 1.81.

Relé térmico.

El tiempo de desconexión depende de la temperatura ambiente y de la corriente que circule por el relé térmico. Este tiempo debe ser inferior al que puede poner en peligro el motor. La simbología que utilizamos en los esquemas es la representada en la siguiente figura.

1

3

5

97

95

2

4

6

98

96

F1

Identificación Contactos principales

Figura 1.82.

Contactos auxiliares 97 – 98 – NA 95 – 96 – NC

Simbología Relé térmico.

Cuando un motor está caliente debido al servicio, tiene menores reservas caloríficas que un motor frío. Esto se ve compensado por el comportamiento según la curva característica de disparo. Si el relé térmico se carga con la corriente ajustada, el disparo se efectuará con intervalos de tiempo muy breves. La potencia indicada en la placa de características del motor es la correspondiente a una temperatura de 400C del medio refrigerante. Si esta temperatura varía, lo hace también la potencia suministrada por el motor, que puede disminuir o aumentar. La corriente límite de disparo de un relé depende también de la temperatura. Los valores que se especifican en los catálogos de los fabricantes están calculados partiendo de la base de una temperatura ambiente de 20º C.

62

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Automatismo Eléctrico

01

Tiempo

Cuando la temperatura ambiente varía, para garantizar una protección contra sobrecargas del motor, no solamente es necesario que el motor y el dispositivo de protección se encuentren a la misma temperatura ambiente, sino también que el calentamiento límite del disparador concuerde con el calentamiento máximo del relé.

2 1 3 6

Figura 1.83.

1

2 6 Intensidad del ajuste

10

Gráfica intensidad de ajuste-tiempo.

Relé térmico diferencial Cuando falla una fase de un motor trifásico, éste sigue funcionando, pero con el peligro de que se quemen los bobinados, ya que circulan corrientes superiores a la nominal por las otras dos fases. En este caso la protección del relé térmico, aunque esté bien elegido y regulado, no es suficiente, por lo que se recurre a otro dispositivo llamado relé térmico diferencial. Su funcionamiento se basa en la diferencia de curvatura de los tres bimetales de un relé térmico normal al fallar una fase, produciéndose la apertura del circuito de mando. Para llevar los contactos a la posición normal debe esperarse el tiempo necesario para que se enfríen los bimetales. Los relés de Siemens, por ejemplo, llevan un compensador de temperatura que elimina por completo cualquier corrección que hubiera de hacerse. Después de un disparo por sobrecarga, las tiras bimetálicas deben enfriarse y regresar al punto inicial de partida, antes de que el dispositivo de protección pueda ser puesto nuevamente en servicio. Con esto se evita una reconexión accidental del motor. El guardamotor debe ser reconectado después de un disparo.

Automatismo eléctrico

63

Formación Abierta

1.6.2.

Protección de motores compensados

Para la compensación de la energía reactiva, los condensadores se empalman, muy a menudo, directamente a los bornes del motor y ambos se conectan o desconectan simultáneamente. De la red se toma casi prácticamente corriente efectiva Ief. Ésta es la corriente que atraviesa el relé y debe ajustarse de la forma siguiente:

Ir =

I n. cos 0,9

Los valores de la intensidad nominal, In, y el factor de potencia, cos , se toman de la placa de características del motor.

Motor trifásico de 4 polos, 22 Kw., 380 V, 50 Hz., de intensidad nominal In = 45 A, factor de potencia cos = 0,83. La corriente a la cual debe ajustarse el relé será:

Ir

1.6.3.

Incos 0,9

45 0,83 0,9

41,5A

Protección de motores con arranque pesado

En diversos accionamientos los motores deben arrancar en contra de un momento de carga alto, y necesitan más de 10 segundos para alcanzar las revoluciones por minuto nominales. Se da el caso, en centrifugadoras y en ventiladores de diámetros grandes, cuando se tienen grandes masas y altas revoluciones, y cuando se arrancan bajo carga molinos y cintas transportadoras, Para proteger estos motores se emplean relés cuyo tiempo de disparo es 6 veces la corriente de ajuste, oscila entre 15 y 30 segundos. En este tipo de relé, las tiras bimetálicas se calientan a través de un transformador de intensidad saturado. Estos son transformadores con bajos factores nominales de sobrecorriente. En ellos la relación de transformación de la corriente es constante hasta aproximadamente dos veces la intensidad nominal del relé. A mayores corrientes, la relación de transformación se hace más grande, es decir, la corriente en el secundario es menor que la correspondiente al factor nominal de transformación.

64

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Automatismo Eléctrico

01

Tiempo

Las tiras bimetálicas, por tanto, se calientan menos. En el siguiente gráfico se muestran las curvas características de disparo de estos relés.

o

u

1

Figura 1.84.

1.6.4.

2 4 6 Intensidad de ajuste

10

Gráfica de disparo de relés para motores con arranque pesado.

Colocación y ajuste de relés de protección

Inversión de sentido de giro Sea cual sea el sentido de giro del motor, siempre fluye la misma intensidad de corriente en ambos sentidos, por tanto, el relé de protección ha de colocarse en las líneas de alimentación y se ajustará a la corriente nominal del motor. Cuando la inversión esté instalada con freno por contracorrientes, con o sin vigilador, lo dicho anteriormente también será válido.

Figura 1.85.

Inversor de giro.

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65

Formación Abierta

Arranque estrella-triángulo Durante el arranque en estrella el motor se alimenta de la red con una corriente igual a 1/ 3 veces su corriente nominal. Cuando se realiza la conmutación a triángulo, fluye la intensidad nominal completa del motor si éste trabaja a media carga. En este caso, el relé se conecta inmediatamente después del contactor y antes de la conexión al motor, ajustándose a la corriente parcial que fluye por el circuito 1/ 3 o 0,58. Con esto se logra una protección eficaz, tanto en la protección estrella, como en triángulo.

Figura 1.86.

Guardamotor.

Motores de polos conmutables Un motor de polos conmutables con un devanado (Dahlander), dos velocidades y un sentido de giro, tiene una potencia diferente para cada velocidad y, por tanto, dos intensidades nominales diferentes. La intensidad más alta corresponde a la velocidad de giro más alta. Es evidente entonces, que habrá que colocar dos relés diferentes para proteger cada una de las velocidades. Esto es válido también para motores con más velocidades y devanados separados. Termistores Son dispositivos de protección dependientes de la temperatura. Miden directamente la temperatura del devanado del motor mediante sondas (termistores); dicha temperatura se valora con un aparato de disparo que gobierna la orden de maniobra. Las sondas empleadas tienen generalmente un coeficiente de temperatura positivo (PTC), aunque en casos especiales se pueden utilizar también con coeficiente negativo (NTC).

66

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Automatismo Eléctrico

01

Protección con sondas PTC Los termistores con coeficiente de temperatura positivo se emplean para la protección de aquellos motores cuyo valor de temperatura se conoce en varios puntos (cuadro de temperaturas), con anterioridad a que sean fabricados. La fábrica incorpora los termistores, generalmente en el extremo del devanado, en el lado de la salida del aire. La temperatura nominal de respuesta (TNR) de la sonda se elige en base a la clase de aislamiento, tipo y forma constructiva del motor. Cuando se sobrepasa la temperatura admisible del devanado, la resistencia de la sonda aumenta a su vez en rangos comprendidos en potencias de diez. Esto provoca que un aparato de disparo, colocado aparte, dé una orden que puede ser utilizada bien para desconectar el motor, bien para dar una señal de aviso. Protección con sondas NTC En este tipo de sondas la resistencia decrece rápidamente en cuanto aumenta la temperatura. Se emplean para protección de motores cuyo cuadro de temperatura se desconoce, y, por tanto, la temperatura de reacción del dispositivo de protección (colocado aparte) sólo puede ser determinada una vez que el motor está instalado y en funcionamiento. Los fabricantes aportan los datos de los coeficientes de temperatura de los termistores, así como la de los aparatos de disparo y su regulación. Protección de condensadores La normativa vigente exige que los condensadores estén en capacidad de prestar servicio con una corriente cuyo valor efectivo no sobrepase 1,3 veces la corriente que fluye cuando la tensión de la red es sinusoidal y su frecuencia es igual a la frecuencia nominal del condensador. Debido a este dimensionado, en la mayoría de las instalaciones con condensadores se renuncia a una protección contra las sobrecargas. Para la protección en caso de cortocircuito se emplean fusibles de clase de servicio gl Protección de transformadores Los transformadores de potencia son sobrecargables, el calor y la duración de la sobrecarga admisible dependen de la carga previa a la sobrecarga y de la temperatura del medio refrigerante. Se emplean interruptores de potencia para la protección del lado de baja tensión del transformador. Los transformadores pequeños se protegen ocasionalmente con fusibles.

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67

Formación Abierta

Hay que prever un interruptor de potencia cuya capacidad de ruptura sea igual o mayor que la corriente de cortocircuito en el secundario del mismo. El dispositivo de protección debe ajustarse a la intensidad nominal del transformador. Para la protección individual de dos transformadores de igual potencia en paralelo, se seleccionan interruptores de potencia cuya capacidad de ruptura corresponda a la corriente de cortocircuito de uno de los dos transformadores. Protección de conductores Los conductores deben protegerse del sobrecalentamiento mediante dispositivos de protección contra sobreintensidades. El origen de la anomalía puede deberse a una sobrecarga o a un cortocircuito. Intensidad máxima admisible La intensidad máxima admisible en conductores viene determinada en el Reglamento de Baja Tensión. Depende del tipo de aislamiento, de la caída de tensión admisible (dependiendo de su aplicación: el 3 % para alumbrado y el 5 % para fuerza), y de las prescripciones particulares que en su caso refleje el reglamento anteriormente citado. Protección contra sobrecargas En el anexo de fórmulas y tablas se puede encontrar en detalle la combinación de interruptores automáticos y fusibles necesarios según la sección instalada. Protección contra cortocircuitos Los valores vienen determinados por las Compañías Suministradoras; no obstante, los fabricantes facilitan los datos correspondientes.

1.6.5.

Fusibles

Cuando la corriente de cortocircuito es muy alta, los fusibles se derriten tan rápidamente que la corriente de choque IS no puede ser alcanzada. El valor momentáneo de corriente más alto que puede alcanzar se denomina: corriente de cortocircuito limitada ID. Los valores de esta corriente vienen determinados por los fabricantes en sus catálogos. Resistencia al envejecimiento Los fusibles se emplean con frecuencia en las líneas de alimentación de motores, como protección contra cortocircuitos. En estos casos pueden presentarse corrientes de arranque de hasta 8 veces la intensidad nominal del motor. Generalmente los fusibles no se suelen ver afectados por estas sobrecargas puntuales, ni siquiera por otras de más larga duración, en cuanto a vida útil se refiere.

68

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Automatismo Eléctrico

01

Pérdidas nominales Cuanto menos se calientan los fusibles, menor es la temperatura en sus bornes, y, por tanto, menores son los esfuerzos térmicos a los que se ven sometidos los cables y/o los conductores conectados. Las pérdidas nominales de los fusibles actuales están siempre por debajo de las exigencias impuestas por la normativa vigente. Valores caloríficos Hay que diferenciar entre el valor calorífico de la corriente hasta que se derrita el fusible (I2 · tS de fusión), y el valor calorífico de la corriente hasta la extinción del arco de desconexión (I2 · t de interrupción). Estos últimos son determinantes para hacer una selección entre ellos, en corrientes de cortocircuito altas, y son también una medida de los esfuerzos térmicos a que son sometidos los receptores protegidos. Capacidad de ruptura Debido a su limitación de la corriente, los fusibles tienen la capacidad de manejar corrientes de cortocircuito sumamente altas, en un espacio de extinción pequeño. Cuanto más efectiva sea la limitación de la corriente, mayores capacidades de ruptura se obtienen en espacios de extinción iguales. La efectiva limitación de la corriente y la alta capacidad de ruptura están estrechamente ligadas a las características propias de los fusibles, que son imprescindibles en la técnica de protección contra cortocircuitos. Clasificación Los fusibles de baja tensión se clasifican de acuerdo a sus características de funcionamiento y a su forma constructiva. Puede encontrar un resumen de las mismas en el anexo de la asignatura. La clase de funcionamiento g caracteriza a los fusibles de rango completo, los cuales pueden ser cargados permanentemente con su corriente nominal, y están en capacidad de interrumpir corrientes desde su menor corriente de fusión hasta su capacidad nominal de ruptura. A esta clase de funcionamiento pertenecen los fusibles gl, para la protección de cables y conductores. La clase de funcionamiento a caracteriza a los fusibles de rango parcial. Pueden ser cargados con su corriente nominal permanentemente, e interrumpen corrientes desde un múltiplo determinado de su intensidad nominal, hasta su capacidad nominal de ruptura.

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69

Formación Abierta

Los fusibles de rango completo g se subdividen según su aplicación en:



gl

Cables y conductores.



gr

Semiconductores.



gb

Equipos de minas.

Los fusibles de rango parcial a se subdividen según su aplicación en:



aM

Aparatos de maniobra.



aR

Semiconductores.

1.6.6.

Otras protecciones

Además de las mencionadas hasta ahora, existen otros tipos de protecciones que no tienen como función el limitar la intensidad del circuito correspondiente, ni controlar la temperatura de los devanados del motor. Estas posibilidades de vigilancia para motores son: Vigilancia de reposo Para la vigilancia de reposo y de velocidades de rotación cercanas a cero de accionamientos con tacómetros, se instala un aparato de evaluación que podemos encontrar en los catálogos de fabricantes especializados. Vigilancia de la velocidad de rotación Para vigilar las revoluciones de accionamientos a partir de velocidades de rotación cercanas a cero, hasta 6.000 r.p.m., se instala un aparato de evaluación, que podemos encontrar en catálogos de fabricantes especializados, en combinación con un emisor de impulsos. Vigilancia del proceso de frenado Los vigiladores de velocidad de rotación en combinación con contactores son adecuados para un frenado rápido de accionamientos cuando estos deben ser detenidos en un espacio de tiempo muy corto, mediante frenado por contracorriente. Vigilancia de bandas transportadoras Los vigiladores de bandas paran el complejo cuando la banda transportadora resbala fuertemente o se queda prensada, o cuando las velocidades del motor de accionamiento divergen considerablemente del valor teórico.

70

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Automatismo Eléctrico

01

Vigilador de puesta a tierra Con frecuencia sucede que en los procesos de producción ocurren pequeñas averías que no se pueden atender a causa de la sincronización del propio proceso. Sin embargo, con frecuencia los efectos tienen amplio significado. Nos estamos refiriendo a los tiempos de parada en industrias con aplicaciones como construcción de automóviles, industrias químicas, construcción de maquinaria, etc., donde los costes de la parada son francamente considerables. El vigilador de puesta a tierra, construido según el principio de los interruptores automáticos de protección contra corrientes de defecto (diferenciales), es toda una innovación en los aparatos de protección y maniobra para baja tensión.

Figura 1.87.

Vigilador de puesta a tierra.

Con el vigilador de puesta a tierra se vigila continuamente si en una instalación eléctrica está presente una derivación o corriente de defecto contra la tierra de servicio. Según la normativa vigente, todos los circuitos de mando deben ser puestos a tierra, para que con derivaciones a masa, o conexiones a tierra no se puedan producir arranques inadvertidos de las máquinas. A través de un contacto auxiliar unitario se señalizan los estados de servicio: servicio a tierra o servicio no puesto a tierra. El aparato reacciona con una corriente de defecto de hasta 300 mA, y deja libre la unión a la tierra del servicio, sin parar el servicio y sin parar la producción. Pero el circuito de mando continúa en funcionamiento hasta que el defecto haya sido eliminado. Es imposible la reconexión sin eliminación del defecto. Se utiliza exclusivamente en circuitos de corriente alterna.

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71

Formación Abierta

1.7. Temporizadores En el mundo del automatismo los temporizadores juegan un papel muy importante. Pueden ser principalmente: neumáticos y electrónicos.

Figura 1.88.

Diferentes formatos de temporizadores.

En los neumáticos el tiempo de retardo se consigue a través de una cámara con membrana, donde es almacenado el aire que proviene de la señal a temporizar. Disponen de un tornillo de regulación con el cual ajustamos el tiempo a retardar. Se tiende a que estos temporizadores sean sustituidos por los electrónicos. En los relés de tiempo electrónicos se consigue el tiempo de retardo mediante la carga y descarga de un condensador sobre potenciómetro o por circuitos contadores digitales. El problema mayor de los electrónicos está en los tiempos de regulación largos, en estos casos se sustituyen por relés de tiempo motorizado mediante un motor síncrono que gira en función de la frecuencia de la red, siendo ajustadas las gamas de regulación mediante dispositivos de relojería.(reloj horario). Ahora vamos a tratar de explicar las 2 variantes más importantes: los temporizadores con retardo a la conexión, y los temporizadores con retardo a la desconexión.

72

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Automatismo Eléctrico

1.7.1.

01

Temporizadores con retardo a la conexión

Son aquellos que modifican el estado de los contactos cuando ha transcurrido un tiempo “T” desde la alimentación de su bobina, volverán a reposo cuando no exista tensión en la bobina.

KIT

Bobina

t

t

17-18

Contactos

Figura 1.89.

Diagrama de tiempo.

Observamos que el contacto normalmente abierto cambia la posición de sus contactos cuando ha transcurrido el tiempo “T” de retado. La simbología que utilizamos en estos temporizadores es la mostrada en la siguiente figura. 17 T1

T1

T1 18

Bobina

Figura 1.90.

25

Contactos

26 NA y NC

Simbología temporizador con retardo a la conexión.

Automatismo eléctrico

73

Formación Abierta

1.7.2.

Temporizadores con retardo a la desconexión

Son aquellos que modifican el estado de los contactos inmediatamente cuando le llega tensión a la bobina, permanecen activados un tiempo “T” cuando desaparece la tensión en la bobina y, transcurrido ese tiempo “T”, vuelven a la posición de reposo. Al quitar tensión a la bobina es cuando comienza a temporizar, manteniendo sus contactos activados hasta que transcurra el tiempo programado, entonces los contactos vuelven a la posición de reposo.

KIT Bobina t

t

17-18 Contactos

Figura 1.91.

Diagrama de tiempo.

La simbología que empleamos para los temporizadores con retardo a la desconexión es la siguiente: 17 T1

T1

T1 18

Bobina

Figura 1.92.

74

Automatismo eléctrico

25

Contactos

26 NA y NC

Simbología, temporizador con retardo a la desconexión.

Automatismo Eléctrico

1.7.3.

01

Temporizadores como impulso

Al dar tensión a la bobina, se activa el contacto del temporizador, contabilizando el tiempo programado. Una vez transcurrido, los contactos se desactivan. Si la tensión en la bobina cae antes de que pase el tiempo programado, los contactos se desactivan.

KIT Bobina t

t

17-18 Contactos

Figura 1.93.

1.7.4.

Diagrama de tiempo.

Relé intermitente

La tensión de mando se aplica entre las bornas de alimentación del temporizador A1-A2.

A1-A2

15-18 t1=t2

Figura 1.94.

Funcionamiento intermitente.

Una vez aplicada la tensión de mando, el contacto conmutado del relé de salida interno pasa a la posición 15-18 y permanece en ella el tiempo de intermitencia elegido. Acto seguido se inicia el tiempo de pausa que corresponde también al tiempo de intermitencia elegido.

Automatismo eléctrico

75

Formación Abierta

1.7.5.

Relé multifunción

Estos tipos de relé suelen tener varios campos de tiempo y varias funciones. Además de las funciones ya descritas de retardo a la conexión y retardo a la desconexión, pueden presentar, entre otras, las que siguen: Generación de impulso a la conexión La tensión de mando se aplica entre las bornas de alimentación del temporizador A1-A2. Una vez aplicada tensión de mando, el contacto del relé de salida pasa a la posición 15-18, y permanece en ella el tiempo de impulso elegido. En este funcionamiento, una señal permanente (tensión en A1-A2) se convierte en una duración definida (impulso en bornes 15-18).

A1-A2

15-18

t

Figura 1.95.

Relé multifunción. Generación de impulso a la conexión.

Generación de impulso a una señal Al aplicarse tensión en los bornes A1-A2 no se altera la posición de reposo 15-16 del contacto de salida. Posteriormente, el relé de salida pasa de forma instantánea a la posición 15-18 y se mantiene en ella durante el tiempo elegido. Transcurrido este tiempo el relé de salida recupera su posición inicial 15-16. A1-A2

15-18 t

Figura 1.96.

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Automatismo eléctrico

Generación de impulso a una señal.

Automatismo Eléctrico

01

Impulso con retardo a la conexión La tensión de accionamiento llega a los bornes A1-A2. A partir de este momento comienza a contar el tiempo de retardo elegido, y, una vez agotado, el contacto conmutado pasa a la posición 15-18 para retornar, después de un tiempo no superior a medio segundo, a su posición inicial 15-16. Con este funcionamiento se obtiene un impulso breve retardado con respecto a la conexión inicial.

A1-A2 15-18 T

Figura 1.97.

0.5 s

Impulso con retardo a la conexión.

Automatismo eléctrico

77

Formación Abierta

1.8. Otros elementos para automatizar Son los componentes auxiliares necesarios para la realización del automatismo, no por eso manos importantes.

1.8.1.

Bornes de conexión

De alguna forma, y aunque no sean parte fundamental en un proceso de automatización, nos permiten terminar la instalación de una manera limpia y fácilmente identificable.

Figura 1.98.

Borna de dos pisos.

Existen numerosos modelos para un sinfín de aplicaciones. En su formato abrochable sobre carril DIN encontramos un ayudante perfecto para reformar, en cualquier momento, una conexión indeseada o medir con ayuda del polímetro la parte que nos interese de la instalación automática, tanto de mando como de potencia.

Figura 1.99.

78

Automatismo eléctrico

Borna de paso de conexión por tornillo.

Automatismo Eléctrico

01

No todas las bornas que nos ofrecen los fabricantes sirven para conectar o desconectar los conductores de la instalación, algunas, como la siguiente, se pueden emplear para servir de soporte a un circuito impreso con multitud de aplicaciones.

Figura 1.100. Borna para soporte de circuitos impresos.

En el ejemplo proponemos una lámpara de señalización para cualquier uso. También nos sirven como solución para conectar los cables a las pletinas de los cuadros.

Figura 1.101. Bornas de pletina y tornillo.

Por último, nos podemos encontrar con bornas que nos pueden servir, al mismo tiempo, como interruptores automáticos con disparador magnético, magnetotérmico, con contacto auxiliar y unión de paso.

Automatismo eléctrico

79

Formación Abierta

Figura 1.102. Bornas interruptor automático.

1.8.2.

Fuentes de alimentación

Las fuentes de alimentación para mandos electrónicos en corriente continua son cada vez más utilizadas para el montaje de cuadros eléctricos de automatización, por la seguridad que ofrecen en la salida de corriente continua y la mejora del factor de rizado.

. Figura 1.103. Fuente de alimentación para carril DIN.

Las fuentes de alimentación que aquí se muestran son transformadores monofásicos y trifásicos, con rectificadores postconectados en conexión puente de dos o seis pulsos. Suministran una tensión continua de 24V con un rizado inferior al 5 %. Están adaptados para soportar temperaturas ambiente de + 60º C, sin reducción de potencia, es decir, soportan la intensidad plena permanentemente. Para mandos electrónicos de mando existe actualmente una extensa gama de periféricos e interfaces, para conectar a través de un bus de comunicación todos los componentes de una instalación automática.

80

Automatismo eléctrico

Automatismo Eléctrico

01

En la imagen inferior podemos ver algunos de estos componentes.

Figura 1.104. Interfaces de comunicación.

Figura 1.105. Interfaces de comunicación.

Automatismo eléctrico

81

Automatismo Eléctrico

01

Resumen Los sensores suplen la acción del operario en los cambios de actuación u operación. Un sensor es un dispositivo capaz de convertir una magnitud física en una señal eléctrica directamente utilizable por nosotros. Estas señales son señales todonada, señales analógicas linealizadas y señales binarias o numéricas. Los dos grandes grupos en que podemos clasificar los sensores son: sensores táctiles y sensores de proximidad. Dentro de los sensores táctiles podemos citar los finales de carrera y microinterruptores, junto con termostatos y presostatos. Dentro de los sensores de proximidad podemos citar los magnéticos, inductivos, capacitivos, ópticos y de ultrasonidos.

Automatismo eléctrico

83

02

Automatismo Eléctrico

Motores eléctricos

Automatismo Eléctrico

02

Índice OBJETIVOS ........................................................................................................ 3 INTRODUCCIÓN ................................................................................................. 4 2.1. Clasificación de los motores .................................................................... 5 2.2. Los motores trifásicos. Introducción y características .......................... 7 2.2.1. Características eléctricas ................................................................... 13 2.2.2. Características mecánicas ................................................................. 33 2.3. Los motores asíncronos trifásicos ........................................................ 43 2.3.1. Generalidades ................................................................................... 43 2.3.2. Principio de funcionamiento ............................................................... 46 2.3.3. Conexionado ..................................................................................... 47 2.3.4. Cambio sentido de giro ...................................................................... 49 2.3.5. Arranque ............................................................................................ 49 2.3.5.1. Arranque directo motor jaula de ardilla ........................................ 50 2.3.5.2. Arranque estrella-triángulo en un motor asíncrono ...................... 52 2.3.5.3. Arranque por resistencias estatóricas.......................................... 54 2.3.5.4. Arranque de un motor de rotor bobinado por resistencias rotóricas ...................................................................................... 56 2.3.6. Protección para el motor .................................................................... 58 2.3.7. Regulación de velocidad en los motores asíncronos ......................... 63 2.3.7.1. Regulación de velocidad "variando los polos".............................. 64 2.3.7.2. Regulación electrónica de motores de inducción variando la frecuencia ................................................................................... 67 2.3.8. Motor trifásico arrancado como monofásico ....................................... 69 2.4. Motor de corriente continua ................................................................... 71 2.4.1. Constitución general de las máquinas de corriente continua.............. 71 2.4.2. Principio de funcionamiento ............................................................... 74 2.4.3. Sistemas de excitación en las máquinas de c.c ................................. 74 2.4.4. Características de los motores de corriente continua ......................... 78 2.4.5. Denominación de bornes de las máquinas de corriente continua ...... 80 2.5. Motores monofásicos .............................................................................. 81 RESUMEN......................................................................................................... 83

Motores eléctricos

1

Automatismo Eléctrico

02

Objetivos Establecer una base de conocimientos en el ámbito de los motores de corriente alterna trifásicos en general, identificando sus características principales, tanto mecánicas como eléctricas. Ahondar en el desarrollo conceptual teórico y práctico de los motores asíncronos trifásicos, centrándonos en los dos tipos más importantes: el de rotor en cortocircuito (jaula de ardilla) y el de rotor bobinado. Aprender a medir, establecer y calcular los parámetros más importantes presentes en una instalación con este tipo de motores. Explicar y asimilar las situaciones prácticas que más se van a dar en la instalación de motores de estas características: arranque, variación de velocidad, inversión de giro y frenado.

Motores eléctricos

3

Formación Abierta

Introducción En cualquier conversación que pueda oír acerca de automatización, siempre se da gran importancia a los sistemas de mando y control. Son frecuentes las discusiones sobre el uso de un autómata o no para una determinada acción de automatización, en vez de usar un clásico esquema eléctrico, o incluso emplear una tarjeta electrónica de fácil implementación. De hecho, el corazón de una buena instalación de automatización es la correcta elección de uno o varios de los tres sistemas mencionados en el párrafo anterior, pero eso sí, acompañados también de una no menos importante etapa de potencia que gobierne a los elementos que realmente realizan de forma directa los efectos deseados sobre nuestras máquinas (elevadores, ascensores, grúas, bombas, etc.), que no son otros que los motores eléctricos. Este tema trata en profundidad uno de los tipos de motores más usados en las instalaciones actuales. Se trata de los motores de corriente alterna trifásicos asíncronos, que por sus ventajas sobre los demás (síncronos, o de corriente continua, etc.) ofrecen unas prestaciones técnicas muy buenas. ¡Ánimo!, entre en el mundo de los motores; sencillamente, lo encontrará fascinante.

4

Motores eléctricos

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02

2.1. Clasificación de los motores Antes de realizar dicha clasificación vamos a entender a grandes rasgos qué es un motor a diferencia del generador. El motor transforma la energía eléctrica en energía mecánica que después nosotros emplearemos para realizar ciertos movimientos en nuestra máquina. Generador

Energía Eléctrica

Maquina Eléctrica

Energía Mecánica

Motor

Figura 2.1. Transformación de energía.

Ahora podemos realizar la clasificación de los motores dependiendo del tipo de energía eléctrica que utilizan en: Motores de corriente alterna Estos a su vez comparando la velocidad de giro del motor con la velocidad que tiene el campo magnético que utiliza el rotor para girar, se clasifican en: Síncronos (la velocidad del campo magnético es igual a la de giro del motor). Dependiendo del tipo de devanado y el arranque empleado pueden ser:

  

Motor de polos salientes. Motor de inducción sincronizado. Motor autosíncrono.

Motor asíncrono (la velocidad del campo magnético es superior a la de giro del motor). Dependiendo de las características y en especial de la constitución del rotor, existen:

 

Motor de jaula de ardilla, o rotor en cortocircuito. Motor de anillos rozantes, o rotor bobinado.

Motores de corriente continua Según el sistema de excitación empleado para el arranque o funcionamiento tenemos: Motor con excitación independiente. Motor serie. Motor en derivación o paralelo. Motor mixto.

Motores eléctricos

5

Formación Abierta

En realidad los motores asíncronos trifásicos, por su robustez, simplicidad y mínimo mantenimiento, se han convertido en el motor más utilizado en la industria, además tienen un alto rendimiento. Dentro de los motores asíncronos el motor de jaula de ardilla es el más utilizado para velocidades constantes, mientras que el de anillos rozantes lo empleamos para arranques difíciles, por ejemplo, el giro de una grúa de construcción. Los motores síncronos casi no se utilizan ya que tienen un pequeño inconveniente, el de necesitar un motor auxiliar para el arranque. Los motores de corriente continua sólo se utilizan si lo que necesitamos es un control muy preciso de la velocidad, aunque cada vez más son sustituidos por motores de corriente alterna con su variador de velocidad.

6

Motores eléctricos

Automatismo Eléctrico

02

2.2. Los motores trifásicos. Introducción y características La planta de envasado de pintura parece desierta desde fuera. Una vez dentro, todo es movimiento y ajetreo: las cintas transportadoras distribuyen las latas, cuyas tapas han sido colocadas a un ritmo febril por la máquina destinada al efecto; por último, las carretillas elevadoras cargan los contenedores llenos en los camiones que esperan impacientes. El secreto de esta habilidad de movimientos radica en el uso de motores de corriente eléctrica. Debido a las ventajas que tienen, este tipo de motores se ha implantado profusamente en la industria. Como se puede imaginar, un motor de este tipo convierte la energía eléctrica en mecánica, posibilitando el movimiento de cargas y el accionamiento de objetos y máquinas (por ejemplo, mover la cinta transportadora). Todo el que disponga de un mínimo conocimiento de lo que es la energía eléctrica podrá corroborar la opinión de que, efectivamente, la energía eléctrica es la más usada en la industria. De ella podemos decir que: Es muy fácil de transportar al lugar de conversión en energía mecánica. Es limpia y podemos obtener cierto rendimiento en su conversión. Por último, es muy fácil de controlar y usar para mandos eléctricos y electrónicos. Como contrapartida podemos citar la imposibilidad de almacenar la energía eléctrica en grandes cantidades. Por eso, la energía mecánica obtenida de los combustibles sólidos (carbón, gasolina, gasoil) es muy utilizada en vehículos automóviles. Así pues, un motor eléctrico es aquel que, gracias a ciertas propiedades electromagnéticas, puede transformar la energía eléctrica proveniente de una central (a través de conductores), en energía mecánica capaz de accionar o mover una determinada máquina. La figura 2.2 aclara estos términos.

Motores eléctricos

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Formación Abierta

Industria

Fuerza mecánica

Control (conexión, desconexión, etc)

Motor

Acondicionamiento

Central eléctrica y distribución

Figura 2.2. Transformación de la energía eléctrica.

Como puede apreciar, un motor eléctrico siempre ofrece su energía mecánica en forma de un eje que gira a una determinada velocidad, en este caso, angular, puesto que el eje gira sobre sí mismo sin realizar ningún desplazamiento lineal. En este caso, la velocidad se suele medir en revoluciones por minuto (r.p.m.), o, lo que es lo mismo, en las vueltas que da el eje del motor en un minuto (ver figura 2.3). Velocidad angular (Giro del eje, en revoluciones por minuto)

Cuerpo del motor

Eje

Figura 2.3. Velocidad angular del eje.

Es posible que encuentre otras unidades de velocidad angular, como radianes por segundo. El radián es una unidad angular que representa ángulos, relacionándolos con los grados que tiene una circunferencia. Así, decimos que: 2

radianes = 1 circunferencia = 360º = 1 vuelta

Por lo que un radián será:

8

Motores eléctricos

360º 360º = = 57,29 º 2 • 31416 , 2

Automatismo Eléctrico

02

Por ejemplo, si localizamos un motor del cual nos informan que tiene un eje con una velocidad de 6,28 radianes por segundo, tenemos que saber que su velocidad también es de 360º por segundo o de una revolución por segundo.

Otro tema que puede originarle algún dolor de cabeza es el del par, forma de representar o medir la fuerza suministrada por el motor. Así, si le dicen que el eje de un motor obtiene un par de 2 Newton x metro, quiere decir que para vencer esa fuerza debemos aplicar 2 Newton de fuerza a una distancia de un metro.

Cuerpo del motor

PAR 1 me

tro

Eje FUERZA , 2 Newton

Figura 2.4. Representación del par.

Como puede imaginar existen infinidad de tipos de motores. Casi siempre se diferencian entre ellos por la forma que tienen de convertir la energía eléctrica en mecánica, gracias al aprovechamiento de ciertas leyes electromagnéticas a las que estamos muy agradecidos. Así, existen motores síncronos, asíncronos, etc., y además, por la forma de la tensión eléctrica con que son alimentados también se dividen en motores de corriente continua, alterna, trifásicos, etc. En concreto y, por las ventajas que aportan, únicamente vamos a hablar a continuación de los motores asíncronos de corriente alterna trifásica.

Un motor eléctrico es una máquina capaz de transformar la energía eléctrica en mecánica (en forma de un eje giratorio).

Motores eléctricos

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Formación Abierta

Asíncrono Basa su funcionamiento en la acción electrodinámica ejercida por el flujo giratorio que se produce en el circuito eléctrico principal del motor (no se preocupe por no saber nada más). De corriente alterna Alimentado a corriente alterna. Trifásica Es un tipo de alimentación con tres señales distintas, todas alternas, que van desfasadas unas con respecto a las otras, según aparece en la figura 2.5. L1

T W C

L2

R U A

L3

S V B

Figura 2.5. Representación de la corriente alterna trifásica.

A la izquierda aparecen las letras con las que normalmente se suele designar a cada una de las tensiones, llamadas fases. Podría imaginarse que si tenemos una carga (motor) alimentado a tres fases, existirán lógicamente tres conexiones a las que llegan los conductores. Esa carga, en la práctica, se divide en tres bobinas, como aparece en la figura siguiente.

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Automatismo Eléctrico

02

CWT AUR BVS

Conexiones Fases

Bobinas

Motor

Figura 2.6. Esquema interno del motor.

Hablaremos más adelante de las formas de conectar esas bobinas. Ahora nos centraremos en explicar de forma breve los principios de funcionamiento de un motor eléctrico, gracias a la interacción existente entre el mundo de la electricidad y el magnetismo. Para entender el funcionamiento de una máquina eléctrica, y, en concreto, de los motores, debe usted conocer unos datos fundamentales (no se preocupe, esto no es un tratado de Física): Un imán origina un campo magnético, de forma que las líneas de fuerza que se producen salen de un extremo del imán y entran por otro. Estos extremos reciben el nombre de polos. Líneas de fuerza

Polo

N

S

Figura 2.7. Imán.

Motores eléctricos

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Formación Abierta

Una carga eléctrica circulando por un conductor que está en el seno de un campo magnético, es sometido a una fuerza producida por la interacción de ese campo magnético sobre la carga. Fuerza generada F

Conductor

N

S v

EJE Y

Campo magnético Electrón

EJE X

Velocidad del electrón en movimiento

EJE Z

Figura 2.8. Efecto producido sobre una carga eléctrica que atraviesa un campo magnético con una determinada velocidad.

Si empleamos la astucia y hacemos que la corriente entre y salga a través de una espira en el campo magnético, como indican las figuras 2.9 y 2.10, originaremos dos fuerzas de sentido contrario que producirán un par de fuerzas que harán girar la espira. Ya tenemos nuestro motor. Vista en perspectiva: Intensidad eléctrica Fuerza F1

N

Eje de giro

S

Espira conductora Sentido de giro

Campo magnético Fuerza F2

Figura 2.9. Giro de una espira en un campo magnético vista en perspectiva.

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Automatismo Eléctrico

02

Vista de perfil: Fuerza F1 Senido de giro Eje

N

EJE Y EJE X

S

Espira conductora

Campo magnético Fuerza F2

EJE Z

Figura 2.10. Giro de una espira en un campo magnético vista de perfil.

A partir de aquí, la especialización tecnológica es tal y la cuestión ha sido tan estudiada, que los motores han evolucionado alcanzando cotas de precisión y rendimiento muy altas, pasando a ser, como ya hemos dicho, los sistemas de accionamiento más usados en la industria.

2.2.1.

Características eléctricas

Como se ha definido, un motor emplea la interacción electromagnética para convertir la energía eléctrica en mecánica, en forma de par de fuerzas ofrecido en el eje de giro. Por tanto, también existe una mezcla entre la electricidad y la mecánica en un motor. A continuación vamos a hablar de las características eléctricas más importantes de un motor trifásico, y también de las mecánicas. Algunas fórmulas Vamos a relacionar algunas fórmulas que le ayudarán a calcular ciertos parámetros del motor. Uno de los más importantes es el cálculo de la potencia eléctrica que va a consumir el motor. Esta potencia deberá vencer el par resistente (recuerde el concepto de par) que la máquina va ofrecer.

Motores eléctricos

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Formación Abierta

La potencia desarrollada en un motor es una magnitud muy delicada de calcular, debido a que se dan varios tipos de potencia en un motor:



Potencia absorbida.



Potencia útil.



Potencia perdida.

La potencia absorbida es la que se aplica directamente al motor, de forma original. La desarrollada por el motor, la útil, es otra potencia distinta, más pequeña, porque la transformación de energía implica siempre unos rozamientos y unas pérdidas. Se origina, por tanto, una potencia perdida, que es la diferencia entre ambas. Esto nos lleva a definir el concepto de rendimiento ( ) como el cociente entre la potencia desarrollada y la absorbida, siempre menor que 1.

Pa

Pu Pu

Conversión electrocánica, rozamientos, etc

Pp 1 • 100

%

Pa Potencia útil Pu

Potencia Absorbida Pa

Potencia perdida Pp

Figura 2.11. Rendimiento de un motor.

En un motor eléctrico, la potencia útil en el eje es igual a la absorbida de la red eléctrica menos la potencia perdida en la misma transformación.

14

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Automatismo Eléctrico

02

Una vez definidos los tipos de potencia, apuntaremos las formas de calcularla. Potencia útil desarrollada por el motor. P=

3 U I cos

, en W

P1 =

3 U I cos 736

, en CV

P2 =

3 U I cos 1000

, en kW

1 CV = 736 W 1 kW = 1.000 W 1 kW = 1,36 CV Donde: P

Potencia.

U

Tensión en voltios (V).

I

Intensidad en amperios (A).

cos

Factor de potencia. Rendimiento.

Pu = Pa · Donde: Pu

Potencia útil.

Pa

Potencia absorbida. Rendimiento.

Motores eléctricos

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Formación Abierta

Potencia absorbida por el motor: P=

3 U I cos , en W

P1 =

3 U I cos , en CV 736

P2 =

3 U I cos , en kW 1000

Otras fórmulas de potencia Potencia útil:

P=

M n 9550

Donde: P

Potencia en kW.

M

Par motor en Nm (Newton-metro).

n

r.p.m. del eje del motor asíncrono.

Potencia de entrehierro:

P=

M ns 9550

Donde: P

Potencia en kW.

M

Par motor en Nm (Newton-metro).

ns

r.p.m., que corresponde a la velocidad de sincronismo.

El entrehierro es la parte del motor que se encuentra entre el rotor y el estator (el rotor gira dentro del estator). Ahí se suele originar una pérdida de potencia.

16

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Automatismo Eléctrico

02

Voltaje y frecuencia Como usted ya conoce perfectamente los parámetros de la electricidad, sabrá que en cualquier tema relacionado con ella hay que hablar del voltaje o tensión, y frecuencia. En el caso de la tensión, los diferentes valores que pueden tener los motores vienen regulados por la Norma UNE 0530. Podemos citar algunos valores de ésta: Para máquinas de pequeña y mediana potencia: 220 y 380 V. Para grandes potencias: 500, 3.000, 5.000, 10.000 y 15.000 V, denominados motores de alta tensión para grandes potencias. Los motores de baja tensión (380 V) no pueden sobrepasar la potencia de 600 kW a 1.500 r.p.m. para asegurar su rentabilidad. Con la frecuencia, el valor más empleado es el de 50 Hz, aunque hay que tener cuidado con máquinas de otros países, donde el suministro de corriente es a 60 Hz (Estados Unidos). Velocidad Un motor puede estar construido para una determinada velocidad, aunque en vacío desarrolle la velocidad de sincronismo, aquella que viene determinada por el número de polos del motor (ya hablaremos más adelante de esto) y de la frecuencia. Viene dada por la siguiente fórmula:

ns =

120 f 2p

Donde: ns

Velocidad de sincronismo (r.p.m.).

f

Frecuencia en hercios.

p

Pares de polos.

Llamamos deslizamiento (S) a la diferencia entre la velocidad teórica (la obtenida de la anterior fórmula) y la que realmente medimos en el motor. Podemos establecer una especie de rendimiento relativo:

S=

ns -n ns

Motores eléctricos

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Formación Abierta

Donde: ns

Velocidad de sincronismo (r.p.m.).

n

Velocidad medida (r.p.m.).

