Desde la instauración de la producción en serie, la máquina se ha convertido en una parte vital de nuestra economía. Al principio las máquinas fueron gobernadas principalmente a mano a impulsadas desde un eje común de transmisión o de línea. Este eje de transmisión estaba impulsado por un motor grande que funcionaba continuamente y accionaba cada una de las máquinas mediante una correa cuando era necesario. Se comprende fácilmente que este equipo de transmisión de potencia no se prestase a un nivel elevado de producción.
Con la demanda de mayor producción, la máquina adquirió un nuevo aspecto. Se prescindió del eje de transmisión y se introdujo el motor eléctrico en cada máquina individualmente. Este cambio permitió realizar con más frecuencia y más rápidamente los arranques, paradas a inversiones de la máquina. Una pequeña máquina podía tener un pequeño motor de alta velocidad, mientras una gran máquina contigua podía tener un motor grande de velocidad constante o variable. En otras palabras, el taller de máquinas o la factoría llegó a ser flexible. Al acoplar el motor de accionamiento directamente a una sola máquina del equipo, se hizo posible introducir algunas operaciones automáticas.
Actualmente, en nuestras plantas industriales, es cada vez mayor él número de máquinas que trabajan de modo completamente automático. El operador se
limita a iniciar el proceso, y la mayoría de todas las otras operaciones se realizan automáticamente. El funcionamiento automático de una máquina se obtiene exclusivamente por la acción del motor y del control de la máquina. Algunas veces este control es totalmente eléctrico y otras veces es una combinación de control mecánico y eléctrico. Sin embargo los principios básicos quo se aplican son los mismos.
Una máquina moderna se compone de tres partes distintas que es necesario considerar. Primero, la máquina propiamente dicha, que está proyectada para realizar una determinada tarea o un tipo de trabajo. Segundo, el motor, que es seleccionado de acuerdo con los requisitos de la máquina en cuanto a carga, ciclo de servicio y tipo de funcionamiento. Tercero, el sistema de control, que es el que principalmente interesa en este libro. El sistema de control está supeditado a los requisitos de funcionamiento del motor y de la máquina. Si únicamente es necesario que la máquina arranque, funcione durante algún tiempo, y se pare, el control necesario puede quedar reducido a un simple interruptor de palanca. Pero si es necesario que la máquina arranque, realice varias funciones automáticas, se pare durante algunos segundos, y luego repita el ciclo, requerirá varias unidades integradas de control.
El propósito de este libro es presentar los principios básicos y los componentes del control y luego explicar cómo deben ser asociados para constituir un sistema de control.
1-1 Definición de Control
¿Qué es un control de motor? Es una pregunta que no tiene respuesta sencilla. Sin embargo no implica la misteriosa y complicada cuestión que vulgarmente se cree. La palabra control significa gobierno, mando o regulación. Así, cuando hablamos de control de un motor o máquina, nos referimos al gobierno, mando o regulación de las funciones de dicho motor o máquina. Aplicados a los motores, los controles realizan varias funciones, tales como las de arranque, aceleración, regulación de velocidad, regulación de potencia, protección, inversión y parada.
Cada elemento del equipo utilizado para regular o gobernar las funciones de una máquina o un motor se llama componente de control. Trataremos de cada componente en su correspondiente sección de este libro.
1
Fundamentos de los
Un controlador eléctrico es un dispositivo o grupo de dispositivos que controla o regula las funciones de un motor o una máquina de manera predeterminada o en un orden de sucesión o secuencia asimismo predeterminado.
Panel de la red Protección del circuito
Arrancador
manual Protección en funcionamiento
Motor Línea
Fig. 1-1 Control manual de un motor.
1-2 Control Manual
El control manual es una forma de mando o regulación que se ejecuta manualmente en el mismo lugar en que está situado el dispositivo de control (fig. 1-1). El más sencillo y conocido es probablemente el arrancador manual de pequeños motores a tensión nominal. Se utiliza frecuentemente este arrancador donde sólo es necesario la función de control para la puesta en marcha y parada del motor. Probablemente la principal razón de la popularidad de esta unidad es que su coste es aproximadamente la mitad del de un arrancador electromagnético equivalente. El arrancador manual proporciona generalmente protección contra la sobrecarga (Sec. 2-71 y desenganche de tensión mínima (Sec. 2-12), pero no protección contra baja tensión.
El control manual que provee las mismas funciones que las obtenidas por el arrancador manual de motor a plena tensión se puede obtener utilizando un interruptor con fusible del tipo de acción retardada, que proporciona la protección del motor contra sobrecargas.
Abunda mucho este tipo de control en talleres pequeños de metalistería y carpintería, en que se utilizan pequeñas máquinas de taladrar, tornos y máquinas para roscar tubos. También se utiliza en los ventiladores de extracción instalados en salas de máquinas y utilizados en ciertos procesos industriales. En estas instalaciones el operador o el operario encargado del mantenimiento, empuja generalmente el botón de puesta en marcha del ventilador por la mañana cuando se abre el taller, y continua funcionando durante todo el día. Por la noche, o cuando se cierra el taller, el operador empuja el botón parada, y el ventilador deja de funcionar hasta que se le necesita nuevamente. Las máquinas de soldar del tipo de motor-generador son un ejemplo de esta clase de control y serán conocidas de la mayoría de estudiantes del control de motores.
El arranque manual a tensión reducida mediante autotransformador se emplea extensamente para controlar los motores polifásicos de jaula en los que se requiere el arranque a tensión reducida siendo las funciones necesarias de control solamente las de arranque y parada. Este tipo de arrancador suele llevar incorporada protección contra la sobrecarga, desenganche por tensión nula y protección contra baja tensión. El arrancador tipo autotransformador se utiliza muy frecuentemente asociado a un combinador tipo tambor con resistencias de arranque en los motores de rotor bobinado (fig. 1-2). Esta combinación da un completo control manual de arranque, parada, velocidad y sentido de giro. Estos autotransformadores para el arranque a tensión reducida, se utilizan generalmente en los motores de gran potencia, siendo frecuente su uso junto con un combinador de tambor con resistencias conectadas al rotor en los motores que accionan turbocompresores usados en equipos de acondicionamiento de aire. El arranque a tensión reducida permite al motor vencer la inercia del turbocompresor durante el período de arranque sin absorber una intensidad excesiva. El combinador de tambor junto con las resistencias permite regular la velocidad de un motor de rotor bobinado, que acoplado al turbo compresor permite variar el caudal de aire acondicionado, confiriéndole una flexibilidad que no sería posible obtener con una instalación de velocidad constante.
Panel de la red Control primario Línea Motor rotor de anillos Cambiador tipo tambor Resistencias rotor
Fig. 1-2 Control de un motor con rotor de anillos.
Existen algunos controladores manuales cuya clasificación presentaría alguna dificultad a causa de que realizan también funciones de control que no son automáticas. El control manual se caracteriza por el hecho de que el operador debe mover un interruptor o pulsar un botón para que se efectúe cualquier cambio en las condiciones de funcionamiento de la máquina o del equipo en cuestión.
1-3 Control Semiautomático
Los controladores que pertenecen a esta clasificación utilizan un arrancador electromagnético y uno o más dispositivos pilotos manuales tales como pulsadores, interruptores de maniobra, combinadores de tambor o dispositivos análogos (fig. 1-3). Probablemente los mandos más utilizados son los cuadros de pulsadores a causa de que constituyen una unidad compacta y relativamente
económica. El control semiautomático se emplea principalmente para facilitar las maniobras de mando y dar flexibilidad a las maniobras de control en aquellas instalaciones en las que el control manual no es posible.
La clave de la clasificación como sistema de control semiautomático es el hecho de que los dispositivos piloto son accionados manualmente y de que el arrancador del motor es de tipo electromagnético. Probablemente hay más máquinas manipuladas por control semiautomático que por control manual o automático. Este tipo de control requiere un operador que inicie cualquier cambio en la posición o condición de funcionamiento de la máquina. Mediante el uso del arrancador electromagnético puede realizarse este cambio desde un lugar o puesto de trabajo cómodo o necesario, lo que no es posible con el control manual que debe maniobrarse en el mismo lugar en que está situado el arrancador. Panel de la red Arrancador electromagnético Línea Pulsadores remotos Motor
1-4 Control Automático
Un control automático está formado fundamentalmente por un arrancador electromagnético o contactor cuyas funciones están controladas por uno o más dispositivos piloto automáticos (flg. 1-4). La orden inicial de marcha puede ser automática, pero generalmente es una operación manual, realizada en un panel de pulsadores o interruptores. Panel de la red Arrancador electromagnético Línea Pulsador Motor Interruptor final de carrera Interruptor de flotador
Fig. 1-4 Control automático de un motor.
