Download generalidades de los sistemas de control de motores

UNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
ELÉCTRICA
“MANUAL DE CONTROL PARA MOTORES
ELÉCTRICOS TRIFÁSICOS”
MONOGRAFÍA
Que para obtener el título de:
INGENIERO MECÁNICO ELECTRICISTA
PRESENTA:
IVAN ERICK LANDA DELGADO
DIRECTOR:
MTRO. JESÚS ANTONIO CAMARILLO MONTERO
XALAPA, VER.
SEPTIEMBRE 2013
Agradecimientos
A mis padres:
Sr. Miguel Ángel Landa Aponte y Sra. Rosario Delgado Huerta.
A quienes dedico este trabajo porque gracias a su apoyo y consejos he
llegado a realizar una de mis metas, la cual representa la herencia más valiosa
que pudiera recibir.
A mi hermana:
Sandra Mariel Landa Delgado.
Por su apoyo y carillo mostrado a lo largo de mi vida.
A mi novia:
Por su cariño, comprensión durante este tiempo junto a mí, así como su
apoyo incondicional en los buenos y malos momentos.
A mi director de monografía:
Mtro. Jesús Antonio Camarillo Montero.
Por su apoyo, consejos y opiniones para la culminación de este trabajo.
ÍNDICE
INTRODUCCIÓN ............................................................................................... 6
1. GENERALIDADES DE LOS SISTEMAS DE CONTROL DE MOTORES... 7
1.1
Antecedentes ....................................................................................... 7
1.2 Conceptos básicos ........................................................................... 11
1.2.1 Partes principales del motor ......................................................... 13
1.3 Motor de inducción trifásico ............................................................ 14
1.3.1 Placa de bornes ............................................................................ 15
1.3.2 Principio de funcionamiento de los motores trifásicos .................. 17
1.3.3 Clasificación de los motores de inducción trifásicos ..................... 20
1.3.4 Datos de placa .............................................................................. 21
1.4 Arranque ............................................................................................ 22
1.4.1 Arrancadores manuales ................................................................ 23
A. Arrancador manual en motor tipo jaula de ardilla ............................. 24
B. Arrancador manual en motor de rotor bobinado .............................. 25
1.4.2 Arrancadores automáticos ............................................................ 26
1.4.3 Arrancadores en estado sólido ..................................................... 28
A. Arrancadores suaves ....................................................................... 30
2. CONTROLES ELÉCTRICOS .................................................................... 32
2.1 Protección de motores de corriente alterna ................................... 32
2.1.1 Fallas comunes en los motores trifásicos ..................................... 33
A. Fallas por causas internas ............................................................... 33
B. Fallas por causas externas .............................................................. 34
2.1.2 Protección contra cortocircuito...................................................... 37
2.1.3 Protección contra sobrecarga ....................................................... 38
A. Relevador térmico de sobrecarga de aleación fusible ..................... 40
B. Relevadores de sobrecarga bimetálicos .......................................... 40
C. Relevador magnético de sobrecarga ............................................... 41
2.1.4 Protección por pérdida de fase ..................................................... 42
2.2 Componentes de circuito de control ............................................... 44
2.2.1 Arrancadores magnéticos para el voltaje de la línea .................... 44
A. Electroimanes de arrancador ........................................................... 46
B. Envolventes de protección ............................................................... 47
2.3 Relevadores y contactores ............................................................... 47
2.3.1 Relevadores de control ................................................................. 47
2.3.2 Contactores .................................................................................. 49
2.4 Relevadores de control de tiempo ................................................... 50
2.4.1 Relevador de control de tiempo con fluido amortiguador .............. 51
2.4.2 Controles neumáticos de tiempo .................................................. 51
2.4.3
2.4.4
Controles de tiempo impulsados por motor .................................. 52
Relevador magnético de límite de tiempo ..................................... 52
2.5 Dispositivo piloto para control......................................................... 52
2.5.1 Estación de botones para control ................................................. 53
2.5.2 Interruptores ................................................................................. 53
A. Interruptor de flotador ...................................................................... 54
B. Interruptor de límite .......................................................................... 55
C. Interruptores térmicos ...................................................................... 56
D. Interruptores termomagnéticos ........................................................ 56
E. Interruptores de presión ................................................................... 57
3. ELABORACIÓN DEL CIRCUITO DE CONTROL ..................................... 59
3.1
Simbología ......................................................................................... 59
3.2 Tipos de diagramas de control ........................................................ 60
3.2.1 Diagrama de alambrado ............................................................... 61
3.2.2 Diagrama de línea o escalera ....................................................... 62
3.3
Control de dos alambres .................................................................. 64
3.4 Control de tres alambres .................................................................. 65
3.4.1 Estación de botones múltiples ...................................................... 66
3.5
Control separado............................................................................... 66
3.6
Control de secuencia ........................................................................ 67
3.7 Control reversible.............................................................................. 68
3.7.1 Interconexión mecánica ................................................................ 69
3.7.2 Interconexión por botones ............................................................ 69
3.7.3 Interconexión por medio de contactos auxiliares .......................... 70
3.8 Tipos de arranque de motores trifásicos ........................................ 71
3.8.1 Arranque directo ........................................................................... 71
3.8.2 Arranque por resistencia primaria ................................................. 73
3.8.3 Arranque por autotransformador................................................... 74
3.8.4 Arranque a rotor bobinado ............................................................ 76
3.8.5 Arranque por conexión estrella-delta ............................................ 77
3.8.6 Arranque suave ............................................................................ 79
3.8.7 Arranque por convertidor de frecuencia........................................ 82
3.9
Comparación entre métodos de arranque de un motor eléctrico . 83
EJERCICIOS PRÁCTICOS.............................................................................. 86
CONCLUSIÓN ................................................................................................. 92
REFERENCIAS................................................................................................ 93
ANEXOS .......................................................................................................... 94
INTRODUCCIÓN
Con el surgimiento del motor eléctrico en 1888, nadie imaginó que se hubiese
dado un gran salto en la evolución de la tecnología industrial. En la actualidad
el motor eléctrico de inducción es el más utilizado de la industria por su
capacidad para mover pequeñas y grandes cargas.
En un motor de inducción las corrientes que fluyen en el lado secundario
designado como rotor, se inducen por las corrientes que fluyen en el lado
primario designado como estator.
El control de motores se puede decir que es una necesidad desde el
surgimiento de los motores eléctricos, la gran gama de aplicaciones de estos
mismos
dentro
de
distintos
procesos
industriales
requieren
de
la
automatización de los procesos industriales, conforme avanza el tiempo se han
implementado diversos sistemas de control donde cada vez es más notoria la
electrónica de potencia.
En la actualidad dentro de la industria se utilizan tecnologías convencionales
combinadas en un mismo proceso, como pueden ser el control por relevadores
y colectores, arrancadores automáticos, o los de tipo estado sólido; con esto se
obtiene una mejor versatilidad, confiablidad, etc. El objetivo principal del control
de motores es gobernar las distintas etapas del motor como son: el paro, el
arranque, la velocidad y el par.
Para el operario o encargado de mantenimiento es de vital importancia tener un
conocimiento de estas tecnologías así como los elementos que influyen en el
sistema de control.
Iván E. Landa Delgado, 2013
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CAPITULO 1
GENERALIDADES DE LOS SISTEMAS DE
CONTROL DE MOTORES
1. GENERALIDADES DE LOS SISTEMAS DE CONTROL
DE MOTORES
Cuando se menciona la frase control de motores se piensa principalmente en
los conceptos de velocidad, movimiento, potencia, entre otras; las cuales son
fundamentales en el control de motores. Una de las cosas importantes dentro
de este tema es la protección, la cual está ligada en todos los sistemas de
control eléctrico. La protección eléctrica es parte primordial del control, pues se
encarga de evitar daños dentro del circuito de control, así como en el mismo
motor o sus conductores, e incluso daños que pueden afectar a otros equipos y
al personal operario.
El control de motores es el proceso mediante el cual se manipula un motor.
Debido a la gran gama de variaciones dentro de la industria donde es
necesario utilizar un motor eléctrico, por ejemplo: para mover bandas, en la
industria petrolera, en el campo, para diferentes tareas en los que se requiere
controlar la velocidad, el arranque, el sentido de giro, el tiempo de trabajo de la
maquinaria, etc. Por esto y muchas cosas más es de gran importancia el
control de los motores.
1.1 Antecedentes
Los motores eléctricos son el resultado de los principios básicos del
electromagnetismo. Los cuales nos podemos remontar a sus inicios en el siglo
XIX cuando se realizaron los primeros experimentos de este tipo por Faraday,
Henry, Lenz, Maxwell. Se puede decir que el punto de partida para todas las
máquinas eléctricas de hoy en día inicia con el estudio de Michael Faraday en
1831, con el principio de inducción electromagnética, también conocida como la
ley de inducción de Faraday.
La inducción electromagnética es el principio fundamental mediante el cual
trabajan las máquinas eléctricas actuales como son el trasformador, generador
y motores eléctricos.
Iván E. Landa Delgado, 2013
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CAPITULO 1
GENERALIDADES DE LOS SISTEMAS DE
CONTROL DE MOTORES
Las primeras máquinas eléctricas fueron las dinamoeléctricas, las cuales su
principio de funcionamiento estaba basado en la inducción de Faraday que
para estos tiempos las máquinas eléctricas solo se les podía definir como
convertidores de energía mecánica en energía eléctrica (generador) y como
convertidores de energía eléctrica en energía mecánica (motor).
En 1885, Galileo Ferraris fue el primero en descubrir el campo magnético
giratorio,
el
cual
estaba
basado
en
utilizar
dos
corrientes
alternas
independientes de igual frecuencia pero diferente fase. Un año después Nikola
Tesla diseño y patento el primer motor eléctrico de corriente alterna.
En 1888 Tesla público un artículo que describía, tres tipos de motores estos
eran de tipo bifásico y con polos salientes en el estator, se alimentaban de dos
corrientes desfasadas 90º y sus devanados al igual que las corrientes se
encontraban desfasados 90º.
Primer motor: contaba con cuatro polos salientes y giraba a la velocidad de
sincronismo, pero no poseía la capacidad de autoarranque.
Segundo motor: De tipo asíncrono, poseía un rotor devanado que podía
arrancar; pero giraba a una velocidad por debajo del sincronismo.
Tercer motor: De tipo síncrono, utilizaba una corriente continua en el devanado
del rotor.
En 1892, La empresa Westinghouse fue la primera en desarrollar un motor
bifásico, contaba con devanados tanto en el estator como en el rotor, logrando
así el primer motor practicó. Éste era un motor bifásico de 304 HP, 12 polos a
220V, este motor se alimentaba de dos alternadores monofásicos de 507 HP,
60Hz. Los cuales se encontraban desplazados 90º eléctricos para generar la
tensión bifásica.
Para 1891, la compañía Thomson-Houston inicio la construcción de motores de
inducción trifásicos, formando una alianza con Westinghouse para fabricar
motores asíncronos trifásicos utilizando el invento de Charles F. Scott, el cual
convertía un sistema bifásico en trifásico mediante un trasformador y de esta
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CAPITULO 1
GENERALIDADES DE LOS SISTEMAS DE
CONTROL DE MOTORES
forma alimentaba este tipo de motores. A esto se le conoce como “Conexión de
Scott -T”, se muestra en la Figura 1.1 que es básicamente la manera de
obtener dos fases, separadas 90° eléctricos en el espacio y en el tiempo, a
partir de una fuente de alimentación trifásica, cuyas fases se hallan separadas
120° eléctricos, o viceversa.
1
S1
Deriv. 86.6%
N1
2
S2
Deriv. 50%
3
N2
Figura 1.1 Conexión de transformador Scott
En 1916 H.G. Reist y H. Maxwell patentan el primer motor de rotor jaula de
ardilla, construido mediante barras de aluminio por parte de la compañía
General Electric.
El motor de rotor devanado fue inventado por Tesla, éste empleaba dos
devanados con resistencias diferentes para lograr generar un alto par de
arranque, pero no fue sino hasta el año de 1925 basados en las ideas de Elihu
Thomson de utilizar condensadores especiales para arranque.
En cuanto al control de motores desde la misma invención del motor, surgió la
necesidad de poder manipular su arranque, paro y sobre todo su velocidad.
Conforme avanza la tecnología es más fácil y más adecuando este tipo de
control, hasta hace unos pocos años el control de motores estaba basado en
automatismos de relevadores y colectores.
Los primeros sistemas para intentar controlar la velocidad de los motores
fueron implementados para motores de corriente directa pese a que los
motores de corriente alterna de inducción no eran adecuados para las
aplicaciones donde se requería regular la velocidad.
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CAPITULO 1
GENERALIDADES DE LOS SISTEMAS DE
CONTROL DE MOTORES
En 1891 aparece el control Ward Leonard que sirve para la variación de la
velocidad como se menciona anteriormente por la falta de tecnologías este tipo
de método solo era aplicado para motores de corriente continua.
El control Ward Leonard, consta de un motor trifásico de corriente alterna el
cual está accionado a dos generados de corriente continua uno de estos hará
la función de una excitatriz lo cual proporcionará tanto al motor como al
generador un control de campo con una corriente continua. El control de
velocidad depende de las pequeñas variaciones de potencia en el campo del
generador principal. Se utilizan conmutadores de inversión dentro del circuito
del inducido para de este modo abrir e invertir conexiones en el mismo, de esta
forma, poder parar e invertir el sentido de rotación del motor.
Para el año de 1911, aparece el control Kramer para el motor de rotor
devanado, este método consiste en la utilización de un trasformador variable
que se encuentra conectado a los anillos colectores del motor bobinado en vez
de directamente a la línea.
La frecuencia del rotor bobinado será también a la frecuencia del voltaje en el
conmutador, dependiendo de la posición de las fases en las escobillas se podrá
alterar el factor de potencia en el motor, y cuando se incremente el voltaje en el
rotor del convertidor se incrementa la velocidad. Además de que los
convertidores de frecuencia utilizada también actúan como un motor
convirtiendo la energía suministrada a través de un autotransformador de
potencia mecánica. Este sistema es muy útil en aplicaciones de control de
velocidad para grandes potencias.
Para los años de 1920 a 1930 comenzó, la aparición de los dispositivos
electrónicos. En 1923 se inventó el rectificador de selenio. Posteriormente en
1925 se desarrolló un rectificador de óxido de cobre, pero no fue hasta 1928
que Albert W. Hull de la compañía General Electric inventara el tiratrón y el
rectificador de vapor de mercurio controlado (ignitrón). Esto permitía regular la
c.c. que producían los rectificadores, y sustituyendo algunos sistemas de WardLeonard por convertidores estáticos. Durante la siguiente década se establecen
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CAPITULO 1
GENERALIDADES DE LOS SISTEMAS DE
CONTROL DE MOTORES
los principios de funcionamiento de los inversores (c.c.-c.a.).
En la década de 1930 a 1940 se establecen los principios de funcionamiento de
los inversores o convertidores estáticos de c.c. a c.a., y los cicloconvertidores.
En el año de 1947 en los laboratorios de la Bell Telephone Company, se
descubrió el primer transistor de unión, abriendo una puerta muy importante
dentro de la electrónica de potencia, la cual entra con gran fuerza a partir de la
década de los 50’s donde aparecen los semiconductores en estado sólido
como son el diodo y el transistor.
La verdadera fecha de inicio de la revolución electrónica de potencia fue en
1956 con el descubrimiento del tiristor o SCR (Silicon Controlled Rectifier o
Rectificador Controlado de Silicio).
Otro aspecto clave en la evolución de control se da hasta la década de los 70’s
en donde se da el comienzo de la microelectrónica. Posteriormente en la
década de los 80’s comienza a desenvolverse el microprocesador, que es la
tecnología en la que actualmente nos basamos en el control de las maquinas
eléctricas, cabe destacar la fecha de 1988 cuando la General Electric crea el
dispositivo llamado MCT (MOS-Controlled Thyristor o tiristor controlado por
MOS).
La electrónica de potencia se considera una ciencia muy cambiante debido a
que los avances son muy rápidos y las nuevas tecnologías pronto se vuelven
obsoletas.
1.2 Conceptos básicos
Los motores eléctricos se pueden clasificar en dos tipos: los de corriente
continua y los de corriente alterna, en estos últimos se destaca la rama de los
motores de inducción, los cuales son los más utilizados en la industria debido a
que son sencillos, resistentes y requieren de poco mantenimiento.
En el control de motores, es necesario conocer ciertos aspectos fundamentales
que serán de relevancia conforme se desarrolle el tema, de manera que se
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CAPITULO 1
GENERALIDADES DE LOS SISTEMAS DE
CONTROL DE MOTORES
hará más fácil y sencilla la comprensión del mismo.
Motor eléctrico.- Es un dispositivo capaz de trasformar la energía eléctrica en
energía mecánica mediante la interacción de sus campos magnéticos.
Potencia.- Es la razón de cambio del trabajo por unidad de tiempo. Dado que
en los motores eléctricos se encargan de trasformar la energía o en este caso
trabajo eléctrico en trabajo mecánico se puede decir que trasforma potencia
eléctrica en potencia mecánica.
Los motores eléctricos utilizan una potencia eléctrica dada por un voltaje y una
corriente, la potencia eléctrica que se suministra al motor puede ser de
diferentes tipos como:

Potencia de corriente directa.
(1.1)

Potencia de corriente alterna (MONOFÁSICA)
(1.2)

Potencia de corriente alterna (TRIFÁSICA)
(1.3)
√
(1.4)
La potencia en los motores eléctricos (convencionales) es dada por el par y la
velocidad angular dados en una flecha para así transferir la energía. La unidad
de potencia eléctrica es el Watt, mientras que la potencia mecánica se puede
medir en caballos de fuerza (HP). La conversión o equivalencia es la siguiente:
La potencia mecánica en los motores eléctricos se encuentra aplicada en el eje
del motor y se describe con la siguiente ecuación:
(1.5)
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CAPITULO 1
GENERALIDADES DE LOS SISTEMAS DE
CONTROL DE MOTORES
Como el trabajo en un sistema rotatorio es la aplicación de un par a través de
un ángulo se establece que:
(1.6)
Así mismo, si el par es constante en el movimiento rotatorio, la potencia está
dada por:
(
)
(
)
(1.7)
Dónde:
(
(
(
)
)
)
(
)
Motor trifásico.- este tipo de motor es similar al motor monofásico, su principal
diferencia es que se alimenta de tres líneas o fases de alimentación. Este
motor trasforma la energía eléctrica trifásica en energía mecánica. Este tipo de
motores se fabrican para diferentes potencias desde muy pequeñas como una
fracción de un HP hasta miles de HP.
El motor trifásico cuenta con tres fases de devanado separadas cada una de la
otra a 120º entre el número de pares de polos. Para generar un campo giratorio
es necesario conectar una tensión trifásica desplazada 120º. Figura 1.2.
1.2.1 Partes principales del motor
Estator.- es la parte estática del motor que opera como base, en esta se
encuentran los devanados que producen el campo giratorio. Se puede decir
que el estator es el inductor en un motor. El estator no se mueve
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CAPITULO 1
GENERALIDADES DE LOS SISTEMAS DE
CONTROL DE MOTORES
mecánicamente, pero si magnéticamente.
Rotor.- es la parte móvil del motor y recibe los efectos del campo giratorio. Se
compone de un eje donde se encuentran colocados los juegos de bobinas.
Figura 1.2 Desfasamiento entre fases del devanado del motor.
Armadura.- es el conjunto de elementos que incluye el embobinado del motor,
en este se inducen las fuerzas electromotrices y circulan las corrientes de la
potencia de entrada. En la armadura se induce uno de los campos magnéticos.
Piezas polares (polos).- para que un motor funcione es necesario por lo menos
que tenga un polo norte y un polo sur. Una parte de estos se encuentra unida a
la coraza o flecha dependiendo si es un motor de CD o uno de CA y la otra
parte queda libre. Su función está dada por el principio del electroimán y
producen el campo inductor.
1.3 Motor de inducción trifásico
Este motor es llamado así puesto que la corriente alimenta directamente el
devanado del estator y al devanado del rotor por inducción, esta máquina es la
más resistente y la más utilizada en la industria, además de que puede operar
como motor o generador.
Los motores de inducción se pueden clasificar de acuerdo con su tipo de rotor:
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CAPITULO 1
GENERALIDADES DE LOS SISTEMAS DE
CONTROL DE MOTORES
1. Rotor devanado
2. Rotor jaula de ardilla
El rotor devanado tiene tres grupos de devanados aislados con conexiones
llevadas al exterior a tres anillos rozantes montados sobre el eje, las
conexiones externas a la parte rotatoria se hacen a través de escobillas
montadas sobre los anillos rozantes, por lo que este tipo de motor se le llama
con frecuencia motor de anillos rozantes. En la Figura 1.3 se muestra un rotor
de anillos rozantes.
Figura 1.3 Rotor con anillos.
El rotor jaula de ardilla comprende un grupo de barras de cobre o aluminio
instaladas dentro de las ranuras, las cuales están conectadas a un anillo en los
extremos del rotor. La construcción de los devanados del rotor asemeja a una
“jaula de ardilla”. En la Figura 1.4 se muestra un rotor de tipo jaula de ardilla.
Figura 1.4 Rotor tipo jaula de ardilla.
1.3.1 Placa de bornes
Los motores asíncronos cuentan con terminales del devanado del estator, a
este grupo de terminales se le conoce como placa de bornes. Las
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15
CAPITULO 1
GENERALIDADES DE LOS SISTEMAS DE
CONTROL DE MOTORES
terminaciones de los bobinados están unidas a esta. Por norma las placas de
bornes deben utilizar las letras U1, V1, W 1 para designar el lado principal y el
lado secundario utiliza las letras U2, V2, W 2.
En la Figura 1.5, se muestra una placa de bornes y sus distintas formas de
conexión (delta o en estrella). Cabe señalar que las terminales de fases iguales
no se encuentran una enfrente de la otra como se observa en la Figura 1.5a,
esto es debido a que es más fácil realizar la interconexión de las mismas
utilizando placas.
Figura 1.5 Placa de bornes. Forma de conexión.
Un dato importante es que la conexión en estrella se utiliza cuando el motor se
conecta a la tensión más elevada en sus datos de placa, en cuanto a la
conexión en delta o triángulo se usa para la tensión más baja. Por ejemplo; si
tenemos un motor de corriente alterna con las siguientes características: 7.5
HP, 220/440 V, 20/10 A, 1722 Rpm Es decir; que la potencia es de 7.5 HP, y
estando a plena carga gira a la velocidad de 1722 Rpm, y se conecta en
triangulo a 220 V y absorbe una corriente de línea de 20 A; pero se puede
alimentar con 440 V a lo cual su corriente de línea será la de 10 A pero de esta
forma debe ser conectado en estrella.
La placa de bornes también es muy útil en las conexiones cuando se requiere
un sentido de giro especifico puesto que esto se logra fácilmente
intercambiando dos líneas cualesquiera en la Figura 1.6, se muestra la forma
correcta de las conexiones de la placa de bornes para obtener el sentido de
rotación deseado.
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16
CAPITULO 1
GENERALIDADES DE LOS SISTEMAS DE
CONTROL DE MOTORES
Figura 1.6 Placa de bornes y conexiones para sentido de rotación.
1.3.2 Principio de funcionamiento de los motores trifásicos
Los motores de corriente alterna trifásicos se pueden clasificar en dos grandes
grupos los considerados síncronos y los de tipo de inducción. El motor de
corriente alterna basa su funcionamiento en la acción que ejerce el campo
magnético giratorio generado en el estator sobre las corrientes que circulan por
los conductores situados sobre el rotor.
Cuando se contacta una alimentación trifásica de corriente alterna a las
terminales del estator, las tres corrientes circulan por su devanado primario y
se induce una corriente en sentido opuesto al devanado secundario, siempre
que el devanado secundario este en cortocircuitado por una impedancia
exterior. Debido a las fuerzas electromagnéticas se produce el movimiento
entre el lado primario y el secundario para generar la potencia.
La característica principal de los motores de inducción es que trabajan
induciendo tensiones y corrientes en su rotor, al igual que en un trasformador,
el primario (estator) induce un voltaje en el secundario (rotor), en cambio, en
los motores síncronos se suministra por una excitatriz o alguna fuente externa
En los motores de tipo rotor devanado cuentan con anillos rozantes, los cuales
su función es para la interconexión de las resistencias de arranque, que son
utilizadas para incrementar la velocidad de arranque del motor de una forma
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CAPITULO 1
GENERALIDADES DE LOS SISTEMAS DE
CONTROL DE MOTORES
gradual y la corriente de línea no sea tan elevada como para dañar los
aislamientos de los devanados o el mismo motor.
La operación de los motores de inducción es igual a la de los devanados de
amortiguamiento en los motores síncronos.
Los motores síncronos se denominan de esta manera pues su velocidad de
rotaciones es igual a la velocidad de sincronismo esto es debido a la excitación
separada. En cambio, los motores de inducción no cumplen con el sincronismo
pero este es de suma importancia para el desarrollo de los siguientes
conceptos.
La velocidad de rotación debe estar en sincronismo con la frecuencia del
sistema, a esto se le conoce como velocidad de sincronismo.
(1.8)
Dónde:
.
Por ejemplo en el caso más sencillo es de un motor de dos polos en el cual
utilizaremos una frecuencia ( ) de 60 Hz o 60 ciclos por segundo, debido a que
la frecuencia de corriente alterna en América está dada a 60 Hz.
Sustituyendo
(
)
Tenemos que la velocidad síncrona del motor es de 3,600 revoluciones por
minuto.
Un motor de inducción depende del voltaje y la corriente del rotor, se habla de
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CAPITULO 1
GENERALIDADES DE LOS SISTEMAS DE
CONTROL DE MOTORES
su velocidad relativa. Se utilizan dos términos para definir el movimiento
relativo entre el rotor y los campos magnéticos los cuales son:

Velocidad de deslizamiento

Deslizamiento
La velocidad de deslizamiento se puede definir como la diferencia que existe
entre la velocidad síncrona y la velocidad del rotor.
(1.9)
Dónde:
(
)
El deslizamiento lo podemos definir como la velocidad relativa expresada sobre
una base, expresada en porcentaje.
(
)
(1.10)
(1.11)
Dónde:
Si el rotor está en reposo se dice que el deslizamiento es 1 y cuando el motor
se encuentra sin carga S0, dado esto se puede determinar la velocidad del
rotor como:
(
)
(1.12)
La mayoría de los motores de inducción tienen un deslizamiento menor al 5%.
Para términos prácticos estas ecuaciones se pueden expresar en función de
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19
CAPITULO 1
GENERALIDADES DE LOS SISTEMAS DE
CONTROL DE MOTORES
velocidad angular
radianes por segundo.
(1.13)
(
)
(1.14)
1.3.3 Clasificación de los motores de inducción trifásicos
La National Electrical Manufacturers Association (NEMA) estableció cierta
clasificación para los motores de inducción basándose en sus características
de par intensidad y velocidad. La Tabla 1.1 muestra las distintas clasificaciones
de los motores de inducción trifásicos.
Tabla 1.1 Clasificación NEMA para motores de inducción trifásicos.
DESIGNACIÓN
DESCRIPCIÓN
NEMA
Para motores diseñados con un par de arranque normal
aproximadamente 15 % del de régimen su corriente de
A
arranque es de 5 a 7 veces la nominal y el deslizamiento a
plena carga es menor al 5 % y en el caso de los motores
grandes es menor a 2%.
Motor con un par de arranque normal y baja corriente de
B
arranque
entre
4
a
5
veces
su
corriente
nominal.
Deslizamiento a plena carga entre 1.5 % y 3 %, en motores de
más de 200 HP menor a 1%.
C
D
E
F
Motor con alto par de arranque, baja corriente de arranque y
deslizamiento bajo a plena carga.
Motor con alto par de arranque, baja corriente de arranque y
un alto deslizamiento.
Motor de bajo par de arranque, 130% del nominal y un bajo
deslizamiento cercano al 2%.
Motor de bajo par de arranque y bajo corriente de arranque
presenta un deslizamiento mayor que los de clase E.
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CAPITULO 1
GENERALIDADES DE LOS SISTEMAS DE
CONTROL DE MOTORES
1.3.4 Datos de placa
En la industria son de vital importancia conocer las especificaciones del motor
dadas por el fabricante, esto en el caso de los motores se coloca en una placa
la cual proporciona una gran cantidad de información cuando se requiera hacer
una instalación o mantenimiento.
Dentro de la publicación NEMA MG1, 10.40 publicada en 1998, dice que para
los motores monofásicos y trifásicos se deben incluir los siguientes datos
gravados en la placa de identificación:
Motores jaula de ardilla
a. Razón social de fabricante
b. Potencia de salida en HP
c. Tiempo de operación
d. Temperatura
e. Aislamiento
f. Velocidad en RPM
g. Frecuencia en Hz
h. Número de fases
i.
Corriente de carga nominal
j.
Voltaje nominal
k. Letra clave de diseño
l.
Clave KVA con rotor bloqueado
m. Factor de servicio
n. Factor de servicio mayor a 1.15
o. Protección térmica
Motores rotor devanado
a. Razón social de fabricante
b. Potencia de salida en HP
c. Tiempo de operación
d. Temperatura
Iván E. Landa Delgado, 2013
21
CAPITULO 1
GENERALIDADES DE LOS SISTEMAS DE
CONTROL DE MOTORES
e. Aislamiento
f. Velocidad en RPM
g. Frecuencia en Hz
h. Numero de fases
i.
Corriente nominal
j.
Voltaje nominal
k. Corriente a pleno lado secundario
l.
Tensión secundaria
En la Figura 1.7 se ilustra un ejemplo de una placa característica de un motor
de inducción trifásico.
Figura 1.7 Placa de características de un motor trifásico de C.A.
1.4 Arranque
El arranque de un motor trifásico es el proceso por el cual se pone en marcha
una maquina eléctrica. La principal característica para que el arranque de un
motor pueda llevarse a cabo es que el par de arranque debe ser superior al par
resistente de la carga.
Iván E. Landa Delgado, 2013
22
CAPITULO 1
GENERALIDADES DE LOS SISTEMAS DE
CONTROL DE MOTORES
Durante el proceso de arranque se da una elevación de corriente lo que puede
llegar a ocasionar baja en las líneas de suministro de energía las cuales
pueden ser notorias en la iluminación, así como afectar a otros equipos que se
encuentren conectados en las mismas líneas de suministro.
Desde un punto de vista teórico se puede justificar la elevación de la corriente
mediante el circuito equivalente del sistema puesto que la resistencia de carga
es nula en el instante inicial y el deslizamiento sería igual a la unidad, por esto
el motor ofrecerá una impedancia muy baja y se considera prácticamente en
cortocircuito.
Debido a la gran elevación de corriente, se han implementado diferentes
arrancadores que se encargan de manipular el arranque y paro de los motores.
Cabe señalar que motores pequeños de bajas capacidades pueden conectarse
directamente a la línea de alimentación, pero en los motores grandes es
necesario utilizar arrancadores para evitar las subidas de corriente durante el
arranque. Los arrancadores pueden ser de tipo manual, automático y los más
nuevos de estado sólido o arrancadores suaves.
1.4.1 Arrancadores manuales
Los arrancadores manuales son dispositivos que se definen como reguladores,
cuya función primordial es la de manipular la puesta en marcha y la aceleración
del motor eléctrico.
Los arrancadores manuales de tipo sencillo, pueden ser: a plena tensión o a
tensión reducida. La implementación de cada uno de estos sistemas depende
del trabajo que realizara, así como del motor adecuado para dicho trabajo.
Las ventajas que se obtienen al utilizar arrancadores de tipo manual son:

El operador puede variar el tiempo para que la secuencia de operación
se lleve a cabo.

Los arrancadores de tipo manual son muy sencillos tanto en su
fabricación como en su mantenimiento.
Iván E. Landa Delgado, 2013
23
CAPITULO 1

GENERALIDADES DE LOS SISTEMAS DE
CONTROL DE MOTORES
Existen menores averías, puesto que no se emplean relés ni
acoplamientos eléctricos.

Cuando se carece de espacio en la instalación los arrancadores
manuales son prácticos pues son de menor tamaño.

Los costos son mucho más bajos a diferencia de los arrancadores
automáticos.

Mantenimiento sencillo.
A. Arrancador manual en motor tipo jaula de ardilla
Para el arranque de motores grandes o medianos dependiendo de sus distintas
capacidades se suelen utilizar disyuntores o los llamados reguladores de
tambor. Estos reguladores de tambor son de tipo rotativo, consta de un
conjunto de gruesos conductores circulares hechos de cobre laminares
giratorios, cada uno de estos aislado del otro, los contactos en el interruptor de
tambor se hacen girar por una manivela en la parte superior del elemento.
Si se observa la Figura 1.8, muestra cómo se encuentran repartidos los
contactos en el interior del interruptor de tambor dispersados en 360º, así como
las cuatro posiciones que conlleva, iniciando en la posición de arranque y
terminando con la puesta en marcha.
Los interruptores de tambor son muy utilizados para el arranque de los motores
en serie, así como para la regulación de velocidad, siempre y cuando la
resistencia que se coloque en serie con el inducido sea de variación y no
intermitente.
Las principales ventajas de los reguladores de tambor son:

Bajo costo.

Requieren de poco espacio en su instalación puesto que las resistencias
de arranque se colocan externas.