Se admite un deslizamiento de aproximadamente 3 ó 4%. A continuación vamos a reflejar un resumen de las velocidades sincrónicas para diferentes frecuencias y polaridades. Velocidades sincrónicas en r.p.m.

Nº de polos

Pares de polos

2p

p

50 Hz

60 Hz

2

1

3000

3600

4

2

1500

1800

6

3

1000

1200

8

4

750

900

10

5

600

720

12

6

500

600

16

8

375

450

24

12

250

300

32

16

188

225

48

24

125

150

Figura 2.12. Velocidades sincrónicas para diferentes frecuencias y polaridades.

Intensidad absorbida La intensidad absorbida por un motor depende del estado en que se encuentre. Así, la corriente de arranque (con estado inicial parado) es mucho más grande que la nominal cuando ya ha alcanzado las revoluciones o velocidad de funcionamiento normal. Además, esa corriente de arranque aumenta en función de la carga mecánica que soporta o que debe mover el motor. La intensidad de sobrecarga es la que el motor puede soportar cuando ha alcanzado la temperatura límite, que es 1,5 veces la nominal, durante 2 segundos.

La intensidad de arranque es tan indeseable que se han ideado formas de arranque progresivas para eliminarla o minimizar su valor. Ya hablaremos de ellas más adelante.

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Motores eléctricos

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02

Ahora solamente adjuntamos una tabla para distinguir diversas formas de arranque a las que corresponde una determinada intensidad máxima. Formas de arranque

Intensidad punta absorbida en el arranque a plena carga

Arranque directo

6 a 8 In

Arranque en conexión

-

1,5 a 3 In

Arranque con resistencias estatóricas

4 a 5 In

Arranque con transformador

2 a 4 In

Arranque con resistencias rotóricas

2 a 2,5 In

Arranque en conexión KUSA

4 In (In = Intensidad nominal)

Figura 2.13. Formas de arranque.

El cálculo de la intensidad absorbida se puede resumir como: I

I

I

P 3 U cos 736 P1 3 U cos

103 P2 3 U cos

Donde: I

Intensidad en amperios (A). Corresponde a la nominal.

P

Potencia en W.

P1

Potencia en CV.

P2

Potencia en kW.

U

Tensión en V.

cos

Factor de potencia. Rendimiento.

Motores eléctricos

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Formación Abierta

A continuación vamos a adjuntar dos tablas que pueden servirle de ayuda a la hora de obtener las intensidades nominales de motores trifásicos. Potencias nominales de motores

Intensidades nominales de motores con 380 V, 50 Hz

Intensidades nominales de motores de 4 polos a 1.500 rpm, frecuencia nominal 50 Hz

kW (1)

CV(2)

3000 rpm A

1500 rpm A

1000 rpm A

750 rpm A

125 V A

220 V A

500 V A

660 V A

0,06

1/12

__

0,23

__

__

0,7

0,39

0,17

0,13

0,09

1/8

0,3

0,34

__

__

1,03

0,58

0,26

0,2

0,12

1/6

0,37

0,44

__

__

1,34

0,76

0,33

0,25

0,18

1/4

0,53

0,61

__

__

1,85

1,05

0,46

0,35

0,25

1/3

0,71

0,78

0,88

__

2,37

1,35

0,59

0,45

0,37

1/2

1,1

1,12

1,15

1,19

3,4

1,93

0,85

0,64

0,55

3/4

1,45

1,47

1,63

1,69

4,5

2,5

1,12

0,85

0,75

1

1,83

1,95

2,15

2,15

5,9

3,4

1,48

1,12

1,1

1,5

2,55

2,8

3

3,05

8,5

4,8

2,1

1,6

1,5

2

3,4

3,7

4

4,15

11,2

6,4

2,8

2,1

2,2

3

4,8

5,2

5,8

5,9

15,8

9

4

3

3

4

6,4

7

7,6

7,8

21,3

12,1

5,3

4

4

5,5

8,1

8,8

9,5

10,5

26,8

15,2

6,7

5,1

5,5

7,5

11,2

11,7

13,1

13,8

35,6

20,2

8,9

6,7

7,5

10

14,9

15,6

18,1

18

47,4

27

11,9

9

11

15

22,5

22

24,3

25

__

38

16,7

12,6

15

20

30

29

31,5

31,5

__

50

22

16,7

18,5

25

36

36

37,5

38

__

66

29

22

22

30

42,5

45

44,5

44,5

__

78

34

26

30

40

57

60

59

60

__

104

46

35

37

50

69

72

72

75

__

124

55

41

45

60

83

87

87

89

__

150

66

50

55

75

104

104

106

108

__

180

79

60

75

100

140

142

144

146

__

245

108

81,5

90

125

166

168

172

172

__

290

127,5

97

110

150

200

205

210

215

__

354

156

118

132

180

240

245

255

__

__

423

186

141

150

204

__

__

__

285

__

__

__

__

160

220

290

295

295

__

__

509

224

170

180

245

__

__

__

340

__

__

__

__

200

270

__

360

370

__

__

622

273

207

220

300

395

__

__

__

__

__

__

__

225

305

__

__

__

425

__

__

__

__

250

340

__

440

460

__

__

760

334

253

270

365

485

__

__

__

__

__

__

__

280

380

__

__

__

530

__

__

__

__

300

410

520

__

__

__

__

__

__

__

315

430

__

560

580

__

__

967

426

322

375

510

640

__

__

__

__

__

__

__

400

545

__

750

__

__

__

1235

543

412

η

736 P2

(1) P1=

3 U I cos 1000

η

10 ; I=

3

P1

3 U cos

η

(2) P2 =

3 U I cos 736

; I=

3 U cos

Figura 2.14. Intensidades nominales en motores trifásicos de rotor en jaula de ardilla (potencias nominales de motores entre 0,06 kW y 400 kW).

20

Motores eléctricos

η

Automatismo Eléctrico

02

Valores orientativos de las intesidades nominales Valores orientativos de las Potencias Potencias de motores trifásicos intesidades nominales de motores nominales nominales trifásicos con 4 polos, según de motores Según BS Según ANSI CI-1975 y CSA C22.1-1972 de motores NFC63-110, 1970 587, 1957

HP

415 V A

115 V A

230 V A

460 V A

575 V A

1/2 3/4 1 11/2 2 3 4 5 71/2 10 121/2 15 20 25 30 35 40 45 50 60 70 75 80 90 100 125 150 175 200 225 250 300 350 400 500

__ __ 2 2,5 3,5 5 6,5 7,5 11 14 17 21 28 35 40 47 55 60 66 80 95 __ 105 120 135 165 200 230 260 290 325 385 450 500 __

4 5,6 7,2 10,4 13,6 __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __

2 2,8 3,6 5,2 6,8 9,6 __ 15,2 22 28 __ 42 54 68 80 __ 104 __ 130 154 __ 192 __ __ 248 312 360 __ 480 __ 602 __ __ __ __

1 1,4 1,8 2,6 3,4 4,8 __ 7,6 11 14 __ 21 27 34 40 __ 52 __ 65 77 __ 96 __ __ 124 156 180 __ 240 __ 302 361 414 477 590

0,8 1,1 1,4 2,1 2,7 3,9 __ 6,1 9 11 __ 17 22 27 32 __ 41 __ 52 62 __ 77 __ __ 99 125 144 __ 192 __ 242 289 336 382 472

kW

220 V A

380 V A

50 V A

0,55 0,75 1,1 1,5 2,2 3 4 5,5 7,5 10 11 15 18,5 22 30 37 45 55 75 90 110 132 160 200 220 250

2,75 3,5 4,4 6 8,7 11.5 14.5 20 27 35 39 52 64 75 103 126 147 182 239 295 356 425 520 640 710 823

1,6 2 2,6 3,5 5 6,6 8,5 11,5 15,5 20 22 30 37 44 60 72,5 85 105 138 170 205 245 300 370 408 475

1,2 1,5 2 2,6 3,8 5 6,5 9 12 15 17 23 28,5 33 45 55 65 80 105 129 156 187 228 281 310 360

Figura 2.15. Valores orientativos de las intensidades nominales de motores trifásicos según especificaciones británicas (BS), americanas (ANSI), canadienses (CSA) y francesas (NF)

En motores eléctricos es aconsejable que la intensidad consumida en el arranque sea lo más baja posible.

Motores eléctricos

21

Formación Abierta

Rendimiento El rendimiento es la relación entre la potencia útil y la absorbida, como ya tenemos estudiado. A continuación vamos a señalar algunas tablas indicativas con los valores que encontrará en sus aplicaciones. Rendimiento aproximado para motores que trabajan a régimen nominal P

0,37 kW

= 0,60 a 0,70 (60 a 70%)

P

0,75 kW

= 0,75 (75%)

P

4 kW

P

15 kW

P

18,5 kW

= 0,80 (80%) = 0,85 (85%) = 0,90 (90%)

Altitud de la instalación sobre el nivel del mar en m.

Potencia admisible en % de la potencia nominal.

1000

100

1500

97

2000

94

2500

90

3000

86

3500

82

4000

77

Figura 2.16. Variación de la potencia con la altitud.

22

Motores eléctricos

Automatismo Eléctrico

Rendimiento (%) para una carga parcial de 1/2

3/4

4/4

5/4

02

Rendimiento (%) para una carga parcial de 1/2

de la carga total

3/4

4/4

5/4

de la carga total

93,5

95

95

94,5

70

73

73

71

92,5

94

94

93,5

68

72

72

70

91,5

96

96

92,5

67

71

71

69

91

92

92

91,5

66

70

70

68

90

91

91

90

65

69

69

67

89

90

90

89

64

67,5

68

66

88

89

89

88

62

66,5

67

65

87

88

88

87

61

65

66

64

86

87

87

86

60

64

65

63

85

86

86

85

59

63

64

62

84

85

85

83,5

57

62

63

61

83

84

84

82,5

56

60,5

62

60,5

82

83

83

81,5

55

59,5

61

59,5

81

82

82

80,5

54

58,5

60

58,5

80

81

81

79,5

53

58

59

57

79

80

80

78,5

77

79,5

79

77,5

52

57

58

56

77,5

78,5

78

76,5

51

55

57

55

74

77,5

77

75

49

54

56

54

73

76

76

74

47

52

55

53

72

75

75

73

46

51

54

52

71

74

74

72

45

50

53

51

Figura 2.17. Variación del rendimiento, con variación en la carga.

Origen de las pérdidas en un motor Las pérdidas en un motor pueden ser:



Pérdidas en el hierro.



Pérdidas por ventilación y rozamiento.



Pérdidas en el circuito eléctrico.



Pérdidas en el circuito magnético.



Pérdidas adicionales, según VDE 0530.

Motores eléctricos

23

Formación Abierta

Factor de potencia El factor de potencia de un motor corresponde a la relación entre la potencia real (P) y la potencia aparente (Pz), teniendo en cuenta el efecto de carga reactiva (no puramente resistiva). Así:

Cos

Donde

=

P Pz

= desfase entre la tensión y la intensidad, estando ésta última retrasada.

Cuanto mayor sea el valor del factor de potencia (cos ), más potencia eléctrica será transformada, en relación con la absorbida de la red. El factor de potencia es mínimo en motores montados al vacío, y aumenta con la carga. Momento de giro y sentido de giro Ya hemos hablado del par anteriormente. Sabemos lo que es y su importancia en un circuito motor. A continuación vamos a dar una serie de definiciones de varios pares que se originan en el motor, dependiendo de su estado, alimentación, etc. Par nominal (MN)

MN =

9550 PN nN

Donde: MN

En Nm (Newton-metro).

PN

Potencia nominal en kW.

NN

Revoluciones nominales (r.p.m.).

Par de arranque (MA) Corresponde al par inicial en el momento de conectar un motor que está alimentado con la tensión y la frecuencia nominal. Se designa también como par de cortocircuito.

24

Motores eléctricos

Automatismo Eléctrico

02

Par mínimo (MS) Es el par mínimo que da el motor, alimentado con la tensión y frecuencia nominales, entre el estado de reposo y las revoluciones máximas. Par máximo (MK) Es el par máximo que puede desarrollar el motor alimentado con tensión y frecuencia nominales, entre las revoluciones máximas y las nominales. Par de frenado (MB) Corresponde al momento máximo que puede oponerse a un par de giro exterior, que actúa sobre el extremo libre del eje, frenado firmemente a través del freno. Par inicial de arranque El valor del par inicial de arranque y de la intensidad de arranque, así como los demás valores de momentos en función de la velocidad hasta el valor nominal, pueden ser influidos decisivamente por la forma de la ranura del rotor. Podemos representar esto en una gráfica:

M

MA

MK MS MN

nN n

MB

Figura 2.18. Representación de distintos tipos de par.

Motores eléctricos

25

Formación Abierta

El sentido de giro quiere decir que el sentido de revoluciones de un motor puede ser a derechas o izquierdas. Veremos más adelante la forma de hacerlo. Giro a izquierda

Giro a derecha

Motor

Eje

Figura 2.19. Sentido de giro.

Sobrecarga Los motores soportan, de acuerdo con la norma VDE 0530/40, una vez alcanzada su temperatura límite, una corriente de 1,5 veces la nominal, durante dos minutos, sin daño. Los impulsos de sobrecarga están limitados por el par máximo. Tipo de rotor Por construcción existen varios tipos de rotores. Únicamente debe saber que los motores de rotor en cortocircuito (ya veremos cómo son) con barra especial, se prefieren por su economía de construcción y facilidad de arranque. Frecuencia de arranque En el arranque de un motor debe tenerse en cuenta la influencia del propio arranque. Cuanto más tiempo dure el arranque, tanto más elevadas serán las pérdidas, y tanto menor será el número de arranques permitidos. El tiempo de arranque será directamente proporcional al momento de inercia GD2, e inversamente proporcional al par de aceleración. Si los motores han de arrancar frecuentemente, será necesario tener en cuenta la siguiente fórmula para calcular la frecuencia de conexión.

Z = Zo ·

26

Motores eléctricos

GD M2 · fb GD M2 GD 2Z

Automatismo Eléctrico

02

Donde: Z

Frecuencia de conexión.

Zo

Frecuencia aproximada de conexión.

fb

Factor de carga.

GDM2

Momento de inercia del motor.

GD2Z

Momento de inercia adicional.

Temperatura La temperatura máxima que normalmente se prevé para motores eléctricos es de 40º C. La temperatura máxima de funcionamiento del motor puede variar con la altitud, según se indica en la tabla siguiente: Altitud de emplazamiento en m.

Temperatura máxima de aire de refrigeración, en ºC.

0 hasta 1000

40

1000 hasta 2000

35

2000 hasta 3000

30

3000 hasta 4000

25

Figura 2.20. Temperatura máxima de funcionamiento del motor en función de la altitud.

Si tenemos un motor y deseamos que su temperatura máxima sea mayor, tendremos que disminuir la potencia de trabajo según la siguiente relación: t

40 ºC

Potencia nominal del motor.

t

45 ºC

Reducir la potencia del motor en un 8%.

t

50 ºC

Reducir la potencia del motor en un 17%.

t

55 ºC

Reducir la potencia del motor en un 25%.

t

55 ºC

Consultar fabricante.

Aislamiento Cuando se fabrica un motor es necesario para aumentar las características realizar un devanado de hilo (rodear una pieza de hierro dulce con un hilo conductor aislado con barnices especiales en forma de espiral). Lógicamente, para que no existan cortocircuitos ese devanado tiene un determinado nivel de aislamiento eléctrico, a partir del cual se cortocircuita la alimentación (ver figura 2.21).

Motores eléctricos

27

Formación Abierta

Devanado

Núcleo

Núcleo

Intensidad

Intensidad

¡¡¡Posibilidad de CORTOCIRCUITO!!!

Figura 2.21. Devanado.

El aislamiento es muy sensible al aumento de temperatura. A continuación se señala el alcance de temperatura máxima permitido para el aislamiento de un devanado. Este aislamiento se representa con una letra identificativa, que aparece en la placa de características de los motores. Clase de aislamiento

Temperatura máxima

Y

90 ºC

A

105 ºC

E

120 ºC

B

130 ºC

F

155 ºC

H

180 ºC

C

más de 180 ºC Figura 2.22. Clases de aislamientos.

Podemos hacer un gráfico que represente estos niveles:

28

Motores eléctricos

Automatismo Eléctrico

02

ºC

Aislamiento

Margen de seguridad

125 75

80

Sobretemperatura admisible

100 Temperatura ambiente Convencional 40 ºC

40

40

40

40

E

B

F

H

Figura 2.23. Niveles de aislamiento.

Además, los fabricantes suministran los motores con determinados aislamientos, que dependen del lugar donde van a trabajar normalmente. En concreto podemos encontrar motores con aislamientos especiales para:



Aislamiento normal.



Aislamiento especial.



Aislamiento tropical.



Aislamiento marino.



Aislamiento a prueba de petróleo.



Aislamiento a prueba de ácido.

Los motores suelen fabricarse con un determinado grado de aislamiento para que resistan los agentes externos.

Motores eléctricos

29

Formación Abierta

Clase de servicio de nuestro motor Debemos elegir el motor en función del servicio a realizar en la máquina por él accionado. Podemos distinguir varios tipos de servicio: Clase de servicio

Características del servicio

S1 = Servicio permanente.

La duración del servicio es lo suficientemente larga que permite al motor alcanzar la temperatura de equilibrio a potencia nominal.

La duración del servicio es tan corta a potencia nominal, que no le permite alcanzar la temperatura de equilibrio. La pausa fuera S2 = Servicio de corta duración. de servicio es lo suficientemente larga que permite a la máquina adquirir la temperatura del medio de refrigeración. S3 = Servicio intermitente sin influencia del arranque sobre la temperatura.

Servicio compuesto de una sucesión de ciclos iguales, en los que hay un tiempo con carga constante seguido de un tiempo de pausa. Esta forma de servicio no incide de forma apreciable sobre el calentamiento de la máquina.

S4 = Servicio intermitente con influencia del arranque sobre la temperatura.

Servicio compuesto por una sucesión de ciclos iguales, en los que hay un tiempo de pausa. En este caso, la forma de servicio sí incide sobre la temperatura, pero sin alcanzar el estado de equilibrio térmico.

S5 = Servicio intermitente con influencia del arranque y del frenado sobre la temperatura.

El servicio consta de una sucesión permanente de igual tipo, a los que corresponde un tiempo de arranque, una marcha a potencia nominal y un tiempo de parada con frenado eléctrico. Este servicio no es suficiente para que la máquina alcance el equilibrio térmico.

S6 = Servicio continuo con carga intermitente.

En esta clase de servicio la máquina permanece en marcha un tiempo determinado, en el que se suceden períodos con carga constante y otros con marcha en vacío. No se produce pausa alguna.

S7 = Servicio ininterrumpido con arranque y frenado.

Éste es un servicio compuesto por una sucesión de ciclos iguales, cada uno de los cuales está constituido por un tiempo de arranque, un tiempo de carga constante y un tiempo de frenado eléctrico. No se produce pausa alguna.

S8 = Servicio ininterrumpido con conmutación de polos.

Este tipo de servicio comprende un tiempo con carga constante a su velocidad correspondiente, y, a continuación, otra carga constante y otra velocidad a su polaridad.

Figura 2.24. Clase y características del servicio.

30

Motores eléctricos

Automatismo Eléctrico

02

Factor de marcha Para un mismo número de maniobras por hora, las condiciones de empleo del motor son diferentes, según sea el tiempo de duración de las maniobras (marchaparada-conexión-desconexión). Cada clase de uso se subdivide en cuatro regímenes de marcha definidos por un factor ED expresado en %, según se indica a continuación: Factor de marcha ED = Tiempo de marcha · 100 (%) Ciclo completo

Ciclo completo = Tiempo de marcha + Tiempo de paro Intensidad y tiempo de arranque Vamos a introducir una tabla indicando las intensidades de arranque permitidas por el reglamento electrotécnico de baja tensión. En este caso se trata de regular y alargar la vida de las máquinas. Relación de la corriente de arranque a plena carga Potencia del

Motores de corriente alterna

motor en kW

Motores de

Normal

Aparatos de elevación

corriente continua

De 0,75 a 1,5

4,5

5,85

2,5

De 1,5 a 5

3

3,9

2

De 5 a 15

2

2,6

1,5

Más de 15

1,5

1,95

1,5

Figura 2.25. Analizamos el motor ABB.

El tiempo de arranque es el transcurrido desde la velocidad cero hasta la consecución de la velocidad nominal. Para calcular la puesta en marcha de un motor es preciso saber varias cosas: 1. Características par/velocidad de la máquina a accionar. 2. Características par/velocidad del motor, teniendo en cuenta el tipo de motor y la forma en que se hace su arranque. 3. El par de impulsión GD2 del conjunto motriz (motor-transmisión-máquina).

Motores eléctricos

31

Formación Abierta

El valor del tiempo de arranque (ta) viene dado por la siguiente expresión: ta =

GD2 n 375 Ma

Donde: ta

Tiempo en segundos. 2

2

GD

Momento de inercia en Kgm .

Ma

Par de arranque en Kgm.

n

Velocidad en r.p.m.

Placa de características La placa de características se puede ver colocada en el exterior de los motores. En ella se resumen todos los valores necesarios para realizar las aplicaciones, averiguar averías y reparar el motor. Por ello es lo primero que debe consultar cuando se encuentre con un motor. Vamos a poner tres ejemplos de placas tomados directamente de los motores.

Las placas de características pueden variar ligeramente en función del fabricante

A continuación se muestran dos ejemplos de placa de características de motores. Motores PATAY

Motor ABB

Motor asíncrono. Tipo: TBOR 136 CV: 400 Hz: 50

Nº 5255.878

kW: 294 Fases: 3

U: 380/660

A: 550/317

KVA

MBT

n: 1.450 r/min.

5,5 / 6,4 CV

cos : 0,88

Servicio: Continuo Protección: IP55 Peso: 3.100 Kg.

32

Motores eléctricos

IEC 34

112MC-4

4 / 7,4 kW

CI. F cos · 0,79 1.430 / 1.720 r /min.

380 /420 /440-480 V( )

Rotor a colector. U2 :420 V

Motor 3—50/60 Hz IP55

9,3 / 9,3 A

220-240 / 250-280 V ( )

I2 : 440 A Clase Aisl.: F Calent.: 58,5º C

Calen // temp

16 / 16 A Clase B

Automatismo Eléctrico

02

A continuación analizamos el motor de ABB: Se trata de un motor que puede ser conectado indistintamente a una red de 50 ó 60 Hz. Los primeros valores de tensión e intensidad corresponden a la frecuencia de 50 Hz., y los segundos valores a la frecuencia de 60 Hz. Las tensiones bajo las que se alimenta el motor pueden variar entre 380 y 420 V para la conexión y entre 220 y 240 V para la conexión . La potencia en eje será diferente para cada frecuencia. Así se obtienen 5,5 CV para f = 50 Hz, y 6,4 CV para F = 60 Hz. Otra placa muy similar a ésta es la que se representa en el EJEMPLO 3, en la que se disponen las características de otra forma. Ejemplo 3 LEROY SOMER

2.2.2.

Nº 17.532

1992

Motor M5771

IEC 34.1

IP55

Icl. B

40º C

V

Hz

min

-1

A

kW

170 / 290

50

3.000

1,4

0,25

290 / 500

50

3.000

0,8

0,25

200 / 345

60

3.000

1,2

0,25

345 / 600

60

3.000

0,7

0,25

Características mecánicas

Protección Los motores, como se puede imaginar, trabajan en ambientes industriales que no siempre son lo suficientemente buenos, debido a la existencia de partículas, líquidos, gases, etc. En definitiva, ambientes agresivos, por lo que es necesario proteger el interior del motor con carcasas metálicas u otros sistemas. Generalmente, los constructores de motores eléctricos centran sus esfuerzos en dotar a los mismos de protección contra contactos, cuerpos extraños y contra el agua, elemento con el que la electricidad se lleva muy mal. Dentro de estos tres ámbitos se definen unos grados de protección que indican lo resistente que es la protección de ese motor.

Motores eléctricos

33

Formación Abierta

Los grados de protección están recogidos en unas normas internacionales, la UNE 20.324, DIN 40.050 e IEC 144. Estas normas emplean una nomenclatura indicativa que suele ponerse en la placa de características; por ejemplo, si Ud. ve lo siguiente:

Grado de protección IP 45: IP

Indica que se aplican algunas de las anteriores normas.

4 (1ª cifra)

Corresponde al grado de protección contra contactos y cuerpos extraños.

5 (2ª cifra)

Corresponde al grado de protección contra el agua.

Cuanto más altos sean estos niveles, más protección tiene nuestro motor y más caro es, por supuesto. Queda reflejado en las siguientes tablas: 1ª cifra

Protección ofrecida

0

Ninguna protección especial contra contactos ni contra la penetración de cuerpos sólidos extraños.

1

Protección contra contactos casuales de grandes superficies, por ejemplo, con la mano. Protección contra la penetración de cuerpos sólidos extraños de diámetro superior a 50 mm.

2

Protección contra contactos con los dedos. Protección contra la penetración de cuerpos extraños de diámetro superior a 12 mm.

3

Protección contra contactos con herramientas, hilos, etc., mayores de 2,5 mm de diámetro. Protección contra la penetración de cuerpos sólidos extraños de diámetro superior a 2,5 mm.

4

Protección contra contactos con herramientas, hilos, etc., mayores de 1mm de diámetro. Protección contra la penetración de cuerpos sólidos extraños de diámetro superior a 1 mm.

5

Protección total contra contactos. Protección contra depósitos de polvo perjudiciales.

6

Protección total contra contactos. Protección total contra la penetración de polvo.

Figura 2.26. Grados de protección contra contactos y contra cuerpos extraños.

34

Motores eléctricos

Automatismo Eléctrico

2ª cifra

02

Protección ofrecida

0

Ninguna protección especial contra el agua.

1

Protección contra la caída vertical de gotas de agua.

2

Protección contra la caída de gotas de agua inclinadas en cualquier ángulo, hasta 15º con la vertical.

3

Protección contra el rociado de agua en un ángulo de hasta 60º con la vertical.

4

Protección contra la proyección de agua en todas direcciones.

5

Protección contra chorros de agua en todas las direcciones.

6

Protección contra inundaciones pasajeras (p. ej. por mar gruesa).

7

Protección contra inmersión (prueba : 30 minutos bajo 1 m de agua).

8

Protección contra inmersión (prueba: según acuerdo entre fabricante y usuario). Figura 2.27. Grados de protección contra el agua.

Ip 0

Sin protección

0

Sin protección

ip 1

Protegido contra cuerpos sólidos superiores a 50 mm (ej. la mano)

1

Protegido contra las caídas verticales de gotas de agua

ip 2

Protegido contra cuerpos sólidos superiores a 12 mm (ej. el dedo)

2

Protegido contra caídas de agua con una inclinación máx. de 15 grados

ip 3

Protegido contra cuerpos sólidos superiores a 2,5 mm (ej. herramientas, hilos)

3

Protegido contra el agua en forma de lluvia, máx. 60 grados

ip 4

Protegido contra el polvo, sin penetración dañina

4

Protegido contra las proyecciones de agua en todas direcciones

ip 5

Totalmente protegido contra el polvo

5

Protegido contra los chorros de agua de manguera

Motores eléctricos

35

Formación Abierta

6

Protegido contra los chorros de agua, tipo golpes de mar

7

Protegido contra los efectos de la inmersión

m

8

m

Totalmente protegido contra el polvo

ip 6

Protegido contra la inmersión prolongada (según profundidad indicada)

Figura 2.28. Índices de protección mecánica, según DIN 40050.

Formas constructivas La normativa DIN 42950 representa los más importantes posicionamientos y anclajes para motores. Las formas de fijación aquí representadas corresponden a motores con patas (B3), bridas (B5), bridas y patas (B3/B5), o sin bridas ni patas (B14). La forma constructiva define el motor de cara a su utilización en una determinada máquina o aplicación (ver Figura 2.29.). B 17

B 20

B 3/ B 5

V1

B 3 / B 14

V 1/ V 5

B5

V3

B6

V 3/ V 6

B7

V5

B8

V6

B 10

V 18

B 14

V 19

B 17

Figura 2.29. Formas constructivas de los motores.

36

Motores eléctricos

Automatismo Eléctrico

02

Carcasas La carcasa es la estructura externa del motor, construida, generalmente, de hierro fundido. Existen varias formas de construcción, aunque son dos las que más se usan; una de ellas es la de la figura siguiente. Gancho de transporte

Caja de bornas

Aletas

Figura 2.30. Carcasa genérica de un motor.

Rodamientos Los rodamientos son unos sistemas mecánicos que consiguen realizar un movimiento rotativo sobre una superficie fija con la mínima pérdida de energía. Para ello utilizan los llamados rodamientos de bolas, realizando un montaje como el de la figura 2.31. Giro Parte Móvil

Lubricante

Parte Fija

Bolas

Figura 2.31. Rodamiento de bolas.

Motores eléctricos

37

Formación Abierta

Se consigue que el apoyo de la parte móvil sólo se realice en los puntos externos de las bolas, reduciendo superficies de contacto y rozamientos. En los motores (recuerde que existen partes móviles y fijas) se usan con frecuencia los rodamientos, de éste u otro tipo, y se debe prestar una atención especial a su mantenimiento y funcionamiento. Eje del motor De la fuerza del motor, el eje es el elemento de aplicación de la energía eléctrica transformada en energía mecánica. Las dimensiones del eje son proporcionales a la potencia del motor, es decir, cuanto más diámetro más potencia. El técnico que aplica el motor debe tener en cuenta los datos respecto al eje, que se enumeran a continuación:



Diámetro del eje ( ).



Dimensiones del chavetero.



Extensión del eje.



Carga que puede soportar.



Modo de accionar la máquina.

Equilibrado Los constructores de motores deben prestar mucha atención a que el motor (todo su conjunto) no tenga holguras, fallos de tolerancia en montaje ni falta de ajuste en ninguna de sus piezas. Esto se denomina equilibrado.

En caso de que no exista esa buena terminación, todas las piezas móviles del motor corren peligro de destrucción.

Hay que tener en cuenta la necesidad de equilibrar también las partes externas y los accesorios colocados para conectar el eje del motor a la máquina (poleas, correas, ruedas, etc.), con el mismo objetivo que el equilibrado del resto del motor.

38

Motores eléctricos

Automatismo Eléctrico

02

Engrase y refrigeración Los rodamientos de los motores disponen de engrase permanente. Como norma general, deberán observarse las consignas establecidas por el constructor para cada tipo de motor, tanto en la frecuencia de engrase (horas de trabajo), como en el tipo de lubricante que deba utilizarse en cada caso. A continuación se enumeran los diferentes tipos de refrigeración utilizados para enfriar motores. Ventilación natural Motor refrigerado por el aire que renueva el rotor del motor. Autoventilación Motor refrigerado por un ventilador (aspas) colocado sobre el propio eje del motor. Ventilación forzada Motor refrigerado por medios externos a base de aire u otro fluido refrigerante. Refrigeración interna El motor se refrigera gracias a los movimientos del aire que circula a través del motor y renueva el aire de forma constante. Refrigeración superficial El motor se refrigera por evacuación del calor al medio ambiente refrigerante. Refrigeración en circuito cerrado Al motor llega un aire que se ha hecho pasar por un intercambiador de calor, el cual enfría el aire caliente evacuado del motor. Refrigeración por medios líquidos La refrigeración del motor se hace por agua u otro fluido que previamente se ha enfriado, haciéndolo pasar por un intercambiador de calor. Caja de bornes La caja de bornes es el punto donde se hace la conexión del motor, suministrándole la corriente eléctrica que le permita marchar (girar). La caja de bornes irá situada en la posición que más convenga a la llegada de los cables, por lo que podrá indicarse al proveedor el lugar deseado.

Motores eléctricos

39

Formación Abierta

La caja de bornes contiene los principios y finales de las bobinas del motor. La conexión de las mismas se realizará de acuerdo con el catálogo o las instrucciones del constructor. Escobillas En la figura 2.9, donde explicábamos los principios fundamentales del funcionamiento de un motor, vemos que la espira que gira (parte móvil), debe ser alimentada con corriente eléctrica. Usted se preguntará: ¿cómo podemos suministrar energía eléctrica a un conductor que no está quieto? La respuesta consiste en considerar un sistema de contactos que vayan rozando la superficie a la que queremos pasar la intensidad. Así, si vemos la figura 2.32, tenemos unos contactos, una parte móvil y un conductor. A esos contactos se les llama escobillas.

Alimentación

Escobillas rozantes

Bobina de rotor Giro

Figura 2.32. Escobillas.

Los motores trifásicos con rotor en cortocircuito no tienen escobillas, pero sí las tienen los motores con rotor bobinado, y los motores de colector de baja tensión. En estos casos, las escobillas son de bronce o de aleación. Los motores de corriente continua y los universales llevan escobillas duras, a base de grafito natural o electrolítico. Las escobillas se desgastan, por lo que al sustituirlas, debe prestarse la máxima atención para asegurar que sean del mismo tipo y calidad.

40

Motores eléctricos

Automatismo Eléctrico

02

Como es sabido, las escobillas y el colector son uno de los puntos débiles de los motores que las llevan, por lo que requieren una atención particular.

Ruidos y vibraciones Cada vez se presta más atención a los parámetros de ruido y vibración de los motores. Respecto al ruido, la norma VDE 0530 fija los niveles máximos de ruido admisibles, que se expresan en decibelios (db). El nivel de ruido máximo permitido dependerá en gran manera del lugar donde vaya instalado el motor. No tiene la misma tolerancia un taller mecánico que un local donde se cosen prendas textiles, por ejemplo. Las vibraciones son un problema que incide directamente sobre la vida de los rodamientos, y, por tanto, sobre las partes móviles de un motor. Un mal equilibrado del motor repercute no solamente sobre el motor, sino sobre toda la máquina a la que se transmite el movimiento. El problema de las vibraciones exteriores al motor también incide sobre el motor, a través de los acoplamientos y del chasis, donde está anclado el motor. La fuerza de las vibraciones de motores eléctricos está estipulada por la norma DIN 45665. Pintura de protección Los motores están provistos de una pintura de protección. Ej.: color gris, RAL 7031, que corresponde a esfuerzos climáticos “humedad mediana”, es decir, al grado de humedad 83. Otros colores, así como otras pinturas de protección contra ambientes especiales (tropicales, químicos, etc.) a petición del usuario. Medidas principales del motor Para la aplicación industrial de los motores resulta imprescindible conocer las medidas físicas de los mismos. A continuación se representa de forma esquemática un motor, tal como lo presenta el constructor en su catálogo, con las medidas más importantes del modelo de motor considerado.

Motores eléctricos

41

Formación Abierta

L

LB LJ

AC R

J

HD

F GA

BB E

C

B

CA

Figura 2.33. Medidas de los motores.

42

Motores eléctricos

A AB

H

HA

K D

Automatismo Eléctrico

02

2.3. Los motores asíncronos trifásicos Como hemos comentado anteriormente es el motor más utilizado para mover una máquina, principalmente por su robustez y su pequeño mantenimiento. Es el receptor eléctrico más importante desde el punto de vista energético, cuyas características se adaptan muy bien a velocidad constante.

2.3.1.

Generalidades

El motor asíncrono, tiene dos partes fundamentales:



El estator.



El rotor.

El estator Es la parte fija del motor, como vemos en la figura siguiente. Está constituido por una carcasa en la que internamente tenemos unas chapas magnéticas provistas de unas ranuras donde se distribuyen los bobinados. Estos bobinados forman 3 circuitos independientes o devanados, los cuales empiezan y terminan en la placa de bornes (6 bornes), siendo 3 los terminales de entrada y 3 los de salida. Tapa posterior Carcasa Núcleo de chapa magnética Bobinado Tapa anterior

Placa de características Placa de bornas

Figura 2.34. El estator o parte fija.

Motores eléctricos

43

Formación Abierta

La disposición de esos 3 circuitos en la placa de bornes es como se muestra en la figura: U

Z

V

X

W

Y

Figura 2.35. Placa de bornes.

Siendo u, v, w los terminales de entrada, así como x, y, z los terminales de salida. El rotor Es la parte móvil del motor, está situado en el interior del estator unido mediante los cojinetes, interiormente está el eje. Dependiendo de las características del rotor, se distinguen los dos tipos de motores asíncronos: rotor en cortocircuito o jaula de ardilla, el cual es una unión de chapas de acero formando el cilindro solidario; y el rotor bobinado o de anillos rozantes, en el cual tenemos en las chapas los devanados, muy semejantes a los del estator.

Núcleo de chapa magnética

Toneras del cojinete

Eje

Jaula de ardilla

Chavetero

Chavetero Cojinera Chaveta

Tornillo prisionero

Figura 2.36. Rotor de jaula de ardilla

Motor asíncrono jaula de ardilla También llamado rotor en cortocircuito, en este tipo de motores el estator tiene 3 devanados y el rotor es prácticamente macizo; se suele utilizar aluminio inyectado a presión, su aspecto, como se ve en la figura 2.36, es similar a una jaula, de ahí proviene el nombre. El par de arranque es pequeño pero la intensidad es muy superior a la que tendremos nominalmente.

44

Motores eléctricos

Automatismo Eléctrico

02

Hay motores que tienen dos jaulas concéntricas, una exterior bastante resistente, y una interior con menor resistencia; con este tipo de motor se consigue elevar el par y disminuir la intensidad de arranque. Motor asíncrono de rotor bobinado La diferencia fundamental es que en estos, el rotor está bobinado, generalmente es trifásico. Cada uno de los extremos de los devanados está conectado a un punto común formando un acoplamiento en estrella (lo veremos más adelante), los extremos libres acaban en un anillo, también denominado colector de delgas, solidario al rotor. Anillo colector de delgas

Devanado rotórico

Escobilla Resistencias rotóricas

Figura 2.37. Rotor bobinado o anillos colectores.

Encima del anillo colector o debajo, se colocan unas escobillas de grafito, generalmente conectadas a un circuito de arranque o de frenado, en función del valor de las resistencias rotóricas se puede conseguir elevar el par de arranque. A continuación vemos las partes principales de un motor asíncrono trifásico. 4

1

9

6

7

2

10

5

8

1. Cuerpo principal. 2. Tapa anterior con rodamiento. 3. Tapa posterior con rodamiento. 4. Circuito magnético estatórico. 5. Circuito magnético rotatórico. 6. Circuito eléctrico estatórico. 7. Eje principal. Salida de la energía mecánica, transformación de la energía eléctrica. 8. Patas de fijación. 9. Ventilación. 10. Caja de conexiones.

3

Figura 2.38. Principales partes de un motor asíncrono trifásico.

Motores eléctricos

45

Formación Abierta

2.3.2.

Principio de funcionamiento

El principio de un motor asíncrono está basado en la generación de un campo magnético giratorio. En el estator, al hacer pasar una intensidad y de acuerdo a la disposición de esos devanados, se genera un campo giratorio que ocasiona corrientes inducidas muy grandes. Las tres bobinas están geométricamente desfasadas 120º. Este campo magnético, en el caso de un motor de jaula de ardilla, es cortado por las barras del rotor consiguiendo movimiento. En el motor de anillos rozantes los devanados del rotor cortan el campo magnético producido por el estator, a la vez, en este rotor, se generan corrientes inducidas que están en fase con la fuerza electromotriz, por lo que el rotor girará en el sentido del campo magnético. Tenemos que tener presente que el par es proporcional al cuadrado de la tensión, por lo que a mayor tensión el par aumentará, si el motor está calculado muy justo puede que no arranque o tenga bastante facilidad para tener avería si tenemos una caída de tensión alta. Por otro lado, la frecuencia es inversamente proporcional, es decir, si la frecuencia sube, el par baja. La intensidad también varía proporcionalmente a la tensión e inversamente a la frecuencia. Nos tiene que quedar claro que el funcionamiento del motor se da a consecuencia de la Ley de Lenz: "Toda corriente inducida tiende a oponerse a la causa que la produce". Por eso la corriente del rotor, al oponerse al campo magnético que la produce, obliga al rotor a girar en el mismo sentido que el campo. La composición de los tres campos alternos generados forman un campo giratorio de amplitud constante (ver figura siguiente). H1

B1

3 3

B 2

B

2

H

H

+

Caja bornas

Figura 2.39. Campo giratorio.

46

Motores eléctricos

Automatismo Eléctrico

2.3.3.

02

Conexionado

Anteriormente hemos comentado que tenemos tres devanados en el estator, cuyos terminales de entrada y salida terminan en la placa de bornes; lo que tenemos realmente es un receptor trifásico y, pueden realizarse dos tipos de conexionado: Conexión en estrella En la cual los devanados se quedan a menos tensión que la de la red. Es decir, si en la red tenemos entre fases 380 V, los devanados se quedan a 220 V, la conexión en la placa de bornes se realizará con 2 placas metálicas como se indica en la siguiente figura.

R

S

U

T R

W

V

U Z

X

Y

XYZ V

W

S

T

Figura 2.40. Conexión en estrella.

Conexión en triángulo En este tipo de conexión los devanados se quedan a la misma tensión que la red, es decir, si la red es de 380 V, los devanados se quedan a 380 V, la conexión en la placa de bornes está representada en la figura siguiente. R

U

S

V

W

Z

X

T

R U

Z

Y X S

W V

Y T

Figura 2.41. Conexión en triángulo.

Motores eléctricos

47

Formación Abierta

Actualmente la normativa para representar la placa de bornes y representar la alimentación utiliza la siguiente simbología: L1

L2

L3

U1

V1

W1

W2

U2

V2

Figura 2.42. Normativa actual.

Dependiendo de las tensiones que tengamos en la placa de características del motor y de la tensión de la red realizaremos, bien una conexión es estrella, o bien o una conexión en triángulo. Para tenerlo claro debemos conocer que en la placa de características aparecen 2 tensiones, como en el siguiente ejemplo. 220

/

380

Figura 2.43. Tensión placa de características.

