Fundamentos de los sistemas de control

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. 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.

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 predeterminada.

Control ManualEl 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. 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, pero no protección contra baja tensión.

Fig. 1 Control manual de un motor.

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. Los 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.

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.

Control SemiautomáticoLos 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. 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.

Fig. 2 Control Semiautomático

Control AutomáticoUn control automático está formado fundamentalmente por un arrancador electromagnético o contactor cuyas funciones están controladas por uno o más dispositivos piloto automáticos. La orden inicial de marcha puede ser automática, pero generalmente es una operación manual, realizada en un panel de pulsadores o interruptores.

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 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.

Control de la puesta en marcha de motores

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.

Puesta en Marcha de un MotorEn 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.Esto se puede conseguir sencillamente utilizando un interruptor de cuchillas, pero este método sólo permite la protección del motor mediante fusibles.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.

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. 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.

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 necesarias?5. ¿Son correctas las tensiones de línea y de control, así como la frecuencia?

Protección Contra la SobrecargaLa 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.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.

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.

Protección Contra CortocircuitosLos 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.

El cortacircuitos, 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 o magneticos y además un grado de protección contra sobrecargas mediante el elemento térmico. 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.

Protección Límite o de Fin de CarreraLa 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 que la máquina vuelva al otro extremo de su carrera. Hay otros tipos de protección limites, 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 utilizan en las máquinas.

Protección por EnclavamientoEl 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 enclavamiento puede ser eléctrico, mecánico o combinación de ambos. Los arrancadores inversores 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, 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, hay que 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.

Control de VelocidadLos 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 losrequisitos 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.

Protección de Mínima Tensión y Tensión NulaLa 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.

Protección Contra el Fallo de FaseCuando 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.

Protección Contra Inversión de FasesAlgunas 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.

Protección Contra Secuencia IncompletaCuando 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.

Componentes de control

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.

Seccionadores e InterruptoresUno 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. 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, parada, protección contra sobrecargas, y protección contra cortocircuitos, dependiendo su aplicación de sus características nominales.

ContactoresEl 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.

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. 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. Contactor

El segundo es el tipo de solenoide. 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.

RelésLos 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.

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. a) es probablemente el que más se emplea porque se presta a muchas aplicaciones y se le puede emplear para realizar muchas funciones.

Fig a( Relé de mínima tensión continua)

El relé de tensión es simplemente un pequeño contactor 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. b) o cuando la tensión de control es diferente de la tensión de la línea.

Fig. bDebe recordarse que un relé de tensión no es primordialmente un dispositivo de control, y requiere un dispositivo piloto para activarlo.

Relé de intensidad. - Este tipo de relé 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.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 debe pasar por la bobina para cerrar o atraer la armadura del relé.

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 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 o del tipo de cilindro con émbolo amortiguador empleando aire o un líquido y que retarda la acción de sus contactos respecto al momento en que actúa el electroimán. Este retardo en la acción puede ser cuando el relé se excite o cuando se desexcite.

Relé de sobrecarga. - El relé de sobrecarga se encuentra en todos los arrancadores de motor en una a otra forma. En efecto, la adición de alguna forma de protección contra las sobrecargas a un contactor ordinario lo convierte en un arrancador de motor. Esta unidad realiza las funciones de protección contra sobrecargas y la protección contra el fallo de fase en el circuito del motor. El requisito básico para la protección contra las sobrecargas es que el motor pueda trabajar a potencia nominal pero que se impida su funcionamiento al producirse cualquier sobrecarga prolongada o importante. Cuando un motor está sobrecargado mecánicamente, su corriente aumenta, lo que a su vez hace que aumente la temperatura del propio motor y de sus devanados. También se producen aumentos de corriente y de temperatura a consecuencia de la falta de una fase en los motores polifásicos o de un defecto en los devanados del motor. Por consiguiente, para obtener una protección completa contra las sobrecargas es necesario detectar, o medir, la corriente absorbida por el motor a interrumpir el circuito si esta corriente excede del valor nominal del motor.Existen dos tipos básicos de relés de sobrecarga empleados generalmente en los arrancadores de conexión directa a la línea. El primero utiliza un metal con bajo punto de fusión que retiene una rueda dentada (fig. a), que al ser liberada produce la abertura de un juego de contactos intercalados en el circuito de la bobina del arrancador.

El segundo tipo utiliza una lámina bimetálica (fig. b) para el desenganche del mecanismo de disparo y abrir los contactos del circuito de la bobina.

Independientemente del tipo de dispositivo que se utilice, siempre está activado por un elemento calefactor conectado en serie con e1 circuito del motor. La intensidad de la corriente necesaria para producir el funcionamiento del relé está determinada por el tamaño del elemento calefactor utilizado. Cuando éste es utilizado para la protección de pequeños motores que absorben poca corriente, como elemento calefactor se utiliza una resistencia de hilo o de cinta de poca sección mientras que en el caso de motores de mayor potencia se emplean resistencias de mayor sección, de forma que se produzca en el elemento bimetal la temperatura debida cuando circule una intensidad de valor prefijado. Los elementos térmicos utilizados en los relés de sobrecarga poseen, por sí mismos, un retardo en su acción que es inversamente proporcional a la sobrecarga a que esté sometido. Cuando la sobrecarga es ligera, el motor sigue funcionando durante algún tiempo sin que actúe el relé, pero si la sobrecarga es grande, actuará casi inmediatamente, desconectando el motor de su fuente de alimentación y evitando que se deteriore.

Los relés térmicos actúan sólo por efecto del calor, influyendo por lo tanto la temperatura del aire que los rodea, por lo que en los lugares donde se ha de prever altas temperaturas las resistencias de caldeo empleadas en el relé deben estar sobredimensionadas. También existen dispositivos bimetálicos destinados a compensar el efecto de los cambios de temperatura ambiente en el funcionamiento del relé. Los relés provistos de estos dispositivos reciben el nombre de relés de sobrecarga compensados.