El tambor se encuentra totalmente protegido y se fabrican para
diferentes entornos como pueden ser impermeable, a prueba de
Iván E. Landa Delgado, 2013
24
CAPITULO 1
GENERALIDADES DE LOS SISTEMAS DE
CONTROL DE MOTORES
explosiones, etc.
Figura 1.8 Segmentos de contacto del tambor rotatorio (Desarrollado en 360º).
B. Arrancador manual en motor de rotor bobinado
En cuanto a los motores de tipo de rotor bobinado se suelen utilizar los
llamados arrancadores manuales planos, claro está en los motores pequeños o
de bajas capacidades y para los motores grandes utilizando reguladores de
tambor.
Figura 1.9 Arrancador manual plano por resistencia del secundario
En la Figura 1.9, se muestra un arrancador manual plano, en este observamos
cómo se encuentra alimentado el estator así como su protección, en este caso
un disyuntor de sobrecarga (OCB). Del lado derecho está colocado el
Iván E. Landa Delgado, 2013
25
CAPITULO 1
GENERALIDADES DE LOS SISTEMAS DE
CONTROL DE MOTORES
arrancador manual, este operara cuando la resistencia del lado secundario se
gire desde su posición (Fuera) a la posición máxima resistencia del rotor.
Este tipo de arrancador puede utilizarse para el control de velocidad si se
desea, solo se deben normalizar las resistencias para un servicio continuo de la
corriente del rotor a cualquier valor de deslizamiento. Es importante recordar
que este tipo de arrancadores serán adecuados para los motores pequeños.
Cuando se requiere arrancar motores grandes se utilizan interruptores como
pueden ser los de tambor o los de levas. En la Figura 1.10 se muestra un
diagrama de arranque por interruptor de tambor y la secuencia de tiempos.
Cabe señalar que solo se muestra el circuito del rotor.
Figura 1.10 Arranque por interruptor de tambor.
En el circuito del rotor podemos observar que el arrancador utiliza varias
resistencias las cuales se cortocircuitaran por medio de los contactos “S” con
una determinada secuencia.
1.4.2 Arrancadores automáticos
Los arrancadores automáticos están directamente relacionados con principios
de los arrancadores manuales, están diseñados para controlar indirectamente
mediante pulsadores de contacto momentáneo.
Los arrancadores automáticos se pueden decir que son mejores que los de tipo
manual puesto que pueden ser fácilmente operados por un operario inexperto,
sin tener complicaciones y evitara que pueda producirse algún daño a la
maquinaria. Así como se limita el riesgo de que pueda existir algún error
humano por falta de conocimiento.
Iván E. Landa Delgado, 2013
26
CAPITULO 1
GENERALIDADES DE LOS SISTEMAS DE
CONTROL DE MOTORES
Cuando se realiza una selección entre los arrancadores de tipo automático y de
tipo manual se deben considerar los siguientes factores, así como las ventajas
de los arrancadores manuales anteriormente mencionadas.

Los arrancadores automáticos evitan el cansancio del operario en ciclos
frecuentes de arranque y parada.

Se puede controlar a distancia, es decir, que los contactos pueden estar
a gran distancia del arrancador y de esta forma proteger al mismo
operario de algún accidente.

Se pueden situar los pulsadores en espacios confinados y debido a sus
pequeñas dimensiones se pueden colocar varias para operar diferentes
equipos.

Limitación de errores humanos por falta de conocimientos durante la
puesta en marcha (este último punto aplicado completamente con
referencia a los arrancadores manuales que por las limitaciones entre el
arranque de motor y el tiempo)
Los dispositivos automáticos empleados se clasifican en dos tipos según su
funcionamiento: los de bucle abierto y los de bucle cerrado, el de bucle abierto
gobierna la potencia de un motor de forma prefijada, independientemente del
funcionamiento del motor. En cuantos los de bucle cerrado dependerá en parte
del funcionamiento del motor.
Para analizar los arrancadores de motores de inducción polifásicos se deben
considerar las distintas clases de los motores de jaula. (Ver anexo 1) Los
arrancadores automáticos pueden ser tres tipos: los de arranque a plena
tensión, arranque a tensión reducida y arranque por devanado parcial.
En el arranque a plena tensión generalmente se utiliza una tensión de control,
para los arrancadores de este tipo se pueden encontrar en las graduaciones
normalizadas por NEMA, en estas se establece desde el tamaño 00 hasta 9 e
incluso puede haber mayores que se consideran de características especiales.
Los valores nominales de arrancadores a plena tensión se muestran en la tabla
del Anexo 2, es de vital importancia recordar que para motores de servicio
Iván E. Landa Delgado, 2013
27
CAPITULO 1
GENERALIDADES DE LOS SISTEMAS DE
CONTROL DE MOTORES
rápido se debe tomar el valor inmediato superior. Esto es porque el motor está
sometido con mucha frecuencia a cambios, como pueden ser arranque, paro,
inversión, etc. y se dice que un motor que esté sometido a más de cinco
cambios por minuto se considera de servicio rápido.
Los arrancadores de tiempo fijo son muy útiles para los motores de inducción
de tipo jaula de ardilla, este tipo de arrancadores es adecuado cuando se
implementan motores muy grandes, pero cuando se tiene un flujo de corriente
durante el arranque puede llegar a afectar a otros equipos, por lo cual
requieren de algún método de arranque a tensión reducida los cuales se
describirán más profundamente durante el capítulo 3.
1.4.3 Arrancadores en estado sólido
Desde que surgió el deseo de controlar un motor eléctrico se han
implementado diferentes métodos, así como el seguir nuevas tecnologías. El
desarrollo de los aparatos encargados del control de los motores ha
evolucionado hasta llegar a este tipo de arrancadores, los cuales mediante la
electrónica de potencia logran manipular de una manera óptima y más eficaz a
diferencia de los anteriores.
Los arrancadores de estado sólido son los más modernos utilizados en el
arranque de motores de corriente alterna. Existen ciertas diferencias entre los
de tipo convencional y estos de nueva generación, alguna de estas son:

No utilizan algún tipo de enlace mecánico para realizar cambios de baja
a alta potencia.

No
es
necesario
implementar
resistores
inductores
o
algún
autotransformador.

El sistema de control de conexiones tanto para arranque y paro está
dado en un circuito de control de baja potencia.

Mantenimiento mínimo, puesto que no utiliza contactos.
Los arrancadores en estado sólido tanto para c.a. como para c.c utilizan los
llamados SCR (Rectificadores Controlado de Silicio). La mayoría de los
Iván E. Landa Delgado, 2013
28
CAPITULO 1
GENERALIDADES DE LOS SISTEMAS DE
CONTROL DE MOTORES
arrancadores de estado sólido operan durante el arranque del motor.
Los arrancadores de estado sólido se enfocan en que la corriente del motor
dependerá del voltaje y la velocidad; mientras que el par mecánico del motor
será proporcional al cuadrado del voltaje.
El voltaje en los arrancadores de estado sólido depende del ángulo de disparo
en el SCR el cual aparece a continuación en la Figura 1.11.
Figura 1.11 Ángulo de disparo del SCR y salida del voltaje
Dentro de este tipo de arrancadores en estado sólido se encuentran el
arranque suave que es el sistema más moderno en el control de motores, este
Iván E. Landa Delgado, 2013
29
CAPITULO 1
GENERALIDADES DE LOS SISTEMAS DE
CONTROL DE MOTORES
requiere un mayor tiempo durante el cual se demanda corriente reducida y
proporciona un par reducido, algunos de los arrancadores en estado sólido
utilizan un transformador conectado a las líneas de alimentación para
monitorear y limitar la corriente de arranque mediante el envío de una señal a
los circuitos de control de tiempo del SCR. Es decir, si la corriente del motor
alcanza su límite (previamente ajustado) se aumenta el ángulo de disparo del
SCR, de esta forma, se reduce el voltaje de salida y la corriente.
A.
Arrancadores suaves
Este tipo de arrancadores son el equipo más moderno en la actualidad en el
control de motores eléctricos, se encargan de disminuir los picos de corriente
durante el arranque de motores eléctricos y el par mecánico de arranque. En la
Figura 1.12 se muestra la diferencia existente entre el arranque directo de un
motor y el arranque suave.
Se utiliza un control de fase para reducir el voltaje y éste se incrementará
suavemente hasta el voltaje de línea, claro está que se debe predeterminar un
tiempo en el cual debe alcanzarse el voltaje a plenitud mediante el uso de
arranque y frenado de esta forma se hace un menor esfuerzo de la maquinaria
y se alarga su vida útil.
Figura 1.12 Gráfica de relación entre el arranque directo y el arranque suave en los
motores eléctricos.
Este tipo de arrancadores son ideales cuando se requiere un arranque suave y
lento, puesto que en lugar de operar a plena tensión utilizan elementos de
Iván E. Landa Delgado, 2013
30
CAPITULO 1
GENERALIDADES DE LOS SISTEMAS DE
CONTROL DE MOTORES
control para ir aumentando gradualmente el voltaje como se mencionó
anteriormente esto se realiza mediante el ángulo de disparo.
En la Figura 1.13, se muestra como mediante elementos semiconductores
conectados a las líneas de alimentación se controla el voltaje y a medida que
aumenta el tiempo va aumentando el voltaje efectivo aplicado en el motor para
lograr el arranque gradual del mismo.
Figura 1.13 Control de fase mediante arrancadores suaves
Algunas ventajas del uso de los arrancadores suaves pueden ser:

Evitar paros bruscos (en el caso de bandas transportadoras o en un
elevador).

Menor consumo de energía de las líneas de distribución, puesto que
reducen los picos elevados de corriente.

Mayor vida útil de los elementos mecánicos como pueden ser el eje o
los acoples del motor.

Menos esfuerzo en los reductores de velocidad de tipo mecánico,
dando una mayor vida útil en cuanto a engranes, gusanos y
cojinetes.
Iván E. Landa Delgado, 2013
31
CAPITULO 2
CONTROLES ELÉCTRICOS
2. CONTROLES ELÉCTRICOS
2.1 Protección de motores de corriente alterna
Todas las instalaciones eléctricas tienen un límite térmico, el cual está asociado
a los tipos de materiales aislantes utilizados.
En todo elemento que se utiliza para conducir o manipular la corriente eléctrica
se produce el efecto Joule (RI²), también llamadas perdidas resistivas, que se
presentan en forma de calor. Por ejemplo, un conductor con una resistencia R y
una corriente I, el calentamiento producido en este conductor será proporcional
a RI² así mismo si aumentamos la corriente al doble, el calor proporcional en el
nuevo conductor será dado por RI² se puede escribir de la siguiente manera.
( )
(2.1)
Al desarrollarlo se obtiene que la cantidad de calor se incrementa 4 veces. Esto
quiere decir que al aumentar la corriente en un conductor se aumenta también
el calor, debido a que crece con el cuadrado de la corriente.
El calentamiento en los conductores causa que el aislamiento de los mismos se
deteriore rápidamente provocando un cortocircuito de la línea, entre líneas o de
línea a tierra.
También están las fallas provocadas por sobrevoltajes que se pueden dar por
exceder los niveles del aislamiento ocasionando cortocircuitos.
Una corriente de cortocircuito puede ser tan grande como para provocar una
explosión, dañar completamente el equipo o incidentes al personal operador.
Cuando se da una sobrecarga en un motor se eleva la temperatura en su
devanado y si no se utiliza una protección adecuada para este fenómeno se
puede llegar a dañar el aislamiento en el devanado e incluso puede llegar a
quemarse.
Por estas y algunas causas más se deben proteger a los motores para evitar
fallas, accidentes, pérdidas del equipo, etc. Para esto existen diferentes formas
Iván E. Landa Delgado, 2013
32
CAPITULO 2
CONTROLES ELÉCTRICOS
de proteger al motor, enfocándonos en la protección contra cortocircuito,
protección contra sobrecarga, protección contra sobrecorriente y protección
contra perdida de fase.
2.1.1 Fallas comunes en los motores trifásicos
Las fallas en los motores se pueden clasificar en dos categorías: las fallas
debido a causas internas y las fallas debido a causas externas.
Fallas por causas internas

Cortocircuito fase-tierra.