La tensión pequeña nos indica la tensión máxima que podemos tener en los devanados de estator. Por ello si tenemos en la placa de características de un motor 220/380 y una red de 220 V, la conexión que podemos realizar al motor es la de triángulo, y además podemos conexionarlo en estrella aunque en este caso la tensión que nos quedará en los devanados será más pequeña que la nominal, por lo que tendremos que tener cuidado. Veremos más adelante la utilidad del mencionado "arranque estrella - triángulo". Si en el caso anterior la red es de 380 V entre fases la única posible conexión es la conexión estrella, así los devanados se quedan a la tensión menor que marca la placa, en este caso 220 V.

48

Motores eléctricos

Automatismo Eléctrico

2.3.4.

02

Cambio sentido de giro

Para conseguir un cambio de sentido de giro en un motor tenemos que tener claro que ese giro está producido a consecuencia de un campo magnético y éste a su vez por el desfase que existe entre las 3 fases, por lo que al intercambiar dos de las fases estamos alterando el desfase que existía entre la señal que alimentaba el motor a través de sus conductores, con lo cual estamos modificando el sentido de giro del campo magnético, y por lo tanto el sentido de giro del motor. Todo esto quedaría como representan las figuras siguientes:

L1 U

Z

a)

L2 V

X

L3

L1

W

Y

U

Z

L3 V

X

L2 W

Y

b)

Figura 2.44. Cambio sentido de giro.

Observamos que en la figura b se ha cambiado la alimentación de la fase L2 con L3 por lo que se consigue otro sentido distinto al de la figura a.

2.3.5.

Arranque

Según la instrucción 47 del R.E.B.T., los motores tendrán limitada la intensidad absorbida en el arranque, ya que en los motores, sobre todo si son de jaula de ardilla, en un arranque directo hay una punta de intensidad del orden de 4 a 8 veces la intensidad nominal.

Motores eléctricos

49

Formación Abierta

En general los motores de potencia superior a 0,75 kW estarán provistos de reostatos de arranque, o se reactivará algún tipo de arranque, como comentaremos a continuación, para no sobrepasar la constante máxima de proporcionalidad entre la intensidad de la corriente de arranque y la de plena carga, según el Reglamento, que nos da la siguiente tabla: Motor corriente alterna Potencia Motor

Constante

De 0,75 a 1,5 kW

4,5

De 1,5 a 5 kW

3,0

De 5 a 15 kW

2,0

De más de 15 kW

1,5

Figura 2.45. Constante de corriente máxima de arranque en función de la nominal según el Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión y la potencia del motor.

No obstante lo expuesto, y en casos particulares, podrán las empresas prescindir de las limitaciones impuestas cuando las corrientes de arranque no perturben el funcionamiento de sus redes de distribución.

2.3.5.1.

Arranque directo motor jaula de ardilla

En un motor asíncrono de jaula de ardilla, en un arranque directo, el estator queda alimentado a la red en un solo tiempo, el motor trata de arrancar con sus características nominales con una fuerte punta de intensidad siendo ésta entre 4 y 8 veces la nominal. Este sistema de arranque es indicado para arrancar las máquinas incluso con carga, pero no cuando el arranque deba realizarse de forma lenta y progresiva, como puede ser en un ascensor. Siempre teniendo en cuenta lo marcado en el Reglamento para ver si la red admite esa punta de corriente en el arranque.

50

Motores eléctricos

Automatismo Eléctrico

02

La intensidad quedaría como aparece en la siguiente gráfica: Múltiplos Intensidad nominal 7 6

Intensidad absorbida por el motor

5 4 3 2 1 0´25

0´50

0´75

1

Múltiplos velocidad nominal

Figura 2.46. Intensidad en el arranque directo.

Mientras que el par del motor tiene la siguiente gráfica: Múltiplos intensidad nominal Par del motor

2´5 2 1´5

Par resistente de la maquina

1 0´5

0´25

0´5

0´75

1

Velocidad

Figura 2.47. Par del motor en el arranque.

En el arranque directo únicamente necesitamos un dispositivo para alimentar al motor, normalmente un Interruptor tripolar, o los contactos principales de un contactor.

Motores eléctricos

51

Formación Abierta

1

3

5

2

4

6

K1

F1

3~ M

Figura 2.48. Esquema de potencia. Arranque directo.

2.3.5.2.

Arranque estrella-triángulo asíncrono

en

un

motor

Este sistema de arranque consiste en arrancar el motor conectando sus devanados primero en estrella y al cabo de unos segundos, aproximadamente cuando tengamos 0,75 la velocidad nominal, pasamos a conexionarlo en triángulo. Con todo esto conseguimos inicialmente una tensión 3 más pequeña que la de la red, por lo que tenemos también una disminución en la intensidad de arranque, sabemos que proporcionalmente, por lo que si conseguimos empezar a arrancarlo evitamos el que pasen esas intensidades tan elevadas que tenemos en un arranque directo. También debemos considerar que el par se reduce con relación al cuadrado de la tensión y es igual al tercio que en un arranque directo. Si éste es superior que el par resistente de la máquina, conseguiremos arrancarlo. Antes de pasar a conexionarlo en triángulo debemos desconectar la conexión estrella, por lo que tenemos intensidades discontinuas siendo las características de estos devanados muy inductivas, en el paso de estrella a triángulo en esa desconexión se pueden producir intensidades transitorias de alto valor por lo que en potencias elevadas tenemos que evitar esas discontinuidades de corriente. Resumiendo lo comentado anteriormente vamos a representar la intensidad que pasará por los devanados del estator.

52

Motores eléctricos

Automatismo Eléctrico

02

Múltiplos intensidad nominal Intensidad de acoplamiento estrella

7 6 5 4

Intensidad en el acoplamiento triangulo

3 2 1 0´25

0´50

0´75

1

Velocidad

Figura 2.49. Intensidad en un arranque estrella-triángulo.

La gráfica del par la encontramos en la siguiente figura. Par Par en triangulo 2´5 2 1´5

Par resistente máquina

1 Par en estrella 0´5

0´25

0´5

0´75

1

Velocidad

Figura 2.50. Gráfica del par arranque estrella-triángulo.

En el tema siguiente realizaremos el esquema de mando necesario para la conexión estrella-triángulo, normalmente se realiza mediante una temporización. En el esquema de potencia se necesitarán 3 contactores, el contactor K1 estará encargado de alimentar al motor a través de U1, V1, W1; el K3 será el encargado de conectar en estrella y el K2 de conectar en triángulo, la secuencia de conexión es la siguiente: 1. Conectaremos K1 y K3. 2. Desconectaremos K3. 3. Conectaremos K2.

Motores eléctricos

53

Formación Abierta

El esquema de potencia sería el siguiente: L1 L2 L3 1

3

5

2

4

6

K1

1

3

5

K2

U1

V1 3~ M

W2 U2

3

5

2

4

6

K3 2

F1

1

4

6

W1

V2

Figura 2.51. Arranque estrella-triángulo.

2.3.5.3.

Arranque por resistencias estatóricas

Si recordamos el porqué realizar un arranque estrella-triángulo, observamos que al reducir la tensión en el arranque conseguimos que pase menos intensidad por los devanados del motor, esto será posible siempre que el par que dispongamos esté por encima del par resistente de la máquina. Si colocamos resistencias en serie con los devanados del estator, tendremos una caída de tensión es esas resistencias por lo que los devanados estarán a menos tensión.

54

Motores eléctricos

Automatismo Eléctrico

02

L1 L2 L3 1

3

5

2

4

6

K1

1

3

5

K2

R2 2

4

6

1

3

5

2

4

6

K3

R1

3~ M

Figura 2.52. Arranque por resistencias estatóricas.

En la figura anterior si conectamos inicialmente el contactor K1 se quedan las resistencias R1 y R2 en serie con los devanados del estator, si conectamos K2 quedan cortocircuitadas las resistencias R2 por lo que solamente nos queda en serie con los devanados las resistencias R1. Por último conectando K3, el motor se quedará alimentado directamente a la red, es decir, tenemos tres tiempos de arranque: 1. Conectamos K1 2. Conectamos K1 y K2 3. Conectamos K1, K2 y K3

Motores eléctricos

55

Formación Abierta

Los gráficos de intensidad y par son los representados a continuación. Intensidad 6

3º

5 2º 4 1º

3 2 1

0´25

0´50

0´75

1 Velocidad

Figura 2.53. Curva de intensidad. Arranque con resistencias estatóricas.

Con un arranque estatórico por resistencia, el paso a plena tensión se realiza de una forma mucho más escalonada, con puntas de intensidad más pequeñas que en un arranque directo o que en un arranque estrella-triángulo, la velocidad va aumentando progresivamente. Este tipo de arranque lo utilizaremos con máquinas de fuerte inercia sin problemas de par y de intensidad de arranque.

2.3.5.4.

Arranque de un motor de rotor bobinado por resistencias rotóricas

Cuando vimos las características de un motor de rotor bobinado, se vio que se podía acceder tanto al estator como al rotor. L1 L2 L3 Alimentación Estator

M 3~

Motor Rotor Bobinado Conexión Rotor

R1 Resistencias rotóricas R2

Figura 2.54. Alimentación al rotor con resistencias.

56

Motores eléctricos

Automatismo Eléctrico

02

Si se intenta arrancar un motor de anillos en un solo tiempo, se crearían unas puntas de corrientes bastante grandes. Observamos que es muy parecido al sistema empleado con resistencias estatóricas, la diferencia radica en que en este caso se ataca con resistencias el rotor. En este arranque es fácil ajustar el valor de intensidad dependiendo del valor de cada resistencia. Intensidad 5 C

4 B 3 2

A

1

0´25

0´50

0´75

1 Velocidad

Figura 2.55. Curva de Intensidad. Arranque rotórico.

(A): intensidad en el primer tiempo (B): intensidad en el segundo tiempo (C): intensidad sin resistencias Las ventajas más importantes que encontramos en este tipo de motor con este arranque son:



La buena relación que existe entre par e intensidad.



La posibilidad de regulación en los valores de arranque.



No hay corte de alimentación ya que el único corte es en el rotor no en el estator.

El problema principal lo tenemos en el corte del motor y de las propias resistencias que hacen falta para el arranque. Normalmente lo utilizaremos para máquinas de arranque en carga, un ejemplo es el motor de giro de una grúa de construcción. Estas resistencias se pueden utilizar para el frenado del motor. El par de frenado puede ser calculado colocando unas resistencias rotóricas convenientes. Con este sistema es posible retener una carga movida a cierta velocidad.

Motores eléctricos

57

Formación Abierta

2.3.6.

Protección para el motor

La conexión de un motor trifásico a la red puede producirle ciertas averías peligrosas, si se dan una serie de circunstancias como exceso de carga, falta de una fase, baja tensión, etc. Para proteger el motor existen una serie de dispositivos que reciben el nombre genérico de relés de protección, cuya misión es detectar esas anomalías y ordenar la desconexión del motor, siguiendo el esquema que se indica a continuación: Orden de desconexión

Fases

R S T

Detector de anomalías (relé térmico)

Motor 3~

Figura 2.56. Protección de motores.

La detección de las anomalías se realiza aprovechando ciertos efectos físicos que se producen en la red al haber problemas. Los relés reciben el nombre en función de esos efectos:



Relés térmicos: detectan variaciones de temperatura.



Relés magnéticos: detectan variaciones del campo magnético.



Relés magnetotérmicos: los que detectan ambas magnitudes.

Veremos cada uno de ellos por separado. Relés térmicos El esquema de un relé térmico se resume en la siguiente figura:

I

Figura 2.57. Bimetales.

58

Motores eléctricos

Automatismo Eléctrico

02

S

L1 U

L2 V

L3 W

Figura 2.58. Mecanismo de accionamiento del contacto 95-96, 97 – 98.

S

L1

U

L2

V

L3

W

Figura 2.59. Momento que detecta que una fase consume más, y dispara.

Motores eléctricos

59

Formación Abierta

1

3

5

2

4

6

Figura 2.60. Relé Térmico.

El funcionamiento se basa en el calor producido por el efecto Joule. Una corriente al pasar por un conductor seccionado para una corriente determinada puede dar lugar a un calentamiento del conductor, cuando por él circula un corriente mayor. El tiempo de calentamiento será más lento o más rápido en función del valor de la sobreintensidad que circula por el conductor. Si con el calor que desprende el conductor se calienta un bimetal (figura 2.57), éste se curva, al tener diferentes coeficientes de dilatación y estar solidariamente unidos. Las figuras representan dos formas de presentar los bimetales, siendo la primera para pequeñas intensidades y la segunda para medianas. La figura 2.58 muestra un conjunto de relé térmico trifásico con dispositivo de accionamiento para el contacto que luego se utiliza en el circuito de maniobra. Al dilatarse uno cualquiera de los bimetales por el efecto producido por una sobreintensidad, el dispositivo mecánico cambia la posición del contacto, quedando enclavado tal como se representa en la figura 2.59. Habrá que esperar a que el bimetal se enfríe para que el contacto vuelva a su posición pulsando en S. En este momento podrá reiniciarse la maniobra de arranque. En la figura anterior se representa de forma simbólica un relé térmico en el circuito de potencia. Relés magnéticos Cuando la intensidad que circula por el circuito de potencia supera los límites de reglaje que tolera el relé magnético, éste es capaz de atraer una armadura mediante la cual podrá abrirse un contacto y con él controlar la maniobra para desconectar el receptor. La simbología queda representada en la figura.

60

Motores eléctricos

Automatismo Eléctrico

L1

L2

L3

U

V

W

02

Figura 2.61. Simbología relé magnético. 1

3

5

2

4

6

Figura 2.62. Simbología relé magnético.

Relés magnetotérmicos Cuando se trata de grandes intensidades, se recurre al relé magnetotérmico, que consta básicamente, como se aprecia en la figura 2.63, de un transformador de intensidad por fase, cuya salida está conectada a un conductor enrollado a un bimetal. A partir de aquí, funciona del mismo modo que un relé térmico. Su representación aparece en la figura 2.64.

L1

U

Figura 2.63. Transformador de intensidad por fase unido a conductor enrollado a un bimetal.

Motores eléctricos

61

Formación Abierta

1

3

5

2

4

6

F

Figura 2.64. Simbología relé magnetotérmico.

Como anexo vamos a incluir un cuadro de regulación de relés térmicos de protección para motores trifásicos. Potencia útil

220 V Intensidad

380 V

Regulación

Intensidad

Regulación

CV

KW

Amperios

Mínimo

Máximo

Amperios

Mínimo

Máximo

0,5 0,75 1 1,5 2 2,5 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

0,37 0,55 0,74 1,10 1,47 1,84 2,21 2,95 3,68 4,42 5,15 5,89 6,62 7,40 8,10 8,83 9,57 10,3 11,0 11,8

1,74 2,48 3,10 4,47 5,74 7,17 8,52 11,1 13,4 15,5 18,2 20,4 23,0 25,3 27,8 30,3 32,8 35,4 37,4 40,0

1,7 2,4 2,4 3,5 5,2 7,5 7,5 11 11 12,5 17 17 23 23 23 30 30 30 30 30

2,4 3,5 3,5 5,2 7,5 11 11 16 16 20 26 26 35 35 35 48 48 48 48 48

1,10 1,44 1,79 2,59 3,32 4,15 4,93 6,40 7,80 9,00 10,5 11,8 13,3 14,6 16,1 17,5 19,0 20,5 21,7 23,2

1,2 1,2 1,7 2,4 3,5 3,5 5,2 5,2 7,5 7,5 11 11 11 12,5 12,5 17 17 17 17 23

1,7 1,7 2,4 3,5 5,2 5,2 7,5 7,5 11 11 16 16 16 20 20 26 26 26 26 35

17 18 19 20 21

12,5 13,2 14,0 14,7 15,5

42,5 44,5 46,9 49,4 51,2

43 43 43 43 43

65 65 65 65 65

24,6 25,8 27,2 28,6 29,7

23 23 23 23 23

35 35 35 35 35

22 23 24 25 30

16,2 16,9 17,7 18,4 22,1

53,6 56,1 58,5 61,0 72,4

43 56 56 56 56

65 90 90 90 90

31,1 32,5 33,9 35,3 41,9

30 30 30 30 30

48 48 48 48 48

40 50 60 70 80 90 100 125 150 200

29,5 36,8 44,2 51,5 58,9 66,2 73,6 92 110 147

96,6 118 139 162 184 208 226 279 335 446

80 80 11 160 160 160 160 250 250 400

135 135 170 250 250 250 250 400 400 650

55,9 68,3 80,2 93,5 107 120 131 162 194 259

43 56 80 80 80 110 110 160 160 250

65 90 135 135 135 170 170 250 250 400

Figura 2.65. Regulación de la intensidad de disparo para relés térmicos.

62

Motores eléctricos

Automatismo Eléctrico

02

Existen unos tipos de dispositivos de protección activa para motores llamados relés de protección.

2.3.7.

Regulación de velocidad en los motores asíncronos

La velocidad en vacío de un motor asíncrono, es proporcional a la frecuencia de la corriente de alimentación e inversamente proporcional al número de polos que constituyen el estator. Atendiendo a la siguiente fórmula:

V=

60 f P

Donde: V

Velocidad de sincronismo en r.p.m.

f

Frecuencia en Hz

p

Número de pares de polos

Observamos que la tensión no influye en la velocidad de sincronismo. Para la frecuencia de 50 Hz la velocidad de rotación del campo magnético giratorio o de sincronismo en función del número de polos: Número de Polos

Para 50 Hz R.P.M.

2 4 6 8

3000 1500 1000 750

Figura 2.66. Velocidad de sincronismo en función del número de polos del motor.

Lo que tiene que quedar claro es que si un motor de 4 polos con una frecuencia de 50 Hz gira a 1500 r.p.m., a 100 Hz giraría a 3000 r.p.m. si su concepción mecánica y eléctrica lo permiten.

Motores eléctricos

63

Formación Abierta

Tenemos que tener en cuenta que el deslizamiento, entendiendo por tal "la diferencia entre la velocidad del campo giratorio y la velocidad real del rotor", normalmente se expresa en valor relativo con respecto a la velocidad de sincronismo. Esto significa que normalmente los motores con carga tienen velocidades inferiores a la indicada en la tabla anterior.

Un motor de deslizamiento 3% con 2 polos, frecuencia 50 Hz ¿Qué velocidad de sincronismo tiene? ¿Cuál es la velocidad real del rotor? V = 60 50 = 3000 r.p.m.

1

Como velocidad de sincronismo o del campo magnético. 3% de 3000 = 90 r.p.m. Por lo que la velocidad del rotor es igual a: 3000 - 90 = 2910 r.p.m. velocidad del rotor.

Observando la anterior explicación, la velocidad de un motor de jaula la podemos regular o bien mediante la frecuencia o bien cambiando el número de polos. Por lo que es posible obtener un motor de dos velocidades creando en el estator combinaciones que correspondan a números de polos diferentes.

2.3.7.1.

Regulación de velocidad "variando los polos"

Podemos tener regulada la velocidad a través de la variación del número de polos de 2 formas diferentes: Motores de devanados estatóricos independientes En este tipo de motores lo que tenemos es en el mismo motor 2 arrollamientos o unos estatóricos totalmente independientes, a los cuales tenemos acceso al exterior. Cada uno de esos arrollamientos tienen un número distinto de polos, por lo que, dependiendo del arrollamiento que sea alimentado, el motor girará a la velocidad determinada.

64

Motores eléctricos

Automatismo Eléctrico

Punto de unión interna

Bornes 1ª velocidad

02

Bornes 2ª velocidad

Figura 2.67. Conexión con devanados independientes.

En la figura representamos los 2 arrollamientos independientes, los cuales solamente tienen al exterior los terminales de entrada, mientras que los terminales de salida están unidos internamente formando la conexión estrella que vemos representada en cada uno de ellos, lo que cambia es el número de polos que tenemos en cada uno de ellos, algo que se comprobaría al devanarlos. Los devanados de pequeña velocidad deben soportar los esfuerzos mecánicos y eléctricos que resultan del motor a gran velocidad. Motores de polos conmutables o conexión Dahlander Este sistema de conexión permite con un solo bobinado por cada fase, que un motor pueda tener 2 velocidades distintas. Estos motores, se presentan con toma intermedia accesible a la placa de bornes del motor. De este modo, dependiendo de la conexión realizada, podemos encontrar 2 estructuras diferentes normalmente con 2 o con 4 polos, por lo que tendremos 2 velocidades distintas. 2U

1W

2V

1U

2W

1V

Figura 2.68. Conexión de un motor Dahlander.

Motores eléctricos

65

Formación Abierta

Observando la figura anterior tenemos 6 bornas exteriores, dependiendo de la conexión realizada podemos obtener 2 estructuras diferentes.



Velocidad baja o conexión triángulo:

1W

1U

1V

L1

L2

L3

Figura 2.69. Conexión de un triángulo.

En la figura anterior observamos que los devanados se quedan en triángulo, solamente se alimenta a los tres bornes 1U, 1V y 1W y los otros los dejamos libres, con ello conseguimos 2 o 4 pares de polos.



Otra conexión será conexión estrella y con ello conseguiremos velocidad alta: L1 2U

1W

L2

L3

2V

1U

2W

1V

Figura 2.70. Conexión estrella.

Para conseguir la velocidad alta unimos las terminales 1U, 1V y 1W que antes utilizábamos para alimentar al motor en velocidad lenta, y ahora alimentamos al motor par 2U, 2V y 2W con ello el motor se queda en 1 par de polos por lo que la velocidad aumenta considerablemente a 3000 r.p.m. Generalmente estos motores tienen un rendimiento poco elevado y un factor de potencia pequeño, la intensidad suele ser un 15 % mayor en la velocidad alta que en la baja, por lo que la protección se puede realizar por uno o por 2 relés térmicos.

66

Motores eléctricos

Automatismo Eléctrico

02

En el siguiente tema realizaremos el arranque de este tipo de motores con contactores.

2.3.7.2.

Regulación electrónica de motores inducción variando la frecuencia

de

A continuación se trata de exponer de modo sencillo los principios de funcionamiento de la regulación de velocidad de motores de inducción, en concreto de la máquina asíncrona de rotor en cortocircuito (jaula de ardilla). Por qué la regulación de velocidad de motores de inducción Desde la aparición de la electrónica de potencia su aplicación a la regulación de velocidad se centró en los motores de corriente continua, los cuales, por naturaleza, son especialmente aptos para esta misión. Sin embargo los motores de corriente alterna aventajan al de continua en una mayor robustez, menor tamaño a igual potencia y en el caso de asíncrono de rotor en cortocircuito la ausencia de colector (que le permite trabajar en atmósferas peligrosas) y un casi nulo mantenimiento, el precio también resulta inferior. Por todo esto, cuando el desarrollo de la electrónica de potencia lo ha permitido, se ha comenzado una carrera para que en la mayoría de las aplicaciones que requieran regulación de velocidad, el motor de inducción desplace al de corriente continua. Cómo regular la velocidad de un motor de inducción Como hemos visto anteriormente la velocidad de sincronismo depende de la frecuencia y del número de pares de polos. Un problema de variar f que hemos de tener en cuenta en sistemas reales, aunque no los consideremos apenas en esta introducción, es que para mantener las características de la máquina es necesario mantener un flujo magnético constante, siendo: = V / Kf Si = Cte. supone que habrá que variar el valor de la tensión aplicada inversamente con la frecuencia, aunque no con proporcionalidad en la práctica por las características reales de la máquina.

Motores eléctricos

67

Formación Abierta

Ya hemos visto que la dependencia de la velocidad es en función de la frecuencia, pero si observamos la característica mecánica del motor de inducción podemos observar la variación del par en función de la velocidad: M

Carga

ns

n

Figura 2.71. Curva del par frente a la velocidad.

Para una carga dada el cruce de ambas características mecánicas nos da la velocidad de funcionamiento. Dado que el par es proporcional al cuadrado de la tensión: M = K · U2 Si disminuimos o aumentamos la tensión, disminuimos o aumentamos el par. Las características de la máquina hacen que lo posible sea una disminución de U, de modo que actuando sobre U disminuimos el par y por tanto la velocidad para una carga dada: M M1

V1

M2

V2

M3

V3

Carga

n2 n3 ns

n

Figura 2.72. Curva de par frente a la velocidad.

Observamos que para la supuesta U3 no habrá punto común con la carga y esto supone que el motor quede en cortocircuito. Y este es el problema que limita la regulación de velocidad mediante el control de U. Hay que considerar el carácter cuadrático de la relación par-velocidad, por tanto reducir la tensión a la mitad supone dividir por cuatro el par, reducir por cuatro la tensión dividir el par por dieciséis. De ahí que su uso se reduzca a aplicaciones en las que el régimen de funcionamiento con velocidad variable requiere pequeños pares a bajas velocidades (bombas, ventiladores).

68

Motores eléctricos

Automatismo Eléctrico

02

Esta regulación se realiza fácilmente con tiristores (y triacs en bajas potencias). Pero no se va a tratar en este estudio.

M 3~

Figura 2.73. Alimentación con triac.

Estos equipos se utilizan principalmente como arrancadores estáticos.

2.3.8.

Motor trifásico arrancado como monofásico

Para poder utilizar un motor trifásico en una instalación monofásica hay que colocar un condensador para conseguir el tercer desfase. Esta conexión sólo es aconsejable en casos en los que la potencia del motor es pequeña, igual o inferior a 2 CV. El par de arranque debe de ser inferior 50% del nominal de la máquina. La forma de conexionado, si la red es 220 V monofásica y el motor marca en placa de características 220 / 380 V, es la siguiente: R

N

Figura 2.74. Conexión en triángulo con una red monofásica con condensador.

En la figura 2.74 observamos que existe una conexión triángulo para dejar los devanados a 220 V la tensión que tenemos entre la fase R y el neutro. El condensador a instalar debe tener una tensión veces la tensión de alimentación, que corresponde al valor máximo de la onda, y el valor de la capacidad se calculará de acuerdo a la siguiente ecuación: 2

C = 50 · P

220 uL

50 f

F

Motores eléctricos

69

Formación Abierta

Donde: C

Capacidad del condensador (µF)

uL

Tensión monofásica (V)

P

Potencia del motor trifásico (kW)

f

Frecuencia (Hz)

El motor se podría conexionar en estrella si el motor marca en placa de características 125 / 220 V con una red monofásica de 220 V dicha conexión sería la mostrada en la siguiente figura. N

F

Figura 2.75. Arranque con condensador en conexión estrella.

70

Motores eléctricos

Automatismo Eléctrico

02

2.4. Motor de corriente continua Según la clasificación que se realizó en la primera pregunta del tema, el siguiente motor a comentar es aquel que es alimentado con corriente continua.

2.4.1.

Constitución general de las máquinas de corriente continua

Su constitución física se corresponde a la de la máquina eléctrica rotativa general, siendo sus componentes esenciales:



Órgano productor del campo magnético: INDUCTOR.



Parte activa donde se generan las f.e.m. y los pares mecánicos: INDUCIDO.



Dispositivo de captación PORTAESCOBILLAS.

de

corriente:

ESCOBILLAS

y

Inductor Es una de las 2 partes fundamentales que forman una máquina eléctrica, se encarga de producir y de conducir el flujo magnético. Se llama estator al igual que en las máquinas de c.a., por ser la parte fija de la máquina. Tornillo de fijación Carcasa (Culata o yugo)

Polo inductor (con expansión polar)

Bobina inductora

Polo de comunicación o Auxiliar Rotor

Bobina auxiliar

Figura 2.76. Componentes del inductor.

La misión principal del devanado inductor al ser excitado es la de crear un campo magnético cuyas líneas de inducción atraviesan el entrehierro (espacio que separa los polos del rotor) de forma que la variación dependerá de los polos de la máquina. El flujo inductor puede ser producido por imanes permanentes o por electroimanes. Sólo en las máquinas de potencia reducida se utilizan imanes permanentes.

Motores eléctricos

71

Formación Abierta

Como se ve en la figura anterior, el circuito magnético inductor está constituido por: Carcasa Función: cerrar el circuito magnético entre N y S. Polos principales Son de hierro macizo y están sujetos a la carcasa por tornillos de fijación. Como el campo es constante, no hay fenómeno de histéresis (no es preciso que estén constituidas por chapas). Polos auxiliares La misión de estos es la de lograr una buena conmutación, o dicho de otro modo, que no se produzcan chispas perjudiciales en el contacto móvil escobillas-colector de delgas. Bobinas inductoras Están alrededor de los polos, se disponen de unas bobinas de hilo de cobre (esmaltado), su misión, al ser alimentadas con c.c., es la de crear un campo magnético inductor en la máquina, el cual presenta alternativamente polaridades N S. Inducido Esta parte se denomina también rotor por ser la pare giratoria de la misma, a su vez consta de:



Núcleo del inducido o corona.



Devanado de inducido o conductores.



Colector.

Inducido o rotor Colector

Figura 2.77. Partes del rotor.

72

Motores eléctricos

Automatismo Eléctrico

02

El núcleo del inducido Está formado por una corona de material ferromagnético a base de chapas. Esta corona va unida directamente al eje de giro. En la superficie exterior se presenta unas ranuras donde se aloja el devanado inducido de la máquina. El devanado de inducido Como se ve en la figura anterior, se encuentra conectado al circuito exterior de la máquina a través del colector, que es el lugar donde se produce la conversión de energía. El colector de delgas Es un anillo cilíndrico formado por piezas de cobre duro y aisladas entre sí por una pequeña capa de mica. El colector contiene tantas delgas como bobinas simples presenta el devanado de inducido. Cada delga va unida eléctricamente al punto de conexión de una bobina con otra del devanado. Escobillas Las escobillas tienen la misión de establecer el enlace eléctrico entre las delgas del colector y el circuito de alimentación de corriente continua exterior. Pieza de presión Conducto flexible

Resorte

Escobillas

Porta escobilla Eje

Guía Delgas de cobre Mica

Apriete Anillo de Colector

Figura 2.78. Escobilla.

Generalmente son 2 por máquina y están alojadas en un portaescobillas constituido por un aro de fundición de hierro. La misión del portaescobillas es mantener o retener a la escobilla para que deslice sobre las delgas del colector, reduciendo las vibraciones. La escobilla se fabrica normalmente de carbón o de grafito.

Motores eléctricos

73

Formación Abierta

2.4.2.

Principio de funcionamiento

Los dos principios fundamentales en los que se basa cualquier motor eléctrico son los siguientes:



Cuando un conductor que se encuentra situado en el interior de un campo magnético se mueve de tal forma que corta líneas de flujo magnético, se genera en él una fuerza electromotriz (f.e.m).



Al circular una corriente eléctrica a través de un conductor situado dentro de un campo magnético se produce una fuerza mecánica que tiende a mover al conductor en dirección perpendicular a la corriente y al campo.

Como hemos visto los conductores se colocan paralelos al eje de rotación sobre el inducido. N

Inductor Rotación

Inducido

S

Figura 2.79. Líneas de flujo y F.E.M. inducida en la máquina de C.C.

2.4.3.

Sistemas de excitación en las máquinas de c.c

Hemos visto que el circuito encargado de crear campo magnético es el "devanado inductor" mientras que el "devanado inducido" es el que prepara la f.c.e.m. y el par motor para el movimiento de la máquina. La simbología eléctrica que se emplea para ambos devanados es:

C G

A M

D Devanado Inductor

H Devanado auxiliar

Figura 2.80. Simbología.

74

Motores eléctricos

B Devanado Inducido

Automatismo Eléctrico

02

Cuando hablamos de sistemas de excitación se habla de las diferentes modalidades de conexión entre el circuito inductor y el inducido. Pues bien, dependiendo de dicha alimentación se distinguen los siguientes sistemas de excitación. Excitación Independiente La excitación independiente significa que la fuente de alimentación del devanado inductor es ajena a la propia máquina, es decir, la corriente continua que alimenta el devanado inductor procede de una fuente independiente, que puede ser una batería de acumuladores, un rectificador CA/CC u otra máquina de c.c. (en este último caso si el generador va en el mismo eje se denomina excitación propia). I excitadora

I inducido C A

+

Uex

M

+

Motor

1

E

n

Ub

B D

Figura 2.81. Conexión con excitación independiente.

Excitación serie Se dispone en serie el circuito inductor con el circuito inducido por lo que se verifica la siguiente igualdad: I inducido = I excitación En estas máquinas las bobinas del inductor deben estar proporcionadas a la corriente de la máquina.

Motores eléctricos

75

Formación Abierta

I

Iex u Ii Motor

E1

M

Figura 2.82. Conexión con excitación en serie.

Excitación derivación En la máquina el devanado inductor viene conectado directamente a las escobillas y en consecuencia eléctricamente está en paralelo con el inducido. Normalmente en las máquinas generadoras de excitación derivación, en serie con el inductor se coloca una resistencia variable, con la misión de regular entre ciertos límites la corriente de excitación. Esto nos servirá para poder regular la velocidad de la máquina, la intensidad total será igual a: I = Iex + Iinducido La conexión será la siguiente: I ex

I

Re Ii

u

+

C

A 1

M

E

B D

Motor

Figura 2.83. Conexión con excitación paralelo.

76

Motores eléctricos

Automatismo Eléctrico

02

Excitación compuesta En la máquina de excitación compuesta, que también podría llamarse mixta, el devanado inductor consta de dos tipos de bobinas, unas de sección relativamente gruesa en serie con el devanado inducido y recorridas por toda la corriente de la máquina, y otras de hilo fino y elevado número de espiras conectadas a los bornes de salida, es decir, en paralelo con el sistema inducido - inductor serie (excitación compuesta larga).

E I ex

C

s

I

I

exd

+ Ii

F

u

D

A

E1

M n B

Figura 2.84. Excitación compuesta larga.

Una variante de esta conexión es conectar el devanado derivación (conjunto de bobinas de hilo fino) directamente a las escobillas, quedando el devanado serie alimentado por la corriente de carga (excitación compuesta corta).

E I I

ex s

I

F

u exd

Ii

+

C A M

1

E

n B

D

Figura 2.85. Excitación compuesta corta.

Motores eléctricos

77

Formación Abierta

Como la corriente de excitación es muy pequeña, las diferencias funcionales entre uno y otro circuito son mínimas.

2.4.4.

Características continua

de

los

motores

de

corriente

Par electromagnético Hemos visto que sobre el inducido se generan unas fuerzas que hacen que este gire, el valor de esta fuerza es: F=B·L·I Donde: B

Densidad media de flujo magnético para el radio r del inducido.

L

Longitud activa de los conductores en uso.

I

Intensidad media en Amperios

De acuerdo al número de conductores de que dispone el inducido, el par electromagnético viene dado por: M=N·F·r = N·B·L·I·r Siendo N el número de conductores Sabemos que B =

/S

El Par electromagnético nos queda igual a: M=K·

· Ii

Observamos que el par electromagnético de toda máquina de c.c., bien se comporte como generador bien como motor, es directamente proporcional al flujo magnético y a la Intensidad del inducido. Ecuación de intensidad de un motor de c.c. Si consideramos un motor con excitación independiente y conociendo que la f.e.m. generada se opone a la corriente que circula y opuesta a la f.e.m. aplicada el valor será: E = E´ - Ri · Ii

78

Motores eléctricos

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02

Donde: E

Fuerza de corte electromotriz en V (f.c.e.m)

E’

Tensión en bornes

Ri ·Ii

Caída de tensión en el inducido

Observando la siguiente figura comprobaremos mucho mejor la ley de Ohm aplicada anteriormente. Ii I excitadora + Ri

E´

E

Figura 2.86. Motor con excitación independiente.

Por otro lado conocemos que la fuerza contraelectromotriz es proporcional al flujo y a la velocidad de giro. Eg = K ·

·n

Siendo n la velocidad de giro del motor en revoluciones, nos queda que la velocidad es:

n=

E

Ri Ii K

Observamos de esta ecuación que E´es constante por ser la tensión en bornes, y Ri Ii es un valor despreciable frente a E´, lo que implica que cuando el flujo disminuye, la velocidad tiende a aumentar para poder generar el valor de fuerza contraelectromotriz.

Motores eléctricos

79

Formación Abierta

2.4.5.

Denominación de bornes de las máquinas de corriente continua

Normalmente nos vamos a encontrar la siguiente simbología en los bornes de los motores de continua:



Para el devanado de inducido: A - B A

M

B

Figura 2.87. Devanado de inducido.

80



Para el devanado inductor con excitación en derivación: C - D



Para el devanado inductor con excitación en serie: E - F



Para los polos auxiliares: C - H



Para el arrollamiento con excitación independiente: I - K

Motores eléctricos

Automatismo Eléctrico

02

2.5. Motores monofásicos Normalmente los motores de pequeña potencia empleados en las viviendas son motores monofásicos; es importante estudiar los tres principales. Motor universal Se denomina así porque puede utilizarse indistintamente con c.c. o con c.a. Son muy parecidos a los de corriente continua. El colector toma corriente de la red a través de las escobillas. Las cuales son causa principal de avería. La rotación se produce gracias a la fuerza creada por la interacción del campo magnético del estator y la corriente eléctrica que circula por la bobina del rotor. Su principal característica es la gran velocidad y su pequeño volumen, es adecuado para aparatos portátiles como taladros, batidoras...

Normalmente estos aparatos a causa del continuo chisporroteo de las escobillas en el colector de delgas producen alguna interferencia en la radio o televisión, para evitarlo se suele colocar unos filtros con condensadores.

Motores de polos de sombra El estator está formado por un conjunto de chapas de un número par de polos (2, 4, 6...) bobinados convenientemente y alimentados con c.a. El rotor no lleva bobinas, sólo lleva unas chapas, como el motor de jaula de ardilla. La velocidad, al igual que los motores de corriente alterna, depende de la frecuencia de la red y del número de polos. La diferencia con los anteriores (los motores universales) es que el par de arranque es muy débil. La ventaja es que desaparecen las escobillas, por lo que son muy robustos y baratos. Se emplean para pequeñas potencias, principalmente en ventiladores.

Motores eléctricos

81

Formación Abierta

Motores de condensador Este tipo es similar al anterior, el rotor es similar al de polos de sombra, lo que es diferente es el estator en el cual se adosan 2 bobinas independientes, llamadas principal y auxiliar. La conexión es como la de la figura siguiente:

3 2

1

220 V ~

Figura 2.88. Motor con condensador.

Siendo 1 la bobina principal directamente conectada a la red; 2 es la bobina auxiliar en serie con un condensador. El campo creado por estas bobinas, junto a la corriente que inducen en el rotor cuando se pone en funcionamiento, puede desconexionar la bobina auxiliar. Normalmente esta desconexión se hace de forma automática cuando el motor alcanza cierta velocidad. Con esta bobina auxiliar se mejora el inconveniente principal del anterior, el par de arranque. Se suele utilizar en bombas de agua.

82

Motores eléctricos

Automatismo Eléctrico

02

Resumen Los motores asíncronos trifásicos son los más utilizados en la industria por sus buenas características técnicas y sus prestaciones. Estas características se dividen en eléctricas y mecánicas, teniendo que tener en cuenta ambas para una buena utilización del motor. Dentro de los motores asíncronos trifásicos existen dos tipos fundamentales: los de rotor en cortocircuito o jaula de ardilla, y los de rotor bobinado, siendo los primeros los más importantes. Los principales sistemas de protección para motores son los relés, de los que podemos distinguir los de tipo magnético, térmico y magnetotérmico. Las conexiones más importantes de un motor de rotor en cortocircuito son las llamadas de estrella y de triángulo. Con la intención de proteger al motor en carga, el arranque no debe ser nunca directo. Las formas de arranque suave más usadas para el motor de rotor en cortocircuito son: el arranque estrella-triángulo, el de resistencias estatóricas, el de autotransformador y el estatórico o electrónico. Los motores de rotor bobinado disponen de unas características técnicas especiales y su aplicación es menor que la de los motores de rotor en cortocircuito. El motor de rotor bobinado puede arrancarse mediante el sistema de cuatro puntos de resistencia y el arrancador electrolítico. El frenado de motores puede conseguirse mediante elementos mecánicos (electroimanes), por contracorriente, por corriente continua o de otras formas.

Motores eléctricos

83

03

Automatismo Eléctrico

Esquemas de automatismos

Automatismo Eléctrico

03

Índice OBJETIVOS ........................................................................................................ 3 INTRODUCCIÓN ................................................................................................. 4 3.1. Simbología ................................................................................................. 5 3.1.1. Letras para designar el tipo de un aparato, según une-en 813462:2011 ............................................................................................... 19 3.1.2. Letras para la designación de funciones generales, según une-en 81346-2:2011 .................................................................................... 20 3.1.3. Designaciones de algunos conductores y sus puntos de conexión (bornes, empalmes) según une-en 60445:2007 ................................ 21 3.2. Tipos de esquemas utilizados en automatismo eléctrico .................... 22 3.3. Normas básicas para la realización de esquemas ................................ 26 3.4. Esquema de mando ................................................................................. 37 3.4.1. Funcionamiento del contactor ............................................................ 37 3.4.2. Función memoria ............................................................................... 39 3.4.3. Relación entre varios contactores ...................................................... 41 3.4.4. Secuencia entre los contactores ........................................................ 47 3.4.5. Esquemas con temporización ............................................................ 52 3.5. Esquemas de automatización ................................................................. 55 3.5.1. Puesta en marcha de un motor por aproximación .............................. 55 3.5.2. Puesta en marcha de un motor con reposición .................................. 59 3.5.3. Puesta en marcha de un motor desde dos puntos ............................. 62 3.5.4. Inversión sin pasar por paro............................................................... 64 3.5.5. Inversión pasando por paro ............................................................... 69 3.5.6. Inversión temporizada a la conexión .................................................. 71 3.5.7. Inversión temporizada a la desconexión ............................................ 73 3.5.8. Instalación de una puerta eléctrica..................................................... 75 3.5.9. Puente grúa de tres movimientos....................................................... 79 3.5.10. Arranque estrella-triángulo ................................................................. 81 3.5.11. Arranque estrella-triángulo con inversión ........................................... 86 3.5.12. Dos velocidades con bobinados separados ....................................... 89 3.5.13. Dos velocidades conexión Dahlander ................................................ 92 3.5.14. Permutación de motores .................................................................. 100 RESUMEN....................................................................................................... 103

Esquemas de automatismos

1

Automatismo Eléctrico

03

Objetivos Saber interpretar los símbolos eléctricos, que componen diferentes esquemas, situados al mismo tiempo en distintos tipos de planos. Analizar los diferentes elementos que componen un sistema de automatización uno a uno. Realizar e interpretar esquemas de automatismos siguiendo las normas necesarias para que estos esquemas sean interpretados por cualquier persona.

