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Sistemas Eléctricos y electrónicos Ciclo: 1º GS Mecatrónica Profesor: José Paredes Coloma 02. Dispositivos que forman un sistema automático. Protecciones Contenidos. 1. Elementos que forman un automatismo eléctrico. ...................................................................................

Sistemas Eléctricos y electrónicos Ciclo: 1º GS Mecatrónica Profesor: José Paredes Coloma 02. Dispositivos que forman un sistema automático. Protecciones Contenidos. 1. Elementos que forman un automatismo eléctrico. ...................................................................................... 1 2. Elementos de protección.............................................................................................................................1 2.1. Interruptor automático o magnetotérmico. ........................................................................................ 4 2.2. Interruptor diferencial. ....................................................................................................................... 7 2.3. Fusibles.............................................................................................................................................9 2.4. Guardamotores. .............................................................................................................................. 12 3. Cuestionario de autoevaluación................................................................................................................13 Sistemas eléctricos y electrónicos Profesor: José Paredes Coloma 1. Elementos que forman un automatismo eléctrico. La mayoría de dispositivos que nos podemos encontrar en un cuadro de automatismos los podemos englobar en tres categorias: · Elementos de protección: Son los encargados de proteger a las instalaciones y a las personas. § § § § · Elementos de conmutación: También denominados preactuadores. Son los encargados de alimentar a los receptores (motores, bombas, etc...) § § § § § · Interruptor Magnetotérmico Interruptor Diferencial Fusibles Interruptor Guardamotor Contactores Relé térmico Contactos auxiliares Contactores auxiliares Relés Elementos de mando y señalización: Son los encargados de gobernar a los elementos de conmutación. § § § § § Dispositivos de mando Dispositivos de señalización Sensores Temporizadores Dispositivos electrónicos. 2. Elementos de protección. Debido al paso del tiempo en toda instalación es más que probable que vayan apareciendo diversos fallos o defectos que podrían dañar seriamente las instalaciones e incluso poner en riesgo la vida de las personas. Los dispositivos de protección utilizados en automatismos están destinados a proteger, por un lado, a los receptores y, por otro lado, a las personas y operarios de la máquina. Los accidentes que pueden sufrir las personas son los defectos de aislamiento que pueden ocasionar descargas eléctricas en los operarios de la máquina o planta industrial. Los accidentes que sufren los receptores pueden ser: · · De origen eléctrico: –sobretensión, caída de tensión, desequilibrio o ausencia de fases que provocan un aumento de la corriente absorbida, –cortocircuitos cuya intensidad puede superar el poder de corte del contactor. De origen mecánico: –calado del rotor, sobrecarga momentánea o prolongada que provocan un aumento de la corriente que absorbe el motor, haciendo que los bobinados se calienten peligrosamente. 02. Partes de un sistema automático. Protecciones. 1 Sistemas eléctricos y electrónicos Profesor: José Paredes Coloma Con el fin de que dichos accidentes no dañen los componentes ni perturben la red de alimentación, todos los circuitos de control de motores deben incluir obligatoriamente: · · protección contra los cortocircuitos, para detectar y cortar lo antes posible las corrientes anómalas superiores a 10 In, protección contra las sobrecargas, para detectar los aumentos de corriente hasta 10 In y cortar el arranque antes de que el recalentamiento del motor y de los conductores dañe los aislantes. Si es necesario, se pueden añadir protecciones complementarias como el control de fallos de aislamiento, de inversión de fases, de temperatura de los bobinados, etc. Estos fallos pueden ser