Cortocircuito entre dos fases.

Cortocircuito en los devanados.

Problemas en los devanados (sobrecalentamiento).
Fallas por causas externas

Fallos en la red de alimentación.

Condiciones indebidas de funcionamiento del motor.

Condiciones de instalación del motor.
*Las fallas debido a causas externas se localizan fuera del motor eléctrico, pero
estas pueden dañar al mismo.
A.
Fallas por causas internas
La falla más común en el devanado de un motor es causada por el
sobrecalentamiento. Esto se debe a un aumento de temperatura, ocasionado
por una sobrecarga que termina en un pico de corriente que recorre los
devanados.
El devanado del estator en el motor está integrada de conductores de cobre
para conducir la corriente eléctrica por ellos, estos se encuentran aislados por
Iván E. Landa Delgado, 2013
33
CAPITULO 2
CONTROLES ELÉCTRICOS
diferentes tipos de aislantes, generalmente se utiliza un barniz. Si una parte del
aislamiento se encuentra dañado o no está cubierto completamente, el
conductor puede provocar un cortocircuito entre una fase y tierra, entre dos o
tres fases o simplemente entre devanados de la misma fase.
Las causas pueden ser eléctricas (descargas superficiales o subida de
tensión),
térmicas
(calentamiento
o
sobrecalentamiento)
o
mecánicas
(vibración).
B.
Fallas por causas externas
Subida de tensión
Hablando de fallos en la red de alimentación o simplemente la alimentación del
motor, el más común de estos será una subida de tensión para cualquier
equipo o dispositivo, al cual entre una tensión con un valor pico que exceda los
límites de su especificación se considera como una subida de tensión.
Un exceso de tensión temporal o permanente se puede dar por diferentes
factores, entre ellos los atmosféricos, las descargas electrostáticas, etc.
Otra causa puede ser la tensión de la red y estas ocurren por dos factores:

Modo regular entre los conductores a tierra.

Modo diferencial entre los conductores activos.
Fases desequilibradas
Un sistema trifásico se dice que está equilibrado cuando sus fases tienen una
amplitud de 120º entre cada una de ellas. Cuando la amplitud entre sus fases
es diferente de 120º se dice que está desequilibrado.
El desequilibrio se puede deber a la apertura de las fases, a la presencia de
cargas monofásicas próximas al motor o a la red de la misma.
El desequilibrio se puede aproximar con la siguiente ecuación:
Iván E. Landa Delgado, 2013
34
CAPITULO 2
CONTROLES ELÉCTRICOS
( )
(
) [(
)]
[(
)]
(2.2)
Dónde:
El desequilibrio en las fases de alimentación genera una componente inversa
que crea fuertes corrientes rotóricas que calientan el rotor y acaban
provocando el sobrecalentamiento del motor.
Caída de tensión
Una caída de tensión es una pérdida de tensión en un punto de la red de
alimentación. Un corte de corta duración sucede cuando la tensión disminuye
por debajo del 90 % de la nominal por menos de 3 minutos; un corte de larga
duración sucede cuando se excede a los 3 minutos. En cuanto un microcorte
dura aproximadamente 1milisegundo.
Las caídas de tensión están generalmente causadas por factores externos (un
fallo en la alimentación, un cortocircuito, etc.) o factores relacionados con la
instalación en su misma conexión de cargas pesadas como grandes motores o
trasformadores pueden tener un efecto radical en el motor.
Fallos de funcionamiento

Arranque demasiado largo del motor
La fase de arranque del motor es el tiempo requerido por el mismo para
alcanzar la velocidad nominal de rotación. El tiempo de arranque en el motor
está en función del par de resistente y del par del motor.
( )
Iván E. Landa Delgado, 2013
( )
(2.3)
35
CAPITULO 2
CONTROLES ELÉCTRICOS
Dónde:
Debido a estas características un motor solo puede soportar un número
limitado de arranques por hora (especificaciones del fabricante) y se tiene un
cierto tiempo de arranque en función de la corriente de arranque.

Sobrecarga
Una sobrecarga en el motor es causada por un incremento del par resistente o
por una caída de tensión de alimentación 10% mayor a la tensión nominal. Por
el aumento en la corriente consumida por el motor trae consigo un incremento
en la temperatura o calentamiento, lo cual reducirá en gran medida la vida útil
del motor.

Bloqueo del rotor
El bloqueo en el rotor es una causa mecánica produce una sobrecorriente casi
igual a la de arranque. Durante el bloqueo el motor se sobrecalienta y las
pérdidas en el rotor se elevan al máximo, cuando esto sucede la refrigeración
se paraliza, dado que los motores funcionan con la rotación del motor.

Desalineación del motor
Esta es una falla del tipo mecánica, pero es causada por una mala instalación,
por ejemplo; el ensamblado impreciso de los componentes, la posición relativa
de los componentes sea altera después del montaje, etc.
En la Tabla 2.1 se clasifican las fallas más comunes que se pueden presentar
en los motores trifásicos.
Iván E. Landa Delgado, 2013
36
CAPITULO 2
CONTROLES ELÉCTRICOS
Tabla 2.1 Clasificación de fallas.
Falla
Causa
Cortocircuito
 Entre fases.
 Fase-Neutro
 Fase-Fase

Pico de
tensión


Desequilibrio
de tensión
Caídas de
tensión
Arranque de
motor


Bloqueo

Descarga
atmosférica
Desconexión
de carga
Apertura de
fases
 Carga
monofásica
Inestabilidad de
red de
alimentación

Problema
mecánico

Caída de
tensión
Incremento del
par resistente


Problema
mecánico
Pico de corriente
 Fatiga
electrodinámica en
los conductores

Destrucción del
aislante en los
conductores
Consecuencia

Destrucción de los
devanados

Destrucción de los
devanados por perdida
de aislamiento

Incremento
perdidas
Reducción del par
disponible


Par resistente
muy elevado
 Caída de
tensión
Sobrecarga
Desalineación
Efecto
Reducción de par
disponible
 Incremento a
perdidas

Incremento del
tiempo arranque

Sobrecorriente

Sobrecalentamiento

Sobrecalentamiento

Sobrecalentamiento

Sobrecalentamiento

Mayor consumo de
corriente

Sobrecalentamiento

Mala instalación de
equipo

Sobrecalentamiento
2.1.2 Protección contra cortocircuito
La función primordial de un dispositivo de protección contra cortocircuito es la
de resguardar a los conductores, a los circuitos derivados del motor, los
Iván E. Landa Delgado, 2013
37
CAPITULO 2
CONTROLES ELÉCTRICOS
aparatos de control y al motor. Para esto se utilizan interruptores automáticos y
fusibles que se pueden colocar individuales o combinados.
Los fusibles son un dispositivo muy eficaz en cuanto a la protección debido a
que actúan con rapidez, limitando la energía disipada en cortocircuito.
Generalmente la protección se instala en la misma envolvente donde está el
medio de desconexión del motor.
Los interruptores termomagnéticos se componen de un elemento térmico y un
elemento magnético, el elemento térmico está formado por la unión de dos
elementos metálicos de diferente coeficiente de dilatación, el cual se calienta
con el paso de la corriente y se deforma, lo cual crea un cambio de posición
que sirve para disparar el interruptor de protección.
El elemento magnético está formado por una bobina cuyo núcleo es movible, el
cual dispara el mecanismo del interruptor. Dicho circuito se abre de manera
instantánea cuando ocurre un cortocircuito.
El elemento térmico opera cuando ocurre una sobrecarga, mientras que el
elemento magnético opera en el caso de un cortocircuito.
La mejor protección se obtiene con un dispositivo doble, fusible-interruptor. El
fusible protege contra cortocircuitos de gran intensidad, y el interruptor protege
contra sobrecargas y cortocircuitos con intensidad de valor moderado.
La capacidad de los fusibles e interruptores magnéticos se pueden seleccionar
de valores estandarizados que viene en la Tabla del anexo 4. “Es necesario
conocer la letra de código del motor”.
2.1.3 Protección contra sobrecarga
Las fallas más habituales en las maquinas son las sobrecargas, que se
manifiestan como una elevación de temperatura en el devanado del motor,
cuanto más alta sea la sobrecarga, más se incrementa la temperatura que
puede llegar a dañar los aislantes y el sistema de lubricación.
Los aislantes tienen diferentes límites de temperatura soportada cuando está
Iván E. Landa Delgado, 2013
38
CAPITULO 2
sobrepasa
CONTROLES ELÉCTRICOS
el
límite
de
funcionamiento,
los
aislantes
se
desgastan
prematuramente y se acorta su vida útil. Una correcta protección contra
sobrecargas es indispensable para: Optimizar la durabilidad de los motores,
impidiendo que trabajen en condiciones de calentamiento excesivo.
La protección contra sobrecargas se obtiene en los controladores conectando
elementos térmicos bimetálicos o elementos térmicos de aleación fusible en
serie con dos conductores del motor por lo menos hablando de los motores
trifásicos. Estos elementos al calentarse debido a la intensidad, actúan sobre
contactos que abren el circuito de la bobina excitadora de un contacto
electromagnético.
Éste tipo de dispositivo de protección contra sobrecargas son sensibles al
porcentaje de falla, es decir; una falla pequeña tardará un tiempo en disparar el
relevador mientras que una falla grande disparará instantáneamente el
relevador. Este sistema de protección no cubre al motor contra una posible falla
por cortocircuito, si esto sucede el relevador podría mantenerse atraído durante
el tiempo suficiente como para dañar el equipo o motor.
Para una correcta selección de dispositivos contra sobrecargas, es necesario
considerar la corriente nominal de funcionamiento y el factor de servicio
indicado por el fabricante (datos de placa del motor). En el caso de que los
dispositivos de protección del motor se disparen reiteradamente debe
verificarse la corriente que absorbe, a fin de determinar si el defecto se
encuentra en el dispositivo de protección o es el propio motor absorbe una
corriente excesiva.
Los relevadores de sobrecarga se pueden clasificar en térmicos y magnéticos,
los relevadores de sobrecarga magnética reaccionan únicamente a los excesos
de corriente y no son afectados por la temperatura. En cuanto los relevadores
de sobrecarga térmica operan por la elevación de temperatura causada por una
sobrecarga. Estos se pueden clasificar en relevadores de aleación fusible y
bimetálicos.
Iván E. Landa Delgado, 2013
39
CAPITULO 2
A.
CONTROLES ELÉCTRICOS
Relevador térmico de sobrecarga de aleación fusible
En los relevadores térmicos de sobrecarga o relevadores de crisol soldadura, la
corriente del motor pasa por un pequeño devanado calefactor. Bajo
condiciones de sobrecarga, la temperatura aumenta causando que una
soldadura especial se funda y permita que la rueda de trinquete gire y abra los
contactos. En la Figura 2.1 se muestra a grandes rasgos como se encuentra
diseñado un relevador térmico de sobrecarga de aleación fusible.
Para obtener diversos valores de corriente de disparo a diferentes corrientes de
carga plena se dispone de un rango bastante amplio de diferentes unidades
térmicas. El elemento calefactor y el crisol de soldadura se encuentran
combinados en una sola pieza, formando una unidad inalterable. La
característica de transferencia de calor y la exactitud de la unidad no pueden
ser accidentalmente cambiadas, como puede ser posible cuando el calefactor
es un elemento separado los relevadores térmicos de aleación fusible se
restablecen manualmente.
Figura 2.1 Relevador térmico de sobrecarga de aleación fusible
B.
Relevadores de sobrecarga bimetálicos
Los relevadores térmicos de sobrecarga bimetálicos se llaman así porque
emplean una tira bimetálica en forma de U, asociado con un elemento
calefactor. En su interior se haya dispuesta una cinta formada por dos laminas
Iván E. Landa Delgado, 2013
40
CAPITULO 2
CONTROLES ELÉCTRICOS
metálicas soldadas, de distinto coeficiente de dilatación. Dicha cinta se
encuentra fija a un extremo y con el otro libre de acción, mantiene normalmente
cerrados los contactos del circuito que alimenta la bobina del arrancador. La
mayoría de los relevadores pueden ajustarse entre un rango del 85 % y el
115% del valor nominal del calefactor.
Cuando circula corriente por el elemento calefactor, la cinta se calienta y por
sus características térmicas de sus dos laminas se curva por su extremo libre,
esto hace que se separen los circuitos auxiliares y el circuito de excitación de la
bobina queda interrumpido, los contactos principales se abren y hacen que el
motor se detenga.
Los relevadores de sobrecarga bimetálicos en el campo son convertibles,
pueden ser de reposición manual, automático o viceversa. En la reposición
automática después de haberse disparado el relevador, el dispositivo volverá a
cerrarse cuando se haya enfriado. Esto se utiliza comúnmente cuando los
relevadores se encuentran instalados en lugares de difícil acceso o incluso
inaccesible.
El restablecimiento automático no debería usarse con el control de dos hilos, ya
que cuando los relevadores de sobrecarga cierran los contactos después de un
disparo el motor puede volver a arrancar y en caso de que la sobrecarga aún
no se haya eliminado el relevador de carga se dispara nuevamente,
eventualmente este ciclo se estará repitiendo causando que el motor se queme
debido al calor acumulado.
C.
Relevador magnético de sobrecarga
Un relevador magnético de sobrecarga tiene un núcleo móvil dentro de una
bobina, el relevador se conecta en serie con el motor. El flujo magnético de la
bobina empuja al núcleo hacia arriba, cuando el núcleo se eleva lo suficiente
(movimiento que es determinado por la corriente y la posición del núcleo) esto
opera unos contactos en la parte superior del relevador. El movimiento del
núcleo es detenido lentamente por un pistón que trabaja en un cilindro
amortiguador lleno de aceite que se encuentra debajo de la bobina, esto
Iván E. Landa Delgado, 2013
41
CAPITULO 2
CONTROLES ELÉCTRICOS
produce una característica de inversión de tiempo. El valor efectivo de la
corriente se ajusta moviendo el núcleo en una varilla roscada. El tiempo de
disparo varía dejando de cubrir los agujeros de derivación en el pistón.
El relevador de sobrecarga magnético se utiliza algunas veces para proteger a
los motores que tengan largos periodos de aceleración o ciclos de trabajo no
usuales.
2.1.4 Protección por pérdida de fase
Un motor eléctrico trifásico tiene una corriente muy similar en cada una de sus
fases, lo ideal sería que la corriente en cada una de estas fuese la misma pero
siempre se dan pequeñas perdidas que se pueden despreciar.
Una pérdida de fase se puede generar por las siguientes causas:

Pérdida en la red de subministro eléctrico.

Quemadura de un fusible.

Daño en el contactor del motor.

Apertura de uno de los conductores de alimentación del motor.
Cuando se sufre una pérdida de fase, el motor sigue funcionando, esta vez
como un sistema bifásico esto hará que pierda capacidad de potencia de
entrega y que las dos fases que continúan trabajando incrementen hasta un
75% la corriente y la potencia entregada por el motor disminuirá alrededor del
50 %, lo que puede producir un exceso de vibración, ruido fuera de lo normal, y
el factor más importante que es el incremento en la temperatura del motor.
Un motor se debe proteger adecuadamente contra las pérdidas de fase para
evitar daños en sus enrollamientos y en sus conductores ya que entre más
tiempo permanezca trabajando con una pérdida de fase más calor generara y
el motor corre el riesgo de quemarse.
En la mayoría de los casos, la sobrecorriente hará que se disparen las
unidades de sobrecarga, desconectando el motor de la línea y así evitando que
se quemen sus devanados. En ciertas condiciones de carga el motor puede
Iván E. Landa Delgado, 2013
42
CAPITULO 2
CONTROLES ELÉCTRICOS
trabajar con dos fases, sin que lleguen a actuar los dispositivos térmicos y se
quemen sus devanados por esto aunque se tenga un dispositivo doble siempre
se considera un tercer dispositivo para proteger al motor por una pérdida de
fase.
Para proteger al motor se utilizan relés de sobrecargas o disparador por
sobrecargas estos pueden ser de mínima tensión que se basan en si se pierde
una fase la tensión en esta será igual a cero y los de asimetría de las fases que
calculan la diferencia de potencia entre la línea de mayor y la de menor tensión.
Relevador de mínima tensión
Mide la diferencia de tensión entre las fases cuando existe una diferencia de
potencial entre alguna de ellas, se produce el disparo estos relés son
adecuados para la protección de las redes de distribución.
Relevador de asimetría de fases
Comparan las tensiones de las tres líneas, estás deben mantenerse en un
rango cuando alguna supera este valor se produce el disparo. De esta manera
es posible mejorar la protección del motor si existe una pérdida de fase.
Monitor de voltaje trifásico
En la actualidad se utilizan este tipo de dispositivos, puesto que ofrece las
siguientes funciones, supervisar las redes trifásicas en cuanto a la secuencia
de fase, falla de fase, desequilibrio de la fase y subtensión.
Este dispositivo trabaja bajo el principio de un circuito cerrado y pose una
fuente de poder interna, los rangos de ajustes manejados por Siemens en este
tipo de dispositivos son: 160-690, 110-115, 220 y 240. Y se ajustan mediante
potenciómetros.
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CAPITULO 2
CONTROLES ELÉCTRICOS
2.2 Componentes de circuito de control
2.2.1 Arrancadores magnéticos para el voltaje de la línea
En el control magnético se emplea energía electromagnética para cerrar sus
interruptores. Los arrancadores magnéticos para voltaje son dispositivos
electromecánicos y son un medio eficaz en el arranque y paro de motores.
Estos dispositivos se conectan directamente a la línea con el motor, pese a que
un motor conectado de esta forma alcanza al arranca una corriente elevada y
un par máximo. Se utiliza un arrancador debido a que un par alto de arranque
puede dañar las diferentes piezas del motor (engranes, coples, etc.)
Los arrancadores son muy utilizados en la industria, ya que son seguros y
económicos, pero su característica principal es que se pueden operar desde
puntos remotos. Generalmente se utilizan cuando se puede aplicar con
seguridad un torque de arranque a pleno voltaje a la maquina impulsada y
cuando no hay objeción a la oleada de corriente resultante del arranque a
través de la línea.
Los arrancadores magnéticos son controlados por medio de dispositivos pilotos
como pueden ser las estaciones de botones (local y remota), relevadores de
control de tiempo o interruptores de tipo flotador.
Los arrancadores magnéticos deben tener la capacidad de interrumpir el
circuito del motor, existen gran variedad de motores de diferentes capacidades
por ende los arrancadores magnéticos se fabrican en diferentes tamaños, cada
uno con determinada capacidad en caballos de fuerza. La tabla de tamaños de
controladores se muestra en el Anexo 5.
Los arrancadores de tres polos son para aplicaciones con motores que operan
para los sistemas trifásicos de corriente alterna. Los arrancadores de dos polos
se utilizan para motores monofásicos.
Para proteger a un motor contra sobrecalentamiento, se emplean relevadores
de sobrecarga en un arrancador para limitar a un valor determinado la cantidad
Iván E. Landa Delgado, 2013
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CAPITULO 2
CONTROLES ELÉCTRICOS
de corriente. Está se conoce como protección contra sobrecarga. Los
relevadores de sobrecarga de un arrancador sirven para impedir que el motor
tome una corriente excesiva que dañe el aislante.
Los relevadores magnéticos pueden ser de tipo reversible o de tipo combinado.
Los de tipo reversible se utilizan como su nombre lo dice para invertir la
dirección de rotación del motor. El ejemplo más sencillo es en un motor trifásico
tipo jaula de ardilla donde se logra cambiar el sentido del motor sólo cambiando
dos de las líneas e invertirlas.
Por otro lado el arrancador magnético combinado está compuesto por un
dispositivo de protección contra cortocircuito. Ya sea interrumpe los fusibles o
los termomagnéticos. Son de los más comunes en la industria pese a que
utiliza menos espacio y son de fácil instalación. Generalmente se instalan en
gabinetes el cual se mantiene cerrado mecánicamente por la palanca de este y
no permite que se abra a menos que se desconecte el interruptor lo cual es una
buena medida de seguridad tanto para la empresa como para el operario. En la
Figura 2.2 se muestra un contactor magnético operado por solenoide, éste
cuenta con tres contactos móviles y tres estacionarios los cuales al momento
de entra en operación la solenoide pasaran de normalmente abiertos a
normalmente cerrados.
Figura 2.2 Contactor magnético operado por solenoide.
Iván E. Landa Delgado, 2013
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CAPITULO 2
A.
CONTROLES ELÉCTRICOS
Electroimanes de arrancador
Los electroimanes son dispositivos electromecánicos que se emplean para el
accionamiento de arrancadores, contactores, relevadores y válvulas. Utilizan
una bobina alrededor de un núcleo de hierro dulce, de esta forma al energizar
la bobina se generara un flujo magnético.
Como se menciona la forma en la que se activa o desactivan el arrancador es
por medio de una bobina la cual utiliza la fuerza magnética para abrir y cerrar
los contactos móviles. La bobina está conformada por un núcleo de hierro en
forma de “E” Figura 2.3 el cual cuando se aplica una corriente a través del
alambre enrollado se genera un campo magnético que hace que el núcleo de la
bobina se mueva y cierre los contactos, arrancando el motor de igual manera
cuando la bobina es desenergizada el campo magnético generado desaparece
y se abren los contactos, deteniendo al motor.
Uno de los factores a evitar en estos dispositivos es el zumbido y el
calentamiento que pueden ser causados tanto por una alineación incorrecta en
la bobina como por sustancias que puedan haber quedado entre sus partes a la
hora de la instalación también se trata de evitar a lo que se le llama “corrientes
de Eddy” que es el efecto de la corriente inducida en el hierro por la acción del
trasformador lo cual puede generar un calentamiento excesivo en el hierro
originándonos perdidas e incluso una falla. Para esto se fabrican los
electroimanes laminados y remachados para así reducir el efecto del calor.
Figura 2.3 Núcleo de hierro en forma de E
Iván E. Landa Delgado, 2013
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CAPITULO 2
B.
CONTROLES ELÉCTRICOS
Envolventes de protección
Básicamente los envolventes de protección son un simple gabinete estos se
utilizan en los equipos de control tanto como para el mismo motor y el operario.
Los gabinetes de protección se utilizan por las siguientes razones:

Para prevenir contactos accidentales.