Esquemas de automatismos

3

Formación Abierta

Introducción Para poder interpretar cualquier tipo de plano o esquema, debemos ayudarnos siempre de la normativa que lo regula. El elevado número de símbolos y formas, más o menos geométricas, que conforman los esquemas de automatización, no podían escapar a ésta, puesto que es la única manera de facilitarnos la comprensión de los mismos y el trabajo que realizaremos. No se pretende tampoco crear un extensísimo diccionario que nos llevaría, quizá, a una mayor confusión, sino el confeccionar unas tablas que engloben los símbolos más utilizados en las instalaciones eléctricas. Es también nuestro deseo el poder llevar cierta claridad a los diferentes tipos de esquemas homologados, para que el alumno pueda escoger en su momento el que más convenga a cada aplicación. Por último, no dejamos de lado algo que en la mayoría de las ocasiones pasa desapercibido en la docencia: los planos. Hay diferentes medidas, que se emplean según convenga en cada situación, pero no adelantemos acontecimientos: el alumno encontrará la respuesta a todas estas incógnitas en el transcurso de esta Unidad Didáctica.

4

Esquemas de automatismos

Automatismo Eléctrico

03

3.1. Simbología A continuación pasamos a desarrollar, en forma de tabla, los símbolos más comúnmente empleados en los esquemas y planos eléctricos. El alumno deberá estudiarlos con atención e intentar memorizarlos. Es conveniente, asimismo, conocer las diferentes normas y homologaciones más frecuentemente empleadas, tanto en Europa como en América. Algunas de las más importantes son: BS

Prescripciones británicas.

CEI

Comité electrotécnico internacional.

DIN

Normas alemanas para la industria.

IRANOR

Instituto de racionalización y normalización en España.

UNE

Una norma española.

VDE

Asociación electrotécnica alemana.

IEC

Comisión electrotécnica internacional.

ANSI

Normativa americana. Figura 3.1.

Principales normas y homologaciones.

Esquemas de automatismos

5

Formación Abierta

SÍMBOLOS UTILIZADOS EN LOS DIFERENTES ESQUEMAS E. TEÓRICO O FUNCIONAL Fusible

E. PRÁCTICO O MULTIFILAR

E. UNIFILAR

/

/

Lámpara

Interruptor

/

Conmutador de puente

/

Conmutador de cruce

Pulsador

/

Base de enchufe

/

Zumbador

/

/

Indicador

/

/

Automático de escalera

/

Reactancia

/

/

Cebador

C

/

Tubo fluorescente

/

Figura 3.2.

6

/

Esquemas de automatismos

Simbología utilizada en los diferentes esquemas.

Automatismo Eléctrico

03

NATURALEZA DE LAS TENSIONES E INTENSIDADES IEC

UNE

DIN

BS

ANSI

Corriente continua.

=

=

=

=

Corriente alterna.

=

=

=

=

Corriente continua o alterna(universal).

=

=

=

= 1 FASE

C.a. monofásica, por ej. 16 2/3 Hz.

1x16 2/3 Hz o 1x16 2/3 c/s

=

1x16 2/3 Hz

1x16 2/3 c/s

2 CABLES 16 2/3 CICLOS 3 FASE

3x50 Hz 380V c.a. trifásica, por ej. 380V 50 Hz.

3 CABLES o

=

3x50 Hz 380V

= 50 CICLOS

3x50 c/s 380V 380 V

c.a. trifásica con conductor neutro, por ej. 380 V 50 Hz.

3Nx50 Hz 380V o 3Nx50 c/s 380V

3 FASE 4 CABLES /

3Nx50 Hz

380 V

/ 50 CICLOS 380 V 3 FASE

c.a. trifásica con conductor neutro puesto a tierra, por ej. 380 V 50 Hz.

3NPEx50 Hz 380 V o 3PENx50 c/s 380 V

c.a. trifásica con conductor neutro y conductor de protección, por ej. 380 V 50 Hz.

3NPEx50 c/s 380 V o 3PENx50 c/s 380 V

/

C.c. dos conductores, por ej. 220 V.

2-220V

=

=

/

2 CABLES dc 220 V

Ídem con conductor medio o neutro, por ej. 220 V.

2M-110 V

2N-220 V

2/M-220

/

3 CABLES DC 220 V

4 CABLES /

3PENx50 Hz V

380

/

50 CICLOS 380 V (neutro) 3 FASE

Figura 3.3.

4 CABLES 3/N/PEx50 Hz 380 V

/

50 CICLOS 380 V (neutro tierra)

Simbología de tensiones e intensidades.

Esquemas de automatismos

7

Formación Abierta

CONDUCTORES Y CONEXIONES IEC

UNE

DIN

BS

ANSI

Conductor. Símbolo general.

=

=

=

=

Conductor de protección (PE) o neutro puesto a tierra (PEN).

=

=IEC

=IEC

Conductor Neutro(N).

=

=

=

Unión conductora de cables.

=

=IEC

=IEC

Conexión fija.

=

=

=

=

Conexión móvil.

=

=

=

/

1 2 3 4

=IEC

Regleta de bornes. Bornes de conexión.

1 2 3 4

Figura 3.4.

8

Esquemas de automatismos

=

1

2

Simbología de conductores y conexiones.

3

4

=IEC

Automatismo Eléctrico

03

ELEMENTOS GENERALES DE UN CIRCUITO IEC

UNE

Resistencia.

=IEC

Resistencias con tomas fijas.

=

DIN

=

BS

ANSI

= IEC

= IEC

=

=

Devanados, bobinas (inductancias).

=UNE

Ídem con tomas fijas.

= UNE

=UNE

Condensador.

=

Condensador con toma.

/

= IEC

/

/

Tierra.

=

=

=

=

Masa.

Figura 3.5.

Simbología de elementos generales de un circuito.

Esquemas de automatismos

9

Formación Abierta

ELEMENTOS MECÁNICOS DE CONEXIÓN IEC

UNE

DIN

BS

ANSI

Contacto de cierre.

Contacto de apertura.

Contacto de conmutación.

Contacto de conmutación sin interrupción. Contacto temporizado abierto. Cierre retardado.

=

TO O TDO

Contacto temporizado cerrado. Apertura retardada.

=

TO O TDO

Contacto temporizado abierto. Apertura retardada.

=

TO O TDO

Contacto temporizado cerrado. Cierre retardado.

=

TO O TDO

Contacto con relé térmico (guardamotor).

Figura 3.6.

10

Esquemas de automatismos

Simbología de elementos mecánicos de conexión.

Automatismo Eléctrico

03

ELEMENTOS MECÁNICOS DE CONEXIÓN (MANIOBRA Y PROTECCIÓN) IEC Barra de seccionamiento (barra de conexión).

UNE

DIN

=IEC

BS

ANSI

=IEC

/

Dispositivo de enchufe.

Interruptor de potencia. Símbolo general.

Seccionador tripolar.

CB

=IEC

Seccionador en carga, tripolar.

=UNE

OC

=IEC

OC

Interruptor automático con protección magnetotérmica.

/

OC

Seccionador con fusibles.

=UNE

Figura 3.7.

Simbología de elementos mecánicos de conexión (maniobra y protección).

Esquemas de automatismos

11

Formación Abierta

ELEMENTOS MECÁNICOS DE CONEXIÓN (ACCIONAMIENTOS) IEC

UNE

DIN

BS

ANSI

Accionamiento manual.

=

=

=

=

Accionamiento mediante pedal.

=IEC

=BS FOOT PERATED SWITCH

3 2

Accionamiento por leva.

=IEC

=IEC

=IEC

1

Accionamiento por émbolo (neumático o hidráulico). Accionamiento de “fuerza”.

Accionamiento por motor.

=

=IEC

=UNE

=

=

PNEU

/

M M

=

=

= MOT

Dispositivo de bloqueo o enganche.

=

=

=

Se indica con una nota

=IEC

Se indica con una nota

/

Se indica con una nota

Enclavado Ídem bidireccional.

=IEC

Libre Bloqueo por muesca.

=

Accionamiento retardado (a la derecha en este caso).

Figura 3.8.

12

=

=

=

/

IDU O TO TDC O TC

Simbología de elementos mecánicos de conexión (accionamientos).

Esquemas de automatismos

Automatismo Eléctrico

03

AUXILIARES MANUALES DE MANDO IEC

BS

ANSI

Pulsador con accionamiento manual por empuje (NA).

/

/

Pulsador con accionamiento manual por empuje (NA).

/

/

Contacto con enclavamiento rotativo, accionamiento manual.

/

/

/

/

/

/

/

/

/

=

/

/

Conmutador con dos posiciones y cero, con retorno a cero al cesar la fuerza de accionamiento (NA). Conmutador con dos posiciones y cero, con enclavamiento en las dos posiciones.

Mando con pulsador.

UNE

1 0 2

DIN

1 0 2

=

1 0 2

1 0 2

=

/

Interruptor manual (auxiliar de mando).

=

Figura 3.9.

Simbología de auxiliares manuales de mando.

Esquemas de automatismos

13

Formación Abierta

BOBINAS ELECTROMAGNÉTICAS IEC

UNE

DIN

=IEC

=IEC

=IEC

=IEC

BS

ANSI

Sistema de accionamiento con retroceso automático, al cesar la fuerza de accionamiento, para contactores y similares.

Relé o disparador de medida con indicación de la magnitud medida, por ej.: mínima tensión.

Sistema de accionamiento electromecánico retardado. Retraso a la desconexión.

U<

/

U

V

=IEC

SR Muy retardado

Muy retardado

SR

=IEC Ídem. Retraso a la conexión.

SO

Ídem. Retraso a la conexión y desconexión.

=IEC

=IEC

SA

Figura 3.10. Simbología de bobinas electromagnéticas.

14

Esquemas de automatismos

Automatismo Eléctrico

03

SÍMBOLOS DE SEMICONDUCTORES IEC

UNE

DIN

BS

ANSI

Diodos semiconductores.

Diodo limitador o zener, de un sentido.

=DIM

Ídem de doble sentido.

=DIN

Tiristor.

=DIN

Triac.

=DIN

Transistor PNP.

=IEC

Transistor NPN.

=IEC

Figura 3.11. Simbología de semiconductores.

Esquemas de automatismos

15

Formación Abierta

TRANSFORMADORES IEC

UNE

DIN

BS

ANSI

Transformador con dos devanados separados.

=UNE

=UNE

Autotransformador.

=UNE

=UNE

Derivado o bobina en general.

=BS

Transformador de tensión.

=BS

Transformador de tensión.

Figura 3.12. Simbología de transformadores.

16

Esquemas de automatismos

Automatismo Eléctrico

03

MÁQUINAS ROTATIVAS IEC

UNE

DIN

BS

ANSI

M 3~

M

3~ M

Motor trifásico con rotor de anillos rozantes.

M 3~

=IEC

M

M 3~ Motor trifásico con rotor de jaula.

M

M

=IEC

M

M 3~

Motor trifásico con rotor de jaula, con seis bornes de salida.

M 3~

M 3~

=IEC

M

M

Figura 3.13. Simbología de máquinas rotativas.

Esquemas de automatismos

17

Formación Abierta

APARATOS DE MEDIDA IEC

UNE

DIN

Voltímetro.

=

V

=

Amperímetro.

=

A

=

Vatímetro.

=

W

=

Fasímetro (indicando el factor de potencia o el ángulo).

BS

ANSI

BS

ANSI

COS

=

=

f Frecuencímetro.

=

=

Hz Contador de energía activa.

=

Kwh

=

Contador de energía reactiva.

=

Kwarh

=

Contador de horas.

=

h

=

Contador de impulsos.

=

=

Figura 3.14. Simbología de aparatos de medida.

AUXILIARES DE SEÑALIZACIÓN IEC

Bocina.

UNE

DIN

=IEC

Figura 3.15. Simbología de auxiliares de señalización.

18

Esquemas de automatismos

Automatismo Eléctrico

3.1.1.

03

Letras para designar el tipo de un aparato, según une-en 81346-2:2011 Tipo de aparato

ejemplos

A

Grupos constructivos, partes de grupos constructivos

Amplificadores, amplificadores magnéticos, láser, combinaciones de aparatos

B

Convertidores de magnitudes no eléctricas en magnitudes eléctricas y al contrario

Transductores, sondas termoeléctricas, termocélulas, células fotoeléctricas, cristales piezoeléctricos, micrófonos, pic-up, altavoces, aparatos de campo giratorio

C

Condensadores

D

Dispositivos de retardo, dispositivos de memoria, elementos binarios

Conductores de retardo, elementos biestables, elementos monoestables, memorias de núcleos, registradores, memorias de discos, aparatos de cintas magnéticas

E

Diversos

Instalaciones de alumbrado, instalaciones de calefacción; instalaciones que no están indicadas en otro lugar de esta tabla.

F

Dispositivo de protección

Fusibles, descargador de sobretensión, relés de protección, disparador

G

Generadores

Generadores rotativos, transformadores de frecuencia rotativos, baterías, equipos de alimentación, osciladores

H

Equipos de señalización

Aparatos de señalización ópticos y acústicos

J

__

__

K

Relés, contactores

Contactores de potencia, contactores auxiliares, relés auxiliares, relés intermitentes, relés de tiempo, relés Reed

L

Inductividad

Bobinas de reactancia

M

Motores

__

N

Amplificadores, reguladores

Circuitos integrados

P

Instrumentos de medición, equipos de Instrumentos de medición, registradores y contadores, pruebas emisores de impulsos, relojes

Q

Aparatos de maniobra para altas intensidades

Interruptores de potencia, seccionadores, interruptores de protección, interruptores para protección de motores, interruptores automáticos, seccionadores bajo carga con fusibles

R

Resistencias

Resistencias, potenciómetros, reostatos, shunts, resistencias en derivación, termistores

S

Interruptores, selectores

Pulsadores, interruptores de posición, interruptor de mando, conmutador-selector, selectores rotativos, adaptores selectores, emisores de señales

T

Transformadores

Transformadores de tensión, transformadores de intensidad

U

Moduladores, convertidores

Discriminadores, convertidores de frecuencia, demoduladores, convertidores, inversores, onduladores

Esquemas de automatismos

19

Formación Abierta

Tipo de aparato

ejemplos

V

Válvulas, semiconductores

Válvulas de vacío, válvulas de descarga en gases, diodos, transistores, tiristores

W

Vías de conducción, guiaondas

Hilos de conexión, cables, guiaondas, acoplamientos dirigidos por guiaondas, dipolos, antenas parabólicas

X

Bornes, clavijas, enchufes

Clavijas y cajas de enchufe, clavijas de pruebas, regletas de bornes, regletas de soldadura

Y

Equipos eléctricos accionados mecánicamente

Frenos, embragues, válvulas

Z

Equipos de compensación, filtros, limitadores

Circuitos para imitadores de cables, reguladores dinámicos, filtros de cristal

Figura 3.16. Letras para designar el tipo de un aparato, según UNE-EN 813462:2011.

3.1.2.

Letras para la designación de funciones generales, según une-en 81346-2:2011

Indicativo

Funciones generales

A

Función auxiliar

B

Dirección de movimiento (adelante, atrás, subir, bajar)

C

Contar

D

Diferenciar

E

Función “conectar”

F

Protección

G

Prueba

H

Señalización

J

Integración

K

Servicio pulsante

L

Designación de conductores

M

Función principal

N

Medida

P

Proporcional

Q

Estado (marcha, parada, limitación)

R

Reposición, borrar

S

Memorizar, registrar

T

Medida de tiempo, retardar

U

__

V

Velocidad (acelerar, frenar)

W

Sumar

X

Multiplicar

Y

Analógica

Z

Digital Figura 3.17. Letras para designar funciones generales, según UNE-EN 813462:2011.

20

Esquemas de automatismos

Automatismo Eléctrico

3.1.3.

03

Designaciones de algunos conductores y sus puntos de conexión (bornes, empalmes) según une-en 60445:2007

Función del conductor

Designación alfanumérica …

… mediante símbolo normalizado

Red de corriente alterna fase 1

L1

fase 2

L2

fase 3

L3

neutro

N

Red de corriente continua polo positivo

L+

+

polo negativo

L-

-

neutro

M

Conductor de protección

PE

Neutro con función de protección

PEN

Tierra

E

Tierra con poca tensión proveniente de otras redes

TE

Masa

MM

Figura 3.18. Designaciones de algunos conductores y sus puntos de conexión (bornes, empalmes) según UNE-EN 60445:2007.

Esquemas de automatismos

21

Formación Abierta

3.2. Tipos de esquemas utilizados en automatismo eléctrico Un esquema electrotécnico nos representa cómo se relacionan las distintas partes de un circuito, es decir, los elementos estudiados anteriormente (captadores, controladores y receptores) indicando cómo se conexionan con la red y entre sí todos esos elementos. Estos esquemas nos van a servir para la construcción y utilización del automatismo a preparar, especialmente a la persona que tiene que cablear el proceso y a la persona que tienen que llevar el mantenimiento de la instalación. En realidad se podrían dar infinidad de clasificaciones, el estudio se centrará en la automatización por contactores cuyos esquemas más utilizados son los esquemas de circuito, donde se darán los detalles de funcionamiento y conexión entre los equipos. Otro esquema necesario para la persona que va a construir el equipo es el esquema de emplazamiento o situación, que nos indica la disposición de los diferentes elementos en el cuadro de conexión. Después nos queda el esquema de conexiones, destinado a guiar la realización y verificación de las conexiones de los elementos. Es decir, en cualquier proceso industrial deben encontrarse 3 esquemas diferentes: Un esquema funcional o de circuitos, donde se detallarán claramente los elementos para que el técnico sea capaz de interpretar ese sistema, y que se divide en:



Esquema de potencia.



Esquema de mando o control.

Esquema de situación o emplazamiento, en el que queda indicada la situación física de cada uno de los elementos que componen el equipo de control. Esquema de montaje o de conexiones, es aquel que representa las conexiones eléctricas entre los elementos integrantes de una instalación. A continuación se muestra un ejemplo completo referido a la puesta en marcha de un motor trifásico asíncrono de jaula de ardilla mediante una botonera exterior con dos pulsadores, marcha y paro, el motor alimentado con un contactor.

22

Esquemas de automatismos

Automatismo Eléctrico

03

Esquema funcional o de circuito a. Esquema de potencia 1

2

3

L1 L2 L3

400 V

F1

1

3

5

2

4

6

K1

1

3

5

2 u

4 v

6 w

F2

3~ M

Figura 3.19. Esquema potencia.

b. Esquema de mando 4

F3 L1

5

95

F2 96 X1 11

S0

12 X2 X3

S1

13 X4

K1

14

13 14

A1

K1 A2

N Figura 3.20.

Esquema de mando.

Esquemas de automatismos

23

Formación Abierta

Esquema de situación o emplazamiento En este esquema quedará indicada la situación física de cada uno de los elementos que constituyen la parte de mando. Para su realización se emplean una serie de figuras geométricas, con una referencia en el interior (identificación del elemento) para conocer los elementos de dicho cuadro.

F1 F1 F1 F3

A1

1

3

5

L1

13

L1

L 1

2

L 2

L 3

4

N

L3

95

F2

K1

A2

L2

6

P E

L2

L3

96

14

U

V

W

P E

X 1

X 2

X 3

X 4

INTERIOR CUADRO

U S0

V

W

PE

S1

M Figura 3.21. Esquema de situación de elementos.

24

Esquemas de automatismos

Automatismo Eléctrico

03

Leyenda F1: protección parte potencia. F2: Térmico. F3: protección parte mando. K1: contactor giro. Figura 3.22. Leyenda del esquema de situación de elementos.

Se suele acotar la parte del armario, no la de elementos, que es comercial, indicando de qué tipo estamos hablando. Se colocará en la memoria o en la propia leyenda. Esquema de conexionado Es aquel que representa la conexión eléctrica entre los elementos integrantes de una instalación o equipo de control. Puede referirse a las conexiones interiores y exteriores. Normalmente si se representan las conexiones del circuito de potencia y de mando conjuntamente. S1

S0

14 13

1

1

1

3

A2

F1 1

A1

12 11

14 13

95 96

K1 M 1

1

3

1

N

L1

3

5

L2

F2

2

4

L3

U

6

V

1

3

5

2

4

6

W

INTERIOR CUADRO

Figura 3.23. Esquema de cableado.

Esquemas de automatismos

25

Formación Abierta

3.3. Normas básicas para la realización de esquemas Todos los esquemas se realizarán de acuerdo a la norma UNE 21 - 326 - 79 la cual nos comenta que este esquema explicaría el funcionamiento del equipo con la ayuda si es necesario de descripciones o informaciones suplementarias, tales como diagramas de tiempo. Como hemos comentado anteriormente utilizaremos 2 circuitos, por un lado el circuito principal o de potencia y por otro lado el circuito de mando, formando dos esquemas independientes dentro de un mismo conjunto; el esquema principal se representa en forma multifilar en la que los símbolos de los diferentes elementos están dispuestos conjuntamente con los conductores de la instalación. Signos de identificación

=

Subdivisión fundamental

+

Situación en el plano

Clase

Número

Función :

Identificación

BORNE

Para seguir una regla general en todos nuestros esquemas, la información de cada uno de los elementos que componen nuestro automatismo se colocará de acuerdo con la norma UNE 21 - 326 - 75, la cual nos recomienda el siguiente diagrama de bloques.

Figura 3.24. Diagrama de bloques de los signos de identificación.

Observamos que cada bloque va precedido de un signo característico, para nosotros el más importante va a ser el bloque de identificación, ahora vamos a comentar cada uno de ellos. Subdivisión fundamental (=) Este bloque nos informará de la situación del elemento dentro de un proyecto, normalmente nos indicará el plano en el que se encuentra, a cada equipo se le asigna un número natural comenzando por 1. Situación en el plano (+) Este bloque nos indica en qué parte del plano encontramos el elemento que queremos detectar. Se puede emplear el método de cuadrícula o bien simplemente la numeración de cada una de las líneas del esquema.

26

Esquemas de automatismos

Automatismo Eléctrico

a.

03

Método de cuadrícula A 1

2

3

4

5

B C D Cajetín

Figura 3.25. División plano de dibujo.

En este método se divide la hoja en zonas rectangulares, dando números para las abscisas y letras para las ordenadas como se representa en la figura anterior. Para establecer el código se pone primero la letra y después el número.

Si quiero decir que tengo la bobina del contactor en la fila B columna 3, se pondrá: +B3

Anteriormente se habrá indicado el plano en el que se encuentra. b.

Numeración de columnas Únicamente se numera cada una de las líneas que aparecen en el esquema. Con este sistema solamente podremos averiguar en la columna que se encuentra el elemento. 1

2

L1 95 F1 96 11 S0 12

13

13

S1

K1 14

14

A1 K1 A2 N

Figura 3.26. Esquema función memoria.

Esquemas de automatismos

27

Formación Abierta

En la figura anterior tenemos 2 columnas para conocer la situación de la bobina del contactor K1, solamente podemos conocer que la tenemos en la columna 1. Identificación de los elementos (-) Para identificar a los elementos de nuestro automatismo y poder distinguirlos de los demás, se colocará a la izquierda del símbolo 3 partes independientes:



Clase.



Número.



Función.

Clase Está formado por una letra mayúscula que representa el elemento que estamos tratando, las que más vamos a utilizar y que vimos en los temas anteriores son:



- K: contactores, relés



- M: motores



- S: aparatos mecánicos de conexión o paro (pulsadores, interruptores)



- F: dispositivos de protección (fusibles, relés de protección, guardamotores)



- H: dispositivos de señalización (lámparas)



- FC: dispositivos de detección (finales de carrera)

Número Nos sirve para distinguir los diferentes elementos designados por la misma clase.

Para poder distinguir 2 bobinas de 2 contactores, conocemos que el contactor se representa con la letra K, el número distinguirá uno de otro.

K1

K2

Bobina del contactor Nº 1

28

Esquemas de automatismos

Bobina del contactor Nº 2

Automatismo Eléctrico

03

Función del elemento Nos servirá para identificar la función de dicho elemento en ese automatismo. Se colocará con una letra mayúscula. Las más importantes son:



A: función auxiliar.



B: sentido de movimiento.



F: protección.



M: función principal.



R: anulación, bloqueo.



T: función temporizada.

Normalmente no se va a colocar en los diferentes esquemas. Bornes La norma UNE 21-805-82 determina las reglas generales para el marcado de bornes y número característico que se aplica a la aparamenta industrial de baja tensión. Las normas generales son: Las marcas de una impedancia serán alfanuméricas, normalmente letras mayúsculas. Ejemplo: bobinas o lámpara señalización. Las marcas de los bornes de un contacto serán numéricas. Para los bornes de entrada y salida se elegirá para la entrada el número menor y para la salida el mayor. Normalmente será el segundo dígito. Ejemplos: a.

Bobinas A1

A2 Un solo arrollamiento Dos bornes

A1

A2

A3

Un solo arrollamiento Tres bornes

A1

B1

A2

B2

Dos bornes

Figura 3.27. Tipos de bobinas.

Esquemas de automatismos

29

Formación Abierta

b.

Señalización X1

X1

X 2

X 2 Directo

Led con resistencia adicional

Figura 3.28. Señalización.

c.

Contactos Principales 1

3

5 Un solo dígito

2

4

6

Figura 3.29. Contactos principales.

d.

Contactos Auxiliares Se marcan con 2 dígitos. El primero, es decir las decenas, indica el número de contacto de ese elemento, es decir el número de orden. El segundo, las unidades, nos indica la función del contacto. 1

1 3

S1

K1

2

Contacto NC Pulsador

2

Contacto NC

Contacto

Auxiliar contactor

abierto

Figura 3.30. Contactos auxiliares.

30

Esquemas de automatismos

4

Automatismo Eléctrico

03

Observamos que a los contactos normalmente cerrados se les asigna el 2º dígito un 1 a la entrada y 2 a la salida, para el contacto normalmente abierto, 3 y 4. Para los contactos conmutados emplearemos 1, 2 y 4, según indica la figura siguiente. 1

2

4

Figura 3.31. Contacto conmutado.

Los contactos auxiliares que tienen funciones especiales, como por ejemplo con contactos temporizados, estarán marcados con las cifras 5 y 6 para los contactos normalmente cerrados y 7 y 8 para los contactos normalmente abiertos. 7

5

8

6

Figura 3.32. Contactos temporizados.

Los bornes de los contactos conmutados que tienen funciones especiales, estarán marcados con las cifras 5, 6, 8. 5

6

8

Figura 3.33. Contacto conmutado temporizado.

Esquemas de automatismos

31

Formación Abierta

El primer dígito hemos comentado que nos da el número de orden del elemento. Los contactos auxiliares de un contactor deben de tener números de orden diferentes y los bornes pertenecientes al mismo contacto estarán marcados por el mismo número. 13

21

31

43

14

22

32

44

Figura 3.34. Contactos auxiliares de un contactor.

En los aparatos normalmente no suele aparecer este primer dígito, está sustituido por un punto ( . ), en el esquema sí que debe aparecer. En los aparatos de protección los bornes de los circuitos principales estarán marcados como los bornes de los contactos principales. 1

3

5

2

4

6

Figura 3.35. Contactos principales relé térmico.

Los bornes de sus contactos auxiliares, por tener función especial el segundo dígito, (al igual que sucedía en los temporizadores), estarán marcados con 5 y 6 para representar un contacto cerrado, y 7 y 8 para representar un contacto abierto, pero se distinguen de los temporizadores en que el número de orden que se coloca es el 9; si se requiere un segundo número de orden deberá ser el número 0. Normalmente los guardamotores llevan contactos conmutados. 95

96

98

Figura 3.36. Contacto auxiliar de un relé térmico.

El símbolo de la anterior figura lo podemos descomponer en 5 partes fundamentales, las cuales se identifican a continuación.

32

Esquemas de automatismos

Automatismo Eléctrico

a)

Contacto conmutado

b)

Accionamiento térmico

c)

Enclavamiento una vez accionado

d)

Accionamiento mecánico para rearmar el relé

e)

03

95 - 96 - 98

Numeración de los bornes de un contacto auxiliar de un relé térmico.

Información del esquema Una vez realizado todo lo escrito anteriormente, si queremos dejar una información aun más clara, añadiremos 2 elementos más a nuestro plano: la leyenda, y las referencias cruzadas. La leyenda Hay veces que en nuestro esquema podemos interpretar los elementos de identificación de 2 formas diferentes como puede ocurrir cuando estamos tratando de comprobar el funcionamiento del esquema. Para evitarlo incluiremos una leyenda, que viene a ser una información donde se numeran todos los elementos del esquema escribiendo una breve descripción de la función que desempeñan en el circuito. El siguiente esquema (Figura 3.39) representa el esquema de mando en la inversión de giro de un motor con la obligación de pasar por paro para cambiar de sentido, y sin la posibilidad de ponerse en movimiento si se accionan los 2 pulsadores de marcha, la leyenda será la representada a la derecha (en este caso debajo) del esquema.

Esquemas de automatismos

33

Formación Abierta

Referencias cruzadas Al igual que la leyenda, es una información que se añade al esquema con 2 objetivos principalmente: Localizar todos los contactos que pertenezcan a cada contactor y relés dentro de nuestro proyecto. Conocer todos los contactos utilizados de cada contactor o relé. El primer objetivo será posible si numeramos cada una de las columnas que aparecen en el plano, tal como indicamos en la identificación de elementos. Para el 2º objetivo hay 2 formas de representar las referencias cruzadas, siempre colocadas debajo de las bobinas. Según la norma DIN, se representan los símbolos de todos los contactos utilizados, a la izquierda se colocará la columna en la que se encuentra, si es un proyecto muy grande se indicará el plano y la columna separados por un punto. A1 K1 A2 13

14

21

22

1.2 1.3

Figura 3.37. Referencias cruzadas (DIN).

Las referencias cruzadas representadas en la figura 3.37. nos indica por una parte que el contactor K1, tiene 2 contactos utilizados en dicho proyecto, uno abierto situado en el plano 1 columna 2, y otro cerrado situado en el plano 1 columna 3. Según norma UNE, utiliza el sistema de tablas, en la cual simplemente se indica el número de la columna en la que se encuentra, sin dibujar el símbolo del contacto. A1 K1 A2

A

C

2

3

5

Figura 3.38. Referencias cruzadas (UNE).

34

Esquemas de automatismos

Automatismo Eléctrico

03

En las referencias cruzadas figura 3.38, en la columna A se colocan las abiertas, en este caso tenemos 2 abiertos uno en la fila 2 y otro en la fila 5, en la columna C se colocan los contactos normalmente cerrados, tenemos uno en la fila 3. En la figura siguiente vamos a representar las 2 informaciones comentadas. 1

2

3

4

L1 95 F1 96 11 S0 12

13

13 K1

S1 14

13

13

S2

K2

14

14

21

14

21

S2

S1 22

22

21

21

K2

K1 22

22

A1 K1

A1 K2

A2

A2

N 2

13

14

21

22

3

4

13

14

21

22

1

SO

Pulsador de paro.

S1

Pulsador giro derecha.

S2

Pulsador giro izquierda.

K1

Contactor giro derecha.

K2

Contactor giro izquierda.

F1

Relé térmico.

Figura 3.39. Esquema de mando con leyenda y referencias cruzadas (DIN).

Esquemas de automatismos

35

Formación Abierta

Si en el esquema de mando anterior se colocaran las referencias cruzadas según norma UNE serian como la figura 3.40. A1 K1

A1 K2

A2

A2

A

C

A

C

2

3

4

1

Figura 3.40. Referencias cruzadas norma UNE.

36

Esquemas de automatismos

Automatismo Eléctrico

03

3.4. Esquema de mando Son los esquemas que representan la parte de control de un automatismo. Los elementos que forman parte del esquema de mando son los elementos que vimos en el tema 1: receptores de señal, como los sensores y pulsadores; los actuadores, como los contactores, relés y temporizadores. Para explicar las distintas posibilidades vamos a comenzar con esquemas sencillos. Aunque existen variedad de elementos que nos captan señal, vamos a utilizar básicamente el pulsador, como elemento que capta una señal exterior y como elemento actuador utilizaremos el contactor.

3.4.1.

Funcionamiento del contactor

Como vimos en el tema 1, el contactor es el elemento más importante del automatismo. Su función consiste en conectar y desconectar los elementos en el circuito de potencia, aunque interviene también en la lógica del circuito de mando. Para entender su funcionamiento vamos a tratar de razonar el siguiente ejemplo.

Poner en funcionamiento una lámpara H1 cuando sea accionado un pulsador S1. Si éste no está accionado H1 no funcionará, pero funcionará H2. La intensidad que necesita las lámparas, evitaremos que pase por los contactos del pulsador.

Solución:

L1

220 V/50Hz 1

2

13 S1

13 K1

14 A1 K1

3

A2

21 K1

14

22

X1 H1

X1 H2

X2

X2

N A C 2 3

Figura 3.41. Funcionamiento del contactor (I).

Esquemas de automatismos

37

Formación Abierta

Observamos que en reposo los actuadores se encuentran desactivados. Al estar desactivado S1 a la bobina de K1 no le llega corriente por lo que sus contactos asociados están en reposo. Por ello el contacto cerrado 21-22 deja pasar corriente a la lámpara H2, por eso luce. Cuando pulso S1 le llega tensión a la bobina de K1 por lo que sus contactos cambian su posición por lo que el contacto abierto 13-14 se cierra y luce H1 y el contacto cerrado 21-22 se abre por lo que deja de iluminarse H2. Si se deja de accionar el pulsador S1 volvemos a la posición inicial.

Tenemos dos pulsadores y dos lámparas. Poner en funcionamiento una lámpara H1 si se pulsa uno de los pulsadores. Poner en funcionamiento H2 si se pulsan los dos pulsadores o no se pulsa ninguno.

Solución: 1

2

3

4

L1 13 S1

13 S2

14

13 14

K1

21 K1

14 21 S2

21 S1

22

22 X1

A1 H1 K1

A2

A

C

3

4

X2

Figura 3.42. Funcionamiento del contactor (II).

Esquemas de automatismos

X1 H2

N

38

22

X2

Automatismo Eléctrico

03

Si comprobamos si se cumplen las condiciones anteriores vemos que:



Si no se pulsa ni S1 ni S2 a la bobina del contactor K1 no le llega tensión por lo que sus contactos permanecen en reposo por lo que el contacto cerrado 21-22 deja pasar corriente para la lámpara H2.



Si se pulsa uno de ellos (S1 ó S2) a la bobina K1 le llega corriente por una de las dos columnas, la 1 o la 2, por lo que los contactos auxiliares cambian su posición con lo que el abierto se cierra y deja pasar corriente a la lámpara H1, el contacto cerrado se abre por lo que H2 no luce.



Si se pulsan los 2 pulsadores a la vez observamos que los contactos abiertos de los pulsadores se cierran pero los cerrados 21-22 se abren, por lo que quedan abiertos las columnas 1 y 2. No le llega corriente a la bobina K1, por lo que los contactos auxiliares permanecen en reposo. Sólo luce H2.

3.4.2.

Función memoria

También llamado circuito de enclavamiento. Si recordamos los 2 ejemplos anteriores sólo le llegaba tensión a la bobina cuando se mantienen accionados los pulsadores. Ahora necesitamos que con un solo pulso de S1 se quede la bobina del contactor permanentemente accionada hasta que se pulse un pulsador S0. Para conseguir esto necesitamos ayudarnos de un contacto auxiliar abierto del contactor a activar. Este contacto ha de ser montado en paralelo a todas las señales que han provocado la excitación del contactor indicado. Solución: 1

L1

2 13

S1

13 K1

14

14

11 S0 12 A1 K1 A2 N A C 2

Figura 3.43. Función Memoria.

Esquemas de automatismos

39

Formación Abierta

En la figura anterior cuando están en reposo todos los elementos K1 está desactivado. Si accionamos el pulsador S1, la bobina del contactor queda accionada por lo que los contactor auxiliares cambian su posición de reposo y el contacto abierto 13-14 se cierra. La corriente que llega a la bobina llega a través de su propio contacto y del propio contacto del pulsador. Si el pulsador S1 se deja de accionar, la corriente seguirá pasando por el contacto abierto del contactor. Por lo que con un solo pulso de S1 se ha quedado permanentemente activada la bobina del contactor. Esto seguirá hasta que se accione el pulsador S0, en ese momento ya no llega corriente a la bobina por lo que su contacto auxiliar vuelve a reposo, es decir, se abre. De esta manera al dejar de accionar S0, puesto que S1 está en reposo (abierto) y el contacto accionado K1 está también abierto, el circuito permanece desactivado. Normalmente se suele llamar al pulsador S1 pulsador de marcha y al S0 pulsador de paro, ya que desconecta el circuito. No hemos comentado que si se accionan los 2 pulsadores a la vez el circuito permanece desactivado, en este caso se dice que la función memoria está con PRIORIDAD A LA DESCONEXIÓN ya que si se dan las dos condiciones, la de marcha y la de paro, el esquema permanece desactivado. Prioridad a la conexión Ahora vamos a comentar el esquema referido a la función memoria pero dando prioridad a la conexión, es decir, si se dan las 2 condiciones (SET-RESET) a la vez, la opción predominante será el SET. Debido a esto es un montaje denominado prioridad a la conexión. En caso de darse las condiciones SET o RESET de forma no coincidente, el funcionamiento será similar al descrito en el apartado anterior.

40

Esquemas de automatismos

Automatismo Eléctrico

03

Solución: 1

2

L1 13 S1

13 K1

14

14

11 S0 12 A1 K1 A2 N

A C 2

Figura 3.44. Función Memoria (prioridad a la conexión).

Observando los dos esquemas anteriores podemos decir que si existen varias condiciones de paro en un mismo sistema se colocarán todas en serie. Si hay prioridad a la desconexión se colocará en serie con las condiciones de marcha que se colocarán todas en paralelo con la realimentación. Si hay prioridad a la conexión las condiciones de paro se colocarán en serie con la realimentación, es decir, con el contacto abierto del contactor, y todo el conjunto en paralelo con las condiciones de marcha o conexión.

3.4.3.

Relación entre varios contactores

Vamos a suponer que por los contactos auxiliares de los contactores no puede pasar la intensidad que necesitan las lámparas de señalización H1 y H2. Utilizando los contactos principales y en todos los ejercicios siguientes.

Esquemas de automatismos

41

Formación Abierta

Ejemplo 1:

Estos se ponen en funcionamiento con las siguientes condiciones:  Si pulso S1 ó S2 se queda funcionando H1.  Si pulso S3 ó S4 deja de funcionar H1.  Si no funciona H1, funciona H2.  Prioridad a la desconexión.

Solución: 1

L1

2

13 S1

3

13 S2

14

4

6

13 K1

14

5

21 14

1 K1

K1 22

1 K2

2

2

11 S3 12 11 S4 12 A1

K1

X1

A1

K2

A2

A2

X1 H2

H1 X2

X2

N A 3

C

A

4

6

C

5

Figura 3.45. Ejemplo con contactores I.

Lo que se ha modificado es que las lámparas se alimenten a través de los contactos principales de los contactores K1 y K2 respectivamente. Cuando funciona K1 se desactivará K2 ya que el contacto cerrado 21-22 se abre. Los esquemas se representan sin tensión en la línea, cuando se alimente está claro que si las condiciones de marcha están desactivadas K2 se alimentará por lo que el contacto principal de K2 estará cerrado.

42

Esquemas de automatismos

Automatismo Eléctrico

03

Ejemplo 2:

Tenemos 4 pulsadores y 2 lámparas de señalización. Las condiciones para el funcionamiento de estas lámparas son:  Si se accionan S1 y S2 a la vez queda en funcionamiento H1.  Si se accionan S3 y S4 a la vez se desconecta H1.  Cuando no está funcionando H1 funcionará H2.  Prioridad a la desconexión.

Solución: 1

L1

2

3

4

5

13 S1

21 14

13

K1

1

K1

K1 13

1

22

K2 2

2

14

S2 14

11

11

S3

S4 12

12

X1

A1

A1 K2

K1

A2

A2

X1 H2

H1 X2

X2

N A

C

A

4

3

5

C

2

Figura 3.46. Ejemplo con contactores II.

En este caso se deben cumplir las 2 condiciones de marcha por eso van en serie S1 y S2. También para la desconexión se tienen que cumplir las 2 condiciones por eso estos se colocarán en paralelo (S3 y S4). A diferencia de lo que ocurría en la fig. 3.45. en la cual solamente se tenía que cumplir una condición, por eso en ese caso las condiciones de marcha se colocarán en paralelo y las condiciones de paro en serie.

Esquemas de automatismos

43

Formación Abierta

Ejemplo 3:

Un pulsador S1 conecta una lámpara H1. Un pulsador S2 la desconecta. Un pulsador S3 conecta una lámpara H2. Un pulsador S4 la desconecta. Las lámparas H1 y H2 no pueden estar conectadas a la vez.

Solución: 1

L1

2 13

S1

3 13

K1 14

4 13

S3

5 13

K2

14

14

6

1 14

1

K1

K2 2

11 S2

2

11 S4

12

12

21 K2

21 K1

22

22

A1 K1

X1

A1 K2

A2

A2

X1 H2

H1 X2

X2

N A

C

A

C

5

3

6

1

2

4

Figura 3.47. Contactores III.

La diferencia con respecto a las anteriores es la incorporación de la última condición, la cual solucionamos colocando un contacto cerrado de K1 en serie con la bobina de K2, y con un contacto cerrado de K2 en serie con la bobina de K1, con esto conseguimos que cuando tengamos activado el contactor K1 dicho contacto auxiliar estará abierto por lo que será imposible conectar K2 sin antes desactivar K1. Lo mismo sucederá al contrario si conectamos primero K2.

44

Esquemas de automatismos

Automatismo Eléctrico

03

Ejemplo 4:

El pulsador S1 conecta el contactor K1. El pulsador S2 conecta el contactor K2. Si pulsamos S1 y S2 a la vez no se conecta K1 ni K2. El pulsador S0 desconecta K1 o K2. El contactor K1 y K2 no pueden estar conectados a la vez. Para pasar a conectar K1 o K2 estando activado el contrario es obligatorio pasar por paro.