En algunos casos puede haber una combinación de dispositivos manuales y automáticos en un circuito de control. Si el circuito contiene uno o más dispositivos automáticos, debe ser clasificado como control automático. Por ejemplo, consideremos un depósito que debe mantenerse lleno de agua entre límites definidos y una bomba para reponer el agua cuando sea necesario. Si equipamos el motor de la bomba con un arrancador manual y utilizamos un operario para que lo accione cuando sea necesario, tendremos un control manual. Supongamos que ahora sustituimos el arrancador manual por un arrancador electromagnético y disponemos un panel de pulsadores en el pupitre del capataz. Si mediante un timbre se le avisa cuando el agua ocupa el nivel inferior y el nivel superior, a la vez que realiza su propio trabajo, también podrá
accionar el pulsador correspondiente cada vez que suene el timbre. Esto sería un control semiautomático. Supongamos ahora que instalamos un interruptor de flotador que cierra el circuito cuando el agua llega al nivel bajo previamente determinado y lo abre cuando alcanza el nivel alto también predeterminado. Cuando el agua llega al límite inferior, el interruptor del flotador cerrará el circuito y pondrá en marcha al motor. El motor funcionará hasta que el agua alcance el nivel superior, y en este instante el interruptor de flotador abrirá el circuito y parará el motor. Esto sería un control automático.
Muchas veces se cree que un sistema automático resultará más caro que cualquiera de los otros dos, pero si se tiene en cuenta que se ahorra el trabajo de un operario, bien puede resultar este método más ventajoso. También se tendrá en cuenta que el control automático resultará más exacto a causa de que no hay retraso entre el instante en que el agua llega al nivel deseado y el cierre o la apertura del circuito de control.
Los sistemas automáticos de control se encuentran en casi todas las instalaciones de máquinas herramienta. Las prensas, las fresadoras, las limadoras, los tornos revólver, máquinas herramienta de precisión y casi todas las máquinas actuales de use común, en que se emplean interruptores limitadores y otros dispositivos automáticos, realizan sus operaciones con más rendimiento y más rápidamente gracias al use de sistemas automáticos de control.
Resumen
La diferencia fundamental entre el control manual, el semiautomático y el automático estriba en la facilidad y comodidad de maniobra del sistema. Con control manual el operador tiene que estar situado en el lugar del arrancador para efectuar cualquier cambio en el funcionamiento de la máquina. Con control semiautomático el operador puede estar situado en un lugar conveniente para poder iniciar los cambios de funcionamiento en la posición más cómoda. Con control automático no es necesario que el operador inicie los cambios en el funcionamiento automático, porque esta función está incluida en el sistema de control.
Los circuitos y equipos de control pueden realizar funciones diversas. Pueden ser agrupados en 11 tipos generales de acuerdo con el tipo de control que ejercen sobre el motor. Cada uno de los tipos generales puede ser subdividido en innumerables variantes, pero todas ellas tienen algunos principios fundamentales comunes que, si se comprenden, son la clave del trabajo de control. El propósito de este capítulo es presentar estos principios en un lenguaje lo más claro posible.
2-1 - Puesta en Marcha de un Motor
En la selección del equipo para la puesta en marcha de un motor deben ser tenidos en cuenta varios factores generales. Los más obvios de ellos son la corriente, la tensión y la frecuencia nominales del motor y de los circuitos de control. Los motores necesitan protección de acuerdo con el tipo de servicio, tipo de motor y funciones de control que requieren.
El que se emplee un control de arranque a tensión nominal o uno a tensión reducida puede depender de la capacidad de corriente de la instalación de la planta y de las líneas de la compañía distribuidora de energía, así como de las tarifas. Otros factores tales como mandos para servicio intermitente, control de
velocidad o el tipo de motor utilizado, también afectarán esta selección.
Arranque a tensión nominal. - El requisito de este tipo de arranque es
simplemente la conexión directa del motor a la línea de alimentación (fig. 2-1). Esto se puede conseguir sencillamente utilizando un interruptor de cuchillas, pero este método sólo permite la protección del motor mediante fusibles.
Motor Fusible Interruptor o contactor Protección en funcionamiento Línea
Fig. 2-1 Arranque a tensión nominal.
Para pequeños motores de potencia fraccionaria en circuitos de baja intensidad, un simple interruptor puede ser satisfactorio, utilizándose frecuentemente. En muchos aparatos no se emplea más que el cordón y la clavija como medios seccionadores, junto con un pequeño interruptor para poner en marcha y parar el motor. A causa de que el motor no queda desconectado de la línea en el caso de que falte en ella la energía, este tipo de control de arranque puede ser utilizado, por su economía, en el caso de ventiladores y otros dispositivos que no peligran si se ponen nuevamente en marcha al restaurarse la energía.
Con motores de hasta 7 ½ CV y tensión no mayor de 600 voltios se puede emplear el arrancador manual de conexión del motor directamente a la línea. La mayoría de estos arrancadores también reúnen las condiciones de protección contra la sobrecarga y subtensiones.
2
Control de la puesta
en marcha de motores
El arrancador que más se emplea para motores de hasta 600 CV y 600 voltios o menos es el que dispone de un contactor electromagnético para realizar la conexión directa del motor a línea. Este arrancador, combinado con dispositivos piloto, puede proporcionar una absoluta protección del motor y un funcionamiento completamente automático.
La inmensa mayoría de motores se construyen actualmente de modo que soporten la sobreintensidad que se produce cuándo se emplea el arranque a tensión nominal. Sin embargo no todas las líneas de plantas industriales ni todos los equipos de las compañías distribuidoras de energía eléctrica pueden soportar dichas sobreintensidades. Cuando un motor de gran potencia arranca a plena tensión, puede originar una caída de tensión que sea suficiente para impedir el funcionamiento perfecto del equipo de control. Si la caída de tensión es considerable, puede ser causa de la disminución de intensidad en el alumbrado de otras plantas conectadas a la misma red.
En la mayoría de instalaciones industriales la compañía penaliza, en forma de tarifas más altas, las sobreintensidades excesivas en la línea mediante el uso de un medidor de máximo consumo. Este medidor registra la máxima potencia media suministrada durante un período dado de tiempo, generalmente 15 minutos. Este factor debe ser siempre tenido en cuenta cuando se decide la adopción del método de arranque para motores de gran potencia. El costo adicional de la energía registrada por estos contadores durante el arranque de los motores de gran potencia mediante arranque a tensión nominal puede muy bien exceder del costo de los equipos de arranque a tensión reducida.
Cuando se considere la adopción del arranque a plena tensión, siempre es necesario inspeccionar los conductores de la instalación así como la capacidad del sistema de distribución. Si la sección de los conductores es inadecuada, debe ser aumentada o bien recurrir al arranque a tensión reducida
Arranque a tensión reducida. - Siempre que el arranque de un motor a tensión
nominal pueda causar serios descensos de la tensión en las líneas de la compañía distribuidora o en los cables de la instalación, es casi imperativo el arranque a tensión reducida (fig. 2-2). Existen también otras razones para el uso de este tipo de control, debiéndose tener en cuenta todas ellas al seleccionar el tipo de arranque del motor. Cuando se pone en marcha un motor mediante conexión directa a la red, se produce un esfuerzo excesivo o choque en las distintas piezas, tales como piñones, aletas de ventilador, poleas y acoplamientos. Cuando la carga es pesada y por lo tanto requiere gran esfuerzo
su aceleración, puede ser necesario el arranque a tensión reducida. Las transmisiones de correa con cargas pesadas son propensas a deslizamiento excesivo a no ser que se aplique el par lenta y uniformemente hasta alcanzar la plena velocidad. 2M S S 2M 1M 1M 2M 1M
Secuencia de los contactores Contactor 1M 2M S Arranque X X Transición X Función X X Estrella-triángulo 1M 2M Devanados parciales Secuencia de los contactores Contactor 1M 2M Arranque X X X Función M M M R R S S Autotransformador Secuencia de los contactores Contactor M S R Arranque X X Transición X Función X X
Fig. 2-2 Arranque a tensión reducida
El arranque a tensión reducida se obtiene mediante el uso de resistencias, autotransformadores o reactancias a fin de reducir la tensión de la línea hasta el valor deseado durante el arranque. Independientemente de los medios que se
empleen para reducir la tensión, deben estar proyectados adecuadamente al motor en particular que ha de ser puesto en marcha. No entra dentro del plan de este libro estudiar el diseño de los arrancadores de tensión reducida, sino señalar la necesidad de hacer una selección apropiada de acuerdo con las especificaciones del fabricante del motor.