Proteger los elementos de control contra condiciones ambientales
(salpicaduras, lluvia, polvo, corrosión, etc.).

Prevención contra fuego o explosiones.
NEMA ha establecido normas para la construcción e instalación de gabinetes
debió al tipo de aplicación en particular y ubicación donde se colocaran los
elementos de control. Los tipos más comunes de gabinetes se muestran en la
Tabla 2.2.
2.3 Relevadores y contactores
Los relevadores mejor conocidos como relevadores de control son dispositivos
de tipos electromagnéticos se utilizan comúnmente en los circuitos de control
para amplificar la capacidad del contacto o multiplicar las funciones de
interrupción y cierre de un dispositivo piloto de control. Por otra parte, los
contactores se utilizan para interrumpir los circuitos de potencia o las cargas
elevadas de corriente.
2.3.1 Relevadores de control
Los relevadores de control como se mencionó anteriormente son dispositivos
de tipo electromagnético, estos se sutilizan en los circuitos de control como un
dispositivo auxiliar para interrupción, por ejemplo; en una bobina de un
arrancador o para controlar un motor pequeño. Un relevador de control no
proporciona una protección contra sobrecarga al motor.
Los relevadores de control se fabrican en gran diversidad como puede ser de
tiro sencillo, tiro doble, con varias configuraciones de circuitos de contactos
Iván E. Landa Delgado, 2013
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CAPITULO 2
CONTROLES ELÉCTRICOS
normalmente abiertos (NO) y normalmente cerrados (NC) e incluso algunos
con contactos convertibles. Todos estos se fabrican de diferentes variaciones
de voltaje, sus rangos (120,150, 300, 600 volts).
Tabla 2.2 Envolventes de protección.
Tipo
Especificación
1
Interiores servicio en general.
2
Interiores, a prueba de humedades, goteo y suciedad.
3
Exteriores, a prueba de lluvia hermética al polvo.
3R
Exteriores, hermético al agua.
3S
Exteriores, hermético agua, granizo, polvo.
4
Interiores y exteriores, hermético a la lluvia.
4X
Interiores y exteriores, hermético a la lluvia, no metálico y resistente a corrosión.
5
Interiores y exteriores, hermético a polvo.
6
Sumergible (tiempo limitado).
6P
Hermético al agua durante sumersiones prolongadas o profundidad limitada.
7
Lugares peligrosos de gases, con prueba de explosión, hidrostática y temperatura.
8
Lugares peligrosos y aparatos sumergidos en aceite.
9
Lugares peligrosos y aparatos expuestos al polvo intenso.
10
Lugares con peligro de gases, con prueba de explosión en minas.
11
Lugares peligrosos, resistente al ácido o gases corrosivos.
12
Interiores, para industria, herméticos al polvo y al goteo de líquidos no corrosivos.
Las principales aplicaciones de los contactos de estos dispositivos son dentro
del circuito del control para abrir o cerrar circuitos que sirven tanto manipular el
Iván E. Landa Delgado, 2013
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CAPITULO 2
CONTROLES ELÉCTRICOS
arrancador, las bobinas del contactor, la interrupción de solenoides e incluso a
otros relevadores.
Cuando se selecciona un relevador se debe considerar su función y la
aplicación para la que se utilizara, el voltaje bajo el cual operara y la capacidad
de corriente de sus contactos el número de contactos y sus características (NO
o NC).
2.3.2 Contactores
Los contactares magnéticos son operados por electromagnetismo. Son
utilizados para interrumpir circuitos derivados. Un contactor no contiene
relevadores de sobrecarga, los contactores se emplean para controlar los
motores de C.A. una de las principales ventajas del control electromagnético es
que se puede usar para el control remoto para ello se utiliza diferentes tipos de
dispositivos piloto como pueden ser estación de botones interruptores de
flotador, de presión, térmicos, de limite.
Contactor magnético
Los contactores magnéticos son elemento operados por corriente alterna,
utilizan una bobina de cobre, la cual es mejor conocida como bobina de
extinción, su función es suprimir el arco eléctrico. Este tipo de bobinas se
utilizan para alargar la vida útil de los contactos debido a que al suprimir el arco
eléctrico se evita en gran medida la trasmisión de calor hacia ellos. Figura 2.4
muestra la forma básica en que opera la bobina de extinción. La mayoría de los
contactores utilizados en arrancadores se encuentran sometidos a grandes
corrientes lo que hace que el arco que se pueda generar tenga un efecto más
fuerte sobre los contactos.
La bobina se conecta en serie con la línea para que la fuerza magnética y de
acción sea proporcional al tamaño del arco eléctrico. La función de la bobina de
imán es que en el momento que se abren los contactos se genera el arco
eléctrico el cual se debe mover hacia los extremos de los contactos lo más
rápido posible para extinguirlo, ya que entre más tiempo actué el arco sobre los
Iván E. Landa Delgado, 2013
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CAPITULO 2
CONTROLES ELÉCTRICOS
contactores mas calentamiento les producirá y por lo tanto mayor desgaste. En
la Figura 2.5 se muestra el comportamiento del arco eléctrico entre los
contactos a la acción de la bobina de extinción.
Figura 2.4 Protección de bobina de extinción.
Figura 2.5 Desviación de arco eléctrico en los contactos.
2.4 Relevadores de control de tiempo
Los relevadores de este tipo son dispositivos que sirven para accionar o poner
en forma de operación otros aparatos así como también para interrumpir la
misma. Este tipo de relevadores se utilizan cuando se considera controlar
intervalos de tiempo. Su funcionamiento se basa en diferentes tipos de acción
neumática, pueden ser con fluido amortiguador, impulsado por motor,
neumáticos de tiempo, etc.
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CAPITULO 2
CONTROLES ELÉCTRICOS
2.4.1 Relevador de control de tiempo con fluido amortiguador
Este tipo de dispositivos es llamado así debido a que su operación depende del
movimiento de un núcleo de hierro operado por un solenoide. En donde se
genera el retardo de tiempo a través de un pistón que opera dentro de un
amortiguador que esta relleno de aceite o en algunos casos de un fluido tipo
silicona.
Un problema con este tipo de relés es el mecanismo que opera requiere de un
rango de tiempo para que el pistón regrese a su posición original de no ser así
el funcionamiento puede que no sea el adecuado o dispare los interruptores en
tiempos inapropiados.
Los relevadores de este tipo son muy adecuados para usarse con potencias
hasta de 600 volts tanto para corriente continua como para corriente alterna.
2.4.2 Controles neumáticos de tiempo
Los controles neumáticos de tiempo implican diversas ventajas, ya que tienen
gran exactitud y se pueden utilizar en una gran variedad de arreglos de
contactos y de control, estos dispositivos también son invulnerables a los
cambios de temperatura ambiente y de la presión.
En estos relevadores se utiliza la neumática para el retardo de tiempo que se
acciona mecánicamente en una estructura de imán. Este dispositivo utiliza un
fuelle o un diafragma, se logra controlar la precisión del tiempo mediante una
válvula de aguja que limita el paso de aire.
Los controles neumáticos de tiempo pueden proporcionar el retardo de tiempo
de dos diferentes formas puede ser de cerrado - retardo y abierto - retardo. El
primero de ellos proporciona el retardo cuando se energiza el relevador, el
segundo de ellos proporciona el retardo de tiempo cuando se desconecta o
abre el relevador como una función de switch.
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CAPITULO 2
CONTROLES ELÉCTRICOS
2.4.3 Controles de tiempo impulsados por motor
Este tipo de controles son muy utilizados en la industria cuando se requiere
tener elementos sucesivos, como una inversión de dirección la característica
principal es que son operados por un pequeño motor asíncrono el cual impulsa
un puente de levas montado en una flecha para abrir o cerrar los interruptores.
Dentro dela industria son muy utilizados en los circuitos para operar
relevadores o contactores.
2.4.4 Relevador magnético de límite de tiempo
Estos relevadores son comúnmente empleados para desconectar los pasos de
resistencia en el arranque de motores de corriente continua. El control de
tiempo es a través de una laminilla no magnética o un tornillo de ajuste.
El relevador de límite de tiempo utiliza una bobina, de manera que al
suministrar corriente, la fuerza electromotriz actúa en sentido opuesto
moviendo un núcleo de hierro, para así abrir los contactos el retardo de tiempo
es controlado a través de un resorte o utilizando una laminilla de bronce cuanto
más gruesa sea menor será la intensidad de flujo y se podrá liberara más
pronto la armadura.
2.5 Dispositivo piloto para control
Se conoce como dispositivo de control a los elementos que no son operados
por medios eléctricos y tienen contacto dentro del circuito de control, este tipo
de dispositivos pueden ser un botón, un pedal, una palanca, etc. Se utilizan
para controlar el arrancador y a su vez poner en operación al motor, los
dispositivos de control pueden ser de contacto sostenido o contacto
momentáneo.
Los dispositivos de control mantenido o momentáneo el primero puede ser
mantenido sostenido al presionar un botón hará que se cierre el contacto pero
solo se mantendrá cerrado mientras se mantenga el botón se utiliza para el
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CAPITULO 2
CONTROLES ELÉCTRICOS
control de dos hilos, el contacto momentáneo por otro lado ara que se cierren
los contactos NO y que se abran los contactos NC cuando se libera el botón
regresan a su posición original este tipo de contacto se usa en el control de tres
hilos.
2.5.1 Estación de botones para control
Más que ser un dispositivo de control se considera una estación de control
pues se encarga del arranque, paro, marcha hacia adelante, marcha hacia
atrás, e incluso en algunos casos la velocidad del motor de una forma sencilla y
segura. Los interruptores (botones) pueden ser de contacto momentáneo o
mantenido. Normalmente para estos interruptores se utilizan dos juegos de
contactos para que al oprimir el botón un contacto se abre y el otro se cierra.
También se cuenta con lamparas indicadoras dentro de las estaciones de
botones usualmente en color verde y rojo, estas tienen como función indicar al
operario si se encuentra operando el motor o si esta energizada la línea o si se
encuentra fuera de operación.
Las estaciones de botones se fabrican de diferentes tipos como pueden ser de
servicio normal o de servicio pesado. Toda estación de botones debe tener una
envolvente donde se encuentre generalmente son plasticas o de lamina
metálica, estas pueden clasificarse aprueba de agua, aprueba de polvo, a
prueba de explosión y sumergibles.
Algo importante de las estaciones de botones es que se pueden montar junto al
controlador o desde una posición alterna lo que se conoce como una estación
remota generalmente en la industria se utilizan las estaciones remotas por
cuestion de seguridad. La Figura 2.6 muestra una estaciónde botones de paro
y arranque.
2.5.2 Interruptores
Los interruptores son muy utilizados dentro de la industria para trabajos
automáticos, puesto que su función primordial es parar u operar el motor a
través del arrancador de una manera automática, no obstante, se debe utilizar