1

L1

2

3

4

5

6

11 S0

1

12

1

K1

K2 2

13 S1

13 K1

14

13 S2

K2

14

14

21 S2

2

13 14

21 S1

22

22

21 K2

21 K1

22

22

A1 K1

X1

A1 K2

A2

A2

X1 H2

H1 X2

X2

N A

C

A

C

5

3

6

1

2

4

Figura 3.48. Ejemplo contactores IV.

Comentarios El pulsador de paro o emergencias generales del proceso se colocarán en serie y al principio de la instalación de la parte de control, no de la parte de potencia. Para evitar el conexionado de uno de los dos contactores, si se pulsan los 2 pulsadores a la vez, se coloca en serie de los contactos abiertos un contacto cerrado del contrario.

Esquemas de automatismos

45

Formación Abierta

Los contactos cerrados de K1 y K2, para evitar que los 2 puedan estar activados a la vez. Ejemplo 5: Las condiciones son las mismas que las que teníamos en el ejemplo 4, menos la última (condición f).

El pulsador S1 conecta el contactor K1. El pulsador S2 conecta el contactor K2. Si pulsamos S1 y S2 a la vez no se conecta K1 ni K2. El pulsador S0 desconecta K1 o K2. El contactor K1 y K2 no pueden estar conectados a la vez. Nueva condición: Para pasar a conectar K1 o K2 no es necesario accionar antes el pulsador de paro S0.

1

L1

2

3

4

5

6

11 S0

1

12

K1

1 K2

2 13 S1

13 K1

14

13 S2

K2

14

14

21 S2

14

21 S1

22

22

21 K2

21 K1

22

K1

22

K2

H1

N A

C

A

C

5

3

6

1

2

4

Figura 3.49. Ejemplo contactores V.

46

2

13

Esquemas de automatismos

H2

Automatismo Eléctrico

03

La diferencia con el ejemplo 4 está en que la realimentación solamente está en paralelo con el contacto abierto del pulsador, por lo que el contacto cerrado sirve de paro del contrario.

3.4.4.

Secuencia entre los contactores

Normalmente un proceso industrial es una subdivisión de trabajos o acciones elementales que se realizan con un orden determinado, es decir, el final de una operación condiciona generalmente el principio de la siguiente. Cada una de estas partes podría estar representada por un contactor, por eso la denominamos la secuencia entre los contactores. Para conocer este tipo de esquemas realizaremos una serie de ejemplos. Ejemplo 1:

Vamos a realizar el esquema de mando para conectar 2 lámparas H1 y H2 con las siguientes condiciones:  Con un pulsador S1 se conectará H1.  Con un pulsador S2 se conectará H2 si está conectada H1.  Cuando se conecta H2 se queda también H1.  S0 desconecta todo.

1

L1

2

3

4

5

6

11 S0

1

12

K1

1 K2

2 13 S1

13 K1

14

13 S2

2

13 K2

14

14

14

23 K1 24 A1 K1

A1

X1

H1

K2 A2

A2

X2

H2

X1 X2

N A C

A C

5 2 3

6 4

Figura 3.50. Secuencia de contactores (I).

Esquemas de automatismos

47

Formación Abierta

En la figura anterior vemos que la única forma para que entre el contactor K2 es que tengamos conectado K1 para que el contacto abierto 23-24 esté cerrado y así pulsando S2 conseguiremos alimentar la bobina de K2. En este caso hay 2 etapas secuenciales ya que la segunda depende de la primera. Al final se mantienen conectadas las dos etapas. Ejemplo 2: En este ejemplo vamos a seguir comentando las etapas secuenciales, pero en este caso sólo estará conectada una etapa, es decir, la siguiente desconectará la anterior. Para ello preparamos las siguientes condiciones:

Con un pulsador S1 conectamos la lámpara H1 si no tenemos H2 o H3 conectadas. Con un pulsador S2 conectamos la lámpara H2 si está conectada H1, y cuando esto ocurra automáticamente se desconecta H1. Con un pulsador S3 conectamos la lámpara H3 si está conectada H2, y cuando esto ocurra automáticamente se En las referencias cruzadas del contactor K3,H2. el último contacto de la columna de abiertos, el 1, sobra. desconecta En la columna 2 del plano, los contactos 13-14 deberían ser del K1 para poder tener realimentación.

Con un pulsador S0 desconectamos todo.

1

L1

2

3

4

5

6

7

8

9

11 S0 1

12 K1

1 K2

2 13 S1

13 K1

14

23 K1

13 K2

14

24

31

23 K2

S2

2

24

14

13 S3

32

14

21

14

31

K3

K3 22

32

A1

A1

K1

K2 A2

X1

A1 K3

A2

A2

A C

A C

A C

7

8

9

1

2

4

6

3

3

5

1

Figura 3.51. Secuencia de contactores (II).

Esquemas de automatismos

X1 H2

H1

N

48

2

13 K3

14

13

K2

1 K3

X2

X1 H3

X2

X2

Automatismo Eléctrico

03

Con la anterior figura observamos una secuencia de contactores siempre dependiendo de la etapa anterior según el siguiente esquema. K1

K2

K3

1ª ETAPA

2ª ETAPA

3ª ETAPA

Figura 3.52. Diagrama de bloques.

Ejemplo 3:

Según el diagrama de bloques no podemos saltar a la etapa 1 desde la etapa 3 si no la desconectamos antes. Ahora vamos a tratar de realizar un esquema en el que se mantengan la mismas condiciones que el ejemplo anterior a excepción de la primera condición: El pulsador S1 conectará la lámpara H1 si no está conectada H2. Si está conectada H3 cuando se conecta H1 automáticamente se desconectará H3.

1

L1

2

3

4

5

6

7

S0

8

1 K1

1 K2

2 13

13 K1

S1 14

13

13 K2

S2 14

14

13

9

1 K3

2

2

13 K3

S3 14

14

14

23 23

K1 24

K2 24

31 K2

21 K3

32

22

A1 K1

31 K1 32

A1 K2

A2

X1

A1 K3

A2

A2

X1 H2

H1 X2

X1 H3

X2

X2

N A C

A C

A C

7

8

9

5

2

4

3

5

1

3

6

Figura 3.53. Secuencia de contactores (III).

Esquemas de automatismos

49

Formación Abierta

Lo que se ha conseguido en el siguiente esquema es que se mantenga una secuencia de etapas con la posibilidad de pasar de la última a la primera tal como se muestra en el siguiente diagrama de bloques. S1

S2 1ª ETAP K1

S3 2ª ETAP K2

3ª ETAP K3

S1

Figura 3.54. Diagrama de bloques.

Para pasar a la etapa 2 es necesario que estemos en la 1 y se dé la condición de marcha S2. Cuando se activa la 2ª se desactiva la uno y así sucesivamente con la tercera; para pasar a la primera una vez comenzado el ciclo se necesita estar en la tercera y accionar el pulsador S1. Ejemplo 4: Hemos visto la forma de realizar una serie de secuencias, ahora nos queda por ver la forma de conseguir esa secuencia y además poder saltar de una etapa a otra consiguiendo el siguiente diagrama de flujo. S3

S1

1ª ETAP K1

S2

S3 2ª ETAP K2

S1

Figura 3.55. Diagrama de flujo para el esquema de la fig. 3.56.

50

Esquemas de automatismos

3ª ETAP K3

Automatismo Eléctrico

03

Para conseguir realizar el correspondiente esquema que refleje el flujo de la figura mantenemos las siguientes condiciones:

El pulsador S1 conectará la lámpara H1 si no está conectada H2. Si se conecta cuando está conectada H3 ésta se desconectará automáticamente. El pulsador S2 conectará la lámpara H2 si está conectada H1 y al mismo tiempo la desconectará. El pulsador S3 conectará la lámpara H3 si está conectada H2 ó H1 y al mismo tiempo desconectará la lámpara que estaba conectada. El pulsador S0 desconecta todo.

1

L1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11 S0

1

12

K1

1 K2

2 13 S1

13 K1

14

13 S2

K2

14

14

21 K3

K1 14

33 K2 34

23 K3 24

23 K1

2

14

K1

24

31

2

13

41 S3

22

K2

13

1 K3

42

31 K3

32

32

A1 K1

A1 K2

A2

A2

X1

A1 K3 A2

X1 H2

H1 X2

X1 H3

X2

X2

N A C

A C

A C

8 2

9 4

10 2 7 3

3 5

7

1

6

Figura 3.56. Secuencia de contactores (IV).

La diferencia con los ejemplos anteriores la tenemos en que para conectar K1 y K3 hemos realizado un esquema con prioridad a la conexión ya que en serie con la realimentación hemos colocado un cerrado que abrirá el circuito en el instante que se conecte el contrario, es decir, entre K1 y K3.

Esquemas de automatismos

51

Formación Abierta

3.4.5.

Esquemas con temporización

Normalmente si en un automatismo se pretende retardar algo para ello necesitamos utilizar un temporizador. El temporizador se suele utilizar para conectar secuencialmente dos contactores, para retardar una parada una vez que se cumple una condición. Para comprender mejor todo esto nos basaremos en los ejemplos siguientes: Ejemplo 1: Condiciones:

Un pulsador S1 pone en funcionamiento la lámpara H1. A los 10 sg de conectarse H1 se conecta una lámpara H2 y se desconecta H1. S0 desconecta todo.

1

2

3

4

5

6

L1 11 S0 1

12 K1T

1 K2

2 13 S1

13 K1 T

14

17 K1T

2

13 K2

14

18

14

21 K2 22

A1 K1T

A1 K2

H1

A2

A2

N A

C A

C

6

1

2

5

4

3

Figura 3.57. Esquema de temporización (I).

52

Esquemas de automatismos

H2

Automatismo Eléctrico

03

Para el temporizador, como vemos en el esquema, hemos utilizado una cámara de contactos temporizados acoplada al contactor K1T por eso disponemos del contacto principal y el contacto auxiliar 13-14 normalmente abiertos y el contacto 17-18 normalmente abiertos con retardo a la conexión, es decir, cambiará su posición de abierto a cerrado cuando hayan transcurrido los 10 sg. en los cuales la bobina del contactor ha estado con tensión. Cuando esto suceda el contacto 17-18 se cierra, le llega tensión a la bobina del contactor K2 y el contacto abierto 13-14 de K2 se cierra para realizar la función memoria o realimentación, mientras el cerrado de K2 21-22 se abre y deja sin tensión al contactor K1 por lo que sus contactos vuelven a reposo. Ejemplo 2: Condiciones:

Un pulsador S1 pone en funcionamiento las lámparas H1 y H2. A los 5 sg se quedan conectados H1 y H3. H2 y H3 nunca pueden esta conectados a la vez. S0 desconecta todo. El temporizador es electrónico y una vez haya realizado su función de conectar H3 y desconectar H2 debe quedarse desconectado.

1

L1

2

3

4

5

6

7

8

11 S0

1

12

K1

1 K2

2 13 S1

1 K3

2

2

13 K1

14

14 21 K3

15

13

T1

K3

22

16

18

14

31 K3

11 K2

32

A1 K1

A1

A2

A1 K2

T1 A2

12

A1 K3

A2

X1

A2

X1 H2

H1 X2

X1 H3

X2

X2

N A C 6 2

A C 4 4

A C 7 5

A C 8 3 5 4

Figura 3.58. Esquema de temporización (II).

Esquemas de automatismos

53

Formación Abierta

En el esquema anterior la secuencia es la siguiente:

54



Primero, al pulsar el pulsador S1 le llega tensión a la bobina del contactor K1, K2 y del temporizador T1.



Al conectarse K1 el contacto que realiza la realimentación 13-14 se cierra, por lo que seguimos alimentando el temporizador.



Cuando transcurren los 5 segundos, por ser un temporizador con retardo a la conexión, manipula el contacto conmutado por lo que dejará de alimentar el contactor K2.



El contacto 11-12 vuelve a reposo, por lo que queda alimentado el contactor K3.



El contactor K3 manipula sus contactos, es decir, el abierto se cierra y los cerrados se abren por lo que el temporizador se queda sin tensión.



El contacto conmutado del temporizador vuelve a reposo, pero éste ya no puede conectar K2 porque el contacto cerrado de K3 31-32 está abierto.



La desconexión se puede realizar en el pulsador S0.

Esquemas de automatismos

Automatismo Eléctrico

03

3.5. Esquemas de automatización En este apartado vamos a desarrollar los esquemas de automatización más comúnmente utilizados en la industria, intentando asimismo describir el proceso de funcionamiento de los mismos. Corresponderá al alumno encontrar la aplicación que en cada caso le convenga.

3.5.1.

Puesta en marcha de un motor por aproximación 3

1

50 Hz 380 V

L1 L2 L3

F1F

1

3

5

2

4

6

1

3

5

2

4

6

K1 M

F2F

PE U

V

W

M M1M

3 ~

Figura 3.59. Esquema de potencia.

Esquemas de automatismos

55

Formación Abierta

Figura 3.60. Plantilla de dibujo. 2 1

50Hz 220 V

L1 F3F 95 F2F 96 11 SOQ 12 13 S1Q 14

A1 K1M A2 N A

C

1

Figura 3.61. Esquema de mando.

56

Esquemas de automatismos

Automatismo Eléctrico

03

Funcionamiento Al accionar el pulsador S1Q se activa la bobina K1M, y, por tanto, todos sus contactos asociados, con lo que el motor M1M se pone en funcionamiento. En caso de eliminar la presión ejercida en el pulsador, la bobina del contactor K1M se desactiva y, por tanto, el motor se para. Existen otras variantes de este tipo de esquema, entre las cuales las más utilizadas son las siguientes: Circuito de mando para arranque directo accionado por interruptor.

2 1

50 Hz 220 V

L1 F3F 95

F2F 96

13

S1Q 14

A1

K1M A2

N A

C

1

Figura 3.62. Circuito de mando con interruptor.

Esquemas de automatismos

57

Formación Abierta

Circuito de mando para arranque directo accionado por interruptor y presostato. 2 1

50 Hz 220 V

L1 F3F 95 F2F 96

13 S1Q 14

11 B4 N

P 12

A1 K1M A2 N A

C

1

Figura 3.63. Circuito de mando con interruptor y presostato.

58

Esquemas de automatismos

Automatismo Eléctrico

3.5.2.

03

Puesta en marcha de un motor con reposición 3

1

50 Hz 380 V

L1 L2 L3

F1F

1

3

5

2

4

6

1

3

5

2

4

6

K1 M

F2F

PE U

M1M

V

W

M 3~

Figura 3.64. Esquema de potencia.

Esquemas de automatismos

59

Formación Abierta

2 1

50

3

Hz 220 V

L1 F3F 95 F2F 96

11 S0Q 12

13 S1Q 14 13 K1 M 14

A1 K1M A2 N A

C

1 3

Figura 3.65. Esquema de mando.

Funcionamiento Al accionar el pulsador S1Q, se activa la bobina K1M, y, por tanto, todos sus contactos asociados (cierra todos sus contactos abiertos y abre los cerrados), con lo que el motor M1M se pone en funcionamiento. La diferencia con el circuito anterior se basa en el contacto abierto del contactor K1M, conectado en paralelo con el pulsador de marcha; lo que permite que, una vez hayamos eliminado la presión sobre el pulsador, el motor siga funcionando, pues la tensión de alimentación llegará a la bobina a través de su propio contacto abierto. Por eso este contacto es conocido como “contacto de reposición”.

60

Esquemas de automatismos

Automatismo Eléctrico

03

Otra de las diferencias que se establecen con el circuito anterior es el pulsador de paro, que ahora sí tiene alguna función que cumplir, ¿cómo si no, podríamos interrumpir la corriente que llega a la bobina? Efectivamente, en todos los circuitos intercalamos al principio un pulsador de paro, que consiste en un contacto normalmente cerrado en reposo, por lo que, hasta que no es activado, no abre el circuito, desactivando así la bobina o las bobinas que hubiese en funcionamiento. También podemos emplear el siguiente esquema de mando que incluye el circuito auxiliar de señalización: 2 1

50 Hz 220 V

1

50 Hz 24 V

3

4

5

L1 F3F 1L1 F4F 95

97

96

98

F2F

23 K1 M 24

11 S0Q 12

13 S1Q 14 13 K1 M 14 X1

A1 H1H

K1 M A2

N

X1 H2H

X2

X2

F5F A

C

1 3 5

Figura 3.66. Esquema de mando con auxiliar de señalización.

Esquemas de automatismos

61

Formación Abierta

3.5.3.

Puesta en marcha de un motor desde dos puntos 3

1

50 Hz 380 V

L1 L2 L3

F1F

1

3

5

2

4

6

1

3

5

2

4

6

K1 M

F2F

PE U

M1M

V

W

M 3 ~

Figura 3.67. Esquema de potencia.

62

Esquemas de automatismos

Automatismo Eléctrico

2 1

50

3

03

4

Hz 220 V

L1 F3F 95 F 2F 96

11 S0Q 12 11 S1Q 12

13

13 S2Q

S3Q 14

14 13 K1 M 14

A1 K1M A2 N A

C

1 4

Figura 3.68. Esquema de mando.

Funcionamiento Es el mismo que el del esquema anterior, pero con la diferencia de que añadimos un pulsador de paro en serie con el que teníamos, S1Q, y uno de marcha en paralelo, S3Q.

Esquemas de automatismos

63

Formación Abierta

3.5.4.

Inversión sin pasar por paro 1 L1 L2 L3

3

2

50Hz 380V

F1F

1 3 5 K1B

1 3 5 K2B

2 4 6

1 3 5 F2 F 2 4 6 PE U V W M1M

M 3 ~

Figura 3.69. Esquema de potencia.

64

Esquemas de automatismos

2 4 6

Automatismo Eléctrico

3 1

50Hz

4

5

03

6

220V

L1 F3F 95 F 2F 96 21 S0Q 22

21

21

S2B 22

22

S1B

13

13

S1B 14

14

S2B 13

13 K1B

K2B 14

14

21 K2B

21 K1B

22

22

A1 K1B

A1 K2B

A2

A2

N A

C

A

C

1 4

5

2 6

3

Figura 3.70. Esquema de mando.

Esquemas de automatismos

65

Formación Abierta

1

3

50 Hz 220 V

4

L1 F3F 95 F 2F 96

D O

I

S1B

21 K2B

21 K1B

22

22

A1 K1B

A1 K2B

A2

A2

N A

C

A

C

1

4

2

3

Figura 3.71. Esquema de mando accionado por selector.

66

Esquemas de automatismos

Automatismo Eléctrico

1

50 Hz 220 V

3

4

5

6

7

03

8

L1 F3F 95 F 2F 96 11 S0Q 12

11

11

S2B

S1B 12

12 S1B

13

23

14

23

13

S3B 24

S4B

S2B

14

24

13

13

K1B

K2B 14

14

21 S4B

21 S3B

22

22

21

21

K2B

K1B 22

22

A1 K1B

A1 K2B

A2

A2

N A

C

A

1 4

6

2 7

C 3

Figura 3.72. Esquema de mando accionado por pulsadores y finales de carrera

Esquemas de automatismos

67

Formación Abierta

Funcionamiento En el primer esquema de mando, y siempre a través del contacto cerrado del relé térmico de protección, se han utilizado aparte del pulsador de paro, uno de marcha izquierda y otro de marcha derecha de doble cámara; esto es, cada pulsador posee un contacto abierto y otro cerrado, y la línea discontinua que les une significa la unión mecánica de ambos. En paralelo con cada contacto abierto del pulsador correspondiente conectamos el contacto de reposición (un auxiliar del contacto principal), y la alimentación de la bobina no es posible si no se encuentra cerrado el contacto de la otra que hemos detectado y que se denomina contacto de enclavamiento. Al accionar el pulsador S2B, conseguimos establecer la alimentación de la bobina K2B, al tiempo que impedimos que se pueda poner en marcha la otra bobina, y viceversa. Aunque accionemos S1B y S2B al mismo tiempo, nunca "entrarán" las dos bobinas a la vez, todo lo contrario, no se conectará ninguna. El segundo esquema, basado en un selector, es menos complejo debido a la propia naturaleza del contacto a realizar. Entra uno o entra otro sentido de giro. Por precaución se han conectado los contactos de enclavamiento. Por último, el esquema accionado por pulsadores marcha - paro (MP) y finales de carrera (FC) nos ofrece la posibilidad (empleando pulsadores de doble cámara o contacto y finales de cámara de las mismas características) de accionar, mediante el pulsador, el sentido de giro y que el motor pare cuando llegue a un punto concreto delimitado por el final de carrera. Podrás observar mirando atentamente el esquema que nunca pueden conectarse al mismo tiempo. Esta última instalación es muy empleada, como se podrá observar a lo largo de este tema.

68

Esquemas de automatismos

Automatismo Eléctrico

3.5.5.

03

Inversión pasando por paro 1 3

50Hz

2

380V

L1 L2 L3

F1F

1

3

5

K1B

1

3

5

2

4

6

K2B 2

4

6

1

3

5

2

4

6

U

V

W

F2F

PE

M1M

M 3 ~

Figura 3.73. Esquema de potencia.

Esquemas de automatismos

69

Formación Abierta

3 1

50Hz

4

5

6

220 V

L1 F3F 95 F 2F 96 11 S0Q 12

21

21

S2B 22

22

S1B

13

13

S1B 14

S2B

14

13

13

K1B

K2B 14

14

21 K2B

21 K1B

22

22

A1 K1B

A1 K2B

A2

A2

N A

C

A

C

1 4

5

2 6

3

Figura 3.74. Esquema de mando.

70

Esquemas de automatismos

Automatismo Eléctrico

03

Funcionamiento El esquema es idéntico al anterior, con la única diferencia de que el contacto de reposición no está en paralelo con el pulsador de marcha solamente, sino que al mismo tiempo establece la conexión en paralelo con el contacto cerrado del pulsador contrario.

3.5.6.

Inversión temporizada a la conexión 1 L1 L2 L3

3

2

50Hz 380V

F1F

1 3 5 K1B

1 3 5 K2B

2 4 6

2 4 6

1 3 5 F2 F 2 4 6 PE U V W M1M

M 3 ~

Figura 3.75. Esquema de potencia.

Esquemas de automatismos

71

Formación Abierta

3 1

50Hz

4

5

6

7

220V

L1 F3F 95 F 2F 96 11 S0Q 12

13

33 17

K1B

S1B

34

14

K3T

13

18 13

K1B

K2B 14

14

25 K3T

21 K2B

26

K1B 22

A1 K1B

21

22

A1

A1 K2B

K3T A2

A2 A2

N A

C

A

C

1 4 5

6

2 7

5

Figura 3.76. Esquema de mando.

72

Esquemas de automatismos

Automatismo Eléctrico

03

Funcionamiento Por lo frecuente de su uso hemos creído conveniente realizar esta instalación, con el objeto de aclarar el funcionamiento del temporizador a la conexión. Un temporizador está compuesto, como sabemos, de una bobina y dos contactos asociados, uno cerrado y otro abierto. En el caso de los temporizadores a la conexión, ésta se realiza cuando transcurre el tiempo que hemos regulado, y los contactos cambian su posición. Así, observamos que al accionar S1B llega tensión a la bobina K1B a través del contacto K3T del temporizador, que, al estar cerrado, permite que se active y, además de reponerse con su contacto auxiliar 13-14, alimenta la bobina del temporizador K3T para que éste se ponga en funcionamiento. Una vez transcurrido el tiempo prefijado, se conmutan los contactos del temporizador, interrumpiendo el paso de la corriente a la bobina K1B y estableciéndolo en la bobina K2B. Las aplicaciones en las que se pueden emplear estos temporizadores son innumerables.

3.5.7.

Inversión temporizada a la desconexión 1 3

2

50Hz 380V

L1 L2 L3

F1F

1 3 5 K1B

1 3 5 K2B

2 4 6

2 4 6

1 3 5 F2 F 2 4 6 PE U V W M1M

M 3~

Figura 3.77. Esquema de potencia.

Esquemas de automatismos

73

Formación Abierta

3 1

50 Hz

4

5

6

220 V

L1 F3F 95 F 2F 96 11 S0Q 12

13 13

S1B

13

K1B

14

17

K2B 14

14

K3T 18 21 K1B 22

25 K3T 26

A1

A1 K1B

K3T

A1 K2B

A2

A2

A2 N A 1 5

C 3

A

C

2 6

Figura 3.78. Esquema de mando.

Funcionamiento En este caso, los contactos del temporizador cambian su posición nada más alimentar la bobina del mismo, y vuelven a su posición de reposo una vez transcurrido el tiempo prefijado por nosotros.

74

Esquemas de automatismos

Automatismo Eléctrico

3.5.8.

03

Instalación de una puerta eléctrica 1 3

50Hz

2

380V

L1 L2 L3

F1F

1

3

5

K 1M

1

3

5

2

4

6

K 2M 2

4

6

1

3

5

2

4

6

F2F

PE U

V

W

M M1M

3 ~

Figura 3.79. Esquema de potencia.

Esquemas de automatismos

75

Formación Abierta

3 1

4

50Hz

5

6

220V

L1 F3F 95 F 2F 96

13 K1 M

13

S1Q

S2Q

14

ARRIBA

13 K2 M

14

14

11

11

S3

14

ABAJO

S4 12

12

21

21

K2 M

13

K1 M 22

K1 M

22

K2 M

N A

C

A

C

1 3

5

2 6

4

Figura 3.80. Esquema de mando simple.

Funcionamiento La última revisión de inversión de sentido de giro sin pasar por paro, en la cual se empleaban no sólo pulsadores, sino finales de carrera, podemos utilizarla en una aplicación bastante frecuente como la puerta de un garaje.

76

Esquemas de automatismos

Automatismo Eléctrico

03

A través del contacto cerrado del relé térmico alimentamos a los pulsadores S1Q (exterior) y S2Q (interior), que tienen a su vez conectados en paralelo sus contactos de reposición, y, al mismo tiempo, están conectados entre sí con el propósito de que la puerta se pueda activar instantáneamente desde el interior o el exterior, situación que vendrá determinada por los finales de carrera arriba - abajo. Este esquema no contempla la posible avería o fallo de red en el momento en que la puerta no esté pulsando uno de los dos finales de carrera, con lo que será una maniobra incompleta. 3 1

4

50Hz

5

6

7

220V

L1 F3F 95 F 2F 96

13

13 S1

K1 M 14

13

13 S2

K2 M

14

14

14

11 S5 12

14

11 S3

11 S4 12

12 21 K2 M

21 K1 M

22

K1 M

22

K2 M

N A

C

A

C

1 3

6

2 7

4

Figura 3.81. Esquema de mando con conmutador.

Esquemas de automatismos

77

Formación Abierta

Funcionamiento Para solucionar el problema comentado en el anterior esquema, hemos instalado un conmutador con enclavamiento en las dos posiciones, de tipo “final de carrera de rodillo”. Si seguimos el esquema, observamos que al accionar cualquiera de los dos pulsadores S1 o S2, "pasa corriente" a uno de los dos circuitos de subida - bajada, dependiendo de la posición del conmutador, al que la puerta acciona a su paso por el mismo. Los finales de carrera tienen la misión de evitar que la puerta se accione accidentalmente, en caso de una manipulación inadecuada del conmutador. 3 1

4 50Hz

5

6

7

8

220V

L1 F3F 95 F 2F 96

13 K 3 T

13 K1 M

13

17

S1

S2 14

14

13 K2M

14

18

S3 14

11 S5 12 14

21 S3

11 S4

22

12

21 K2 M

21 K1 M

22

K1 M

22

K2 M

K3T

N A

C

A

C

1 3

6

2 7

4

Figura 3.82. Esquema de mando con temporizador.

78

Esquemas de automatismos

13

14

Automatismo Eléctrico

03

Funcionamiento En este circuito añadimos un temporizador que tiene la misión de hacer bajar la puerta transcurrido un tiempo. Esto se logra gracias al contacto abierto que hemos conectado en paralelo con los dos pulsadores, interior-exterior.

2 4 6

Puente grúa de tres movimientos

M 3~

2 4 6

PE

F6 F

M3M

U V W

2 4 6

1 3 5

K5M 2 4 6

PE

F5 F

M2M

M 3~

U V W

2 4 6

1 3 5

K3M

M 3~ M1M

U V W

2 4 6 PE

F4 F

1 3 5

2 4 6 K1M

F1F

1 3 5

2 4 6 K7M

1 3 5

L1 L2 L3

3

50Hz 380V

1

K2M

2

1 3 5

F2F

3

1 3 5

2 4 6

K4M

4

1 3 5

F3F

5

1 3 5

2 4 6

K6M

6

1 3 5

3.5.9.

Figura 3.83. Esquema de potencia.

Esquemas de automatismos

79

80

Esquemas de automatismos

N

L1

Figura 3.84. Esquema de mando. 12

14 11

13

F 4F

12

SUBIDA

K1M

K2M

S7Q

S1Q

SOQ

11

50Hz 220V

F10 F

1

12

CARRO IZQUIERDA

K3M

12

12 11

14 11

12 K4M

S9Q

S3Q

13

F 5F

11

14 11

13

BAJADA

K2M

K1M

S8Q

S2Q

96

95

12

11

12

14 11

13

CARRO DERECHA

K4M

K3M

S10Q

S4Q

96

95

12

11

12

14 11

13

96

12

11

12

14 11

13

K7M

S10Q

TRASLACIÓN DERECHA

K6M

K5M

S12Q

S6Q

TRASLACIÓN IZQUIERDA

K5M

K6M

S11Q

S5Q

F 6F

95

24

23 K7M

14

13

Formación Abierta

Automatismo Eléctrico

03

Funcionamiento El circuito consta de tres inversiones:



Gancho subida – bajada.



Carro izquierda – derecha.



Puente adelante – atrás.

Hemos añadido el contacto K7M, que tiene la misión de cortar, mediante el final de carrera S10Q, la corriente la subida y la bajada del gancho en el circuito de potencia, en el caso de que por alguna razón el final de carrera fallara.

3.5.10. Arranque estrella-triángulo 3

1

50 Hz 380 V

2

3

L1 L2 L3

F1F

1

3

5

1

K1 M

3

5

K3 M 2

4

6

1

3

5

2

4

6

1

3

5

2

4

6

K2 M 2

4

6

F2F

P E W1

W2

V1

M

V2

U1

3 ~

U2

M1M

Figura 3.85. Esquema de potencia.

Esquemas de automatismos

81

Formación Abierta

4 1

5

6

7

8

9

50 Hz 220 V

L1 F3F 95 F2 F 96

11 S0 A 12

13

S1A

13

14 K1M

14 13 K2 M

14 25 K4T

17 K 4T

26

18

11

21

K3 M

K2 M 12

A1

22

A1 K2 M

K4T

A1 K3 M

A2

A1 K1 M

A2

A2

A2

N A

C

A

C

A

7

5

3 8

7

2

C 5

A

C

1 6 9

Figura 3.86. Esquema de mando accionado por pulsadores. Variante A.

82

Esquemas de automatismos

23

K1 M 24

Automatismo Eléctrico

4 1

5

6

7

8

03

9

50 Hz 220 V

L1 F3F 95 F 2F 96

11

S0A 12 13

S1A 14 21

13

33

22

14

34

K1M 33

13

21

34

14

22

K2M 11

K3M 12

15

K4T 16

A1

A1

K2M

K4T

A1

K1M

A2

A1

K3M

A2

A2

A2

N A

C

A

C

A

C

A

C

5

3 6 7

9

1 8 9

5

2

5

Figura 3.87. Esquema de mando accionado por pulsadores. Variante B.

Esquemas de automatismos

83

Formación Abierta

4 1

50Hz

5

6

7

8

9

220V

L1 F3F 95 F 2F 96

13 S0A 14

13 K2 M

K1 M 14

25 K 4T

17 K 4T

26

18 21

11 K3 M

K2 M 12

A1

22

A1 K2 M

K4T

A1 K3 M

A2

A1 K1 M

A2

A2

A2

N A

C

A

C

A

C

A

C

7

5

3 8

7

2

5

1

9

Figura 3.88. Esquema de mando accionado por interruptores. Variante A.

84

Esquemas de automatismos

13

14

Automatismo Eléctrico

4 1

5

6

7

8

03

9

50 Hz 220 V

L1 F3F 95 F 2F 96

13 S0A 14

11

23

33

24

34

K1 M 12 13

23

31

14

24

32

K2M

11 K3 M 12

15 K 4T 16

A1

A1 K2 M

K4T

A1 K1 M

A2

A1 K3 M

A2

A2

A2

N A

C

A

C

A

C

A

C

5

3 6 7

9

1 8 9

5

2

5

Figura 3.89. Esquema de mando accionado por interruptores. Variante B.

Funcionamiento En la maniobra tratamos de establecer una conmutación entre dos contactores, dejando en funcionamiento el tercero. Para la conexión en estrella tenemos los contactores K1M y K2M, siendo los de conexión en triángulo K1M y K3M.

Esquemas de automatismos

85

Formación Abierta

Es de suma importancia en esta instalación que los contactores K2M y K3M nunca puedan conectarse al mismo tiempo, pues provocaríamos un cortocircuito entre las tres fases de alimentación, destruyendo los contactos del circuito.

Es de observar que en este circuito la bobina del temporizador está continuamente alimentada. Esto es algo perjudicial para su correcto funcionamiento y poco práctico, ya que el temporizador sólo es necesario para establecer la conmutación; una vez realizada ésta, debería estar desconectado.

En la versión de pulsadores de la variante B, observamos que el temporizador deja de ser alimentando una vez establecida la conmutación. En la variante A accionada por interruptores, tenemos el mismo problema que en la variante A con pulsadores, defecto que se corrige en la versión B.

3.5.11. Arranque estrella-triángulo con inversión 3

1

50 Hz 380 V

2

3

L1 L2 L3

F1F

1

3

5

K1 M

1

3

5

K2 M 2

4

6

2

4

6

1

3

5

1

3

5

F2F 4

6

2

4

6

P E W1

W2

V1

M

V2

U1

3 ~

U2

M1M

Figura 3.90. Esquema de potencia.

86

Esquemas de automatismos

3

5

2

4

6

K4 M

K3 M 2

1

Automatismo Eléctrico

4 1

5

6

7

8

9

03

10

50Hz 220V

L1 F3F

95 F 2F 96 11 S0A 12 13 S1A

13 S2A

14

13 K1M

13 K2M

14

14

14 33

17

25 K5A

K4M 26

18

21 K1M

13 K4M

22

44

21

21

21

22

44

S1A 22

K4M

43 K2M

34 S2A

14

21 K2M

43 K1M

22

31 K2M

22

31 K1M

32

32

11 K3M 12

A1

A1 K4M

K5A A2

N

A1 K3M

A1 K1M

A2

A1 K2M

A2

A2

A2

A

C

A

C

A

C

A

C

A

C

7

5

3 6 8

7

2

5

1 7 9

5 9

2 8 10

5 8

Figura 3.91. Esquema de mando accionado por pulsadores.

Esquemas de automatismos

87

Formación Abierta

4 1

5

6

7

8

9

10

50 Hz220V

L1 F3F

95 F 2F 96

DO I S1A 25

33

17

K5A

13

K4M 26 21

K1M

K1M 34

18

13 K2M

14

14

13 K4M

22 21 K2M

S1A

14 21 K4M

22

22

31 K2M

11

31 K1M

32

32

K3M 12

A1

A1 K4M

K5A A2

N

A1 K3M

A1 K1M

A2

A1 K2M

A2

A2

A2

A

C

A

C

A

C

A

C

A

C

7

5

3 6 8

7

2

5

1 9

5 9

2 10

5 8

Figura 3.92. Esquema de mando accionado por selector.

Funcionamiento En este caso el temporizador tiene la característica de ser a la conexión desconexión, actuando el contacto de la línea 5 como desconexión y el de la línea 7 como conexión, tal y como marcan los símbolos. Al pulsar S1A, el temporizador cierra su contacto abierto de la línea 5, haciendo que le llegue tensión a la bobina del contacto K4M, que es el encargado de efectuar la conexión estrella en un sentido de giro o en otro, dependiendo de si pulsamos al inicio S1A o S2A. El paso de estrella a triángulo se realiza automáticamente al conmutarse los contactos del temporizador, una vez transcurrido el tiempo prefijado. En este esquema se pone en evidencia que los números que señalizan las diferentes líneas del circuito vienen de maravilla a la hora de poder explicar la instalación a una tercera persona, por ejemplo, nuestro ayudante o cualquier compañero. En la versión de selector el funcionamiento es el mismo, pudiéndose escoger con el selector el sentido de giro.

88

Esquemas de automatismos

Automatismo Eléctrico

03

3.5.12. Dos velocidades con bobinados separados 1 3

2

50Hz 380V

L1 L2 L3

F1F

F2F

1

3

5

K 1M

1

3

5

K 2M 2

4

6

2

4

6

1

3

5

1

3

5

2

4

6

F3F

F 4F 2

4

6 PE 1W 1V 1U

2U M 3 ~

2V 2W

M1M

Figura 3.93. Esquema de potencia.

Esquemas de automatismos

89

Formación Abierta

3 1

4

5

6

50 Hz 220 V

L1 F5F

95 F 3F 96 95 F 4F 96 11 S0 Q 12 21 S2 Q

21 S1Q

22

22

13

13

S1 Q

S2Q 14

14 13

13

K1 M

K2M 14

14

21 K2 M

21 K1 M

22

22

A1

A1

K1 M

K2 M A2

A2

N A

C

A

C

1 4

5

2 6

3

Figura 3.94. Esquema de mando accionado por pulsadores.

90

Esquemas de automatismos

Automatismo Eléctrico

1

3

50 Hz 220 V

03

4

L1 F5F 95 F 3F 96 95 F 4F 96

I

O II

S1 Q

21 K2 M

21 K1 M

22

22

A1

A1

K1 M

K2 M A2

A2

N A

C

A

C

1

4

2

3

Figura 3.95. Esquema de mando accionado por selector.

Esquemas de automatismos

91

Formación Abierta

Funcionamiento Nada más fácil, al ser dos bobinados separados, cuando hacemos llegar tensión al contactor K1M entra la 1ª velocidad del motor, y cuando se produce la conmutación manual o automática desactivamos K1M y activamos K2M y K3M, entrando la 2ª velocidad.

En un motor con devanados separados podemos escoger las r.p.m. de cada velocidad. En un motor de tipo Dahlander las velocidades están en relación 1:2.

3.5.13. Dos velocidades conexión Dahlander 3

50Hz

1

380V

2

3

L1 L2 L3

F2F

F1F

1

3

5

1

K3 M

3

5

K1 M 2

1

4

3

6

F 4F

4

6

1

3

5

2

4

6

F3F 2

4

6 P E U2 V2 W2

W1 M 3 ~

V1 U1

M1M

Figura 3.96. Esquema de potencia.

92

Esquemas de automatismos

3

5

2

4

6

K2 M 2

5

1

Automatismo Eléctrico

4 1

5

6

7

03

8

50 Hz 220 V

L1 F5F 95 F 3F 96 95 F 4F 96 11 S0Q 12 11 S2Q

11 S1Q

12

12

23

23

S1Q

S2Q 24

24 13

13

K1 M

K2M 14

14

11 K3 M

21 K1 M

12

22

21

33

K2 M

K2 M 22

34

A1 K1 M

A1 K2 M

A1 K3 M

A2

A2

A2

N A

C

A

C

A

C

2 5

6

3 7 8

4

1

4

Figura 3.97. Esquema de mando. Versión A.

Esquemas de automatismos

93

Formación Abierta

1

50Hz

220V

4

5

6

7

8

L1 95

F5F F3F

96 95 F 4F 96 11 SOQ 12 13

13 S1 M

23

K1 M

K3M 14

14

13

24

14 21

11 S2 M

K1 M 12

22

21 K3 M 22

A1

K1 M

A1

A2

K2 M

A2

A1

K3 M

A2

N A

C

A

2 5

8

3

C

ESQUEMA LÁMPARAS K1 M

H1H

K2 M

H2H

K3M

H3H

N

Figura 3.98. Esquema de mando. Versión B.

94

Esquemas de automatismos

A

C

1 7

4

N L1 L2 L3

M1M

F3F

K1M

F1F

1

U2 V2W2

M 3~

W1 V1 U1

2 4 6

1 3 5

2 4 6 5 3 1

1 3 5

50Hz 380V

14 22

13 21 A2

A1 K2M 2 4 6

1 3 5

2

14

13 A2

A1

F4F

K3M

F2F

2 4 6

1 3 5

2 4 6

1 3 5

3

12

11 A2

A1

13

11

S0Q 12 14 12 S1M S2M

11

24

23

96

95

96

95

F5F

50Hz 220V

Automatismo Eléctrico

Esquemas de automatismos

03

Figura 3.99. Esquema de usuario. Versión B.

95

Formación Abierta

1

50 Hz 220 V

4

5

6

7

8

9

10

L1 95

F5F F3F

96 95 F4F 96 11 SOQ 12 13 S1Q

K1 M 14

K4T 14

13 K4T

37

14

38

13 K2 M 14

25 K4T 26 21

11 K3 M

K1 M

K2 M

12

A1

K1 M

A1

A2

A2

K2M

21

22

22

A1

A1

A2

K3 M

K4T

A2

N A

C

A

C

A

C

A

C

1 5

9

2 8

10

3

4

6 7

4

ESQUEMA LAMPARAS

K1M

H1H

K2M

H2H

K3 M

H3H

K4 M

H4H

N

Figura 3.100. Esquema de mando. Versión C

96

Esquemas de automatismos

N L1 L2 L3

3

M1M

F2 F

K1M

F1F

14 22

13 21

U2 V2W2

M M 3~

W1 V1 U1

2 4 6

1 3 5

2 4 6 5 3 1

1 3 5

1 50Hz 380V

A2

A1 K2M 2 4 6

1 3 5

2

K3M

F4F

14 22 A2

13 21 A1

F2F

2 4 6

1 3 5

2 4 6

1 3 5

3

12

11 A2

A1 14

13 38

37

26 K4T

25

A2

A1

13 12 14 S0Q SIQ

11

95

95 96

96

F5F

50Hz 220V

Automatismo Eléctrico

Esquemas de automatismos

03

Figura 3.101. Esquema de usuario. Versión C.