sobreintensidades, defectos de aislamientos y sobretensiones. · Sobreintensidades. Las instalaciones se diseñan para trabajar bajo unas determinadas condiciones, a la intensidad que circula por la instalación en estas circunstancias se la denomina intensidad nominal (In) y es la intensidad que circula en condiciones «normales». Pero hay ocasiones en que a un determinado circuito se le está solicitando más potencia de aquella para la cual está preparado. Este sería el caso de pretender alimentar varios receptores a través de una sola toma de corriente, o demandarle a un motor más potencia mecánica de la que puede suministrar. Se dice en este caso que se ha producido una sobrecarga. Fig 1.2. En la imagen de la izquierda la instalación funcionaria con su corriente nominal, en cambio en el de la derecha la misma instalación sufriría una sobrecarga. En otras ocasiones, y debido por ejemplo, a un defecto en el aislamiento de los conductores, se produce una unión con apenas resistencia entre dos conductores. Como la resistencia es prácticamente cero, la intensidad se hace en este caso muy grande, (20 o 30 veces la In), se ha producido un cortocircuito. La instalación no está preparada para soportar esta gran intensidad, y si no es cortada de inmediato, se corre el riesgo de destruir la instalación e incluso provocar un incendio. 02. Partes de un sistema automático. Protecciones. 2 Sistemas eléctricos y electrónicos Profesor: José Paredes Coloma Fig 1.3 El defecto de aislamiento entre los conductores de las fases L1 y L2 ha provocado un cortocircuito en la instalación · Defectos de aislamiento. El correcto aislamiento de los elementos de una instalación, tanto entre conductores, como entre conductores y masas o tierra, garantiza que no se produzcan contactos indeseados de elementos conectados a distinto potencial. Si este aislamiento no es el adecuado, o se ha visto dañado por cualquier motivo, pueden ocurrir dos cosas: • Que debido al defecto, se pongan en contacto dos conductores activos (con distinta tensión), produciéndose un cortocircuito. • Que se ponga en contacto una parte activa de la instalación, es decir, un conductor, con una que no lo era, por ejemplo una carcasa metálica. En este caso, la carcasa metálica se verá sometida a una diferencia de potencial con respecto a tierra, y se establecerá una circulación de corriente siempre que encuentre un camino cerrado para ello. Si el receptor tiene toma de tierra, la intensidad de defecto circulará por ella hacia tierra. Si una persona tocase la carcasa en estas condiciones, la intensidad circularía a través de ella, produciéndose un contacto indirecto. A estas corrientes que se derivan hacia tierra se les denomina corrientes de fuga. Fig 1.4. Un defecto de aislamiento de la carcasa de un motor provoca un cortocircuito. 02. Partes de un sistema automático. Protecciones. 3 Sistemas eléctricos y electrónicos Profesor: José Paredes Coloma · Sobretensiones. Decimos que se produce una sobretensión cuando se produce una tensión superior a la tensión nominal de la red. Como consecuencia, podemos tener desde una simple interrupción del servicio hasta la completa destrucción del cuadro de distribución o de los equipos a él conectados. Las sobretensiones se pueden clasificar en dos tipos: •Sobretensiones transitorias: gran valor de sobretensión en un periodo de tiempo muy pequeño. Debidas a fenómenos atmosféricos y a maniobras en la red como la conexión de receptores muy inductivos. •Sobretensiones temporales (también llamadas permanentes): presentan un valor de sobretensión menor, a partir del 10% por encima del valor de tensión nominal, pero su duración en el tiempo es mayor. Pueden estar debidas a fallos en las instalaciones, por ejemplo la pérdida del neutro de un transformador. 