Otro método de arranque distinto al de tensión reducida consiste en emplear un motor con rotor bobinado y control secundario (figura 1-2). En este sistema de arranque se aplica la tensión nominal al primario o devanado estatórico y en serie con el secundario o devanado rotórico se intercalan resistencias que reducen la intensidad de arranque. Las resistencias conectadas al rotor van eliminándose a medida que aumenta la velocidad, de forma que cuando adquiere la velocidad de régimen quedan eliminadas y los anillos del rotor en cortocircuito. La ventaja del control secundario es que también puede servir de control de velocidad al mismo tiempo que permite reducir la intensidad de arranque.
Cualquiera que sea el método empleado en el arranque a tensión reducida, hay que tener presente que el par de arranque del motor se reduce también. Si un motor no es capaz de producir el par de arranque suficiente para iniciar el giro del motor en el arranque directo o a tensión nominal, la aplicación del arranque a tensión reducida agravará la situación a causa de que el par de arranque se reduce. El par de arranque de un motor de inducción es función del cuadrado de la intensidad del rotor, o aproximadamente del cuadrado de la intensidad de línea. Si la tensión de arranque se reduce en el 50 % , la intensidad de arranque del motor se reducirá también al 50 % de la normal, pero el par se reducirá al 25% de su valor normal.
Algunos de los métodos de obtención del arranque a tensión reducida pueden producir una aceleración nula o muy pequeña en las condiciones de arranque. Esto requiere que la velocidad nominal se alcance después de aplicada la tensión nominal. La intensidad de arranque en las condiciones de tensión reducida será inferior a la correspondiente al arranque a tensión nominal. En el momento, una vez iniciado el proceso de arranque, en que se aplique la tensión nominal, la intensidad vuelve a adquirir el mismo valor, aproximadamente, que tenía en el momento de arranque a tensión reducida al iniciar el proceso. A este tipo de arranque se le denomina generalmente arranque escalonado y suele ser utilizado para regular el régimen de variación de la intensidad absorbida por el motor durante el período de arranque. El arranque de los motores de jaula con
arrollamientos parciales y el arranque en estrella-triángulo de los motores de jaula pertenecen al tipo de arranque escalonado (fig. 2-2).
Control de maniobras intermitentes y de avance lento. - Las prensas, las grúas,
los elevadores y equipos análogos requieren que el motor sea arrancado repetidamente durante cortos períodos de tiempo a fin de poner alguna parte de la máquina en una posición determinada. Este proceso se denomina en inglés jogging o inching. Aunque estos términos se suelen emplear indistintamente, hay una ligera diferencia en su significado. Si el motor es arrancado a plena potencia en tareas de corta duración, el término apropiado es dogging, o sea, mando por arranques rápidos sucesivos. Si el motor es puesto en marcha a velocidad reducida para que la máquina deslice hasta el punto deseado, el término correspondiente es inching, o sea, marcha de avance lento.
Cuando se requieren maniobras de arranque intermitente, es decir, arranques rápidos sucesivos, la potencia nominal del arrancador debe ser superior a la que correspondería para el caso de un arranque normal. Por ejemplo, un arrancador trifásico cuyos valores nominales sean 30 CV, 220 voltios, su potencia quedará reducida a 20 CV para un servicio de mando de arranques intermitentes. Deberá ser consultada la documentación del fabricante en cuanto a las especificaciones de los arrancadores para este servicio. Las normas indicadas en las tablas 2-1 y 2-2 han sido establecidas por NEMA (National Electrical Manufacturers Association).
2-2 Control de la Aceleración en el Arranque
Los motores de jaula no suelen prestarse muy bien al control de la variación de velocidad y de la aceleración. Existen tipos especiales de motores de jaula destinados a aplicaciones de dos, tres o cuatro velocidades. Este tipo de motor de jaula para varias velocidades, no es realmente de velocidad variable, sino que tiene varias velocidades determinadas que pueden ser utilizadas cuando se desee o escalonadamente. Cuando se requiere velocidad ajustable, los motores más prácticos son el de rotor bobinado con control de secundario y el de c.a. de velocidad variable con colector.
El control manual de la aceleración o de la velocidad se puede obtener con motores de jaula de varias velocidades haciendo que el operador cierre el contactor apropiado de acuerdo con los requisitos de carga o de velocidad. En el caso de motores de rotor bobinado, se maniobra manualmente un combinador
de tambor que intercalará distintas resistencias en el circuito del rotor de forma que se obtenga la velocidad deseada.
Tabla 2-1 Valores nominales para controles magnéticos polifásicos de una sola velocidad a plena tensión en servicio continuo
Potencia trifásica en No Intensidad nominal de c.c., amperios 110 voltios 208/220 voltios 440/550 voltios Intensidad límite nominal de servicio 00 9 ¾ 1 ½ 2 11 0 18 2 3 5 21 1 27 3 7 ½ 19 32 2 45 ... 15 25 52 3 90 ... 30 50 104 4 135 ... 50 100 156 5 270 ... 100 200 311 6 540 ... 200 400 621 7 810 ... 300 600 932 8 1.215 ... 450 900 1.400 9 2.250 ... 800 1.600 2.590
Tabla 2-2 Valores nominales para controles magnéticos polifásicos de una sola velocidad a plena tensión en servicio de frenado por contramarcha, parada-inversión o intermitente de intervalos cortos
Potencia trifásica en No Intensidad nominal de c.c., amperios 110 voltios 208/220 voltios 440/550 voltios Intensidad límite nominal de servicio 0 18 1 1 ½ 2 21 1 27 2 3 5 32 2 45 ... 10 15 52 3 90 ... 20 30 104 4 135 ... 30 60 156 5 270 ... 75 150 311 6 540 ... 150 300 621
El control automático de la aceleración se puede obtener por varios métodos. Probablemente el más sencillo es el control de retardo fijo. En este método se emplea un relé de acción retardada para cada paso o velocidad. Al ponerse el motor en marcha a la velocidad más baja, se excita el primer relé de acción retardada, el cual, pasado un tiempo determinado deja de actuar, produciendo la excitación del segundo contactor, aumentando la velocidad hasta su segundo escalón. Este proceso puede ser repetido en tantos pasos o escalones como sea necesario para obtener la velocidad y la aceleración que se deseen. El principal
inconveniente de este método es que su actuación es independiente de las condiciones de funcionamiento de la máquina, de su carga y de la corriente del motor.
Con máquinas o equipos que no pueden ser sometidas al par motor total hasta que la carga ha alcanzado una velocidad dada para acelerar el motor, se emplea el sistema llamado control de intensidad máxima. En este sistema, el paso de una velocidad a la siguiente, durante el período de arranque, se consigue mediante relés de intensidad cuya acción se produce al disminuir la intensidad a un valor prefijado, valor que se alcanzará cuándo el motor y la carga alcancen la velocidad de régimen correspondiente. Este sistema es muy adecuado para transmisiones de correa o engranajes con cargas de mucha inercia. Este método de control debe ser proyectado especialmente para cada aplicación, debiendo ser ajustados los relés según el motor empleado y las condiciones de funcionamiento deseadas. Por esta razón no se hallan normalmente en el comercio como productos de catálogo en existencia.
Otro sistema de control de aceleración durante el arranque es el llamado control por frecuencia de deslizamiento. Este sistema se emplea en los motores de rotor bobinado y se utiliza también para excitar el campo de los motores síncronos, una vez alcanzada la velocidad sincrónica.