97

Formación Abierta

1

4

50 Hz 220 V

5

6

7

8

9

L1 95

F 5F F 3F

96 95 F 4F 96 11 SO 12 13 SI

13 K1 M

14

33 K 2M

14

34

21 K 2M

13 K3M

13 SII

14

14

21 K1 M

13 K 2M

33 K1 M

22

22

34

21 K3 M 22

K1 M

K3 M

K 2M

N A

C

A

C

A

C

2

6

1

4

3

4

5

7

8

6 9

Figura 3.102. Esquema de mando. Versión D.

Es necesario pasar por la primera velocidad para llegar a la segunda, y pasar por paro para conectar.

98

Esquemas de automatismos

14

Automatismo Eléctrico

03

Funcionamiento Podrá observar que le hemos ofrecido un montón de opciones y de variantes en esta instalación; esto no es una perogrullada: tiene su razón de ser; este tipo de instalación se emplea en la industria muy frecuentemente y puede caer en sus manos infinidad de esquemas diferentes, que tienen como finalidad la misma aplicación. Hay que destacar que en la 1ª velocidad conectaremos K1M y quedando abierto el devanado U2-V2-W2; en la 2ª velocidad conectamos evidentemente este devanado y cerramos en estrella el compuesto por W1-V1-U1. Como es natural, tenemos que tomar todas las precauciones para que cuando "entre" K2M, esté desconectado K1M, para no producir un cortocircuito que podríamos denominar "La traca Tudela" realizada por la empresa "Unión Explosivos Riotinto". Por lo demás, la instalación es sumamente sencilla y la única pega que nos podemos encontrar es confundir el esquema de potencia con el correspondiente estrella-triángulo. Precisamente para evitar este fallo están las siglas y nomenclaturas empleadas para las salidas de las bobinas que ya estudiamos en el tema 1. En caso de que no estén marcadas las siglas, o nos encontremos con que tenemos que instalar un motor y no sabemos si es normal o de velocidades, ¿cómo distinguir un motor normal con las 6 salidas en la placa, de un motor de dos velocidades? Sencillo: sabemos que en un motor normal las bobinas están ubicadas de la siguiente forma:

U1 V1 W1

W2

U2 V2

Figura 3.103. Conexión interior bobinas motor.

y que si utilizamos el polímetro entre los extremos de una bobina en la posición de continuidad, éste emitirá una señal sonora. Si el motor es de dos velocidades, las bobinas estarán conectadas como sigue:

Esquemas de automatismos

99

Formación Abierta

U1 V1 W1

W2 U2 V2

Figura 3.104. Conexión interior bobinas motor dos velocidades.

Por lo que si efectuamos la misma medición anterior, en este caso el polímetro no emitirá señal sonora alguna.

3.5.14. Permutación de motores L1 L2 L3

3

50Hz 380V

1

F1F

2

F2F

1 3 5 K1M

1 3 5 K2M

2 4 6

2 4 6

1 3 5

1 3 5

F3 F

F4 F 2 4 6

PE

M1M

U V W

M 3 ~

2 4 6 PE

M2M

Figura 3.105. Esquema de potencia.

100

Esquemas de automatismos

U V W

M 3 ~

Automatismo Eléctrico

3 50 Hz220V

1

4

5

6

7

8

03

9

L1 F5F S1A MO A

13 B5N P 14

21 K1A

13 K1M

22

13 K1A

14

13 K2M

14

23

23

K1M 14

K2M 24

24

31 K2M 32 95

97

96

98

F 3F

A1 K1M

A1 K2M

A2

N A

C

1 5 8

A1 B1 K1A A2-B2

A2 A

C

A

C

2 7 9

3

6

3

Figura 3.106. Esquema de mando.

Funcionamiento En primer lugar tenemos que indicar que el contactor K1A no es otra cosa que un relé biestable o de memoria, que en nuestro caso se puede sustituir por un telerruptor o dos contactos auxiliares, empleando en uno de ellos un contacto cerrado y en el otro uno abierto. Este tipo de instalación tiene muchas variantes dependiendo de la aplicación que se le dé, puesto que también se podría emplear para instalaciones de emergencia. Lo que se pretende con este montaje es que de una forma manual "M", se conecta siempre el motor MIM, que solamente en caso de avería por sobreintensidad conmutaría al otro motor, M2M. En la posición del selector S1A en "A" automática, será el presostato B5N el que establezca la necesidad de entrada de la bomba correspondiente, siendo el resto del funcionamiento idéntico a lo anteriormente comentado.

Esquemas de automatismos

101

Automatismo Eléctrico

03

Resumen Se ha estudiado la simbología necesaria para la realización de un sistema de automatismo se representan en un esquema. El esquema de control o mando se elaboran las ordenes necesarias para la ejecución del proceso en función de los captadores de señal y de la información que nos da el propio proceso. El esquema de potencia efectúa las operaciones ejecutando las ordenes que proporciona el esquema de mando. Todos los elementos que componen el esquema tienen que estar totalmente definidos por su símbolo, identificación y marcado de bornes. Para completar la información de cualquier esquema se pude añadir una leyenda y las referencias cruzadas de cada uno de los elementos (contactores, temporizadores). Cualquier automatismo tendrá una característica combinacional, es decir, depende de las señales que recibe de los captadores y secuencial que depende de esas señales y además del instante en el que se encuentra el proceso. Planteamiento de los distintos esquemas de mando (función memoria, temporización) y después las aplicaciones concretas para el arranque y su protección (inversión de giro, estrella triángulo) y conexión Dahlander (motor de dos velocidades).

Esquemas de automatismos

103

04

Automatismo Eléctrico

Generalidades autómatas programables PLC

Automatismo Eléctrico

04

Índice OBJETIVOS ........................................................................................................ 3 INTRODUCCIÓN ................................................................................................. 4 4.1. Conceptos básicos .................................................................................... 5 4.1.1. El interruptor como bit (unidad elemental de información) .................. 5 4.1.2. El interruptor como parte de una instrucción u orden ........................... 7 4.2. Transición de la lógica cableada a la lógica programada....................... 8 4.2.1. La lógica cableada ............................................................................... 8 4.2.2. Traducción de circuitos eléctricos en listas de instrucciones ................ 9 4.2.3. La lógica programable ....................................................................... 12 4.3. Partes y funcionamiento de un autómata programable genérico ........ 16 4.3.1. Estructura externa ............................................................................. 16 4.3.2. Estructura interna .............................................................................. 17 4.3.2.1. La memoria ................................................................................. 18 4.3.2.2. Las distintas zonas de memoria del autómata ............................. 25 4.3.3. Tipos de memoria .............................................................................. 29 4.3.3.1. Memoria ROM (read only memory o memoria de solo lectura) .... 29 4.3.3.2. Memoria RAM (Random access memory o memoria de acceso aleatorio)......................................................................... 30 4.3.4. Un vistazo al interior del autómata ..................................................... 31 4.3.5. Organización interna de los autómatas .............................................. 32 4.4. Funcionamiento interno del autómata genérico.................................... 37 RESUMEN......................................................................................................... 45

Generalidades autómatas programables PLC

1

Automatismo Eléctrico

04

Objetivos Introducir conceptos como bit e instrucción. Comprobar que todo circuito eléctrico cableado puede convertirse en una lista de instrucciones, y por tanto, en un programa de autómata. Descubrir las partes y funcionamiento de un autómata.

Generalidades autómatas programables PLC

3

Formación Abierta

Introducción Tenemos la intención de presentar los autómatas programables de forma que la introducción a los mismos resulte sencilla para aquellos que estén acostumbrados a los automatismos eléctricos. Las definiciones que debemos conocer irán apareciendo de forma gradual a medida que se vayan requiriendo. Hubiera sido muy sencillo esquematizar la estructura de un autómata, pero pensamos que es más didáctico e interesante plantearnos los problemas a resolver (una automatización por ejemplo), e intentar desglosar los procedimientos que realizaríamos de hacerlo manualmente, y ver a partir de aquí, qué requisitos debería cumplir un dispositivo que lo hiciera por nosotros.

4

Generalidades autómatas programables PLC

Automatismo Eléctrico

04

4.1. Conceptos básicos Cuando vemos un interruptor, o un contacto auxiliar de un contactor, estamos acostumbrados a pensar en el mismo como algo que permite o no el paso de la corriente eléctrica, y en función de esto, activar o desactivar distintos elementos.

Figura 4.1. Circuito eléctrico. Activar, desactivar.

Al hablar de automatización industrial, y en concreto de autómatas programables, necesitamos introducir nuevas concepciones, aunque en esencia sean lo mismo. Presentamos dos nuevas formas de pensar en un interruptor: La primera, como unidad elemental de información o “bit”, que permitirá introducirnos en el mundo digital, el mundo de los autómatas al fin y al cabo. La segunda, como algo que puede convertirse en parte de una instrucción u orden, que nos ayudará a realizar la transición entre la lógica cableada (aquella que hemos venido usando habitualmente) y la lógica programable.

4.1.1.

El interruptor como bit información)

(unidad elemental de

Parece obvio que un interruptor en condiciones normales sólo es capaz de estar en dos posiciones: conectado o desconectado. En principio, sólo nos interesan las acciones que pueda desencadenar su estado (p. ej. la conexión o desconexión de un motor), no pensamos en la información que nos está proporcionando. Tabique

Tabique

ON

ON

OFF

OFF

Figura 4.2. Conexión y desconexión del motor.

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5

Formación Abierta

Si desestimamos posibles fallos en la instalación eléctrica (nadie es perfecto), bastaría con mirar el interruptor del motor; en una posición, el motor estaría conectado, y en otra desconectado.

Cualquier cosa que solamente pueda tener dos estados distintos, puede considerarse como una unidad elemental de información ó bit.

Podemos pensar en un interruptor como algo capaz de almacenar una información de un bit, siendo sus dos estados posibles: Desactivado

Estado “0”

Activado

Estado “1”

Bit a “0”

Bit a “1”

Figura 4.3. Estados posibles de 1 bit.

Para simplificar el asunto a la hora de escribir, diremos que el interruptor o bit, está a “0” cuando no permite el paso de la corriente eléctrica, y a “1” cuando permite el paso de la misma.

6

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Automatismo Eléctrico

4.1.2.

04

El interruptor como parte de una instrucción u orden

Que cualquier circuito de mando tenga un pulsador de marcha es algo que se da por supuesto, y a nadie se le pasa por la cabeza preguntarle al cliente o jefe si quiere que presionando el mismo, el proceso se ponga en funcionamiento.

S1

K1M

Figura 4.4. El interruptor como parte de una instrucción.

Nosotros lo expresaremos de varias formas con el ejemplo anterior de interruptor y motor.



La primera. Dándole al interruptor, debe ponerse en marcha el motor.



La segunda. Cuando S1 esté activado, deberá activarse el motor.



La tercera. Si S1 está a “1”, el motor deberá ponerse a “1”.



La última. U E 124.1 = A 124.0

Todas quieren decir lo mismo, pero la última es la única que va a entender un autómata.

Prestando atención a la última forma, veremos que hemos conseguido expresar la puesta en marcha de un motor en dos instrucciones; la primera (U E 124.1), evalúa si el interruptor está a “1” ó a “0”, y la segunda (= A 124.0) hace que el estado del motor sea el mismo que el del interruptor.

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7

Formación Abierta

4.2. Transición de la lógica cableada a la lógica programada Como quiera que la mayoría de nosotros provenimos de la automatización clásica, nos será más sencillo en principio convertir un circuito eléctrico en un programa de autómata. Por ello introducimos este apartado.

4.2.1.

La lógica cableada

Cuando hablamos del circuito de mando de una instalación eléctrica, hablamos de algo que consta generalmente de los siguientes elementos:



Sensores o Captadores (un pulsador, un interruptor, final de carrera, Pt100, etc.).



Actuadores (la bobina de un contactor, de una electroválvula).



Elementos auxiliares (relés auxiliares, temporizadores, contactores, etc.).



El cableado (la parte más importante del circuito).

Si queremos diseñar un circuito de mando cableado, estaremos realizando las siguientes etapas: 1. El número de elementos distintos de los que disponemos para realizar el circuito. Si tenemos que montar un circuito con un elevado número de contactos auxiliares, siempre será más sencillo y práctico si contamos además de contactores, con bloques de contactos auxiliares. 2. La forma en que hemos unido (cableado) los distintos elementos para realizar la automatización que el cliente nos ha pedido. 3. Nuestra capacidad para realizar el circuito que cumpla con las especificaciones pedidas, de la forma más simple.

S1

K1M

S0

K1M

Figura 4.5. Esquema marcha-paro.

8

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04

La parte que más nos interesa ahora, en ambos casos, y en concreto en el del circuito eléctrico, es la segunda, esto es, la forma en que hemos cableado los distintos elementos. El cableado es lo que da sentido al circuito, es lo que hace que el automatismo responda ante los sensores tal y como debe hacerlo. En definitiva es el cerebro del circuito y el que manda en el mismo. Sin cableado sólo nos quedan un montón de elementos sin sentido alguno.

4.2.2.

Traducción de circuitos eléctricos en listas de instrucciones

El título de este apartado nos da el paso previo para llegar desde la lógica cableada a la lógica programable. Como ya dejamos entrever en el apartado anterior, los distintos elementos de un circuito eléctrico (sensores, actuadores, etc.) junto con el cableado que las une, tienen una traducción inmediata a una lista de instrucciones. Cada elemento generará una instrucción distinta en función de dos cosas: 1. Como es obvio, del elemento que se trate (contacto normalmente abierto, normalmente cerrado, contacto temporizado, si es un sensor o un actuador, etc.). 2. De la localización de dicho elemento dentro del circuito, es decir, de su relación con el resto de elementos (cableado). Empezaremos comentando los dos circuitos más simples, que, a la postre, nos presentarán las instrucciones más básicas de la lógica programable. Ejemplo de traducción de circuito con dos contactos normalmente abiertos en serie Este circuito es el que se utiliza en cualquier máquina cuyo accionamiento puede ser peligroso, como por ejemplo una prensa. Para que la prensa baje, el operario debe pulsar necesariamente dos pulsadores, que están separados lo suficiente como para no poder hacerlo con una sola mano. A continuación veremos el circuito y lo traduciremos a una lista de instrucciones que se parecerá mucho a lo pedido por el cliente.

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Formación Abierta

S1

LISTA DE INSTRUCCIONES SI ESTÁ ACTIVADO S1 Y ESTÁ ACTIVADO S2

S2

ACTIVA K1A

K1A

Figura 4.6. Dos contactos en serie.

En la lista de instrucciones anterior, hemos remarcado en negrita la operación “Y”, más conocida en el mundillo digital como “AND” (del inglés), y que es la que veníamos buscando en este apartado. En alemán se escribe “UND”, y aunque ahora no importe mucho, recordadlo más adelante. La operación AND consulta si se cumplen simultáneamente dos o más condiciones. En el ejemplo propuesto verifica si tanto S1 como S2 están activados, y en función de si es cierto o falso, activa o no la bobina K1A.

Otra “cosita sin importancia” que aprovechamos para presentaros es lo que se ha dado en llamar la TABLA DE LA VERDAD, que muestra todos los valores posibles de cada uno de sus captadores, y el estado en que se encontrarán los actuadores en función de estos.

Para el circuito que nos ocupa sería la siguiente: CAPTADORES

ACTUADORES

S1

S2

K1A

0 (Desactivado)

0 (Desactivado)

0 (Desactivado)

0 (Desactivado)

1 (Activado)

0 (Desactivado)

1 (Activado)

0 (Desactivado)

0 (Desactivado)

1 (Activado)

1 (Activado)

1 (Activado)

Figura 4.7. Tabla de verdad de una función AND.

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04

En ella, podemos comprobar que K1A se activa (1) exclusivamente cuando también lo están S1 y S2. La tabla de la verdad es un valioso instrumento para ciertos circuitos, en concreto para aquellos en los que hay gran cantidad de captores del tipo todo-nada. Mediante la tabla de la verdad conseguiremos las conocidas “ecuaciones lógicas”, y mediante la simplificación de éstas, podríamos llegar a circuitos más simples. Bueno, sigamos con lo nuestro, vamos a definir dos conceptos:



Operación: la acción a realizar.



Operando: el elemento sobre el que se realizará la acción.

Si volvemos al circuito AND, y la lista de instrucciones conseguida, veremos que podemos dividir cada instrucción en Operación y Operando: Instrucción

Operación

Operando

1

SI ESTÁ ACTIVADO

S1

2

Y ESTÁ ACTIVADO

S2

3

ACTIVA

K1A

Figura 4.8. Operación y operando de la lista de instrucciones.

La forma de conectar el circuito nos indican la Operación. Los elementos (contactos, etc.) nos dan el Operando. Ejemplo de traducción de circuito con dos contactos normalmente abiertos en paralelo Queremos encender una bombilla desde dos puntos distintos, de forma que activando cualquiera de los dos contactos lo consigamos. El esquema eléctrico será el siguiente:

S1

S2

LISTA DE INSTRUCCIONES SI ESTÁ ACTIVADO S1 O ESTÁ ACTIVADO S2 ACTIVA L1

L1

Figura 4.9. Dos contactos en paralelo.

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11

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En la lista de instrucciones anterior, hemos remarcado en negrita la operación “O”, más conocida como “OR”. La operación “OR” consulta si se cumple una de dos o más condiciones. En el ejemplo se verifica si S1 o S2 están activadas, y si cualquiera de los dos lo está, activa a L1. CAPTADORES

ACTUADORES

S1

S2

L1

0 (Desactivado)

0 (Desactivado)

0 (Desactivado)

0 (Desactivado)

1 (Activado)

1 (Activado)

1 (Activado)

0 (Desactivado)

1 (Activado)

1 (Activado)

1 (Activado)

1 (Activado)

Figura 4.10. Tabla de verdad de la función OR.

4.2.3.

La lógica programable

La lógica programable, según nos apunta su nombre, será la usada por las “tecnologías programadas” que indicábamos en el tema anterior. Cuando en apartados anteriores hablábamos de un circuito de mando utilizando una tecnología cableada, comentábamos que el mismo constaba de los siguientes elementos:



Sensores o Captadores.



Actuadores.



Elementos auxiliares.



El cableado.

Usando una tecnología programada serán estos:

12



Sensores o Captadores.



Actuadores.



Autómata programable (o dispositivo programable).

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04

Al pasar de una a otra hemos sustituido los elementos auxiliares y el cableado por el autómata programable.

Sensores y actuadores son comunes a ambas tecnologías, salvo que con las tecnologías programadas será más sencillo e inmediato el uso de alguno de ellos. Los elementos auxiliares utilizados en tecnologías cableadas como pueden ser los relés auxiliares, temporizadores y contactores, estarán integrados dentro del autómata. El cableado o la forma en que hemos unido los diferentes elementos de una tecnología cableada es como ya sabemos, lo que hace que el automatismo se comporte como deseamos. Vamos a definir un nuevo concepto: Programa: lista de instrucciones El programa en una tecnología programada será lo que haga que el automatismo se comporte como deseemos. Tecnología Cableada

Tecnología Programada

Sensores

Sensores

Actuadores

Actuadores Autómata Programable

Temporizadores Contadores Relés auxiliares

Temporizadores Contadores Marcas

Cableado

Programa (memoria)

Figura 4.11. Comparación elementos tecnología cableada y programada.

Las listas de instrucciones que generamos con los circuitos serie y paralelo serán pues programas.

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13

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Si dispusiéramos de un autómata capaz de entender esas instrucciones en castellano, esos dos circuitos quedarían tal y como sigue: Circuito Serie

AUTÓMATA L1

Borne de entrada

ENT 2

S2

SI esta activada ENT1 O esta activada ENT2 Activa a SAL1

SAL 1

SI esta activada ENT1 Y esta activada ENT2 Activa a SAL1

ENT 1

S1

SEAS

Borne de entrada

ENT 2

ENT 1

S2

SAL 1

SEAS

S1

Circuito Paralelo

AUTÓMATA L1

Borne de salida Esquema eléctrico

Borne de salida Esquema eléctrico

Figura 4.12. Conexión entradas circuito serie y paralelo al autómata.

En los dibujos vemos que la conexión de sensores y actuadores al autómata es idéntica para ambos casos, y que lo único que cambia es el programa o lista de instrucciones incrustado en esa caja a la que hemos llamado memoria. La memoria es una zona del autómata destinada a almacenar nuestro programa. Esta capacidad de “memorizar” los programas hace que los autómatas sean tan flexibles a la hora de modificar un automatismo, ya que, sin necesidad de tocar la conexión de sensores y actuadores, podemos cambiar el funcionamiento del mismo, sustituyendo el programa almacenado en la memoria por uno nuevo.

Se dice que una lógica es programable cuando para que actúe, necesita la ejecución de instrucciones almacenadas en una memoria”.

Una última aclaración. El autómata no puede saber si hemos pulsado S1 realmente, pero sí puede comprobar si llega tensión a la entrada en la que lo hemos conectado (en este caso al terminal de la Entrada 1 ENT 1). Si llega tensión a ENT 1 (ENT 1 ACTIVADA), será obviamente porque S1 está cerrado. Por lo tanto, en las instrucciones del programa, el Operando será la entrada o salida a la que hayamos conectado el sensor o actuador respectivamente.

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04

Ahora que hemos centrado ideas, estamos preparados para saber qué es lo que necesitamos aprender para utilizar un autómata programable:



Como utilizar las entradas y salidas del autómata para conectar sensores y actuadores respectivamente.



Como traducir las instrucciones que conocemos del castellano al lenguaje del autómata. Aprendizaje del lenguaje del autómata.



Como realizar la instalación del autómata.



Y finalmente, como comunicarnos con el autómata para introducir en su memoria el programa que deseamos.

La creación de un programa que cumpla con las especificaciones que nos piden, será mejor o peor, más o menos sencillo de realizar, en función de:



El número de instrucciones distintas de las que disponemos para realizar el programa, y de los elementos como, temporizadores, contactores, marcas, etc. que posee internamente el autómata.



La forma en que hemos colocado cada una de estas instrucciones, para cumplir con lo que ha pedido el cliente.



Nuestra habilidad para realizar el programa más simple.

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15

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4.3. Partes y funcionamiento de autómata programable genérico

un

Tenemos una primera aproximación de los que es un autómata programable y para que se utiliza. Ahora nos centraremos en ver sus partes (externas e internas) y su funcionamiento.

4.3.1.

Estructura externa

Todos los autómatas programables, poseen una de las siguientes estructuras externas: Compacta En un solo bloque están todos lo elementos. Los pequeños autómatas suelen tener este tipo de estructura, ya que incorporan en la misma CPU los módulos de entrada/salida digitales, fuente de alimentación e incluso conectores para comunicaciones. La utilización de estos dispositivos ha ido aumentando rápidamente, ya que en algunos modelos se permite la incorporación de módulos de ampliación e incluso señales analógicas.

Figura 4.13. Ejemplo de un autómata compacto.

Modular Cada elemento que conforma el autómata programable está por separado: Fuente de alimentación, CPU, módulos de entradas y salidas digitales, etc. Esta disposición de dispositivos permite una gran flexibilidad de configuración para las necesidades del usuario.

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04

Un sistema modular facilita el diagnostico y mantenimiento, ya que si un dispositivo falla puede ser rápidamente sustituido. En cambio, en un autómata compacto, aunque solo falle el módulo de entradas/salidas debe ser sustituido todo el autómata.

Figura 4.14. Estructura modular de un autómata programable.

Exteriormente nos encontraremos con cajas que contienen una de estas estructuras, las cuales poseen indicadores y conectores en función del modelo y fabricante. Para el caso de una estructura modular se dispone de la posibilidad de fijar los distintos módulos en raíles normalizados, para que el conjunto sea compacto y resistente. Los micro-autómatas suelen venir sin caja, en formato kit, ya que su empleo no es determinado y se suele incluir dentro de un conjunto más grande de control o dentro de la misma maquinaria que se debe controlar.

4.3.2.

Estructura interna

Internamente el autómata programable contiene un “pequeño ordenador” que hace ejecutar las ordenes que previamente hemos introducido en su memoria. Este pequeño ordenador contiene esencialmente las diferentes partes que se muestran a continuación:



Memoria.



C.P.U (Unidad Central de Proceso).



Unidades de I/O.



Buses.

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Formación Abierta

Bus de Direcciones Dispositivo I/O Memoria CPU

Entradas Salida Programadora Etc...

RAM ROM

Bus de Datos

Figura 4.15. Estructura interna por bloques de un autómata programable.

En los siguientes puntos vamos a ir presentando los distintos componentes tanto internos como externos, y cual es la función de cada uno de ellos.

4.3.2.1.

La memoria

Podemos definir “memoria” como un dispositivo capaz de almacenar información.

"1" Activado

Corriente

"0" Desactivado

Corriente

Esta información puede ser nuestro programa, o datos que el mismo necesita. También puede ser información transparente a nosotros, es decir, programas y datos ya incluidos dentro del autómata, y usados por él, sin que nosotros seamos conscientes de ello.

Figura 4.16. Estados posibles de la unidad fundamental de información, el bit.

Ya sabemos que un bit es la unidad fundamental de información, y en su momento, lo comparamos con un interruptor, o con algo que pudiera tener dos estados distintos estables (elemento biestable). Si utilizamos un elemento biestable (como por ejemplo un interruptor) como dispositivo para almacenar información, sólo podremos guardar dos posibles informaciones: si se encuentra a “1” o a “0”. Un dispositivo que tan solo pueda almacenar una información de 1 bit nos da poco juego, así que, en su día, se recurrió a juntar 8 biestables dentro de una misma caja para poder almacenar 8 bits.

18

Generalidades autómatas programables PLC

Automatismo Eléctrico

7

6

5

4

3

2

1

04

0

1 Byte = 8 bit

Figura 4.17. Ocho bits.

Los 8 interruptores de la figura pueden formar 256 combinaciones diferentes según el estado en el que se encuentre cada uno de ellos de forma individual. Para comprobarlo tenemos dos métodos: a) Armarnos de paciencia y realizar a mano todas las combinaciones. b) O utilizar la fórmula 2ⁿ, dónde “n” es el número de bits que utilizamos. En nuestro caso, para 8 bits, el número de combinaciones posibles es 28=256. Según esto, podemos almacenar en nuestra caja 256 informaciones diferentes. En la tabla siguiente vemos las primeras y últimas combinaciones: bit 7

bit 6

bit 5

bit 4

bit 3

bit 2

bit 1

bit 0

Combinación 1

0

0

0

0

0

0

0

0

Combinación 2

0

0

0

0

0

0

0

1

Combinación 255

1

1

1

1

1

1

1

0

Combinación 256

1

1

1

1

1

1

1

1

Figura 4.18. Combinaciones posibles de 8 bits.

Si añadimos más cajas, colocándolas una debajo de otra, conseguiremos una matriz de biestables. En la figura siguiente aparece una matriz con “n” cajas ó con la capacidad de almacenar “n” bytes de información.

Generalidades autómatas programables PLC

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Formación Abierta

7

6

5

4

3

2

1

0 byte 0

byte 1

byte 2

...

...

...

...

...

...

...

...

byte n-1

byte n

Figura 4.19. Matriz de n bytes.

Una matriz de celdas parecida a ésta, es la que tienen los autómatas programables, ordenadores, y, en esencia, cualquier dispositivo lógico programable. Como es obvio, no son interruptores, sino elementos semiconductores insertados en una pastilla de silicio, y que también tienen la característica de ser elementos biestables. En la matriz del dibujo, los números de la parte superior indican el número de bit. Al darles nombre a cada una de las celdillas (indicando el número de bit y el número de byte), tenemos localizada toda la información que pudiéramos almacenar en ella. A modo de ejemplo, en la matriz de celdas siguiente vemos que el byte 3 tiene como información la combinación “0 1 0 1 0 1 0 1”, y el bit 6 de éste mismo byte tiene como información un “1”. Bit 7

6

5

4

3

2

1

0

0

0

1

1

0

0

1

1

1

1

1

0

0

0

1

1

0

0

0

0

0

1

1

0

0

1

0

1

0

1

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

Figura 4.20. Información del byte 3.

20

Generalidades autómatas programables PLC

byte 0

Automatismo Eléctrico

04

¿Cómo se guarda el programa en la memoria? Ya vimos en apartados anteriores que una instrucción estaría formada normalmente por una parte de “operación” y otra de “operando”. La operación, indica al elemento procesador del autómata “lo que debe hacer”, y el operando, “sobre qué” tiene que hacerlo. Así pues, una instrucción constaría de dos zonas de “información” para el “procesador” o C.P.U. Código de operación Dirección del operando

C.O

D.O Datos binarios

Figura 4.21. Partes de una instrucción, código de operación y dirección del operando.

El procesador o C.P.U. es el “cerebro” del autómata. Lo veremos con detalle en el siguiente apartado.

Por lo que sabemos de la memoria, en ella sólo podemos almacenar unos y ceros, pero da la casualidad, de que los procesadores o C.P.U. sólo entienden esto. Una C.P.U. básica sería la que reconociese las instrucciones más elementales: Operación

Operando

SI ESTÁ ACTIVADO

C

O ESTÁ ACTIVADO

C

Y ESTÁ ACTICADO

C

SI NO ESTÁ ACTIVADO

C

O NO ESTÁ ACTIVADO

C

Y NO ESTÁ ACTIVADO

C

ACTIVA A

B

FIN Figura 4.22. Instrucciones más elementales.

Generalidades autómatas programables PLC

21

Formación Abierta

Supongamos entonces que nuestro autómata cuenta con un “cerebro” C.P.U. que reconoce ocho instrucciones, lo que conlleva que necesitamos ocho informaciones distintas para poder diferenciarlas. Realizando todas las combinaciones posibles con tres bits, nos salen precisamente ocho. En la tabla siguiente vemos todas estas combinaciones, y de paso, aprovechamos para asignar cada una de ellas a una de nuestras instrucciones: Operación

Código de Operación

FIN

0

0

0

SI ESTÁ ACTIVADO

0

0

1

O ESTÁ ACTIVADO

0

1

0

Y ESTÁ ACTICADO

0

1

1

SI NO ESTÁ ACTIVADO

1

0

0

O NO ESTÁ ACTIVADO

1

0

1

Y NO ESTÁ ACTIVADO

1

1

0

ACTIVA A

1

1

1

bit 2

bit 1

bit 0

Figura 4.23. Posibles combinaciones con tres bits.

Si en lugar de 3 bits, utilizamos 1 byte (8 bits), todavía nos quedarán 5 bits para guardar el operando de la instrucción. Estos 5 bits nos ofrecen 32 posibles combinaciones. Nosotros usaremos 16 de estas combinaciones para darle nombre a 16 entradas, y las 16 restantes para 16 salidas.

22

Generalidades autómatas programables PLC

Automatismo Eléctrico

Salidas

Entradas

Dirección del Operando

04

Operando

bit 4

bit 3

bit 2

bit 1

bit 0

0

0

0

0

0

E0.0

0

0

0

0

1

E0.1

0

0

0

1

0

E0.2

0

0

0

1

1

E0.3

0

0

1

0

0

E0.4

0

0

1

0

1

E0.5

0

0

1

1

0

E0.6

0

0

1

1

1

E0.7

0

1

0

0

0

E1.0

0

1

0

0

1

E1.1

0

1

0

1

0

E1.2

0

1

0

1

1

E1.3

0

1

1

0

0

E1.4

0

1

1

0

1

E1.5

0

1

1

1

0

E1.6

0

1

1

1

1

E1.7

1

0

0

0

0

S0.0

1

0

0

0

1

S0.1

1

0

0

1

0

S0.2

1

0

0

1

1

S0.3

1

0

1

0

0

S0.4

1

0

1

0

1

S0.5

1

0

1

1

0

S0.6

1

0

1

1

1

S0.7

1

1

0

0

0

S1.0

1

1

0

0

1

S1.1

1

1

0

1

0

S1.2

1

1

0

1

1

S1.3

1

1

1

0

0

S1.4

1

1

1

0

1

S1.5

1

1

1

1

0

S1.6

1

1

1

1

1

S1.7

Figura 4.24. Posibles combinaciones con cinco bits.

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23

Formación Abierta

Ya tenemos definidas las dos posibles partes de una instrucción mediante las tablas anteriores: El código de operación formado por tres bits y que indica a la C.P.U. lo que debe hacer. La dirección del operando de 5 bits y que le dice a la C.P.U. con qué debe hacerlo. Instrucción C.O.

D.O.

3bits

5bits

1byte de información

Figura 4.25. Partes de una instrucción, código de operación y dirección del operando.

Como ejemplo aclaratorio, veamos cómo se guardará en la memoria el programa del circuito serie: EN CRISTIANO

CÓDIGO MÁQUINA ( Ó ARAMEO)

Operación

Operando

SI ESTÁ ACTIVADA

E0.0

0

0

1

0

0

0

0

0

Y ESTÁ ACTIVADA

E0.1

0

1

1

0

0

0

0

1

S0.0

1

1

1

1

0

0

0

0

---

0

0

0

0

0

0

0

0

ACTIVADA FIN

A

C.O.

D.O.

Figura 4.26. Programa del circuito serie.

Lo que hemos titulado como CÓDIGO MÁQUINA (ó ARAMEO), es nuestro programa tal y como se guardaría en la memoria del autómata. Si nos fijamos, tan sólo hemos sustituido la operación, por su C.O. y el operando, por su dirección usando las tablas anteriores. Aparece también la instrucción FIN, que indica a la C.P.U. que el programa ha terminado.

24

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Automatismo Eléctrico

4.3.2.2.

04

Las distintas zonas de memoria del autómata

En la memoria del autómata pueden almacenarse informaciones diversas, como por ejemplo nuestro programa, datos internos del autómata, etc. El “Mapa de Memoria” acota las zonas para cada una de éstas informaciones. El siguiente mapa de memoria podría ser el de nuestro autómata, en el que contamos por ejemplo, con una memoria total de 2048 bytes. Mapa de Memoria del Autómata

Descripción

2048 bytes

Dir Inicial

Dir Final

Imagen de proceso de entradas E0 y E1

2bytes

0

1

Imagen de proceso de salidas S0 y S1

2byes

2

3

Datos y programas internos del

1020bytes 4 1023

Autómata (SISTEMA OPERATIVO)

Memoria de programa

1024bytes 1024 2047

( nuestro programa)

Figura 4.27. Mapa de memoria del Autómata.

A continuación comentamos cada una de éstas zonas con mayor detalle. Imagen de proceso de entradas y salidas Los estados de señal de entradas y salidas se depositan como unos y ceros en éstas zonas de la memoria del autómata. Nuestro autómata cuenta con 16 entradas, así que, para poder almacenar el estado de cada una de ellas necesitaremos 16 bits o 2 bytes. Cuando al terminal físico de una entrada llega tensión, el bit asociado a la misma se pondrá a “1”. Si no llega tensión estará a “0”

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25

Formación Abierta

Imagen de proceso de Entradas E0

E0.7

E0.6

E0.5

E0.4

E0.3

E0.2

E0.1

E0.0

byte 0 de la memoria

E1

E1.7

E1.6

E1.5

E1.4

E1.3

E1.2

E1.1

E1.0

byte 1 de la memoria

2 bytes

Relación entre terminales de Entrada y la Imagen de proceso de Entradas: Tornillos de Entrada E0.7

E0.6

E0.5

E0.4

E0.3

E0.2

E0.1

E0.0

E1.7

Byte 0 de la memoria

E1.6

E1.5

E1.4

E1.3

E1.2

E1.7

E1.7

Byte 1 de la memoria

Figura 4.28. Relación entre terminales de Entrada y la Imagen de proceso de Entradas.

En la siguiente figura, llega tensión a las entradas E0.7 y E0.5, permaneciendo el resto sin tensión: 24V DC

E0.7

1

E0.6

E0.5

0 1

E0.4

0

Figura 4.29. Tensión en las entadas del autómata.

26

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Automatismo Eléctrico

04

Memoria del Autómata bit 7 1 0

E0 E1

bit 6 0 0

bit 5 1 0

bit 4 0 0

bit 3 0 0

bit 2 0 0

bit 1 0 0

bit o 0 0

byte 0 byte 1

Imagen de proceso de Salidas

Datos internos Figura 4.30. Imagen del proceso de entrada.

El autómata posee 16 salidas, por lo que, en la imagen de proceso de salidas necesitaremos otros 2 bytes para almacenar el estado de las mismas. Cuando el bit asociado a una de ellas esté a “1” el autómata hará que en el terminal de la misma aparezca una tensión. Si el bit está a “0” el terminal estará conectado a masa. El valor de estos bits se modificará mediante nuestro programa, colocándose a “1” o a “0” en función del mismo. Imagen de proceso de Salidas S0

S0.7

S0.6

S0.5

S0.4

S0.3

S0.2

S0.1

S0.0

byte 2 de la memoria

S1

S1.7

S1.6

S1.5

S1.4

S1.3

S1.2

S1.1

S1.0

byte 3 de la memoria

2 bytes

Figura 4.31. Imagen del proceso de salidas.

Relación entre los terminales de salida y la imagen de proceso de salidas

Byte 2 de la memoria

S0.7

S0.6

S0.5

S0.4

S0.3

S0.2

Byte 3 de la memoria

S0.1

S0.0

S0.7

S06

S0.5

S04

S0.3

S0.2

S0.1

S0.0

Figura 4.32. Relación entre los terminales de salida y la imagen de proceso de salidas.

En la siguiente figura, los bits asociados a las salidas S0.7 y S0.5 están a “1”, mientras que el resto se encuentran a “0”. Las lámparas conectadas a las salidas S0.7 y S0.5 lucirán

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27

Formación Abierta

1

0

1

0

Figura 4.33. Iluminación de las salidas que están a “1”.

Memoria Imagen de proceso de Entradas

S0 S1

bit 7 1 0

bit 6 0 0

bit 5 1 0

bit 4 0 0

bit 3 0 0

bit 2 0 0

bit 1 0 0

bito 0 0

byte2 byte 3

Datos internos

Sistema operativo y datos del autómata El sistema operativo incluye programas de sistema que fijan la ejecución del programa de usuario, la gestión de entradas y salidas, el reparto de la memoria, la gestión de datos y similares. El sistema operativo es fijo y no puede modificarse. El autómata se reserva también una zona de la memoria para guardar datos sobre su configuración, valores intermedios durante la ejecución del programa, etc. Memoria de programa Como indica su nombre, ésta es la zona en la que acabará nuestro programa, y a la que vendrá a buscarlo la C.P.U. del autómata cuando se ponga en marcha. En el autómata contamos con 1024 bytes en la zona de memoria de programa. El tamaño de la zona de memoria de programa es una característica importante, puesto que es este tamaño, el que va a limitar la longitud (número de instrucciones) del programa de mando que elaboremos. Las instrucciones tienen un tamaño de 1 byte, por lo que el programa más largo que podríamos utilizar con él sería de 1024 instrucciones.

28

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Automatismo Eléctrico

4.3.3.

04

Tipos de memoria

A continuación vamos a estudiar los diferentes tipos de memoria que podemos encontrar en un autómata programable.

4.3.3.1.

Memoria ROM (read only memory o memoria de solo lectura)

La ROM es la memoria que no pierde sus datos cuando quitamos la alimentación. Por esta razón, la ROM también se conoce como memoria no volátil. Hay distintos tipos de memoria ROM, como la PROM, EPROM, EEPROM, Flash EPROM. Veámoslas: PROM (ROM programable) La memoria PROM es una memoria ROM que puede ser programada por el usuario. Por cada bit de la PROM hay algo parecido a un fusible. La PROM se programa fundiendo estos fusibles. Si la información grabada en la PROM resulta ser errónea, la podemos tirar tranquilamente, puesto que estos fusibles se funden de forma permanente. Por este motivo a la memoria PROM también se conoce como OTP (one-time programmable, ó programable sólo una vez). EPROM (erasable progammable ROM o ROM programable y borrable) Esta memoria se inventó para permitir cambios en los contenidos de una memoria PROM una vez que la habíamos “fundido”. Con los EPROM podemos programar el chip de memoria y después borrarlo tantas veces como queramos. El único problema es que el borrado puede tardar unos 20 minutos. Todas las memorias EPROM tienen una ventanita en el chip, usada para permitir el paso de radiaciones ultravioletas (UV), que son las que realizan las tareas de borrado. Por esta razón podemos encontrar referencias a las mismas como UVEPROM.

Figura 4.34. Memoria EPROM.

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29

Formación Abierta

EEPROM (electrically erasable programmable ROM o ROM programable y borrable eléctricamente) La memoria EEPROM tiene grandes ventajas sobre su antecesora EPROM, como el hecho de que su sistema de borrado es eléctrico e instantáneo. Además, con las EEPROM podemos seleccionar qué byte queremos borrar, en contraste con las UVEPROM en las que se borraba el contenido entero de la memoria. Aun así, la principal ventaja de las memorias EEPROM, es el hecho de que podemos programar y borrar sus contenidos desde la misma tarjeta de sistema que la soporta, es decir, no necesita un dispositivo externo para programarla o borrarla (un chollo vamos). Para aprovechar esta característica completamente, el diseñador debe incorporar en la tarjeta de sistema la circuitería necesaria. Flash EPROM Su nombre proviene de la rapidez con la que se realiza el proceso de borrado: se borra en un flash (esto dicen los yanquis). Yo la hubiera llamado “En lo que canta un gallo EPROM”. Como el sistema de borrado es eléctrico, también la encontraremos como Flash EEPROM. La mayor diferencia con las EEPROM puras es que las Flash EPROM se borran completamente.

4.3.3.2.

Memoria RAM (Random access memory o memoria de acceso aleatorio)

También conocida como memoria volátil, ya que al quitarle la alimentación se pierde su contenido. Hay tres tipos de RAM: SRAM, DRAM y NV-RAM. También las vemos: SRAM (static RAM o RAM estática) Las celdillas en la SRAM están hechas con biestables flip-flops y no necesitan refrescar su contenido para mantener los datos. El principal problema que presentan es que, por sus características constructivas, pueden almacenar a igual tamaño, menos información que sus primas-hermanas DRAM. DRAM (dynamic RAM o RAM dinámica) Estas memorias usan un condensador para almacenar cada bit. El uso de condensadores supone un menor tamaño para almacenar la misma información que con una SRAM, pero tiene el inconveniente de que necesitan “refrescar” su contenido constantemente, por el hecho de que el condensador pierde su carga (todos los condensadores tienen una corriente de pérdida).