2.1. Interruptor automático o magnetotérmico. El interruptor magnetotérmico es un dispositivo de protección contra corrientes de sobrecarga y cortocircuitos. Provoca la apertura automática del circuito en el que está instalado cuando dichas corrientes tienen lugar. Como indica su nombre, consta de dos métodos de apertura: • Disparador magnético: actúa frente a las corrientes de cortocircuito, y debido a que este tipo de corrientes son muy peligrosas, tiene que proporcionar un corte muy rápido. • Disparador térmico: actúa frente a las corrientes de sobrecarga. El corte es más lento. El disparador térmico está compuesto por dos láminas de metales distintos unidas entre sí. Cuando circula por ellas una intensidad de sobrecarga, poco a poco se van calentando, y como consecuencia, dilatando. Como ambas láminas son de metales distintos, una de ellas siempre se dilatará más que la otra, por lo que el resultado será una curvatura de ambas placas que provoca la apertura del circuito después de un tiempo. El disparador magnético en cambio está formado por un electroimán. Cuando la intensidad que circula por él es la suficiente, se genera una fuerza que tira de los contactos asociados a él, abriendo de esta forma el circuito en tiempos prácticamente nulos (milisegundos). 02. Partes de un sistema automático. Protecciones. 4 Sistemas eléctricos y electrónicos Profesor: José Paredes Coloma Los símbolos para representar los interruptores magnetotérmicos en los esquemas son los siguientes: Fig1.5. Simbología de magnetotérmicos. Características Las principales características que definen un interruptor automático son: • Número de polos: es el número de conductores que corta. Pueden ser unipolares, bipolares, tripolares, tetrapolares. • Intensidad nominal: intensidad que va a circular por él en condiciones normales. • Poder de corte: máxima intensidad que es capaz de cortar. • Tipo de curva: determina el funcionamiento del dispositivo, tiempos de corte y disparador que actúa en función del valor de la intensidad. Los tipos de curvas más frecuentes son: · · · · Curva B: Dispara con picos de corriente de entre 3-5 veces la In. Se utiliza para la protección de generadores, personas, cables largos e instalaciones en general sin grandes picos de corriente. Curva C: Dispara con picos de corriente de 5-10 veces la In. Se utiliza para aplicaciones generales (iluminación, tomas de corriente, etc.) Curva D / Curva K: Dispara con picos de corriente entre 10-14 veces la In. Se utiliza para aplicaciones con grandes picos de corriente (Motores, Transformadores, Bombas de agua, etc.) Curva Z: Dispara con picos de corriente entre 2.4-3.6 veces la In. Se utiliza para proteger dispositivos muy sensibles a los picos de corriente cómo los circuitos electrónicos. 02. Partes de un sistema automático. Protecciones. 5 Sistemas eléctricos y electrónicos Profesor: José Paredes Coloma Figura 1.6. Características de un interruptor magnetotérmico bipolar (SIEMENS AG). 02. Partes de un sistema automático. Protecciones. 6 Sistemas eléctricos y electrónicos Profesor: José Paredes Coloma 2.2. Interruptor diferencial. El interruptor diferencial es un dispositivo que protege la instalación contra defectos de aislamiento, y por lo tanto, a las personas que la utilizan contra contactos indirectos. Este dispositivo se encarga de monitorear en todo momento la corriente de entrada con la de salida y cuando se detecta una diferencia que supera la establecida por el tipo de interruptor se dispara para abrir el circuito y así proteger a la persona de un posible accidente. Las partes que componen un interruptor diferencial son: · · · · Núcleo toroidal: Es un nucleo magnético con forma toroidal (donut) en el que se enrollan las bobinas. Bobinas: Se utilizan tres bobinas que se enrollan en el núcleo toroidal, uno para la fase, otro para el neutro y el último para el sistema de corte. Sistema de corte: Se utiliza un electroimán que logra abrir el circuito cuando se genera la diferencia de corriente. Botón de prueba: Este botón prácticamente simula una fuga de corriente a través de una resistencia eléctrica. El monitoreo se logra colocando dos bobinas en sentidos opuestos para que los flujos magnéticos que se crean se cancelen, pero si por alguna razón en una de las bobinas pasa más corriente esta genera un flujo mayor que ocasiona una pequeña corriente en la bobina de monitoreo, esta corriente es suficiente para activar un electroimán que abre los contactos del interruptor. 02. Partes de un sistema automático. Protecciones. 