A causa de que la tensión y frecuencia del rotor en los motores de anillos es proporcional a la velocidad, se puede utilizar un relé sensible a la frecuencia para activar cada velocidad por pasos o escalones progresivamente. Un inconveniente del control de la frecuencia de deslizamiento es que el arranque debe iniciarse empezando por el primer punto o sea el de velocidad más baja. Cuando se selecciona el método de control de aceleración habrá que tener en cuenta varias propiedades peculiares. El control manual es sensible solamente a la reacción del operador. El control de retardo fijo es sensible sólo al lapso de tiempo. El control de intensidad máxima es sensible a la carga aplicada al motor. El control por frecuencia de deslizamiento es sensible a la velocidad del motor.
Es muy posible que en ciertas aplicaciones específicas se pueda emplear una combinación de dos o más de los sistemas de control mencionados para conseguir que el motor sea sensible a más de uno de estos factores. Tal controlador tendrá que ser especialmente construido para satisfacer los requisitos específicos de la instalación.
2-3 Arranque de Motores de Jaula de Varias Velocidades
Los motores de jaula con una sola velocidad son generalmente puestos en marcha por arrancadores electromagnéticos directos. Un motor de jaula de varias velocidades requiere un controlador cuya construcción especial sea adecuada para sus arrollamientos.
Alta
Alta Alta Alta
Alta
Baja Baja Baja
1 L L2 L3 1 T 2 T T3 4 T T5 6 T
Polos consecuentes: 2 velocidades 4 polos: alta velocidad 8 polos: baja velocidad
Fig. 2-3 Control de motor jaula de dos velocidades
Los motores de dos velocidades pueden tener dos arrollamientos independientes en el estator o ser de tipo de polos consecuentes (figura 2-3) el cual sólo posee un arrollamiento en el estator. En el motor de polos consecuentes, las dos velocidades se obtienen mediante diferente conexión de las bobinas del arrollamiento de modo que según una a otra conexión se obtiene uno y otro número de polos en el estator. Es característico de este tipo de motor que la relación de velocidades es de 2 a 1. Los motores de tres velocidades tienen usualmente un arrollamiento para una velocidad y un segundo arrollamiento del tipo polos consecuentes para las otras dos velocidades. Los motores de cuatro velocidades están devanados usualmente con dos arrollamientos, ambos de polos consecuentes. El número de contactores, el orden en que se cierran y el
número y tipos de unidades de sobrecarga necesarias depende del método de obtención de las varias velocidades.
2-4 Arranque de Motores de Rotor Devanado
Motor de rotor devanado es esencialmente lo mismo que un motor de jaula excepto que tiene determinados arrollamientos en lugar de barras en cortocircuito en el rotor. Mediante la conexión de resistencias en el circuito del rotor con un combinador de tambor o con contactores, puede ser controlada la velocidad en cualquier número de escalones o pasos. El método más común de puesta en marcha de motores de rotor devanado es el de conectar directamente a la red el devanado estatórico mediante interruptor manual o un contactor, relacionado con un combinador que intercalará las resistencias de arranque en el devanado del rotor (fig. 2-4). El control de secundario o rotor puede ser un combinador de tambor manual o accionado por motor, un reóstato líquido o un contactor electromagnético diseñado para control secundario. Este control puede tener por finalidad únicamente el arranque y tener sólo dos o tres escalones, o bien el control de velocidad y tener cualquier número de escalones.
1º velocidad 2º velocidad 3º velocidad 4º velocidad Control secundario Motor de anillos rozantes Control primario
Es necesario que haya un enclavamiento entre los controladores primario y secundario para impedir el arranque del motor cuando no está toda la resistencia intercalada en el circuito secundario.
El circuito secundario puede tener un control de resistencia o de reactancia. Se tratará de éstos con detalle en el capítulo 3.
2-5 Arranque de Motores Sincrónicos
El motor sincrónico arranca como uno de jaula y con una resistencia conectada al arrollamiento .inductor para disipar la corriente generada en este arrollamiento durante el arranque (fig. 2-5). Generalmente el sistema de arranque es del tipo de tensión reducida con la adición de un relé sensible a la frecuencia de deslizamiento o de conexión del inductor, para que cuando el rotor alcance aproximadamente el 95 % de la velocidad sincrónica, los devanados inductores sean alimentados automáticamente con corriente continua. El relé de frecuencia de deslizamiento debe también eliminar la excitación del campo y conectar la resistencia de campo si el motor pierde el sincronismo ya que si no se suprime la excitación, el arrollamiento del estator quedará sometido a una sobreintensidad peligrosa. El motor sincrónico debe estar provisto de relé de secuencia incompleta para protegerlo durante su puesta en marcha en el caso de no completarse la secuencia de arranque. También debe estar provisto de medios para ajustar la excitación de campo.
La anterior descripción del arranque como motor de jaula puede parecer excesivamente simplificada, por ser de carácter general y aplicable a todos los motores sincrónicos. Para una aplicación específica de un determinado tipo de estos motores, se deberá consultar la documentación del fabricante. Muchos motores sincrónicos están proyectados para aplicaciones específicas y varían algo de estas ideas generales del arranque aquí expuestas, requiriendo equipo o circuitos adicionales.
2-6 Selección de los Equipos de Arranque
Cuando se seleccionan los equipos o controladores de arranque se deben tener en cuenta varias circunstancias. A continuación se incluyen algunas preguntas a las que hay que dar una respuesta antes de seleccionar un controlador:
Contactor de arranque Resistencia de descarga del inductor Generador de c.c. Marcha Arranque Autotransformador Control de la excitación Contactor de marcha
Fig. 2-4 Control de motor sincrónico
1. ¿Está proyectado para el tipo de motor que se va a emplear? 2. ¿Requiere el motor arranque a tensión reducida?
3. ¿Es necesario control de velocidad?
4. ¿Ofrece el controlador todas las clases de protección que son ne-cesarias?
5. ¿Son correctas las tensiones de línea y de control, así como la frecuencia?
Analizando los requisitos de la máquina y del motor antes de seleccionar el controlador se evitan confusiones onerosas.
2-7 Protección Contra la Sobrecarga
La sobrecarga de un motor puede ser de origen mecánico o eléctrico; por consiguiente, la protección contra la sobrecarga debe satisfacer a ambas. La corriente que absorbe de la línea un motor es proporcional a la carga aplicada al motor, así pues, si esta corriente se emplea para activar el dispositivo de protección contra la sobrecarga, la máquina y el motor estarán protegidos. La protección contra las sobrecargas generalmente se obtiene en los controladores conectando elementos térmicos bimetálicos en serie con dos conductores del motor, por lo menos en los motores trifásicos (figura 2-6). Estos elementos térmicos, al calentarse debido a la intensidad, actúan sobre contactos que abren el circuito de la bobina excitadora de un contactor electromagnético. Cuando se utilizan en arrancadores o controladores manuales, los elementos térmicos disparan un dispositivo mecánico que abre los contactos del interruptor de línea.
M
Protección normal Protección
completa
Fig. 2-6 Elementos protectores contra sobrecarga para motores trifásicos.
Este tipo de dispositivo contra sobrecargas es sensible al porcentaje de sobrecarga; por tanto, una pequeña sobrecarga tardará algún tiempo en disparar el relé, mientras una sobrecarga grande abrirá casi instantáneamente el circuito. Sin embargo el relé contra sobrecargas no proporciona protección en caso de cortocircuito. Es muy posible que en condiciones de cortocircuito el relé se mantenga atraído durante suficiente tiempo para que el motor y el equipo sufran un daño considerable.
Sería imposible subestimar la necesidad de hacer una selección correcta del equipo protector contra sobrecargas. En la selección de los elementos térmicos de los relés de sobrecarga habrá que atenerse a la intensidad nominal de funcionamiento indicada por el fabricante del motor. La práctica demasiado frecuente de aumentar el valor nominal del elemento térmico rebasando el valor requerido es probablemente la causa principal de los fallos de motores en las plantas industriales. Cuando un motor dispara reiteradamente sus dispositivos contra sobrecarga, deberá efectuarse una verificación meticulosa de la corriente que absorbe realmente a fin de determinar si el defecto radica en el dispositivo protector contra sobrecarga o es que el propio motor absorbe una corriente excesiva. Si ocurre esto último, habrá que determinar si está originado por una sobrecarga mecánica o porque los arrollamientos del motor están defectuosos. Actualmente ocurre muchas veces que las primas de producción inducen al operario a exigir de su máquina más potencia de la que corresponde al motor que la acciona haciendo que éste trabaje forzado. La práctica de regular la protección contra sobrecarga para una intensidad mayor que la admisible conducirá a hacer más frecuentes los períodos de inactividad del equipo cada vez que sea necesario rebobinar o reemplazar el motor por avería.