30

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04

Otra desventaja con respecto a la SRAM, es que el “tiempo de acceso” (el tiempo que se tarda en leer o escribir un dato en ellas), es mayor. Su principal ventaja: son mucho más baratas. NV-RAM (nonvolatile RAM o RAM no volátil) Simplemente es una RAM que cuenta con una pequeña batería de Litio integrada en el mismo chip. Cuando desconectamos la alimentación, la batería se encarga de mantener los datos.

¿Cuánto dura la batería? Unos diez años. ¿Cuál es su principal inconveniente? Son astronómicamente caras.

4.3.4.

Un vistazo al interior del autómata

Términos importantes Una de la características más importantes de un autómata, y en general de cualquier dispositivo programable (un ordenador, por ejemplo) es la cantidad de memoria que posee.

1 bit (binary digit) puede tener un valor de “0” o “1”. 1 byte son 8 bits. 1 nibble es medio byte (4 bits). 1 palabra son 2 bytes o 16 bits.

En la siguiente figura se muestra el tamaño de estas unidades de información. Bit

0

Nibble

0000

Byte

0000 0000

Palabra

0000 0000 0000 0000

Figura 4.35. Tamaño de las unidades de información.

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31

Formación Abierta

En el mundillo de la informática, seguro que hemos escuchado a alguien hablar de que “nosequé” fichero ocupa “tantos Kas”, ó que tienen un disco duro de “nosecuantos megas”. Pues bien, están hablando de múltiplos del byte:



1 kilobyte = 1Kbyte = 210 bytes = 1024 bytes.



1 megabyte = 1024 Kbytes = 220 bytes = 1.048.576 bytes.

Si por ejemplo nos dicen que nuestro autómata tiene una memoria de programa capaz de almacenar 16 Kbytes, podemos hacer programas que ocupen como máximo 16 x 1024 = 16.384 bytes. Suponiendo que una instrucción ocupa 2 bytes, el número máximo de instrucciones que podrá tener el programa que hagamos será 16.384/2 = 8.192 instrucciones. Los dos tipos de memoria usados en los autómatas son la RAM (de Random Access Memory ó memoria de acceso aleatorio), también conocida como “memoria de lectura/escritura” y la ROM (Read-Only Memory ó memoria de sólo lectura). El autómata usa la RAM para almacenar temporalmente los programas que esté ejecutando. Estos datos se pierden cuando apagamos el autómata, a menos que contemos con una batería (batería tampón). Por esta razón a la RAM se la conoce también como “memoria volátil” La ROM contiene programas e información esencial para el funcionamiento del autómata, introducido por el fabricante. La información de la ROM es permanente y no puede cambiarse por el usuario ni se pierde cuando desconectamos el autómata. Por esta razón se la denomina como “memoria No volátil”.

4.3.5.

Organización interna de los autómatas

Podemos dividir las “tripas” de un autómata en tres partes fundamentales:

32



C.P.U. (central processing unit ó unidad central de proceso), cuya función es ejecutar (procesar) la información guardada en la memoria.



Memoria.



Y dispositivo de entrada/salida (I/O -input/output-), cuya función es proporcionar un medio de comunicación desde el exterior con la C.P.U. (por ejemplo para programar el autómata), y viceversa.

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04

Bus de Direcciones

Disp. I/O

Memoria • RAM C.P.U

• ROM

Bus de Datos

•

Entradas

•

Salidas

•

Programadora

• Etc.

Figura 4.36. Partes fundamentales del autómata.

La C.P.U. se conecta a la memoria y a los dispositivos I/O mediante un conjunto de cables a los que llamamos bus. Los buses del autómata llevan información de un lugar a otro, de forma similar a la que un autobús lleva gente de un sitio a otro. Todos los dispositivos programables tienen tres tipos de buses: el bus de direcciones, el bus de datos y el bus de control. Para que un dispositivo (de memoria ó I/O) sea reconocido por la C.P.U. del autómata, debe tener una “dirección” asignada. Esta dirección debe ser única; no puede haber dos dispositivos con la misma dirección. Tampoco puede haber un dispositivo con las direcciones distintas (sería interesante que los cheques llegaran a mi casa y las facturas a la de mi vecino, pero no me dejan). La C.P.U. pone la dirección (en binario, con unos y ceros) en el bus de direcciones, y un circuito decodificador se encarga de encontrar el dispositivo al que se dirige. Entonces, la C.P.U. usa el bus de datos para recoger datos de ese dispositivo o para enviárselos. El bus de control se usa para comunicarle al dispositivo, si lo que quiere la C.P.U. es leer datos o escribirlos. De los tres buses, el de datos y el de direcciones determinan las prestaciones de la C.P.U. Algo más sobre el bus de datos Dado que el bus de datos se usa para llevar información de /hacia la C.P.U., cuanto mayor sea el bus de datos, mejor será la C.P.U.

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33

Formación Abierta

Si pensamos en el bus de datos como si fuera una autopista lo veremos más claro. Cuantos más carriles tenga la autopista, más información podrá circular entre la C.P.U. y los dispositivos externos. En el tema que nos ocupa, un carril será un cable, que podrá tener tensión o no (“1” o “0” respectivamente). Bus de datos

C.P.U

Memoria

8 cables

Figura 4.37. Bus de datos.

En el dibujo, hemos unido la C.P.U. con la memoria mediante un bus de datos con 8 cables. Si por cada cable podemos enviar un “1” o un “0”, este bus permitirá que la C.P.U. envíe o recoja 8 bits o 1 byte de golpe. Está claro que cuanto mayor sea el tamaño del bus de datos, es decir, cuantas más líneas posea, más información podremos tratar en el mismo tiempo, y más cara será la C.P.U., y el autómata. Decimos que el bus de datos es bidireccional por el hecho de que los datos fluyen desde “y” hacia la C.P.U. Algo más sobre el bus de direcciones Como el bus de direcciones se usa para identificar los dispositivos y la memoria conectados a la C.P.U., cuantas más líneas (cables) posea, mayor número de dispositivos podremos direccionar. En otras palabras, el número de líneas del bus de direcciones determina el número de lugares con los que podrá comunicarse la C.P.U. El número de localizaciones será igual a 2ⁿ donde “n” es el número de líneas (¿de qué nos suena esta formulilla?). Por ejemplo, una C.P.U. con 16 líneas en el bus de direcciones, puede proporcionarnos un total de 65.536 (216) o 64K de memoria direccionable. Cada posición puede tener un máximo de 1 byte de información. El bus de direcciones es unidireccional, lo que significa que la C.P.U. lo usa exclusivamente para colocar una dirección en el mismo y que el dispositivo elegido se dé por aludido.

34

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04

La C.P.U. y sus relaciones con la memoria Para que la C.P.U. procese la información, los datos (instrucciones) deben estar guardados en memoria RAM ó ROM. La función de la ROM en el autómata es proporcionarle la información necesaria para su correcto funcionamiento, como por ejemplo, qué debe hacer cuando lo conectamos. La memoria RAM se usa para almacenar información que no es permanente, y que puede cambiar con el tiempo. Este es el caso de los programas que nosotros realizaremos. ¿Cómo trabaja realmente la C.P.U.? Un programa guardado en la memoria proporciona instrucciones a la C.P.U. para realizar una acción. La acción puede ser simplemente sumas de números, o controlar un proceso industrial. La función de la C.P.U. consiste en ir recogiendo (leyendo) estas instrucciones una por una en la memoria, e ir ejecutándolas. Para realizar las acciones de lectura y ejecución de las instrucciones, todas las C.P.U. cuentan con recursos como los siguientes: 1. Uno de los principales recursos de la C.P.U. es el número de registros que tiene a su disposición. La C.P.U. usa los registros para almacenar información temporalmente. Esta información puede ser los datos que han de procesarse, o la dirección de un valor que necesitamos recoger de la memoria. Los registros de la C.P.U pueden ser de 8 bits, 16 bits o incluso más dependiendo de la misma. En general, cuanto más y mayor información puedan almacenar los registros, mejor será la C.P.U. 2. La C.P.U. también cuenta con lo que se reconoce como “ALU” (arithmetic/logic unit ó unidad aritmético lógica). La ALU es la encargada de realizar las funciones aritméticas, como la suma y la resta, y las funciones lógicas como AND , OR y NOT. 3. Todas las C.P.U. tienen un “contador de programa”. La función del contador de programa es apuntar a la dirección de la siguiente instrucción que debe ejecutarse. Cada vez que se ejecuta una instrucción, el contador de programa se incrementa para apuntar hacia la dirección de la siguiente instrucción que debe ser ejecutada. Esto es, el contenido del contador de programa se deposita en el bus de direcciones para encontrar y leer la instrucción siguiente. 4. Por último, la C.P.U. cuenta con el “decodificador de instrucciones”. La función del mismo es la de interpretar la instrucción en curso recogida por la C.P.U. de la memoria. Esta instrucción se guarda momentáneamente en un registro especial llamado registro de instrucciones.

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35

Formación Abierta

Podemos pensar en el decodificador de instrucciones como una especie de diccionario en el que está almacenado el significado de cada instrucción, y que le cuenta a la C.P.U. qué pasos debe seguir una vez haya recibido una instrucción dada. Del mismo modo que un diccionario es mejor cuantas más palabras define, la C.P.U será mejor cuanto mayor sea el juego de instrucciones que puede comprender.

36

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04

4.4. Funcionamiento interno del autómata genérico En la figura siguiente tenemos las “tripas” de un autómata genérico de una forma algo más concreta. E 0.7

E 0.0

E 1.7

E 1.0

SEÑALES DE ENTRADA BUS DIRECCIONES

Im. Proc. Entradas Im. Proc. Salidas C.P.U.

SISTEMA OPERATIVO

Ordenador Impresora Programadora Display etc.

DISPOSITIVOS E/S

Memoria de Programa

BUS DATOS SEÑALES DE SALIDA

S 0.7

S 0.0

S 1.7

S 1.0

Figura 4.38. Esquema interno del autómata.

Como quiera que la C.P.U. es más bien “tonta”, al conectar el autómata deberá estar todo preparado para que vaya buscar a la zona de memoria del sistema operativo las instrucciones a seguir. Así que, al arrancar el autómata, la C.P.U. buscará en el sistema operativo los programas de inicialización. El sistema operativo de un autómata genérico le dará a la C.P.U. las siguientes instrucciones: 1. Le dice a la C.P.U. dónde está la primera instrucción de nuestro programa, es decir, la primera posición de la zona de Memoria de programa. 2. Le dice que tiene que mirar el estado de las entradas mediante los dispositivos de E/S. Estos convierten las tensiones aplicadas a los terminales de entrada en “1” y “0”, preparando los datos para almacenarlos en la imagen de proceso de entradas.

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37

Formación Abierta

3. Le dice que ejecute todas las instrucciones de nuestro programa, y que vaya almacenando el nuevo estado de las salidas en la imagen de proceso de salidas. 4. Que actualice las salidas, convirtiendo los “1” y “0” de la imagen de proceso de salidas en tensiones aplicadas a los terminales de salida mediante los dispositivos E/S. 5. Y finalmente que vuelva al 2º Pto. Realizando un bucle hasta que apaguemos el autómata. Buscar 1ª Instr. del Programa

Mirar el estado de las entradas

Ejecutar el Programa

Actualizar las salidas

Figura 4.39. Ciclo del autómata.

Además de todo esto, el sistema operativo también debe tener algún programa que permita comunicarnos con el autómata y viceversa, mediante los dispositivos de E/S. Utilizando un ordenador, o una programadora cargaremos nuestro programa en la zona de memoria de programa y ¡voila!

38

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04

Para ordenar conceptos, veremos como trabajaría nuestro autómata genérico con un programa de tres interruptores conectados en serie: La conexión al autómata sería:

S1

E0.0

S2

E0.1

S3

E0.2

S0.0

L1

Figura 4.40. Conexión del autómata.

Y el programa utilizado: CÓDIGO MÁQUINA SI ESTÁ ACTIVADA E0.0

0

0

1

0

0

0

0

0

Y ESTÁ ACTIVADA E0.1

0

1

1

0

0

0

0

1

Y ESTÁ ACTIVADA E0.2

0

1

1

0

0

0

1

0

ACTIVA A S0.0

1

1

1

1

0

0

0

0

Quedamos en que el tamaño total de la memoria de nuestro autómata era de 2.048 bytes y esto exige que, para que todos ellos tengan una dirección, utilicemos por lo menos un bus de dirección de 11 cables (211 = 2.048). Pero como también necesitaremos direcciones de dispositivos de E/S usaremos 12 cables (212 = 4.096 posibles direcciones). Como las instrucciones del autómata ocupan un byte, lo más apropiado es que el bus de datos tenga 8 cables. Así pues, la C.P.U. de nuestro autómata deberá contar con un bus de direcciones de 12 bits y un bus de datos de 8 bits.

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39

Formación Abierta

En el mapa de memoria de nuestro autómata vimos que la dirección inicial para la zona de memoria de programa era la 1.024, así que, si guardamos el programa anterior en la memoria, a partir de la posición 1.024 quedará lo siguiente: E/S

byte

bit

byte 1024

0

0

1

0

0

0

0

0

Memoria de

byte 1025

0

1

1

0

0

0

0

1

Programa

byte 1026

0

1

1

0

0

0

1

0

byte 1027

1

1

1

1

0

0

0

0

byte 1028

0

0

0

0

0

0

0

0

FIN

Figura 4.41. Memoria del autómata.

Las acciones realizadas por la C.P.U. para ejecutar el programa serán las siguientes: El contador de programa ya estará cargado con la dirección de la primera instrucción a ejecutar (1.024). La C.P.U. colocará este valor en el bus de direcciones. La circutería de la memoria, localizará la dirección que estamos buscando, mientras la C.P.U. indica mediante el bus de control que lo que desea hacer es leer el bit contenido en esa posición. Así se consigue que el contenido de la dirección de memoria 1.024 (00100000) sea colocado en el bus de datos y recogido por la C.P.U., que lo guarda momentáneamente en el registro de instrucciones. La C.P.U. decodifica la instrucción (00100000) con la ayuda del diccionario de su decodificador de instrucciones. Cuando encuentra la definición para esa instrucción, se entera de que lo que debe realizar es:001

Mirar SI ESTÁ ACTIVADO

00

del byte 0 de la Memoria

000

el bit 0 del mismo

Figura 4.42. Contenido de la dirección de memoria en el registro de instrucciones.

Así que coloca en el bus de direcciones la dirección 0, que es el primer byte de la imagen de proceso de entradas (E0). El contenido de la dirección se coloca en el bus de datos donde lo recoge la C.P.U.

40

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04

A la C.P.U. le interesa en este caso exclusivamente el estado del bit 0 (E0.0), comprobará si se encuentra a “1” (tensión en E0.0) o a “0” (no hay tensión en E0.0), modificando lo que vamos a llamar “bit de resultado” de la forma siguiente: E0.0 con tensión

bit 0 del byte 0 = “1”

bit resultado = “1”

E0.0 sin tensión

bit 0.del byte 0 = “0”

bit resultado = “0”

Figura 4.43. Bit de resultado.

Después de completar la instrucción, el contador de programa apuntará la dirección de la siguiente instrucción a ser ejecutada, que en este caso es la 1.025. La dirección 1.025 es enviada por el bus de direcciones para conseguir la siguiente instrucción. La C.P.U. decodifica la instrucción 0 11 011

00001:

Si el bit de resultado está activado Y ESTA ACTIVADO

00

del byte 0 de la Memoria

001

el bit 1 del mismo

E0.1

mantén activado el bit de resultado Figura 4.44. Salida del bit de resultado.

Obramos idénticamente que antes, pero ahora realizamos la operación “Y” entre el bit de resultado anterior y el bit de la imagen de proceso de entradas, de forma que si ambos están a “1”, mantendremos el bit de resultado a “1”, y si cualquiera de ellos está a “0”, el bit de resultado se colocará a “0”. En definitiva la C.P.U. realizará la operación AND entre ambos, guardando el resultado en el bit de resultado. bit Resultado

E0.1

bit Resultado

0

0

0

0

1

0

1

0

0

1

1

1

Figura 4.45. Operación “Y” entre el bit de resultado y el bit de la imagen del proceso de entradas.

Generalidades autómatas programables PLC

41

Formación Abierta

El contador de programa se incrementa en 1 pasando a la 1.026. El bus de direcciones envía esta dirección y así recogemos la siguiente instrucción. La C.P.U. decodifica la instrucción 011

0 11

00010:

Si el bit de resultado está activado Y ESTA ACTIVADO

00

del byte 0 de la Memoria

010

el bit 2 del mismo

E0.2

mantén activado el bit de resultado Figura 4.46. Salida del bit de resultado.

El resto será idéntico que el punto anterior, pero con el bit de la imagen de proceso correspondiente a la entrada E 0.2. El contador de programa se incrementa a 1.027. La C.P.U. decodifica la instrucción 111 10000: 111

Si el bit de resultado está activado, ACTIVA A

10

del byte 3 de la Memoria

000

el bit 0 del mismo

S0.0

Figura 4.47. Salida del bit de salida S0.0.

En definitiva, hacemos que el bit de la salida S0.0 tenga el mismo valor que el bit de resultado conseguido tras las operaciones anteriores. Si el bit de resultado está a “1” el bit de la imagen de proceso de salidas correspondiente a S0.0 se colocará a “1”, y a “0” en el caso contrario. El contador de programa se incrementa a 1.028. La C.P.U. decodifica la instrucción 000 del programa.

00000, y descubre que ha llegado al final

Una vez aquí, se actualizarán las salidas, se leerán las entradas y vuelta ha empezar.¡ YEEEEPA !. ¡ AH !,Casi nos olvidamos. No hemos hablado del reloj, que es el que indica a la C.P.U. cuándo debe pasar de una instrucción a la siguiente. Cuanto más rápido sea el reloj (mayor frecuencia de oscilación) más rápido se ejecutará el programa.

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Generalidades autómatas programables PLC

Automatismo Eléctrico

04

La frecuencia del reloj es fija, y siempre dentro de los límites soportados por la C.P.U. (si el tamborilero le diera demasiado rápido al tambor y los remeros no pudieran seguir el ritmo, la cosa terminaría en tragedia). Si alguien nos dice que tiene un ordenador “Pentium 166” (166 MHz), nos está diciendo que el reloj de su ordenador tiene una frecuencia de 166 MegaHertzios. Un Pentium 200 (200 MHz) será más rápido (y por desgracia más caro).

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Automatismo Eléctrico

04

Resumen El bit es la unidad fundamental de información. Sólo puede proporcionarnos dos posibles informaciones. “1” o “0”. Una instrucción consta de: operación y operando. Las operaciones AND y OR son operaciones básicas de la lógica combinacional. El autómata programable sustituye a la mayoría de los elementos auxiliares (temporizadores, contadores, etc.), y al cableado de un circuito clásico. El programa de un autómata programable sustituye al cableado de un circuito clásico. La memoria es un dispositivo capaz de almacenar información. El mapa de memoria muestra cómo se distribuyen las diferentes áreas de memoria del autómata. En él, podemos encontrar las imágenes de proceso de entradas y salidas, el sistema operativo y datos internos del autómata, y la zona destinada al programa de usuario. Los principales tipos de memoria son la RAM y la ROM. 1 Nibble = 4 bits; 1 Byte = 8 bits; 1 Palabra = 16 bits = 2 bytes; 1 Kilobyte = 2 10 bytes = 1024 bytes Podemos considerar que el autómata está compuesto por una unidad central de proceso o C.P.U., la memoria, y los dispositivos de entrada/salida. Los buses de un autómata son: el bus de direcciones, el bus de datos y el bus de control. Un bus de datos de 8 bits puede enviar o recibir 1 byte de una sola vez. Un bus de direcciones de 16 bits puede direccionar 64 Kbytes de memoria. Los recursos de la C.P.U. son los registros internos, la unidad aritmético lógica o A.L.U., el contador de programa, el decodificador de instrucciones, etc.

Generalidades autómatas programables PLC

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05

Automatismo Eléctrico

Análisis de averías

Automatismo Eléctrico

05

Índice OBJETIVOS ........................................................................................................ 3 INTRODUCCIÓN ................................................................................................. 4 5.1. Estructuración del mantenimiento ........................................................... 5 5.2. Una breve clasificación del mantenimiento ............................................. 8 5.2.1. Mantenimiento correctivo ..................................................................... 9 5.2.2. Mantenimiento preventivo .................................................................. 12 5.3. Generalidades: fallos y averías .............................................................. 14 5.4. Clasificación de fallos ............................................................................. 15 5.5. Naturaleza del fallo .................................................................................. 18 5.6. Fallos y averías por sectores .................................................................. 20 5.6.1. Fallos de origen mecánico ................................................................. 20 5.6.1.1. Golpes ......................................................................................... 20 5.6.1.2. Sobrecargas ................................................................................ 20 5.6.1.3. Fatiga .......................................................................................... 21 5.6.1.4. Fatiga térmica ............................................................................. 21 5.6.1.5. Plasticidad ................................................................................... 21 5.6.1.6. Desgaste ..................................................................................... 21 5.6.1.7. Abrasión ...................................................................................... 22 5.6.1.8. Erosión ........................................................................................ 22 5.6.1.9. Corrosión..................................................................................... 22 5.6.2. Fallos de origen eléctrico ................................................................... 24 5.7. Estudio del fallo. Análisis ....................................................................... 25 5.7.1. Estudio del fallo ................................................................................. 25 5.7.2. Análisis del fallo ................................................................................. 27 5.7.3. Niveles de urgencia ........................................................................... 36 5.8. Tasa de fallos ........................................................................................... 38 5.9. Los 5 niveles de mantenimiento ............................................................. 40 5.9.1. A modo gráfico................................................................................... 43 5.10. Análisis de los tiempos de mantenimiento ............................................ 46 5.10.1. Tiempo de apertura ........................................................................... 46 RESUMEN......................................................................................................... 51

Análisis y averías

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Automatismo Eléctrico

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Objetivos Conocer la ubicación o posicionamiento de la “función mantenimiento” dentro de la empresa, atendiendo en principio a criterios de funcionalidad. Conocer los conceptos básicos de los posibles tipos de mantenimiento a aplicar (preventivo y/o correctivo), prestando una especial atención a la función o alcance de la intervención de mantenimiento realizada. Relacionarnos con la importancia del proceso de control, en este caso comenzando por la gestión de los tiempos de mantenimiento Conocer la diferencia entre los denominados fallos y averías, algo propio del argot utilizado en la gestión de mantenimiento industrial. Conocer la clasificación de fallos y averías, atendiendo principalmente a las consecuencias resultantes de su aparición o bien de las que lo ocasionaron. Conocer las estructuras genéricas para el análisis de fallos y averías, profundizando en el registro y posterior análisis de los mismos. Conocer la clasificación "niveles de urgencia", herramienta imprescindible para la decisión de las acciones o intervenciones prioritarias de mantenimiento.

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Formación Abierta

Introducción Los fallos y averías (conceptos “a priori” similares), se pueden entender como la razón de la existencia del mantenimiento, tanto a nivel de gestión (con la intención de anticiparnos a los mismos o, en su defecto, gestionar su rápida y eficaz intervención), como a nivel de ejecución (o sencillamente solventar el incidente). De esta forma, se hace evidente la necesidad de conocer a la perfección las incidencias que presenten a lo largo del tiempo y disponer de estrictos controles para la clasificación de las incidencias y su posterior explotación (o extracción de datos). De esta forma, en la presente unidad didáctica se estudiará detenidamente el origen de fallos y averías, al mismo tiempo que se establecerá la clara diferencia entre los mismos. Al mismo tiempo, se describirán las principales herramientas existentes para la clasificación, registro y posterior explotación de los datos. Una de las primeras consecuencias de esto, será expresada como la clasificación de los niveles de urgencia, o asignación al personal de las tareas prioritarias de mantenimiento. Al mismo tiempo, cabe destacar que toda gestión (por buena que sea) acarrea alguna intervención de correctivo (planificado para la sustitución o bien residual); estas acciones deberán ser ordenadas mediante formularios estandarizados los cuales también se describen en la presente unidad.

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5.1. Estructuración del mantenimiento La estructura de los departamentos de Mantenimiento es muy variada debido a la diversidad de sectores donde estos se encuentran, pero es preciso identificar que será vital que la estructura defina con detalle la responsabilidad que tiene cada uno de los elementos integrantes. De esta forma, encontramos interesante una estructuración del departamento mediante organigramas, donde gráficamente se identificarán relaciones y dependencias.

Un organigrama viene a definir… ¿Quién hace qué?

Las estructuras definidas por los organigramas son de carácter muy variado, ya que son numerosos los sectores donde estos pueden ser aplicados. No obstante, existe una serie de reglas en cuanto a su definición. El organigrama podrá ser de carácter jerárquico (donde se establecen rangos de poder) o de carácter funcional, basada en las responsabilidades y funciones. La aplicación de cada uno de los modelos descritos dependerá de numerosos factores, pero como podremos comprobar, el modelo jerárquico sigue siendo hoy en día el más aplicado. Veremos a continuación un ejemplo de organigrama de departamento y se realizarán una serie de reflexiones sobre las relaciones entre los elementos integrantes.

Análisis y averías

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Formación Abierta

Integración de la fundación mantenimiento

Organigramas Dirección técnica

Dirección técnica

Función: Mantenimiento

Función: Diseño

Función: Producción

Relación 1

Función: Taller Central

Suministros

Método y tiempos

Relación 4

Ejecución Antena 1

Relación 2 y 3

Ejecución Antena 2

Producción Unidad 2

Ejecución Antena n...

Producción Unidad n...

Figura 5.1.

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Producción Unidad 1

Análisis y averías

Organigrama de mantenimiento.

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En relación con las anotaciones realizadas en la figura anterior, encontramos…

Anotación número 1 Relaciones de la función mantenimiento y producción.

Es sumamente importante que dentro de la empresa, las funciones de producción y mantenimiento se encuentren posicionadas en un mismo nivel jerárquico. El desposicionamiento superior o inferior de alguna de estas funciones podrá ocasionar graves enfrentamientos ya que por norma general, los intereses de ambos departamentos son diferentes. Producción tiende a elevar la productividad y por ello tiende a la realización de acciones de entretenimiento. Mientras, el departamento de Funcionamiento suele adoptar políticas de prevención, lo cual puede suponer en ocasiones la ralentización de la producción.

Anotaciones números 2 y 3 Relaciones producción.

entre

antenas

de

mantenimiento

y

Una de las acciones muy recomendables es la creación de equipos de trabajo muy especializados (nos referimos a Mantenimiento). Estos equipos suelen ser denominados antenas de mantenimiento y basan su principal actividad en tareas referentes a unidades concretas de producción. El buen conocimiento de las mismas conlleva un aumento en la efectividad de las acciones.

Anotación número 4 Importancia del aprovisionamiento.

Aparentemente “aprovisionamiento” poco tiene que ver con lo anteriormente expuesto, pero nada más lejos de la realidad. La función de aprovisionamiento y, en consecuencia, ordenamiento será la encargada de facilitar el trabajo a las antenas, facilitando la herramienta, documentación necesaria, etc., así como de planificar meticulosamente las intervenciones (horas, periodo u horario adecuado, etc.).

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Formación Abierta

5.2. Una breve mantenimiento

clasificación

del

Una vez aclarados conceptos importantes sobre el mantenimiento, comenzaremos un estudio más detallado sobre el mismo en los siguientes módulos. Para ello, y en primer lugar, resultará interesante que establezcamos una clasificación de los tipos de mantenimiento existentes (en función del instante donde es aplicado - antes o después del fallo o avería -). Al mismo tiempo, analizaremos algunas variantes de los mismos. Clasificación del mantenimiento

Mantenimiento...

Mantenimiento preventivo

Mantenimiento correctivo

De aplicación para evitar que el fallo se produca...

De aplicación para subsanar los efectos de un fallo ya producido...

Figura 5.2.

Clasificación genérica del mantenimiento.

Tal y como podemos comprobar, las diferencias entre ambos tipos de mantenimiento son notables, pero cabe destacar uno en particular; el tiempo. Básicamente, el preventivo actúa antes del fallo mientras que el correctivo es ejecutado posteriormente a la aparición del mismo. Es importante realizar a continuación un estudio un tanto más detallado de cada uno de los tipos, así como adentrarnos en las subclasificaciones de los mismos.

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Análisis y averías

Automatismo Eléctrico

5.2.1.

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Mantenimiento correctivo

El mantenimiento correctivo es aquel que se realiza con posterioridad a la aparición del fallo, es decir, podemos considerarlo como la reparación (y, consecuentemente, compararlo de manera directa con las acciones de entretenimiento). Cabe destacar que su aplicación como política general de mantenimiento no suele ser recomendable (exceptuando honrosas excepciones) ya que como norma e idea general, la función de mantenimiento ha de anticiparse a los fallos evitando en la medida de lo posible que estos lleguen a producirse. Clasificación del mantenimiento

Mantenimiento...

Mantenimiento paliativo Mantenimiento correctivo De aplicación para subsanar los efectos de un fallo ya producido... Mantenimiento curativo

Figura 5.3.

Clasificación del correctivo.

No obstante, siempre encontraremos acciones de correctivo ya que es físicamente imposible que las previsiones sean cumplidas al cien por cien, teniendo como consecuencia un correctivo residual (el cual deberá ser minimizado al máximo). Estos fallos son sencillamente averías que no deberían haberse producido, es decir, no previstas. Dentro del mantenimiento de carácter correctivo, se podrían establecer subdivisiones, en función del carácter definitivo o no de la intervención. Estos tipos (ver figura número 6), son definidos como mantenimiento paliativo y curativo (estas definiciones no son contempladas en definiciones normalizadas, pero no obstante su uso está generalizado).

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Así pues, tenemos…



Mantenimiento paliativo… Entendiendo una acción no definitiva cuyo objeto es restablecer la producción en el menor tiempo posible. Se requerirá con posterioridad otra intervención de mantenimiento la cual tenderá a ser de carácter definitivo. Podemos entender que la aplicación del paliativo, está ligada a la prisa en volver a poner en funcionamiento.



Mantenimiento curativo… Dentro todavía del correctivo, es decir, del ejecutado después del fallo, entendemos la intervención de carácter curativo como una acción definitiva, cuyo objeto es básicamente el restablecimiento de la producción, pero que busca zanjar el problema de forma definitiva, sin la necesidad de nuevas intervenciones (por lo menos, en referencia a la misma avería). Como suele demostrar la experiencia, la aplicación de acciones de carácter definitivo evita, a la larga, males mayores (fallos o avería más costosas). Así pues, y vista la importancia de las acciones de correctivo dentro de la función integral de mantenimiento, analizaremos algunas de las clásicas funciones asignadas a las cuadrillas de correctivo: 

Realización de las comparaciones de algunos equipos con los denominados de referencia, con objeto de validar su buen funcionamiento.



Detección y localización de los fallos o averías mediante lo que podríamos denominar “vigilancia intensiva” de los equipos.



Diagnóstico. No basta con localizar el fallo o avería, sino que también deberemos identificar la causa que lo ha originado. Lógicamente, factores claves en el éxito de esta fase serán los razonamientos lógicos y la experiencia profesional de los implicados.



Arreglo y/o reparación del equipo con objeto de que este vuelva rápidamente a encontrarse operativo. Esta fase tiene como objeto principal el aumento de la disponibilidad de máquina.

Fallos y averías En los párrafos recién leídos, podemos encontrar una pequeña ambigüedad en el vocabulario, concretamente con respecto a los términos “fallo” y “avería”. En un primer instante pueden parecernos similares, pero dentro del mundo del Mantenimiento Industrial, existen enormes diferencias, y es del todo aconsejable conocerlas ya que denotan la gravedad del incidente.

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Análisis y averías

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De esta forma, la aplicación del término “fallo” hace referencia a cualquier alteración que impida un correcto desarrollo de la función esperada del dispositivo o servicio. Estos fallos pueden ser de carácter leve, es decir, fallos parciales o incluso pueden tener consecuencias más graves. Si el fallo producido es tan sumamente grave que impide el correcto desarrollo o cumplimiento de la función requerida, se habla de “avería” o, en otras palabras, de “fallo total”. La avería es el caso más grave y es entendida como el cese total del dispositivo. Una vez clasificado el incidente, deberemos escoger el tipo de acción a realizar (selección de correctivos de carácter paliativo o curativo). La decisión suele estar condicionada por el tiempo disponible o bien por la criticidad del dispositivo. No obstante, si la decisión es aplicar un mantenimiento paliativo, deberemos recordar que el dispositivo precisa todavía una intervención final.

Fallos y averías

Si el fallo llega a producirse...

Fallo parcial

Existe alteración del funcionamiento. Generalmente, no es grave.

Figura 5.4.

Fallo total o avería

Existe cese del funcionamiento. La gravedad es extrema.

¿Fallos o averías?.

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5.2.2.

Mantenimiento preventivo

El mantenimiento preventivo es aquel que se ejecuta antes de que se produzca el fallo o avería, basándose en el fuerte convencimiento de la prevención como política de gestión. El objetivo es sencillamente evitar que se degrade un servicio determinado o bien que se produzcan incidentes en los dispositivos. Al igual que en las acciones de correctivo, aquí también realizaremos una subdivisión en tipos:



Mantenimiento preventivo sistemático.



Preventivo condicional.

Mantenimiento preventivo sistemático Es aquel que se realiza en base a un programa previamente establecido, siendo medida la ejecución del mismo en unidades de uso o bien en unidades horarias. Mantenimiento preventivo condicional Es aquel que realiza en base a sucesos determinados, entendidos habitualmente como resultados de tests, mediciones, diagnósticos, etc.

Mantenimiento preventivo sistemático.

Para intentar evitar que se produzcan fallos en una instalación hidráulica, se desea establecer un plan de mantenimiento preventivo. El principal foco de incidencias es habitualmente la contaminación y/o degradación del fluido hidráulico, por lo que se opta por frecuentes sustituciones del mismo. En primer lugar se podría establecer un mantenimiento preventivo sistemático, el cual establecerá cambios de aceite cada cierto tiempo, por ejemplo, 6 meses, 100.000 ciclos de máquina, etc. En ambos casos, podemos comprobar cómo se ejecuta un cambio en función de acontecimientos cuantificables, los cuales nos permiten identificar claramente las fechas de cambio. No obstante, esta planificación solo es recomendable en acciones muy concretas ya que por ejemplo, la aplicación del sistemático en este caso no resultará lo más eficaz, seguro y económico.

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Se podrá dar el caso de condiciones variables de uso en cada ciclo, como condiciones de temperatura, presión, etc., lo cual afectará sin duda a la conservación del aceite. Es posible a su vez, que las condiciones de uso sean estacionales y, por ello, los cambios en función del tiempo no sean recomendables (tres meses se ha trabajado a tres turnos, dos meses a un turno y el último mes, la máquina no trabajó). Es claro que en este tipo de intervención, se podrá cambiar de aceite antes o después del plazo ideal. Más recomendable será la aplicación de un método de mantenimiento condicional, basado en el análisis del aceite con periodicidad establecida. Por ejemplo cada dos meses, realizaremos un análisis del aceite y en función del grado de contaminación y/o degradación, se procederá al cambio del mismo. Estamos prácticamente seguros de ejecutar la acción preventiva en el momento justo, y por ello ganamos en eficacia, seguridad y economía.

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5.3. Generalidades: fallos y averías Tal y como se describía en la introducción a la presente unidad, se entiende que los fallos o averías son la razón del mantenimiento, tanto a nivel de gestión como a nivel de intervención ya que básicamente podemos entender que: Por un lado, intentaremos en la medida de lo posible que el fallo o avería no llegue a producirse (noción de mantenimiento preventivo). Este concepto tiene una relación directa con la gestión. Por otro (y de forma inevitable), siempre existirá cierta dosis de correctivo. Esta viene dada por la sustitución de elementos previa a la aparación del fallo o avería (leyes de la degradación) o bien como correctivo residual (el fallo o avería surgió antes de lo previsto y se hace imprescindible su reparación). De una forma u otra (anticipación o reparación), siempre se hace evidente la aparición de fallos o averías, los cuales serán abordados en la presente unidad. Antes de continuar, daremos una definición más clara: "Se entiende como fallo o avería la alteración o interrupción de un bien en el cumplimiento de su función requerida", o en otras palabras, algo que tenía una función clara deja de realizarse porque ha roto o bien sufre una averías. Independientemente de la gravedad del mismo, se requiere una reparación o un arreglo, así si se trate de una acción definitiva hablaremos de reparación, mientras que si la acción es provisional se trata de un arreglo. También cabe destacar que ante la aparición de fallos o averías no se debe ejecutar tan solo su arreglo o reparación, sino que se desencadena un proceso de clasificación, análisis, localización y registro para su posterior explotación. Son precisamente todas estas acciones las dependientes directas de lo que entendemos como gestión de mantenimiento.

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5.4. Clasificación de fallos Como ya podremos imaginar, ante la aparición de un fallo o avería se ha de proceder a la clasificación del mismo (inicio del registro). El problema viene dado puesto que la clasificación del mismo podrá realizarse en base a variados y diferentes criterios. Nosotros comenzaremos por una clasificación basada en las consecuencias resultantes sobre el sistema o, lo que es lo mismo, en cómo afectará al funcionamiento del dispositivo. También se contempla la naturaleza y origen. Esta clasificación establece diferentes niveles comenzando en leves alteraciones de funcionamiento (entendemos fallos o averías de escasa importancia), hasta llegar al cese total en el funcionamiento (lo que entendemos como incidencia de extrema gravedad). Entre estos dos casos se extienden numerosos niveles llegando a un total de 6 (estandarizados). Estos corresponden a: Fallos o averías de carácter... 1. Parcial. 2. Completo. 3. Cataléctico. 4. Progresivo. 5. Fortuito. 6. Desgaste. Comenzaremos a describir detalladamente cada uno de los mismos. Fallo o avería parcial Cuando encontramos un fallo o avería que tiene como consecuencia una leve alteración del funcionamiento, se entiende que nos encontramos ante una clasificación "parcial". No se entiende para los mismos un nivel de urgencia elevado, es decir, la intervención por norma podrá esperar y esta se suele realizar en los paros de máquina (no alteraremos el ritmo de producción, esperando un momento de paro natural para proceder a su arreglo definitivo). Fallo o avería completa En esta clasificación hablamos del concepto contrario, es decir, se da el cese en el funcionamiento impidiendo la obtención de la función o funciones requeridas. La intervención deberá ser (por norma general) de carácter inmediato a fin de restablecer de nuevo el servicio. En ocasiones y si el dispositivo no es entendido como medio de producción o elemento crítico, se podrá retardar la intervención.

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Fallo o avería cataléptica Este tipo de incidencias está basado en la aparición de las mismas con carácter repentino y completo, es decir, algo no previsto ha sucedido y el dispositivo ha perdido la función completamente. Su aparición suele ser bastante comprometida ya que por su origen completo y no previsto, tiende a crear un gran desconcierto y a una búsqueda precipitada de soluciones (restablecimiento del servicio). Por desgracia, suele presentarse frecuentemente y máxime en sistemas automáticos donde un pequeño fallo interrumpe el correcto funcionamiento. Como ventaja en estos casos: la localización y restablecimiento del servicio suele resultar sencilla y económica. Fallo o avería progresiva En este tipo de incidencias se debe prestar especial atención a las intervenciones de preventivo. Determinar un fallo progresivo es síntoma de una aplicación deficiente de nuestra política de mantenimiento ya que vendrá dado por una alteración leve (en principio) que al final desencadena una incidencia mas grave (por no corregirla en inicio). De esta forma, incidencias sencillas de resolver (generalmente económicas) pueden dar lugar a incidencias serias por lo general más complicadas en cuanto a ejecución y no tan económicas. Fallo o avería fortuita De diversa índole y no previstos, es decir, de carácter fortuito. Su clasificación como tal es reservada para equipos o dispositivos con tasa de fallos constante. Fallo o averías por desgaste Este tipo de incidencias están relacionadas directamente con las leyes de degradación de componentes o dispositivos completos, y hacen referencia a la vida útil de los mismos. Su control (se entiende la no aparición de los mismos), tiene una relación directa con mantenimiento preventivo ya que se entiende que las sustituciones deberán ser previstas antes de que este tipo de fallos o averías lleguen a producirse. Comentados los tipos de incidencias que se pueden presentar, y a modo de resumen, tenemos...

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1 PARCIAL

Leve alteración del funcionamiento

COMPLETO

Cese completo del funcionamiento

CATALÉPTICO

Cese completo del funcionamiento repentino

PROGRESIVO

Leves alteraciones de funcionamiento de carácter progresivo, las cuales pueden desembocar en incidencias de mayor gravedad

FORTUITO

Inesperadas y con tasa de fallos constante

DESGASTE

Basadas en leyes de degradación Como ejemplos: corrosión, vida mecánica...

2 3

4 5

6

Figura 5.5.

Clasificación de fallos y averías.

Otro de los aspectos claves a la hora del trabajo con fallos y averías, será conocer claramente el origen de los mismos. El análisis de este aspecto, podrá ayudar de manera notable al establecimiento del preventivo.

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5.5. Naturaleza del fallo Uno de los conceptos repetidos constantemente hasta el momento es la importancia de la clasificación del fallo con objeto de su posterior explotación. En este apartado nos centraremos en otro tipo de clasificación, concretamente según su naturaleza o lo que podemos entender como el origen o las posibles causas del mismo. Se entiende que la localización y clasificación del origen del incidente ayudará en gran medida al establecimiento de las políticas de preventivo. De esta forma encontramos: Fallos en la elaboración. Fallos en la manipulación. Fallos en el montaje. Analizaremos a continuación cada uno de los mismos y consecuencias sobre el sistema:

sus posibles

Origen: elaboración Cuando se producen fallos o defectos en la elaboración de la materia que más tarde deberá ser manipulada o bien sobre el propio dispositivo que se utilizará para la transformación de la misma, se pueden desencadenar fallos o averías en el proceso, el cual podrá ser de diversa índole (aspectos analizados en el apartado anterior). No obstante, y como norma general, los defectos en origen tienen como consecuencia directa la aparición de fallos o averías catalépticas, es decir, de carácter total y completo (cese de funciones sobre el dispositivo).