7 Sistemas eléctricos y electrónicos Profesor: José Paredes Coloma Si existe un defecto de aislamiento, parte de la intensidad se derivará por él, siempre que encuentre un camino cerrado. Cuando una persona toca la carcasa del receptor se cierra el circuito a través de tierra. Pero como en este caso la intensidad de ida y la de retorno ya no son iguales, sus efectos ya no se anulan y se induce tensión en el secundario. Si la intensidad perdida por el defecto es suficientemente grande, se tendrá la fuerza necesaria para actuar sobre el electroimán del diferencial y provocar su apertura. Este corte es prácticamente inmediato, protegiendo así a la persona de los efectos de un contacto indirecto. Fig 1.9. Instalación con defecto de aislamiento: sin toma de tierra (izquierda) y con toma de tierra (derecha). Si la instalación tiene puesta a tierra (conductor de protección) el circuito de la corriente de defecto se cierra a través de ella, provocando el disparo del diferencial antes de que toque nadie. Los símbolos e identificadores que se utilizan en los esquemas para representar el interruptor diferencial son los siguientes: Fig 1.10. Simbología de diferenciales bipolares y tetrapolares. 02. Partes de un sistema automático. Protecciones. 8 Sistemas eléctricos y electrónicos Profesor: José Paredes Coloma Características Las principales características que definen un interruptor diferencial son: • Intensidad nominal: intensidad de la instalación en la cual va a ser instalado. • Tensión nominal: tensión de la instalación en la que va a ser instalado. • Sensibilidad (ΔIn): es el mínimo valor de la intensidad de defecto que provoca la apertura del interruptor diferencial. En función de este valor, podemos clasificar los diferenciales como: – Baja sensibilidad: ΔIn > 300 mA. Aplicación en industrias que no requieren altos niveles de protección. – Alta sensibilidad: ΔIn entre 10 y 30 mA. Los de 30 mA. son los que se utilizan habitualmente en viviendas e instalaciones en general. • Número de polos: los diferenciales se fabrican bipolares y tetrapolares. Fig 1.11. Interruptor diferencial bipolar (SIEMENS AG). 2.3. Fusibles. Los fusibles son elementos de protección de las instalaciones eléctricas que se conectan en serie con el circuito que tienen que proteger. Se fabrican con un hilo de un material que tiene un punto de fusión más bajo que el del cobre y suelen disponer también una sección inferior a la de los conductores. El objetivo es que ante cualquier aumento de temperatura debido a una intensidad excesiva, sea el primer punto en calentarse. Si la temperatura es la suficiente, el elemento se funde, interrumpiendo la continuidad del circuito y evitando por tanto que la sobreintensidad peligrosa siga circulando y dañe al resto de componentes. El hilo fusible está contenido en un compartimento, que algunas veces contiene algún material inerte (por ejemplo sílice) con el fin de que se extinga el arco en el momento de la fusión. 02. Partes de un sistema automático. Protecciones. 9 Sistemas eléctricos y electrónicos Profesor: José Paredes Coloma Como exteriormente no es posible ver si el fusible se ha fundido, algunos presentan un dispositivo indicador, denominado dispositivo percutor, que mediante un elemento coloreado indica el estado del fusible. Los fusibles presentan como ventaja frente a otros dispositivos de protección contra sobreintensidades su bajo coste, pero por contra tienen como desventaja la necesidad de ser reemplazados cada vez que se produce un corte, ya que el fusible queda inservible para un nuevo uso. Los símbolos e identificadores de los fusibles en los esquemas son los siguientes: Fig 1.12. Simbología de fusibles. Características: Las principales características que definen un fusible son: • Intensidad nominal: intensidad que circula por la instalación en condiciones normales. • Tensión: tensión a la cual va a ser colocado, es decir, la de la instalación. • Poder de corte: valor máximo de la intensidad que es capaz de cortar. • Elemento percutor o dispositivo indicador de que el fusible se ha fundido. • Tipo de fusible: el tipo de fusible hace referencia al principal uso para el que ha sido diseñado y se identifica por dos letras: 02. Partes de un sistema automático. Protecciones. 