Cuando falle una fase de un circuito del motor, éste trabajará como monofásico, lo que será causa de una intensidad excesiva en los otros arrollamientos y conductores del motor. En la mayoría de los casos, la sobreintensidad hará que se disparen las unidades de sobrecarga, desconectando así el motor de la línea e impidiendo que se quemen sus devanados. En ciertas condiciones de carga es posible que el motor trabaje como monofásico por la falta de una fase sin que lleguen a actuar los dispositivos térmicos y se quemen sus devanados, aunque el dispositivo de protección disponga de dos elementos térmicos. Por esta razón, muchos ingenieros y constructores consideran la necesidad de un tercer elemento térmico para mejorar la protección en caso de fallo de una fase.
2-8 Protección Contra Cortocircuitos
Los motores de jaula y otros de corriente alterna pueden absorber hasta 600 % de la intensidad nominal en condiciones severas de arranque. Cualquier carga que exceda de este límite se considera como corriente de cortocircuito. Como los relés térmicos antes mencionados necesitan un cierto tiempo para entrar en acción, no pueden proporcionar protección contra los cortocircuitos. La línea que alimenta a un motor debe estar provista de cortacircuitos fusibles o de un dispositivo automático que interrumpa rápidamente la corriente en el caso de
cortocircuito en el motor. Los fusibles deben abrir el circuito mucho más rápidamente que los relés de sobrecarga en condiciones de cortocircuito. Probablemente la mejor protección se obtiene con un dispositivo doble que comprenda el fusible para el caso de cortocircuito y un elemento interruptor que actúe en caso de sobreintensidad.
Muelle
Elemento térmico Elemento fusible
Fig. 2-7 Fusible del tipo cartucho con dos elementos.
El cortacircuitos representado en la figura 2-7, está formado por dos elementos, uno fusible que en caso de cortocircuito fundirá y abrirá rápidamente el circuito, y un elemento térmico que actuará con cierto retardo abriendo el circuito en el caso de una sobreintensidad que no afecte al fusible. El resultado definitivo del uso del cortacircuitos indicado en el circuito del motor, es obtener protección contra cortocircuitos mediante el elemento fusible y además un grado de protección contra sobrecargas mediante el elemento térmico. Este tipo de fusible se emplea extensamente como único medio de protección en motores pequeños de potencia fraccionaria.
El uso de estos dispositivos para la protección contra cortocircuitos ofrecen un retardo de tiempo que permite la sobreintensidad de arranque sin que se abran los contactos del mecanismo térmico. Este retardo es inversamente proporcional a la intensidad de la corriente. Cuanto mayor es la sobrecarga, más corto es el tiempo necesario para que se abra el circuito.
2-9 Protección Límite o de Fin de Carrera
La protección límite, como su nombre implica, tiene como misión limitar alguna operación de la máquina o de su motor impulsor. El tipo más conocido es el de control fin de carrera utilizado para limitar el desplazamiento de una herramienta de corte o mesa a otra parte de la máquina herramienta. Cuando la herramienta llega a una posición predeterminada, activa a un interruptor fin de
carrera, haciendo que se invierta el sentido de giro del motor y la máquina vuelva al otro extremo de su carrera. Hay otros tipos de protección limite, tales como los de sobre o subvelocidad de la máquina impulsada. También hay controles de límite que no reactivan la máquina y simplemente paran el motor hasta que han sido efectuadas las correcciones por el operario.
Este tipo de protección se consigue mediante el uso de interruptores fin de carrera, de los cuales trataremos después. Fundamentalmente, un interruptor fin de carrera es simplemente un interruptor accionado por un tope mecánico que la máquina traslada en su movimiento y que en una posición dada abre el interruptor. Los interruptores fin de carrera son uno de los dispositivos de control que más frecuentemente se utiliza actualmente en las máquinas.
2-10 Protección por Enclavamiento
El enclavamiento evita el que un motor pueda ser puesto en marcha antes que otro, si en ello hay inconveniente, y en general que pueda realizarse una maniobra antes o después del momento que le corresponda. El acondicionamiento de aire presenta un ejemplo típico. Si el compresor funcionase sin estar en servicio la bomba de la torre de enfriamiento, la presión aumentaría peligrosamente en el compresor, y el relé manométrico de presión límite pararía la máquina, o de lo contrario el compresor resultaría deteriorado. Para evitar que esto ocurra, el circuito del motor del compresor debe estar relacionado con el de la bomba para que no pueda arrancar hasta que ésta esté funcionando.
El enclavamiento puede ser eléctrico, mecánico o combinación de ambos. Los arrancadores inversos en que ambos arrancadores están en la misma caja tienen generalmente un enclavamiento mecánico y algunas veces un enclavamiento eléctrico. Cuando las dos unidades que deben ser mutuamente enclavadas están en dos cajas separadas (figura 2-8), es necesario el enclavamiento eléctrico. Éste se obtiene conectando un contacto auxiliar en un arrancador, en serie con el circuito de la bobina del segundo arrancador.
Aunque aquí nos referimos únicamente al enclavamiento aplicado a los motores, es de señalar que el enclavamiento se utiliza en todas las fases de las conexiones de control cuando interviene en el arranque de un motor o en el cierre de válvulas en una instalación de control de proceso. El uso del control de
enclavamiento asegura la sucesión o secuencia correcta de las operaciones en todo el sistema de control.
Contacto auxiliar
Arrancador No 1 Arrancador No 2
Motor No 1 Motor No 2
Pulsador Línea
Fig. 2-8 Dos arrancadores con enclavamiento que permite el arranque automático del motor 2 una vez funcione el motor 1.
2-11 Control de Velocidad
Los motores de jaula no se prestan a ningún sistema de control de variación continua de la velocidad, pero puede obtenerse éste en dos, tres o cuatro velocidades de acuerdo con la construcción del motor. Hemos tratado de esto en el control de aceleración. El motor de c.a. más apropiado para el control de velocidad es el de rotor devanado, llamado también motor de anillos. Mediante el uso del control rotórico o secundario, este tipo de motor puede tener tantos escalones de velocidad como se desee. Los métodos de control de los motores de anillos se explican más detalladamente una vez estudiados los combinadores. Otro tipo de motor de c.a. que proporciona excelente control de velocidad es el de colector.
Hay cuatro tipos generales de control de velocidad, que dependen de los requisitos de la máquina:
Control de velocidad constante. - Muchas máquinas requieren una reducida
aceleración durante el arranque y luego una velocidad constante en funcionamiento. Este tipo de control de velocidad se puede obtener mediante el arranque a tensión reducida en el caso de motor de jaula, de rotor devanado o sincrónico. Sin embargo habrá que tener en cuenta que el arranque a tensión reducida da también invariablemente un par reducido de arranque.
Control de velocidad regulable. - Este control se emplea cuando el motor debe
poder funcionar a distintas velocidades a voluntad del operador. El mejor medio de obtener este tipo de control es mediante el uso de un motor de rotor devanado con control rotórico o bien el uso de un motor de c.a. del tipo de colector. Este tipo de control requiere que se pueda variar la velocidad bajo carga.
Control de varias velocidades. - Este tipo de control difiere solo ligeramente
del de velocidad regulable en que usualmente no se requiere cambiar la velocidad bajo carga. El motor de jaula de varias velocidades es muy adecuado para esta clase de servicio.
Control de velocidad predeterminada. - Con este tipo de control la máquina es
acelerada pasando los escalones necesarios de velocidad hasta alcanzar una velocidad de funcionamiento preajustada. Los motores de jaula de varias velocidades y los de rotor devanado son adecuados para este tipo de servicio. La instalación de todos los tipos mencionados de control de velocidad se debe hacer de modo que el operador pueda variar el orden de sucesión o secuencia de las operaciones. Sin embargo es muy frecuente que el sistema de control induzca al operador a arrancar en un punto particular de la secuencia y luego siga ésta sin variación. Cuando el control es de este tipo, se le llama control de secuencia obligada. Este término se aplica también a sistemas de control que, aunque no sean precisamente de velocidad, en ellos el operador esté obligado a seguir un orden establecido en las operaciones.