Podemos entender como defectos en el origen o elaboración de la materia, la aparición de fuertes tensiones en el material recién laminado. Estas pueden tener como consecuencia final la aparición de grietas y en consecuencia roturas en puntos críticos de pieza.

Origen: manipulación Una vez que se dispone físicamente del material con el cual se trabajará, habitualmente se deberá realizar una serie de procesos (entendidos como manipulación de la materia), para adaptarlo a las condiciones específicas de trabajo. En estas pueden producirse defectos y, en consecuencia, es foco de aparición de averías.

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Encontramos como ejemplos claros y fuente de numerosas incidencias la aplicación de tratamientos térmicos incorrectos, como por ejemplo, la aplicación de temperaturas por exceso o defecto para temples o revenidos. Dentro de este grupo también podemos encontrar los sobrecalentamientos producidos en la soldadura de metales o componentes electrónicos.

Origen: montaje Este, quizá, representa uno de los problemas más frecuente y posterior causa de averías o fallos de funcionamiento. Durante el montaje, se podrán producir defectos (generalmente factores humanos), los cuales impiden un cumplimiento de las funciones requeridas bajo las especificaciones correctas de funcionamiento.

Algunos ejemplos bastante representativos los podemos encontrar en el montaje incorrecto de rodamientos y ejes (por ejemplo, una alineación deficiente), así como volantes mal contrapesados, rellenado de fluidos hidráulicos sin asegurar la limpieza, etc.

Este último aspecto es de suma importancia ya que la práctica habitual es no prestar una especial atención a la reposición de fluido. Si se introduce suciedad en la carga, con toda seguridad se producirán defectos en la instalación ya que los dispositivos hidráulicos y neumáticos en general, son extremadamente sensibles a la contaminación, siendo esta una de las principales causas de fallo o avería.

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5.6. Fallos y averías por sectores La clasificación de fallos y averías continúa en el presente apartado, siguiendo un criterio de clasificación sectorial, o lo que es lo mismo, identificar si el fallo o avería será clasificado como mecánico, eléctrico, etc. Además, se presenta una lista con los fallos más habituales de cada uno de estos sectores. Su clasificación y establecimiento dentro de algún grupo sectorial será de extrema importancia; sobre todo a la hora de identificar a "un culpable", queremos decir... ¿a quién es imputable?

5.6.1.

Fallos de origen mecánico

Los principales fallos o averías que pueden presentarse en un dispositivo mecánico son:



Golpes.



Sobrecargas.



Fatiga.



Fatiga térmica.



Plasticidad.



Desgaste.



Abrasión.



Erosión.



Corrosión.

5.6.1.1.

Golpes

Los golpes a los componentes, dispositivos o material a elaborar suelen presentarse como incidentes de carácter fortuito (queremos entender que no provocados), y suelen producirse en el proceso de manipulación. Al no estar previstos, los defectos, fallos o averías que los mismos pueden producir no han sido tenidos en cuenta en el cálculo de la tasa de fallo y en consecuencia, su resultado final no puede ser previsto.

5.6.1.2.

Sobrecargas

Estas resultan de extrema gravedad ya que si llegan a producirse, pueden provocar un fallo total, es decir, cese en las funciones del dispositivo.

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Análisis y averías

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Algún ejemplo lo podemos encontrar en aparatos con cilindros neumáticos o hidráulicos, donde si los vástagos de los mismos reciben sobrecargas mecánicas, pueden producirse deformaciones permanentes sobre los vástagos (si se superó el límite de elasticidad). En caso contrario, se provocará la fatiga del material e inevitablemente se llegará al fallo o avería.

5.6.1.3.

Fatiga

Este tipo de acción suele ser provocada en la mayoría de las ocasiones por la vibración de los dispositivos. El efecto final es la rotura del elemento, no siendo estrictamente necesario sobrepasar los límites de elasticidad. Podemos encontrar un ejemplo: si un tornillo de máquina sufre una rotura repentina, casi con total seguridad estaremos hablando de la fatiga del material.

5.6.1.4.

Fatiga térmica

Con los mismos resultados que la fatiga mecánica pero en este caso, producida por las dilataciones y contracciones del material (debidas a las variaciones térmicas).

5.6.1.5.

Plasticidad

La plasticidad es entendida también como deformación de carácter permanente, estando directamente relacionada con el tiempo y con las condiciones extremas exteriores. De esta forma, materiales que estén sometidos a condiciones de temperatura o presión extrema (por ejemplo), podrán sufrir deformación permanente debido al paso del tiempo bajo estas condiciones. Un ejemplo doméstico: la deformación de las baldas de librerías por el peso acumulado de los cientos de libros que almacenamos.

5.6.1.6.

Desgaste

El desgaste es uno de los efectos más característicos de los dispositivos mecánicos y puede ser entendido como la pérdida de material debido al permanente contacto por rodadura o deslizamiento. Ejemplos los podemos encontrar en el desgaste producido en los casquillos guía de los cilindros neumáticos o hidráulicos (deslizamiento constante de los vástagos), lo cual produce el desgaste natural de los mismos. Un ejemplo cotidiano: el desgaste de los neumáticos de un automóvil.

Análisis y averías

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Formación Abierta

5.6.1.7.

Abrasión

En este caso hablamos de un efecto de pérdida de material por contacto de materiales de diferente naturaleza, lo cual produce un desgaste sobre el material de menor dureza. No siempre es un efecto perjudicial y, por ejemplo, es la base de funcionamiento para numerosas máquinas herramientas, como las afiladoras (esmériles) o rectificadoras. Por ello, se dice que estas disponen de elementos ("muelas") abrasivas.

5.6.1.8.

Erosión

Este efecto es producido por fuertes impactos de partículas lanzadas voluntaria o involuntariamente. Los efectos son graves en el segundo caso y del mismo modo que la abrasión, si el efecto es controlado, es base de funcionamiento para algunos dispositivos, como por ejemplo, las granalladoras, las cuales lanzan partículas para realizar la limpieza (desengrasado y desoxidado) de chapas o perfiles metálicos.

5.6.1.9.

Corrosión

Este efecto es uno de los más importantes referentes a los posibles fallos o averías que por su aparición, podrán surgir sobre el dispositivo. Por su amplitud, su estudio se realiza en base a:



Corrosión electroquímica.



Corrosión química.



Corrosión eléctrica.



Corrosión bacteriana.



Corrosión de contacto.

Corrosión electroquímica Es principalmente aquella que afecta a los métales (en especial, al hierro) que se encuentran en contacto con un medio líquido. Cabe destacar dentro de las mismas la corrosión galvánica (dos metales de diferente naturaleza unidos por un líquido conductor, a modo de pila o generador) y la corrosión por aireación diferencial, donde las zonas más aireadas se convierten en elementos positivos (cátodos) y las menos aireadas en polos negativos (o ánodos).

22

Análisis y averías

Automatismo Eléctrico

05

Corrosión química Es aquella donde los dispositivos o elementos entran en contacto con sustancias extremadamente agresivas o "corrosivas", dando lugar a una reacción química cuya consecuencia es la pérdida de material. Suele aparecer representada por la aparición de fisuras, picaduras sobre el material, etc. Agentes corrosivos o agresivos son: ácidos (como por ejemplo, el sulfúrico), compuestos halógenos, compuestos alcalinos, etc. Corrosión eléctrica Son aquellas producidas por la aparición de arcos eléctricos que producen la abrasión del material. Estos arcos son generados en función de la diferencia de potencial existente entre dos elementos superficies metálicas colocadas en zonas próximas. Se manifiesta en forma de pequeños cráteres sobre el material y es consecuencia, entre otras, de las malas conducciones a tierra, cargas electrostáticas, etc. Corrosión bacteriana En algunos medios (como por ejemplo, los aceites de corte y refrigerantes) pueden existir bacterias que se multiplican de manera notable. Estas bacterias pueden producir ácidos los cuales atacan a determinados elementos produciéndose así la corrosión. Como ejemplo, las bacterias anaerobias atacan a los productos sulfatados. Corrosión de contacto Generalmente provocada por el contacto entre dos metales, donde se generará polvo extremadamente abrasivo (como por ejemplo, Fe2 O3). Cavitación Corresponde a un caso particular de fluidos en régimen turbulento. Las superficies que se encuentran en contacto con estos fluidos se deterioran de manera notable. El efecto es producido por la generación de burbujas en el fluido ya que estas a presiones extremas "explotan" dando lugar a presiones y temperaturas importantes que tienden a "arrancar el material". El efecto es propio de bombas hidráulicas, así como camisas de motor, hélices, etc.

Análisis y averías

23

Formación Abierta

5.6.2.

Fallos de origen eléctrico

Los principales fallos o averías que pueden presentarse en un dispositivo eléctrico son:



Rotura de uniones eléctricas.



Desgaste de los contactos.



Distensión de componentes.

Rotura de uniones eléctricas La principal causa de roturas en las uniones eléctricas provienen de los golpes o vibraciones a la que se encuentran sometidos los dispositivos. Desgaste de los contactos Sencillamente es provocado por el uso del dispositivo y puede entenderse como un desgaste natural basado en leyes de desgaste (a modo de desgaste mecánico). Algunos factores contribuyen de manera notable a la aceleración del proceso, restando vida útil del dispositivo (o TBF). Distensión de componentes Principalmente se presenta sobre resistencias, transistores, etc. La incidencia suele ser de carácter cataléptico, es decir, completo y repentino, ya que es extremadamente complicado prever fallos en dispositivos o componentes eléctricos.

24

Análisis y averías

Automatismo Eléctrico

05

5.7. Estudio del fallo. Análisis Una vez localizada la incidencia sobre un dispositivo, no solo bastará con la identificación y clasificación de la misma, sino que se requerirá de su análisis y registro, con objeto de explotar posteriormente la información proporcionada por la misma. Para ello, se realizará un detallado estudio de todo el proceso, basándonos habitualmente en los modelos IPRF, los cuales realizan un detallado estudio sobre la Iniciación del fallo, la Propagación del mismo, la Rotura y el Fallo. De esta forma IPRF se centra sobre: Iniciación. Propagación. Rotura. Fallo.

Un elemento mecánico (eje de transmisión) es fabricado con un material que presentaba defectos en su fabricación, por ejemplo una tensión interna del material (INICIACIÓN). Durante el funcionamiento del componente, comienza la fatiga del material, la cual será extrema en los puntos de sobretensión (PROPAGACIÓN). Esta fatiga terminará casi de manera inevitable en la rotura del eje por los puntos más débiles, como por ejemplo, las entalladuras para la colocación de los rodamientos (ROTURA). Esta rotura desemboca en el fallo, el cual será completo o parcial, y su gravedad dependerá de la función requerida al dispositivo donde fue colocado (FALLO).

5.7.1.

Estudio del fallo

Es evidente que este método resulta un buen evaluador de fallos y por ello se desarrollará en el presente apartado. En cuanto a los factores que manifiestan los fallos, encontramos:



Manifestación.



Amplitud.



Consecuencias.



Detectabiliadad.

Análisis y averías

25

Formación Abierta



Identificación.



Causas de origen.

Manifestación La manifestación de un fallo es entendida como el identificador del fallo o avería en cuanto al carácter permanente o no permanente de la misma. Del mismo modo, se representa la velocidad de propagación (relación directa con el origen y consecuencia de una incidencia). A modo de ejemplo: Nivel de rendimiento

Nivel de rendimiento

Límite de pérdida de función

Límite de pérdida de función

Modelo: degradación

Figura 5.6.

Modelo: cataléptico

Modelos de velocidad de propagación.

Amplitud La amplitud del fallo hace referencia a si la incidencia afecta parcial o totalmente al dispositivo, es decir, si se presenta un cese parcial o total en las funciones requeridas del mismo. Consecuencias Son el resultado de los dos aspectos citados anteriormente (manifestación y amplitud). Son quizá las más evidentes ya que representan de forma evidente las consecuencias del incidente. Detectabilidad Es uno de los aspectos más importantes a tener en cuenta por el departamento mantenimiento. La detectabilidad valora la facilidad o dificultad que presenta incidente o causa de generación para ser localizado (antes o incluso después que se produzca). Con una elevada detectabilidad se podrán aplicar políticas preventivo.

de un de de

Identificación Se pretende en este caso identificar la naturaleza del fallo o avería, así como la localización de la misma. Estos datos conformarán parte del histórico máquina, tal y como hemos analizado en anteriores unidades didácticas.

26

Análisis y averías

Automatismo Eléctrico

05

Causas O sencillamente, el análisis de ¿por qué se ha producido a avería? Su localización solventará (o por lo menos ayudará) en gran medida a evitar futuros incidentes relacionados con la misma causa (mantenimiento preventivo mantenimiento de mejora).

Zona de iniciación

Zona de rotura

Zona corregida

Figura 5.7.

5.7.2.

IPRF.

Análisis del fallo

Tal y como ya se ha comentado, se precisará un detallado estudio del fallo y posterior análisis para su explotación. Uno de los mejores métodos, consistirá en la creación de fichas normalizadas donde se recojan e identifiquen los parámetros indicados anteriormente. Comenzaremos con la identificación del mismo. IDENTIFICACIÓN DE FALLO Fecha

B.T. / Nº

Contador

Código Máquina

Máquina

Órgano

Mar/Mod.

Figura 5.8.

Identificación del fallo.

Análisis y averías

27

Formación Abierta

De esta forma, y a modo de ejemplo se encuentra una incidencia en el contrapunto neumático de un torno CNC. La identificación consistirá en:

IDENTIFICACIÓN DE FALLO Fecha

12/01/95

B.T. / Nº

1245789

Contador

12568 h.

Código

00/N1S2 /TR

CPN/01

Máquina

Máquina

Torno CN

Mar/Mod.

Figura 5.9.

Órgano

EMCO PC TURN125

Ejemplo identificación.

Una vez identificado el fallo, se deberá establecer su naturaleza o, lo que es lo mismo, identificar si esta es de procedencia mecánica, eléctrica, neumática, etc. Siempre se prevé la verificación de "otras", bajo especificación de las mismas. NATURALEZA DEL FALLO MEC

NEU

ELE

HID

ELT

OTR

M EC:

Mecánica

NEU:

Neumática

ELE:

Eléctrica

HID:

Hidráulica

ELT:

Electrónica

OTR:

Otra (especificar)

Figura 5.10.

Naturaleza del fallo.

Imaginando que nuestro problema se centra en el contrapunto (y más concretamente, en la falta de estanqueidad), entendemos que se produce un fallo puramente neumático y, en consecuencia, un defecto en el accionamiento mecánico.

28

Análisis y averías

Automatismo Eléctrico

05

De esta forma, y a la hora de identificar la naturaleza, ambas casillas pueden ser marcadas, entendiendo que el defecto parte de instalación neumática. NATURALEZA DEL FALLO MEC

Incorrecto accionamto.

NEU

Falta de estanqueidad.

ELE

---

HID

---

ELT

---

OTR

---

M EC:

Mecánica

NEU:

Neumática

ELE:

Eléctrica

HID:

Hidráulica

ELT:

Electrónica

OTR:

Otra (especificar)

Figura 5.11.

Ejemplo naturaleza.

Es estos momentos, se debe proceder a la identificación de la causa que ha provocado el incidente. Son muy variadas y a la hora del establecimiento de la ficha de análisis se deberá estudiar el sector de actividad y tipos de dispositivos existentes. A modo general, podemos encontrar: CAUSA DEL FALLO C. Extrínseca.

C. Intrínseca.

Accidente

Mala concepción

Mala utilización

Mal montaje

Instrucciones no respet.

Desgaste

limpieza insuficiente

Corrosión

mala intervención anter.

Fatiga

Otras...

Otras...

Figura 5.12.

Causa del fallo.

Podemos imaginar que en nuestro ejemplo la falta de estanqueidad estaba producida por el desgaste natural de las juntas dinámicas, pero se ha observado que este proceso se aceleró por una alta contaminación en el fluido y restos importantes de suciedad.

Análisis y averías

29

Formación Abierta

De esta forma...

CAUSA DEL FALLO C. Extrínseca.

C. Intrínseca.

Accidente

Mala concepción

Mala utilización

Mal montaje

Instrucciones no respet.

Desgaste

limpieza insuficiente

Corrosión

mala intervención anter.

Fatiga

Otras...

Otras...

Figura 5.13.

Ejemplo causa.

A partir de este momento, deberemos centrarnos en "valorar" el incidente, y el primer apartado consistirá en determinar la amplitud del mismo, identificando el carácter adoptado en el cese o alteración de la función requerida. Para ello se establece la siguiente ficha:

AMPLITUD DEL FALLO Rellenar carácter...

Progresivo

Súbito

Rellenar efecto...

Parcial

Completo

Rellenar clasificación....

Degradación

Cataléptico

Figura 5.14.

30

Análisis y averías

Amplitud del fallo.

Automatismo Eléctrico

05

El fallo producido en nuestro contrapunto es debido principalmente al desgaste natural de las juntas y además, presenta un carácter parcial ya que el resto de funciones de máquina continúan siendo operativas. Por ello la clasificación resultará:

AMPLITUD DEL FALLO Rellenar carácter...

Progresivo

Súbito

Rellenar efecto...

Parcial

Completo

Rellenar clasificación....

Degradación

Cataléptico

Figura 5.15.

Ejemplo amplitud.

A continuación, se tratarán las consecuencias del fallo o avería analizando como ha afectado a la producción u otros conceptos como seguridad personal, costes derivados, etc. Se identifica con ello la gravedad del incidente.

CONSECUENCIAS DEL FALLO Criticidad

Seg. Per.

Inmolizac.

Cte. Direct.

Producción

Crítico

Graves

Larga

Elev.

Parada

Mayor

Les. Pq

Muy l.

Bast.

Ralentí

Menor

Menor

Breve

Bajo

Continua

Figura 5.16.

Consecuencias del fallo.

Análisis y averías

31

Formación Abierta

En el caso que se está analizando (fallo del contrapunto), podremos establecer la criticidad es mínima, ya que no afecta de manera importante al proceso productivo (sólo un torno y en un elemento no estrictamente necesario para todo tipo de piezas). En cuanto a la seguridad personal, esta no se verá afectada y no se realiza inmovilización, ya que la reparación se puede ejecutar en tan solo unos minutos. La producción no se verá afectada, es decir, no se prevé ni parada de la misma ni ralentización, resultando en consecuencia unos costes directos extremadamente bajos. Vemos el modo en que la ficha será rellenada.

CONSECUENCIAS DEL FALLO Criticidad

Seg. Per.

Inmolizac.

Cte. Direct.

Producción

Crítico

Graves

Larga

Elev.

Parada

Mayor

Les. Pq

Muy l.

Bast.

Ralentí

Menor

Menor

Breve

Bajo

Continua

Figura 5.17.

Ejemplo consecuencias.

Seguidamente, se deberá realizar una valoración de la detectabilidad del fallo, o la aptitud que este presenta a ser detectado. Un ejemplo de análisis corresponde a: DETECTABILIDAD DEL FALLO Captores Rondas periódicas Inspecciones periódicas Otras medidas preventivas

Figura 5.18.

32

Análisis y averías

Detectabilidad del fallo.

Automatismo Eléctrico

05

Por último, y basándonos en todos los datos que se han ido recogiendo, se procederá al análisis del fallo, con objeto de poder incluir las conclusiones finales en el histórico máquina. Este análisis podrá ser tan detallado como se desee y en el pueden incluirse fotografías, planos, croquis, y por supuesto, una detallada explicación del mismo. A modo de ejemplo, encontramos...

VALORACIÓN DEL FALLO Descripción del fallo Fotografía Dibujos / Planos Otros...

Figura 5.19.

Valoración del fallo.

Remitiéndonos al ejemplo de fallo producido en el contrapunto neumático de un torno CNC, tenemos...

VALORACIÓN DEL FALLO Descripción del fallo Fotografía

no

Dibujos / Planos

no

Otros...

no

Figura 5.20.

Se detectaron fugas debidas al deterioro de las juntas dinámicas. Se comprobo una excesiva contaminación del aire comprimido y en consecuencia, se reparó el cilindro y se colocaron filtros especiales en puntos localizados.

Ejemplo valoración.

Análisis y averías

33

Formación Abierta

Como resumen y formato de la ficha de análisis:

IDENTIFICACIÓN DE FALLO Fecha

B.T. / Nº

Contador

Código Máquina

Máquina

Órgano

Mar/Mod.

NATURALEZA DEL FALLO MEC

NEU

ELE

HID

ELT

OTR

M EC:

Mecánica

NEU:

Neumática

ELE:

Eléctrica

HID:

Hidráulica

ELT:

Electrónica

OTR:

Otra (especificar)

CAUSA DEL FALLO C. Extrínseca.

C. Intrínseca.

Accidente

Mala concepción

Mala utilización

Mal montaje

Instrucciones no respet.

Desgaste

limpieza insuficiente

Corrosión

mala intervención anter.

Fatiga

Otras...

Otras...

Figura 5.21.

34

Análisis y averías

Anverso de ficha de análisis.

Automatismo Eléctrico

05

AMPLITUD DEL FALLO Rellenar carácter...

Progresivo

Súbito

Rellenar efecto...

Parcial

Completo

Rellenar clasificación....

Degradación

Cataléptico CONSECUENCIAS DEL FALLO

Criticidad

Seg. Per.

Inmolizac.

Cte. Direct.

Producción

Crítico

Graves

Larga

Elev.

Parada

Mayor

Les. Pq

Muy l.

Bast.

Ralentí

Menor

Menor

Breve

Bajo

Continua

DETECTABILIDAD DEL FALLO Captores Rondas periódicas Inspecciones periódicas Otras medidas preventivas

VALORACIÓN DEL FALLO Descripción del fallo Fotografía Dibujos / Planos Otros...

Figura 5.22.

Reverso de ficha análisis.

Análisis y averías

35

Formación Abierta

5.7.3.

Niveles de urgencia

Hasta el momento, se ha prestado toda la atención a la localización y análisis de los fallos, sin casi tener en cuenta su posterior arreglo o reparación. De esta forma, en el presente apartado se van desvelando las claves para una mayor eficacia a la hora de realizar estas acciones correctivas, partiendo de la asignación de un nivel de urgencia, o lo que es lo mismo, determinar si la acción correctora debe presentar un carácter inmediato o bien si esta podrá esperar mientras se realizan acciones más urgentes que devuelvan otros bienes a producción o perfecto cumplimiento de la función requerida. Habitualmente y de forma casi estandarizada, se han adoptado 4 niveles de urgencia o prioridad en la reparación, los cuales corresponden a...



Nivel 1. Arreglo urgente.



Nivel 2. Arreglo en breve plazo.



Nivel 3. Acciones de preventivo sistemático.



Nivel 4. Acciones planificadas de poca urgencia.

Se describen a continuación las principales características de los cuatro niveles: Nivel de urgencia 1 Se entiende como un nivel de prioridad ya que es la clasificación que corresponde a los arreglos o reparaciones urgentes. Su realización corresponde a devolución a condiciones de trabajo de los dispositivos y, dada su importancia, son ejecutadas sin órdenes previas.

Como acción que requiere una inmediata intervención, podemos encontrar la rotura por gripado de un rodamiento empleado en una transmisión. Es de carácter fortuito y su consecuencia es cataléptica (cese de funciones).

Nivel de urgencia 2 Este nivel corresponde a intervenciones que podrán realizarse a corto plazo (pueden esperar unos días). Para la realización de las mismas se analiza la utilización del dispositivo, buscando el momento óptimo para la intervención.

36

Análisis y averías

Automatismo Eléctrico

05

La red de comunicación entre un PLC y la terminal de control de proceso ha sufrido un corte. Los datos del dispositivo no son importantes para la producción y por ello se toma la determinación de repararla en dos días, ya que existen incidentes de carácter U1 que requieren de toda nuestra atención en estos momentos.

Nivel de urgencia 3 Este nivel suele venir asociado a las tareas propias de mantenimiento preventivo, centrándose en intervenciones que no requieren una acción inmediata ya que corresponden a intervención antes del fallo. Entre las mismas se encuentran las tareas de engrase, revisión de tensiones, revisión de vibraciones, etc.

Se ejecuta el engrasado sistemático de las transmisiones de un torno paralelo, según lo establecido en las fichas de lubricación (preventivo).

Nivel de urgencia 4 En este nivel encontraremos las tareas planificadas a lo largo del tiempo (donde no se requieren intervenciones inmediatas). En su planificación se tendrá muy en cuenta la disponibilidad del personal de mantenimiento y la disponibilidad de máquina, reservando los periodos menos productivos de las mismas.

Se establece un plan de mantenimiento preventivo o de mejora para los cuales se requieren unas intervenciones de correctivo, las cuales se planifican en el periodo vacacional del personal. De esta forma, las intervenciones no afectarán a la productividad. A nivel doméstico encontramos ejemplos claros: el mantenimiento del aire acondicionado se realiza antes del verano, es decir, antes de comenzar su verdadera actividad (asegurando el cumplimiento de función) y no afectando a la utilización del mismo.

Análisis y averías

37

Formación Abierta

5.8. Tasa de fallos La tasa de fallos de un dispositivo es uno de los indicadores más habituales que manejará el departamento de mantenimiento, entendiéndose como un parámetro que mide la fiabilidad de los dispositivos. Deberemos recordar que la fiabilidad es:

Fiabilidad Característica que presenta un dispositivo expresada en la probabilidad de que este cumpla la función requerida en las condiciones de utilización previstas y para un periodo determinado de tiempo.

La "probabilidad" en este caso es calculada como:

Número de casos posibles 1 Número de casos favorables La tasa de fallos suele ser representada mediante la notación Z(t) o bien siendo expresada habitualmente como averías / hora. Para su cálculo:

(t),

Número de fallos Duración de uso (horas) Es importante conocer que para el cálculo de la misma, no se deberán contemplar los fallos de carácter extrínseco, tales como los producidos por defectos en la utilización, inadecuadas condiciones de uso, efectos exteriores y de carácter aleatorio, etc. En otras palabras, no podemos incluir como averías para el cálculo de la tasa de fallos efectos producidos por una inundación, incendio, sobrecarga del sistema, medidas de seguridad no respetadas, etc. La tasa de fallos no es un indicador constante a lo largo del tiempo, sino que esta variará de forma notable en función del instante analizado. Este concepto tiene una relación directa con los considerados periodos de vida de un dispositivo. De la misma forma, se observan variaciones en función de la naturaleza del elemento analizado (componente mecánico, eléctrico o electrónico), etc. La representación gráfica de la tasa de fallos en estos tres periodos en la vida de un elemento o dispositivo da lugar a la famosa "curva de bañera", representada en numerosas ocasiones por los responsables de mantenimiento.

38

Análisis y averías

Automatismo Eléctrico

05

Los tres periodos de vida son: Juventud. Madurez. Vejez u obsolencencia. Juventud Este periodo corresponde a la puesta en servicio de un dispositivo y corresponde a uno de los momentos donde se pueden producir daños importantes. Estos serán considerados como efectos de la mortalidad infantil o bien fallos precoces de funcionamiento. La tasa de fallos suele resultar elevada y se entiende que corresponde a la puesta en funcionamiento del dispositivo (atendiendo a las consideraciones de fabricante para el periodo) y al rodaje del mismo. Madurez Este es el periodo más productivo ya que la tasa de fallos se reducirá de manera notable. Se entiende que los fallos o defectos propios del periodo de juventud han sido solventados y entramos en un periodo de largos tiempos de buen funcionamiento. En este caso, los fallos producidos son de carácter aleatorio y se entiende un rendimiento óptimo del dispositivo. En este caso, la tasa de fallos tiende a ser constante. Vejez u obsolescencia Esta es una fase donde inevitablemente desembocaremos y se entiende como una etapa donde la degradación del material o dispositivo se hace evidente (cabe destacar que el establecimiento y cumplimiento de una política de preventivo) retarda de manera notable su aparición. En este caso la tasa de fallos vuelve a ser ascendente y los efectos son bastante evidentes ya que hablamos de degradaciones por desgaste, erosión, corrosión, etc. Al final, el dispositivo será retirado o bien reconstruido si ofrece la posibilidad. No obstante, el aumento de los fallos se realiza de forma menos brusca que en la etapa de juventud.

Análisis y averías

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Formación Abierta

5.9. Los 5 niveles de mantenimiento Las acciones realizadas por el departamento de mantenimiento, independientemente de acciones de correctivo o preventivo no presentan el mismo alcance o profundidad. Lógicamente, encontramos acciones digamos de poca importancia y otras que llegan a ser en exceso profundas y complejas. Por este motivo, las intervenciones suelen ser clasificadas en niveles (concretamente 5), donde se expresan por números bajos (comenzando por el 1), tareas sencillas y rutinarias como suelen ser los ajustes hasta llegar a los números elevados (4 ó 5), los cuales suelen representar profundas intervenciones que incluso requieren personal cualificado exterior. Analizaremos cada uno de estos niveles (nivel de alcance y profundidad de la intervención). Nivel de mantenimiento 1. Nivel de mantenimiento 2. Nivel de mantenimiento 3. Nivel de mantenimiento 4. Nivel de mantenimiento 5. Nivel de mantenimiento 1 Básicamente las clasificaciones dentro de este nivel se refieren a tareas sumamente sencillas, las cuales suelen ser definidas por el propio fabricante del equipo. No suelen requerir desmontaje de componentes y si estas llegan a ser precisas, no representarán riesgo ni dificultad en la manipulación. El concepto será ampliado posteriormente, pero podemos relacionar estas tareas (nivel 1), con el denominado “mantenimiento de carácter preventivo”, y, dentro de este, en las tareas de ronda o vigilancia sistemática. Prácticamente es realizado a diario por los propios operarios y en la mayoría de las ocasiones sin prestar en su realización una especial atención (como ejemplo, la lubricación de las guías de la bancada en un torno paralelo).

40

Análisis y averías

Automatismo Eléctrico

05

Tal y como se acaba de especificar, tareas sencillas relacionadas con los ajustes u operaciones sencillas. Un ejemplo representativo lo constituye el engrasado de componentes mediante los puntos de lubricación colocados a tal efecto, o el vaciado sistemático de las condensaciones en los depósitos de almacenamiento o de las purgas manuales en aplicaciones neumáticas.

La relación con las tareas de mantenimiento preventivo es directa ya que, por ejemplo, el engrasado sistemático alargará la vida de la máquina al impedir funcionamientos anómalos en los sistemas de transmisión de movimientos. Nivel de mantenimiento 2 El nivel de mantenimiento número 2 queda definido por operaciones sencillas relacionadas principalmente con el cambio de componentes estándar (lo cual puede tener relación directa con el mantenimiento preventivo, o antes del fallo, o correctivo, es decir, cuando este ya se ha dado.

Ejemplos representativos los podemos encontrar en la sustitución de filtros hidráulicos, juntas dinámicas de componentes neumáticos, etc.

Como puede observarse, corresponden a intervenciones extremadamente sencillas donde tan apenas se requiere el desmontaje de componentes. Nivel de mantenimiento 3 Básicamente, los niveles 3 de mantenimiento corresponden por excelencia a intervenciones de correctivo, ya que corresponden a intervenciones para reparación o sustitución de componentes en los cuales el fallo o avería no estaba previsto. De esta forma, el nivel puede ser ampliado hacia conceptos de preventivo ya que en numerosas ocasiones también se identifican las causas o motivos que han propiciado la intervención (lo cual constituirá una importante información para su posterior análisis el cual suele tener como consecuencia la no aparición de incidentes de la misma índole).

Análisis y averías

41

Formación Abierta

En este tipo de intervención pueden darse varios niveles de ejecución, ya que la sustitución de estos componentes defectuosos puede suponer trabajos importantes de desmontaje y sustitución o, por el contrario, resultar sencillos y poco laboriosos. Ejemplos los podemos encontrar en la sustitución de tornillería, sustitución de bobinados de motor, etc.

En definitiva, componentes en los cuales no se preveía el fallo y, en consecuencia, no fueron previstos en las planificaciones del preventivo. Nivel de mantenimiento 4 La clasificación de las intervenciones denominadas nivel 4, corresponden en general a grandes operaciones bien de carácter preventivo o correctivo. Suelen ser ejecutadas por personal interno de mantenimiento, es decir, no suelen requerir subcontratación de tareas.

Encontramos ejemplos representativos como son: reparaciones de servoválvulas, bombas hidráulicas, cuadros eléctricos, reductores, etc.

En definitiva, trabajos que requieren una importante dedicación del departamento y que deberán, en la medida de lo posible, planificarse con objeto de que estos no afecten al trabajo cotidiano. Nivel de mantenimiento 5 Hablar de intervenciones clasificadas como nivel 5 es hablar de acciones confiadas a talleres centrales (es decir, donde las antenas no especializadas no resultan de interés). Incluso en otras ocasiones, las tareas pueden ser confiadas a otras empresas con mayor experiencia (mediante subcontratas). Es habitual este tipo de intervenciones por subcontrata, y resulta extremadamente beneficioso a nivel económico ya que evita disponer de personal especializado para intervenciones muy concretas y esporádicas.

42

Análisis y averías

Automatismo Eléctrico

05

Las tareas clasificadas dentro de este nivel suelen corresponder a importantes cambios en la estructura, como la renovación de una importante dotación del parque de maquinaria, cambio de líneas de automatización, etc.

5.9.1.

A modo gráfico

Acabamos de comprobar la clasificación de las intervenciones de mantenimiento en función principalmente de alcance y profundidad. Un pequeño esquema nos muestra de forma gráfica la clasificación de los mismos… Recordemos en el nivel 1…

Figura 5.23.

Nivel de mantenimiento número 1.

En un nivel superior, acciones un tanto más comprometidas pero todavía de sencillez extrema y casi consideradas como rutinarias. Recordemos…

Figura 5.24.

Nivel de mantenimiento número 2.

Los niveles 3 de mantenimiento se encargan principalmente de intervenciones no previstas, llegando en determinadas ocasiones a diagnosticar causas (mantenimiento preventivo).

Análisis y averías

43

Formación Abierta

Figura 5.25.

Nivel de mantenimiento número 3.

Los niveles de mantenimiento 4, se centran en las grandes intervenciones las cuales se encuentran relacionadas tanto con preventivo como con correctivo.

Figura 5.26.

Nivel de mantenimiento número 4.

Las acciones correspondientes al nivel 5, son operaciones de envergadura, generalmente asignadas a personal externo o talleres centrales.

Figura 5.27.

A grandes rasgos…

44

Análisis y averías

Nivel de mantenimiento número 5.

Automatismo Eléctrico

Figura 5.28.

05

Los 5 niveles de mantenimiento.

Análisis y averías

45

Formación Abierta

5.10. Análisis de mantenimiento

los

tiempos

de

Uno de los aspectos claves dentro de la gestión de mantenimiento será el control del tiempo, ya que ante casos de paros de producción, se deberá conocer el nivel de responsabilidad del departamento de mantenimiento. De esta forma, y “grosso modo” podemos establecer una primera clasificación de los tiempos de paro en: Tiempos imputables a mantenimiento. Paros imputables a producción. Tiempos imputables a mantenimiento Los tiempos imputables a mantenimiento, son conocidos habitualmente como TAM, siendo directamente imputables al departamento de mantenimiento. De esta forma, una vez surgido el fallo o avería (o incluso antes de que esta llegue a producirse si hablamos de preventivo), será necesaria una intervención y esta inutilizará parcial o totalmente el sistema. La función del departamento es la minimización de los mismos. Paros imputables a producción Otros paros o tiempos de no funcionamiento pueden no deberse (o por lo menos, no son directamente imputables) al departamento de mantenimiento, ya que son los considerados como tiempos de calentamiento, test, falta de material o personal, etc. En numerosas ocasiones podemos encontrar maliciosas intenciones de “cargar” este tipo de tiempo de improductividad al departamento y por ello deberemos realizar un control exhaustivo de los tiempos de paro y su clasificación. Son denominados TAF.

5.10.1. Tiempo de apertura El tiempo de apertura es el concepto utilizado para determinar el tiempo requerido para que las unidades de producción sean realizadas de forma correcta. Este concepto (denominado TO), integra el sumatorio de los tiempos imputables a mantenimiento (o TAM), los tiempos imputables a producción (o TAF) y de los tiempos de buen funcionamiento (o TBF). Como TBF, o tiempos de buen funcionamiento, entendemos el tiempo en el cual la actividad se desarrolla con normalidad, o lo que es lo mismo, el tiempo recogido por los contadores horarios de máquina hasta el momento del incidente.

46

Análisis y averías

Automatismo Eléctrico

05

Se entiende que en los TBF no se contemplan los tiempos de indisponibilidad, ya que físicamente el dispositivo no trabaja. Precisamente estos serán TAM o TAF (en función de la asignación por circunstancias). Podemos entender… TO =

TBF +

TAM +

TAF

Donde: TO

Tiempo de apertura.

TBF

Tiempo de buen funcionamiento.

TAM

Tiempos de paro imputables a mantenimiento.

TAF

Tiempos de paro imputables a producción.

En definitiva y como idea general, en el tiempo de apertura o tiempo para la correcta fabricación de unidades o préstamo de servicio influyen todos los factores (tiempos correctos de producción y paros debidos a mantenimiento y producción). El objeto principal consistirá en aumentar al máximo los TBF, reduciendo en la medida de lo posible tanto los TAM como los TAF. Podemos de esta forma clasificar el tiempo para un dispositivo como… Tiempos del mantenimiento

Tiempo requerido Dirección técnica

Tiempo requerido (TO)

Tiempo de disponibilidad

Figura 5.29.

Tiempo de indisponibilidad

Clasificación genérica de los tiempos.

Análisis y averías

47

Formación Abierta

A su vez, en cada uno de estos grupos encontraremos una subclasificación. Concretamente los tiempos de disponibilidad se clasifican en TBF (es decir, tiempos de buen funcionamiento) y tiempos de espera o periodos de no productividad por causas ajenas a mantenimiento (pudiendo entenderse como TAF, es decir, tiempos imputables a producción). Su naturaleza puede ser de índole diversa y entre las causas más comunes podemos encontrar falta de materiales, falta de pedidos, falta de mano de obra, etc. Lógicamente estos tiempos nada tienen que ver con el departamento de mantenimiento y su cómputo no deberá afectarle. En cambio, en los tiempos de indisponibilidad para la producción, mantenimiento si suele tener una responsabilidad directa, lo que no quiere decir completa. Tiempos del mantenimiento

Tiempo requerido Dirección técnica

Tiempo requerido (TO)

Tiempo de disponibilidad

Tiempo de indisponibilidad

TBF ( Buen Funcionamiento )

TAF ( Tiempo de espera )

Figura 5.30.

Tiempos de no productividad.

En los tiempos de indisponibilidad afectarán las acciones correspondientes a mantenimiento (tanto intervenciones de correctivo como de preventivo), pero no pueden serle imputados tiempos de paro debido a preparaciones de máquina, tests de arranques, etc.

48

Análisis y averías

Automatismo Eléctrico

05

Estos, sencillamente, corresponden a producción y aunque parezca mentira, puede suponer un tiempo global importante de paro. Asumir los mismos es un grave error y su consecuencia más directa es la teórica pérdida de efectividad del departamento. Tiempos del mantenimiento

Tiempo requerido

Tiempo requerido (TO)

Tiempo de disponibilidad

Tiempo de indisponibilidad

TBF ( Buen Funcionamiento )

TAM ( Imputables a mantenimiento )

TAF ( Tiempo de espera )

TAF ( Tiempo de espera )

Tiempos. Clasificación general.

Análisis y averías

49

Automatismo Eléctrico

05

Resumen El mantenimiento será clasificado como correctivo o preventivo en función del instante de aplicación. El preventivo viene ligado al intento de evitar el fallo o avería mientras que el correctivo lo está puramente a la reparación (posterior al fallo). Como concepto: incrementar el mantenimiento preventivo tiene como consecuencia directa disminuir el correctivo. No obstante, el correctivo no desaparecerá y se mantendrá en pequeñas dosis (mantenimiento correctivo residual). El departamento de mantenimiento deberá controlar exhaustivamente los tiempos, con objeto de que no le sean imputados aquellos que corresponden por definición a otras funciones de la empresa. Ante la aparición de fallos o averías, se deberá realizar una reparación o arreglo que consiste en intervenciones definitivas o no definitivas respectivamente. Independientemente de esto, fallos y averías deberán ser analizados y registrados para su posterior explotación. Se entiende como fallo o avería la aliteración o interrupción de un bien en el cumplimiento de la función requerida, o lo que es lo mismo, un dispositivo deja de funcionar o lo hace incorrectamente. A la hora de establecer una clasificación de fallos o averías y, atendiendo a la consecuencia final y aparición de los mismos, encontramos una clasificación:



Parcial: alteración de funcionamiento.



Completo: cese completo de funciones.



Cataléptico: repentino y completo.



Progresivo: de carácter parcial y apreciable.



Fortuito: con tasa de fallo constante.



Desgaste: mecánica, eléctrica, corrosión, etc.

En cuanto a una clasificación de los fallos por su naturaleza o causa posible de aparición entenderemos tres casos: fallos en la elaboración del producto, fallos en la manipulación del mismo o bien fallos en el montaje.

Análisis y averías

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Formación Abierta

Los fallos deberán ser registrados y analizados y una herramienta interesante es la aplicación del IPRF, es decir, el estudio de la Iniciación, Propagación, Rotura y Fallo. Un fallo o avería genera una ficha de análisis de fallo, donde se realizará un registro de parámetros, como:



Manifestación.



Amplitud.



Consecuencias.



Detectabilidad.



Identificación.



Causas.

Dependiendo del tipo de fallo o avería y en función de cómo estos afectaran a la producción, se deberá establecer un nivel de urgencia para la reparación, el cual delimitará la rapidez que requiere su corrección. Son 4 niveles:



N1: urgencia en la reparación.



N2: breve plazo de reparación.



N3: planificado (mantenimiento preventivo).



N4: planificado a largo plazo (preventivo o mejora).

La tasa de fallo es uno de los indicadores de mantenimiento (en este caso, de la fiabilidad). No es constante y viene delimitado generalmente por las tres etapas de vida de un dispositivo (juventud, madurez y vejez).

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Análisis y averías