10 Sistemas eléctricos y electrónicos Profesor: José Paredes Coloma Tipos constructivos: En cuanto a la forma constructiva del fusible existen varios tipos: • Fusibles cilíndricos: son los fusibles tradicionales. Fig 1.13. Fusibles cilíndricos y fusible de cuchillas (SIEMENS AG). • Fusibles de cuchillas o NH: fusibles de baja tensión y alta capacidad de ruptura. Se fabrican para intensidades nominales de hasta 1250 A y tensiones nominales de hasta 690 V. Pueden llegar a tener capacidades de ruptura de hasta 120 kA. Poseen un alambre tensado en paralelo con el elemento fusible que, cuando este se funde, hace que una pequeña pestaña situada en la parte superior se levante, indicando el estado del fusible. • Fusibles Diazed: También denominados «fusibles botella» por la forma que tienen. Se fabrican para intensidades nominales entre 2 y 100 A. Tienen capacidades de corte de hasta 50 kA. Fig 1.14. Fusibles Diazed (SIEMENS AG). 02. Partes de un sistema automático. Protecciones. 11 Sistemas eléctricos y electrónicos Profesor: José Paredes Coloma 2.4. Guardamotores. Un guardamotor es un interruptor magnetotérmico regulable, especialmente diseñado para la protección de motores eléctricos. Este diseño especial proporciona al dispositivo una curva de disparo que lo hace más robusto frente a las sobreintensidades transitorias típicas de los arranques de los motores. El disparo magnético es equivalente al de otros interruptores automáticos pero el disparo térmico se produce con una intensidad y tiempo mayores. Su curva característica se denomina D o K. Las características principales de los guardamotores, al igual que de otros interruptores automáticos magnetotérmicos, son la capacidad de ruptura, la intensidad nominal o calibre y la curva de disparo. Proporciona protección frente a sobrecargas del motor y cortocircuitos, así como, en algunos casos, frente a falta de fase. Al tratarse de un magnetotérmico regulable el símbolo del guardamotor es el mismo que el del magnetotérmico. Fig 1.15. Guardamotores de los fabricantes Telemecanique y SIEMENS. Los guardamotores disponen de contactos auxiliares para el circuito de mando NO y NC que cambian de estado cuando salta la protección. Los disyuntores guardamotores ademas de realizar las funciones de un magnetotérmico también protegen contra: · · · · Sobrecargas Cortocircuitos Desequilibrio de fases Perdida de una fase. 02. Partes de un sistema automático. Protecciones. 12 Sistemas eléctricos y electrónicos Profesor: José Paredes Coloma 3. Cuestionario de autoevaluación. 1. Un interruptor automático es un dispositivo de protección contra (señala las respuestas correctas): a) b) c) d) Corrientes de cortocircuito. Corrientes de sobrecarga. Corrientes de defecto. Contra todas las anteriores. a) b) c) d) Corrientes de cortocircuito. Corrientes de sobrecarga. Corrientes de defecto. Contra todas las anteriores. 2. Un interruptor diferencial es un dispositivo de protección contra: 3. Una de las principales características que define a un interruptor diferencial es la sensibilidad. ¿Qué es? 4. ¿Qué es el elemento de la figura? 5. Idéntica los siguientes fusibles según su tipo constructivo: Fusible 1 02. Partes de un sistema automático. Protecciones. Fusible2 Fusible 3 13 Sistemas eléctricos y electrónicos Profesor: José Paredes Coloma 6. Dada la siguiente imagen, ¿de qué elemento se trata y cuáles son sus características? 7. Dibuja lo símbolos de los siguientes dispositivos de protección. DISPOSITIVO SIMBOLO Fusible bipolar Interruptor magnetotérmico tripolar Interruptor diferencial tetrapolar Relé térmico tripolar 02. Partes de un sistema automático. Protecciones. 14 Sistemas eléctricos y electrónicos Profesor: José Paredes Coloma 8. Di que significa cada una de las partes del símbolo del interruptor magnetotérmico. 9. Dada la siguiente imagen, ¿de qué elemento se trata y cuáles son sus características? 10. Dada la siguiente imagen, ¿de qué elemento se trata y cuáles son sus características? 02. Partes de un sistema automático. Protecciones. 15 Sistemas eléctricos y electrónicos Profesor: José Paredes Coloma 11. Dada la siguiente imagen, ¿de qué elemento se trata y cuáles son sus características? 12. ¿Cuales son las principales características de un interruptor magnetotérmico? 13. ¿Qué es el poder de corte de un interruptor automático? 14. ¿Cuales son las protecciones que aporta un disyuntor guardamotor? 15. ¿Cual es la función del interruptor diferencial? 02. Partes de un sistema automático. Protecciones. 16