2-12 Protección de Mínima Tensión y Tensión Nula
La tensión de la línea que alimenta los circuitos del motor puede disminuir hasta valores peligrosamente bajos o puede anularse en un instante imprevisto. Cuando la tensión es demasiado baja, los arrollamientos del motor se pueden deteriorar gravemente si quedan conectados a la línea. Por esta razón algunos
motores de gran potencia emplean un relé especial de tensión para desconectar el motor en el caso de que la tensión descienda a valores peligrosos para el motor. En la mayoría de los motores de poca potencia esta misión queda encomendada a los relés de sobrecarga que abrirán el interruptor o contactor. Si el circuito de control es tal que el motor se pone por sí solo en marcha cuando la tensión de la línea vuelve a tener su valor correcto, la protección se denomina de desconexión por mínima tensión. El uso de dispositivos piloto de contacto mantenido en los arrancadores electromagnéticos proporciona este tipo de protección.
Si la protección utilizada requiere que el motor sea puesto nuevamente en marcha a mano, el dispositivo protector se llama protección por tensión nula. El uso de dispositivos piloto de contacto momentáneo en los arrancadores electromagnéticos proporciona este tipo de protección.
El uso de protección contra tensión mínima o tensión nula depende de los requisitos de la máquina. Los ventiladores, radiadores eléctricos y muchas otras pequeñas unidades de una instalación pueden funcionar más convenientemente con protección de mínima tensión, lo que evita la necesidad de ponerlos nuevamente en marcha manualmente. En cualquier máquina en que haya el más ligero riesgo para ella o para la seguridad del operador por un arranque inesperado, se deberá emplear protección de tensión nula.
2-13 Protección Contra el Fallo de Fase
Cuando en un motor trifásico se interrumpe la corriente en una fase, se dice que éste queda en funcionamiento monofásico. Ordinariamente las unidades de protección contra sobrecarga dispararán el arrancador y desconectarán de la línea al motor. Sin embargo, puede suceder que la intensidad debida a la carga que en ese momento tenga que soportar el motor no sea la suficiente para actuar las protecciones de sobrecarga. Esto ocurre generalmente con el 65 % de carga en la mayoría de motores de jaula. En motores pequeños el riesgo se considera generalmente demasiado pequeño para que esté justificado el costo de la protección adicional. Para motores de gran potencia se dispone un relé de tensión para cada fase, y sus contactos se conectan en serie con la bobina de retención del contactor del arrancador. El fallo de una fase hará que se desconecte el arrancador inmediatamente.
El uso de tres unidades de relé de sobrecarga en el arrancador proporciona una protección contra el fallo de fase que se considera generalmente adecuada para la mayoría de instalaciones de hasta 100 CV.
2-14 Protección Contra Inversión de Fases
Algunas máquinas pueden resultar gravemente deterioradas cuando los motores giran en sentido contrario, como ocurriría con una inversión de fases. Aunque no es muy utilizado este tipo de protección, cuando sea necesario debe utilizarse para evitar mayores daños.
La protección contra la inversión de fase se puede conseguir utilizando un relé sensible a la fase con sus contactos en serie con la bobina del contactor del arrancador.
2-15 Protección Contra Secuencia Incompleta
Cuando se utiliza el arranque a tensión reducida en un motor hay peligro de que los arrollamientos de éste o del autotransformador o ambos se deterioren por funcionamiento prolongado a tensión reducida. Para impedirlo y asegurar que se complete el ciclo de arranque, se conecta un relé térmico a la línea durante el arranque. Este relé está proyectado y conectado de modo que el arranque prolongado haga que la unidad térmica del relé abra sus contactos y desconecte al arrancador. Este tipo de protección es también necesario en los arrancadores de motores sincrónicos.
Otro método de obtener una protección contra secuencia incompleta en el arranque de motores es el uso de un relé temporizado que desconecte el motor si no se ha completado su secuencia de arranque en un intervalo de tiempo predeterminado.
2-16 PARADA DEL MOTOR
Hay varios factores que deben ser tenidos en cuenta en la parada de un motor. En algunas máquinas todo lo que se necesita es que se interrumpa o abra el circuito del motor y dejar que éste siga girando por inercia hasta que se pare. Sin embargo, no todas las máquinas permiten que el motor quede sometido
únicamente a su inercia. Por ejemplo, un grúa o montacargas no sólo se debe parar rápidamente, sino que también debe mantener cargas pesadas. Otras máquinas, tales como las esmeriladoras o rectificadoras de roscas, deben parar muy bruscamente, pero no necesitan mantener una carga.
El método de parada puede ser manual o automático. La parada automática se consigue mediante el uso de interruptores fin de camera, de flotador, u otros dispositivos piloto automáticos. La parada manual es controlada por botones pulsadores, interruptores, u otros dispositivos piloto accionados manualmente. El método más general de parada es simplemente desconectar el motor de la línea interrumpiendo el circuito de la bobina del contactor, si se trata de un arrancador electromagnético, o disparando los contactos de un arrancador manual, con un botón de parada.
Con motores que deben ser parados muy rápida y exactamente pero que no necesitan soportar una carga, el método que más se emplea es el llamado de frenado por contracorriente o contramarcha. Esto se consigue utilizando un interruptor de frenado automático o un pulsador juntamente con un contactor inversor.
Con cualquiera de estas unidades, el arrancador del motor se desconecta y luego es activado momentáneamente en sentido contrario. La inversión momentánea frena al motor por medio de la contracorriente y produce una parada brusca. Este tipo de parada no sirve para grúas ni montacargas a causa de que el motor parado, por sí solo, no puede mantener la carga.
Cuando se trata de equipos tales como grúas y montacargas, hay que tener en cuenta que la carga tiene tendencia a hacer girar al motor en el sentido de descenso de la carga. Esto es lo que se llama carga de transporte adicional. Cuando se emplean motores de c.a. suelen ser del tipo de rotor devanado y la parada va precedida de una disminución progresiva de la velocidad con el fin de anular en lo posible el efecto de arrastre del motor por la carga. Tan pronto como el motor queda desconectado de la línea, actúa automáticamente un freno mecánico (fig. 2-9) que retiene al eje del motor conectado a la carga.
Cuando se emplean motores de c.a., el efecto de arrastre del motor por la carga es disminuido con un frenado dinámico y a continuación, una vez alcanzada una velocidad pequeña, se hace actuar el freno mecánico.
Algunas veces la parada de los motores sincrónicos se efectúa utilizando el frenado dinámico. Esto se realiza desconectando el motor de la línea y conectando resistencias en bornes del motor, lo que momentáneamente convierte al motor en un generador de c.a. La resistencia presenta una pesada carga al generador, haciendo que éste se pare rápidamente. Hay que tener la precaución de utilizar una resistencia capaz de disipar la potencia generada mientras se está parando el motor. También hay que tener en cuenta que este tipo de parada no se puede utilizar para paradas frecuentes a causa de que hay que dar tiempo a las unidades de resistencia para que se enfríen entre operaciones sucesivas.
Control del motor Protección del circuito
Motor Control del freno
Freno
Fig. 2-9 Frenado mecánico.
2-17 Puesta en Marcha de Motores de C.C.
Cualquier dispositivo que se utilice para poner en marcha un motor de c.c. de más de ¼ CV debe disponer de algún medio de limitar la intensidad de arranque. Un motor de c.a. ofrece una alta impedancia lo que limita la intensidad de arranque. El motor de c.c. ofrece sólo la baja resistencia del inducido para limitar la intensidad de arranque hasta que el motor comienza a girar.
Una vez iniciada la rotación, el arrollamiento del inducido comienza a cortar el flujo producido por el campo, y se genera una f.e.m. en el inducido, de polaridad opuesta a la de la tensión aplicada y que se denomina fuerza contraelectromotriz (f.c.e.m.). El valor de la fuerza contraelectromotriz aumenta con la velocidad, hasta que a velocidad nominal es del 80 al 95 % de la tensión aplicada.
La intensidad del inducido se calcula restando la fuerza contraelectromotriz de la tensión aplicada y dividiendo la diferencia por la resistencia del inducido. Cuando éste está en reposo, la fuerza contraelectromotriz es nula, por lo que la corriente del inducido es igual a la tensión aplicada dividida por la resistencia del inducido, que es muy baja, generalmente de 1 a 2 ohmios o menos.
Excitación serie A Línea Excitación derivación Resistencia de arranque Motor mixto A Línea Excitación derivación Resistencia de arranque Motor derivación A Línea Resistencia de arranque Motor serie Excitación serie
Fig. 2-10 Conexiones del reóstato de arranque en c.c.
Si suponemos una resistencia de inducido de 0,85 ohmios y una tensión aplicada de 110 voltios, la intensidad de arranque será de 129,4 amperios. A velocidad nominal la fuerza contraelectromotriz será aproximadamente 100 voltios y limitará la intensidad a 11,8 amperios. La corriente de arranque quedará limitada al 150 % aproximadamente de la corriente de plena carga conectando una resistencia de 650 ohmios en serie con el inducido.
La resistencia serie debe ser suprimida en escalones cuando la aceleración del motor produce una fuerza contraelectromotriz creciente y reduce la resistencia necesaria, hasta que a la velocidad de régimen se elimina toda la resistencia. Un
motor de c.c. desarrolla su máxima potencia cuando la fuerza contraelectromotriz time su valor máximo.
Cuando se emplean motores de excitación serie o mixta (compound), la resistencia de arranque se conecta en serie con el inducido y con el devanado de la excitación serie. El motor derivación no posee devanado, no tiene campo serie, y por consiguiente la resistencia se conecta en serie únicamente con el inducido (fig. 2-10).
2-18 Control de la Velocidad en los Motores de C.C.
Los motores de c.c. se utilizan principalmente por la facilidad de controlar su velocidad, por lo que son muy adecuados para el accionamiento de muchas máquinas.
Cuando un motor de c.c. tiene aplicadas sus tensiones nominales en el inducido y en el inductor o campo, gira a su velocidad de régimen. Las velocidades inferiores a ésta se obtienen manteniendo la tensión del campo en su valor nominal y reduciendo la tensión del inducido. Las velocidades superiores a la de régimen se obtienen manteniendo la tensión del inducido en su valor nominal y reduciendo la tensión aplicada a la excitación.
La velocidad del motor serie se controla mediante resistencias conectadas en serie con el inducido y el inductor. Las resistencias utilizadas para controlar la velocidad deben estar dimensionadas para un servicio continuo, a diferencia de las de arranque dimensionadas sólo para el período de arranque, ya que están siempre en servicio mientras se utilice el motor a velocidad inferior a la nominal.
El combinador más utilizado en los dispositivos de control de velocidad de los motores series es el de tambor, empleado conjuntamente con resistencias tipo parrilla para servicio pesado.
Los motores derivación y mixtos se prestan bien a aplicaciones en que la consideración más importante es el control de velocidad. Cuando la velocidad deseada es superior a la de régimen (control de sobrevelocidad), se intercalan resistencias en serie con el devanado en derivación. Cuando la velocidad deseada es inferior a la de régimen (control de subvelocidad), se disponen resistencias en serie con el inducido.
El control manual que más se emplea para variar la velocidad de motores derivación y mixto (compound) es la combinación de un arrancador de cuatro posiciones y un regulador de velocidad (sección 3-14).
Resumen
Al lector que comienza el estudio del control de motores le puede parecer que nunca aprenderá todas las funciones que el circuito de control de un motor o de otro dispositivo puede realizar. Los adelantos en este campo son tan rápidos que casi diariamente se consigue alguno. Sin embargo, cuando se analizan detenidamente, la mayoría de ellos son simples variantes de las funciones básicas explicadas en este capítulo. Se deberá tener presente que el proyecto, la instalación y la reparación del equipo de control depende de la perfecta comprensión de los requisitos de la máquina y de las características del motor.
Preguntas de repaso
1. ¿Qué se entiende por control de un motor?
2. ¿Cuáles son los tres tipos básicos de control de motor? 3. Enumerar los dos tipos de control de arranque. 4. ¿Cuántos tipos de protección existen para los motores?
5. ¿Afectan las condiciones de funcionamiento del motor al tipo de control que debe ser empleado?
6. ¿Qué diferencia hay entre los controles automáticos y los semiautomáticos? 7. ¿Qué factores es necesario considerar cuando se selecciona un equipo de
arranque?
8. ¿Cuáles son los dos métodos básicos de arranque a tensión reducida? 9. ¿Cómo puede ser controlada automáticamente la aceleración de los
motores?
10. Los arrancadores inversores deben estar equipados con alguna forma de para evitar que ambos arrancadores se cierren al mismo tiempo.
11. Cuando a un motor se le invierte momentáneamente el sentido de giro para pararlo, a este frenado se llama
12. ¿Afecta el porcentaje de sobrecarga al tiempo que tarda en desconectar el relé de sobrecarga al arrancador?
13. ¿Qué diferencia hay entre protección contra sobrecarga y protección contra cortocircuito?
14. ¿Qué es protección contra secuencia incompleta, y en qué dos tipos de motores se utiliza más?
Una vez determinadas las funciones de control que son necesarias para una máquina, deben ser seleccionados los componentes o dispositivos que realicen estas funciones. La selección debe hacerse meticulosamente. Por ejemplo, si es necesario un interruptor de flotador y su ciclo de servicio comprende sólo algunas operaciones por día durante un año, puede ser satisfactoria una unidad barata. Sin embargo, si el ciclo de servicio es de algunos centenares de operaciones por día permanentemente, se deberá utilizar la unidad de mejor calidad que se pueda adquirir. Las pequeñas reducciones de costo conseguidas mediante el uso de componentes baratos suelen ser pronto contrarrestadas por costosos tiempos de parada debidos a averías de los componentes o defectos de funcionamiento. En este capítulo estudiaremos cada uno de los tipos básicos de componentes de control, así como su funcionamiento, tanto eléctrico como mecánico, y algunas de las funciones que puede realizar.
Aconsejamos al lector que adquiera de los fabricantes catálogos de piezas o componentes de control para utilizarlos como ulterior referencia en el estudio de este capítulo. Cuanto más familiarizado esté el lector con los equipos de diversos fabricantes y con el funcionamiento de estos equipos, mejor preparado estará para repararlos en el servicio.
3-1 Seccionadores e Interruptores
Uno de los componentes más utilizados en la conexión y desconexión de motores es el interruptor. Los dispositivos de conexión y desconexión que generalmente se emplean en el control y maniobra de motores se clasifican en dos tipos generales. El primero de ellos es el seccionador cuyas características son solamente la intensidad y la tensión, es decir, no son aptos para la ruptura ni el cierre por lo que no deben ser utilizados en las conexiones y desconexiones bajo carga. Generalmente no van provistos de fusibles.
El segundo tipo es el llamado propiamente interruptor, siendo capaz de interrumpir la corriente del motor bajo sobrecargas normales, siendo una de sus características nominales la intensidad o potencia que puede interrumpir o conectar, pudiéndose utilizar como interruptor de arranque de los motores dentro de estos limites (Sección 2-1). Cuando se le utiliza para la desconexión y protección del circuito del motor, este interruptor debe ir provisto de fusibles. Los disyuntores o interruptores automáticos presentan las mismas propiedades de desconexión que los interruptores y las protecciones de circuito con fusible. Estos interruptores poseen un mecanismo de retención con desenganche mediante dispositivo térmico, de modo que permite conectarse nuevamente una vez pasada la sobrecarga formando una sola unidad que ofrece al mismo tiempo función de conexión, desconexión y protección contra cortocircuito, lo que hace que esta unidad sea más compacta que el conjunto de interruptor y fusible separados.
Los interruptores y los disyuntores pueden realizar las funciones de arranque (Sec. 2-1), parada (Sec. 2-16), protección contra sobrecargas (Sec. 2-7), y protección contra cortocircuitos (Sec. 2-8), dependiendo su aplicación de sus características nominales.
3-2 Contactores
El contactor, generalmente, no es el único elemento empleado en los circuitos de control de motores, pero sí la unidad básica. Los contactores se utilizan para realizar las funciones de arranque y parada de diversos receptores tales como hornos eléctricos, anuncios luminosos y equipos similares que no requieren otra protección en su funcionamiento.
3
Componentes de control
Quizá la mejor manera de describir un contactor sea decir que es un interruptor de accionamiento electromagnético. Se compone de un juego de contactos fijos y un juego de contactos móviles que se cierran por el efecto de tracción de un electroimán. La mayoría de contactores utilizan un electroimán y un dispositivo de contactos que corresponde a uno de dos tipos generales. El primero de ellos es el tipo de armadura (fig. 3-1). Los contactos son retenidos por efecto de las piezas polares del electroimán y articulados con charnelas para que puedan desplazarse más o menos horizontalmente hasta tocar los contactos fijos.
Fig. 3-1 Contactor tipo armadura.
El segundo es el tipo de solenoide (fig. 3-2). En este contactor los contactos son accionados por el extremo superior del núcleo magnético de un solenoide. Cuando es excitado el solenoide, el núcleo es atraído hacia su interior elevando así verticalmente los contactos hasta encontrar los contactos fijos sujetos al soporte del solenoide.
Independientemente de que el contactor sea del tipo de armadura o del tipo de solenoide, los contactos se separan, interrumpiendo el circuito por la acción de la gravedad cuando se desexcita el electroimán.
Todo lo que es necesario eléctricamente para que funcione el contactor es aplicar a la bobina del electroimán una tensión del valor correcto. Cuando es aplicada la tensión, los contactos se cierran, y cuando deja de ser aplicada la tensión, los contactos se abren.
Fig. 3-2 Contactor tipo solenoide.
3-3 Relés
Los circuitos de control automático contienen generalmente uno o más relés, principalmente a cause de que el relé confiere flexibilidad a los circuitos de control. El relé es por su propia construcción un amplificador mecánico. Recapacitemos un momento acerca del significado de la palabra amplificar. Significa aumentar, ampliar, extender o incrementar. Cuando nosotros activamos o excitamos la bobina de un relé con 24 voltios y los contactos están controlando un circuito de 440 voltios, estamos amplificando la tensión mediante el uso del relé. Las bobinas del relé só1o necesitan una corriente muy pequeña para su funcionamiento y se utilizan para controlar circuitos de
corrientes intensas. Así pues, también son amplificadores de corriente. El relé es inherentemente un dispositivo de una sola entrada que sólo requiere una sola tensión o corriente pare activar su bobina. Sin embargo, utilizando varios contactos, el relé se puede convertir en un dispositivo de varias salidas, por lo que también puede considerarse como amplificador del número de operaciones, siendo controladas por una sola entrada.
Supongamos que disponemos de un relé cuya bobina funciona con 110 voltios y 1 amperio, y que los contactos de este relé controlan tres circuitos separados que funcionan con 440 voltios y 15 amperios cada una. Este relé se convierte en un amplificador de potencia en cuanto controla considerablemente más potencia en sus circuitos de salida que la que consume en su circuito de entrada. También se convierte en un amplificador en cuanto al número de circuitos, ya que una sola entrada controla tres salidas separadas.
Los relés se emplean generalmente pare aceptar información de un dispositivo sensible o detector y la convierten en el nivel apropiado de potencia, número de diversos circuitos, a otro factor de amplificación para conseguir el resultado que se desea en el circuito de control. Estos dispositivos detectores utilizados conjuntamente con relés reciben el nombre de dispositivos piloto y están proyectados para que sean sensibles o detecten magnitudes físicas tales como la corriente, la tensión, las sobrecargas, la frecuencia y muchas otras, incluyendo la temperatura. El tipo apropiado de relé a utilizar en un circuito dado estará determinado por el tipo de dispositivo detector que le transmite la información. Por ejemplo, un dispositivo detector de tensión deberá ser conectado a un relé de tensión, y un dispositivo detector sensible a la corriente debe activar al relé de corriente. Cada uno de estos tipos los estudiaremos individualmente.
Relé de tensión. - Este tipo de relé (fig. 3-3) es probablemente el que más se
emplea porque se presta a muchas aplicaciones y se le puede emplear para realizar muchas funciones. El relé de tensión es simplemente un pequeño contactor (Sec. 3-2) que abre o cierra sus contactos, dependiendo de que estén normalmente cerrados o abiertos, siempre que es aplicada a su bobina la tensión correcta. Se fabrican con varios contactos que pueden estar normalmente abiertos o normalmente cerrados según convenga. Los relés de tensión se utilizan frecuentemente para separar dos o más circuitos controlados por una fuente (fig. 3-4) o cuando la tensión de control es diferente de la tensión de la línea.
Debe recordarse que un relé de tensión no es primordialmente un dispositivo de control, y requiere un dispositivo piloto (capítulo 4) para activarlo.
Fig. 3-3 Relé de tensión. (General Electric Company)
Relé de intensidad. - Este tipo de relé (figs. 3-7, 3-8 y 3-9) se emplea para abrir
o cerrar uno o varios circuitos en respuesta a las variaciones de intensidad de otro circuito, tales como las de la corriente absorbida por un motor (Sec. 2-1). El relé de intensidad está diseñado de tal forma que si se le conecta en serie con el circuito que debe suministrar la señal a detectar, se activará cuando la intensidad de la corriente que pasa por su bobina alcanza un valor suficientemente elevado para producir el flujo magnético necesario para accionar el dispositivo de los contactos. En relación con los relés de intensidad se emplean algunos términos que deben conocerse.
Intensidad de conexión o de funcionamiento. - Es el valor de la intensidad que
Fig. 3-4 Esquema explicativo de un circuito con relés de tensión.
Intensidad de desconexión o de retorno. - Es el valor de la intensidad por
debajo del cual el relé deja de actuar después de haber sido atraída su armadura.
Porcentaje de retorno. - Relación en % entre el valor de retorno y el valor de
funcionamiento.
Por ejemplo, si el relé actúa o cierra al llegar la intensidad a 5 amperios y se desconecta al descender a 3 amperios, la intensidad de funcionamiento es de 5 amperios, la de retorno de 3 amperios y el porcentaje de retorno del 60 % (5/3x100).
La mayoría de los relés de este tipo están provistos de un resorte de tensión regulable y dispositivo de ajuste de la separación de los contactos que permite regular o ajustar los valores de conexión, desconexión y porcentaje de retorno. Este tipo de relé no debe funcionar con valores demasiado próximos a los de conexión o desconexión a no ser que sus contactos estén provistos de algún dispositivo de disparo rápido. Esto debe tenerse en cuenta ya que la presión del contacto depende de la diferencia entre intensidad que circula por la bobina del
relé y la de conexión. Por ejemplo, cuando el relé mencionado funciona con una corriente de 5,01 amperios en la bobina, la presión de contacto será sólo la producida por 0,01 amperio.
Generalmente, los relés de intensidad propiamente dichos se utilizan sólo en circuitos de poca intensidad. Cuando se trata de intensidades más elevadas se emplean relés alimentados mediante el secundario de un transformador de intensidad.
Otro tipo de relé es el térmico, en el cual una lámina bimetálica, u otro elemento, se calienta por efecto de una resistencia conectada en serie con el circuito al que debe ser sensible. El relé térmico bimetálico se funda en la diferente dilatación de dos metales diferentes cuando se calientan. Se construye uniendo dos láminas delgadas de metales diferentes. Cuando la corriente que pasa por dichas láminas o por la resistencia encargada de calentarlas, es suficiente, éstas se dilatan y debido al diferente coeficiente de dilatación, se curva el conjunto formado por las dos láminas actuando sobre los contactos abriéndolos. Como ejemplos de estos relés pueden citarse los empleados para protección de sobrecarga en motores y los cebadores empleados en el alumbrado fluorescente.
Relé de frecuencia. - El relé de frecuencia se utiliza para producir la conexión
de la excitación de campo en los motores sincrónicos durante la maniobra de arranque (Sec. 2-5) y para el control de aceleración en los motores de rotor bobinado. Generalmente estas unidades se proyectan para una determinada aplicación. Uno de los tipos se compone de dos bobinas equilibradas que actúan sobre una armadura común. Estas bobinas actúan comparando una frecuencia de referencia con la del circuito en que se utiliza el relé, de forma que la armadura bascula a uno a otro lado según las frecuencias difieran en un valor determinado o dicha diferencia sea mayor que la prefijada.
Relé temporizado. - Este tipo de relé se utiliza frecuentemente para el control
de secuencia, protección selectiva, desconexión por baja tensión, control de aceleración y muchas otras, funciones.
Esencialmente, el relé temporizado es un relé de tensión con la adición de un elemento de acción diferida que puede ser del tipo membranas con tomas de aire (fig. 3-5) o del tipo de cilindro con émbolo amortiguador empleando aire o un líquido (fig. 3-6) y que retarda la acción de sus contactos respecto al