Iván E. Landa Delgado, 2013
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CAPITULO 2
CONTROLES ELÉCTRICOS
el interruptor indicado para el trabajo a realizarse.
Figura 2.6 Estación de botones paro/arranque
A.
Interruptor de flotador
El interruptor flotador es un dispositivo de control que se aplica cuando se
requiere controlar el nivel de agua o algún otro líquido. Los contactos de éste
se controlan a través de una cadena Figura 2.7 o una palanca la cual al llegar a
cierto rango decide que se cierren o abran sus contactos dependiendo el rango
Figura 2.8. Para ellos se utiliza un contrapeso o un flotador que indicara la
medida del líquido.
Un claro ejemplo de este tipo de interruptor se tiene en la caja de un sanitario
en un baño cualquiera, cuando se tira de la cadena, esta es básicamente una
palanca la cual abre mecánicamente un tapón permitiendo que baje el nivel del
agua y el flotador que se encuentra dentro desciende y permite que entre agua
nueva al sistema en este caso la caja, el flotador comenzara a elevarse
dependiendo del nivel del agua, cuando se llega a cierto nivel el flotador con su
movimiento hará que se cierre el orificio por donde está entrando agua al
sistema. Este proceso es el mismo solo que el flotador abrirá y cerrara
contactos eléctricos los cuales al abrirse o cerrarse producirán que se arranque
o pare el motor o la bomba.
Iván E. Landa Delgado, 2013
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CAPITULO 2
CONTROLES ELÉCTRICOS
Estos dispositivos no se pueden sumergir en el agua, pero se utilizan para
operar un tanque de almacenamiento, un tanque elevado o en un sumidero.
Son de gran ayuda en tanques cerrados donde es difícil medir el nivel del
líquido y así evitar derrames.
Figura 2.7 Interruptor flotador accionado por
Figura 2.8 Interruptor flotador accionado por
cadena.
varilla
B.
Interruptor de límite
Son dispositivos de control que se encargan de limitar el movimiento al
interrumpir el circuito de control. Estos pueden ser de diferentes tipos de
contacto como momentáneo, retorno por resorte o mantenido.
El interruptor de límite es operado por una palanca, la cual es golpeada por la
maquinaria, al generarse esta acción los interruptores son abiertos y así
cortado el circuito del arrancador. Generalmente se usan como dispositivos
piloto con los arrancadores magnéticos para controlar el arranque, paro,
dirección de la rotación o para evitar un mal funcionamiento en la maquinaria
como un giro incorrecto. En la Figura 2.9 se muestran algunos de los diversos
tipos de interruptores de límite utilizados en la industria.
Iván E. Landa Delgado, 2013
55
CAPITULO 2
CONTROLES ELÉCTRICOS
Figura 2.9 Familia de Interruptores de límite.
C.
Interruptores térmicos
Los interruptores térmicos se encargan de medir la temperatura, son muy
utilizados en los sistemas de calefacción cuando hay variaciones de
temperatura. También se utiliza para la medición de fluidos como puede ser el
aire o un gas.
Estos dispositivos ocupan estructuras bimetálicas de acción rápida las cuales
pueden ser de varilla, de ruptura, tubo o estado sólido. Otros dispositivos
utilizan fuelles para mover los contactos utilizando la presión del fluido y un
interruptor de presión. Este tipo de interruptores también es conocido como
termostato.
D.
Interruptores termomagnéticos
Estos
interruptores
automáticos
para
protección
de
sobrecorriente
y
desconexión, se usan tanto en sistemas de corriente alterna como en directa.
Pueden ser de cuatro tipos dependiendo de su nivel de capacidad de
interrupción: normal, alta, extra alta y limitadores de corriente. Su principal uso
es en gabinetes industriales, tableros de alumbrado, de distribución, centros de
control de motores.
Este tipo de interruptor funciona a través de un mecanismo de disparo de libre
apertura y cierre rápido. Utiliza una barra para asegurar la apertura y cierre de
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CAPITULO 2
CONTROLES ELÉCTRICOS
todos los polos, esta unidad de disparo está compuesta por elementos térmicos
y magnéticos individuales para cada polo, cuentan con una temperatura y una
corriente máxima para su disparo, pero se puede ajustar para el punto de
disparo deseado. En la figura 2.10 se muestra un interruptor termomagnético.
Figura 2.10 Interruptor de la marca SQUARE D.
E.
Interruptores de presión
Son dispositivos que miden las presiones determinadas dentro del sistema, en
diferentes tipos de maquinarias son muy utilizados para controlar lubricantes a
alta presión como bombas o en compresores impulsados por motor. Este tipo
de interruptores se puede clasificar en tres diferentes, cada uno de ellos por su
mecanismo de operación:
1. Interruptor de presión tipo fuelle.
2. Presostato tipo diafragma.
3. Tubo de bourdon.
El interruptor de tipo fuelle su manera de acción se da cuando se genera el
aumento o disminución de presión, su fuelle se expande o se contrae el cual
moverá una palanca que se encargara de cerrar o abrir los contactos
dependiendo de su posición (NO o NC), esto servirá para detener o poner en
Iván E. Landa Delgado, 2013
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CAPITULO 2
CONTROLES ELÉCTRICOS
operación la maquinaria en la que se encuentra instalado dicho interruptor. En
éste interruptor puede regular la presión a la cual operara mediante un tornillo
de ajuste.
En el interruptor de tipo diafragma, básicamente el accionamiento de este es
muy similar al de tipo fuelle, solo que en vez de un fuelle utiliza un diafragma o
pistón, el cual se eleva o disminuye según los cambios de presión. Figura 2.11.
Figura 2.11 Presostato o interruptor tipo diafragma.
El interruptor de tubo de bourdon, este dispositivo de presión es un tubo en
forma semicircular que cuando se aumenta la presión la fuerza que ejerce
sobre el tiende a enderezarlo generando el movimiento de una varilla unida
para abrir o cerrar los contactos (dependiendo de su posición original) a través
de un interruptor de mercurio. Figura 2.12.
Figura 2.12 Interruptor tipo Tubo de bourdon, C: común, NC: contacto normalmente cerrado, NA:
contacto normalmente abierto
Iván E. Landa Delgado, 2013
58
CAPITULO 3
ELABORACIÓN DEL CIRCUITO DE CONTROL
3. ELABORACIÓN DEL CIRCUITO DE CONTROL
Para el diseño y la instalación de circuitos de control en motores de corriente
alterna se elaboran diagramas de control, para que no existan confusiones.
Dentro de los diagramas se utilizan símbolos previamente definidos para
mostrar los componentes del circuito de control. Tanto el diagrama elaborado
como los mismos símbolos no necesariamente deben tener la forma en la que
se realizara la instalación, e incluso los elementos poseen diferente apariencia
física.
La elaboración del circuito de control es de suma importancia en estos tiempos,
tanto en la industria como en cualquier lugar que se utilicen aparatos eléctricos,
pues siempre existe la necesidad de dar mantenimiento a equipos para que
trabajen adecuadamente, en la actualidad no solo se utilizan los conceptos
clásicos del control electromagnético si no también se adecuan a los de la
electrónica.
Dentro de los circuitos de control es importante conocer el significado de las
abreviaturas que se utilizan para los dispositivos o funciones dentro del circuito.
En la tabla (3.1) se muestra las diferentes abreviaturas designadas para los
elementos utilizados en los diagramas de control de motores. Así
como
instrumentos de medición.
3.1 Simbología
La simbología es básicamente el lenguaje con el cual se escribe y puede leerse
un circuito de control, para tales fines se utilizan símbolos estandarizados la
Tabla de símbolos se muestra en el anexo 6 y 7. Sin importar como se haya
realizado el circuito de control cualquier persona especializada o con
conocimiento en el medio pueda comprender con claridad lo expresado en el
mismo diagrama.
Los símbolos sirven para mostrar y definir los componentes y las funciones del
circuito, así como para representar elementos básicos entre ellos contactos del
relevador, interruptores, bobinas, el mismo motor, botones, etc.; cabe señalar
Iván E. Landa Delgado, 2013
59
CAPITULO 3
ELABORACIÓN DEL CIRCUITO DE CONTROL
que las unidades o dispositivos mostrados en los símbolos no necesariamente
tienen la misma forma física.
3.2 Tipos de diagramas de control
Los diagramas de control son importantes para facilitar el diseño o instalación,
así como para facilitar las labores de reparación y/o mantenimiento; se pueden
considerar dos clases de diagramas de control como pueden ser los diagramas
de alambrado y los diagramas de línea o escalera.
Tabla 3.1 Abreviaturas comunes para designar dispositivos o funciones en el control de
motores.
DISPOSITIVO Ó FUNCION
ABREVIATURA
Amperímetro
AM, A
Voltímetro
VM, V
Resistencia
R, RES
Relevador de control(Instantáneo)
CR
Hacia adelante
F,FWD
Instantáneo
INST
Interruptor de limite
LS
Contactor principal(de línea)
M
Normalmente cerrado
NC
Normalmente abierto
NO
Sobrecorriente
OC
Sobrecarga
OL
Interruptor de botón de presión
PB
Reversa
R, REV
Relevador de retraso de tiempo
TD, TDR,TR
Cierre de retraso de tiempo
TC, TDC
Apertura de retraso de tiempo
TD,TDO
Iván E. Landa Delgado, 2013
60
CAPITULO 3
ELABORACIÓN DEL CIRCUITO DE CONTROL
DISPOSITIVO Ó FUNCION
ABREVIATURA
Transformador
T
Terminal de línea
L1, L2, L3
Terminal de Motor
T1,T2,T3
Terminal de trasformador(alta)
H1, H2
Terminal de trasformador(baja)
X1, X2
3.2.1 Diagrama de alambrado
Tanto para la revisión como para la instalación de equipo son de gran utilidad
los diagramas de alambrado, pues en estos se muestras los diferentes tipos de
dispositivos utilizados en el sistema y la relación física real entre ellos en la cual
se encuentran localizados. Este tipo de diagramas es muy útil en la instalación
o remplazo de equipo, debido a que muestran con exactitud en donde se
conectan las líneas de alimentación, así como la localización real de los
dispositivos y el mismo motor. Una desventaja de los diagramas de alambrado
si se le puede llamar así, es la dificultad que conlleva seguir la secuencia
eléctrica.
L1
Contacto auxiliar
Paro
Contacto de línea
L2
Contacto de línea
L3
Contacto de línea
Arranque
Bobina
Relevadores
de sobrecarga
Relevadores
de sobrecarga
M
Motor
Figura 3.1 Ejemplo de un diagrama de alambrado para motor trifásico.
Iván E. Landa Delgado, 2013
61
CAPITULO 3
ELABORACIÓN DEL CIRCUITO DE CONTROL
El diagrama de alambrado también se puede decir que es la representación
precisa de un circuito de control con la localización real de sus diferentes
componentes y la distribución de las líneas tal como se encuentran dentro de la
instalación. La Figura 3.1, muestra el ejemplo de la conexión de un diagrama
de alambrado para un motor trifásico.
3.2.2 Diagrama de línea o escalera
Este diagrama es más simple a comparación del diagrama de alambrado,
puesto que el conjunto de símbolos se interconecta entre dos líneas (línea,
neutro) para indicar el flujo de la corriente a través de los dispositivos.
El diagrama de línea nos permite una comprensión más sencilla y rápida,
debido a que muestra básicamente la fuente de alimentación y como fluye la
corriente a través de los diferentes componentes y dispositivos dentro del
circuito. El diagrama de línea no muestra las localizaciones reales de los
componentes. Figura 3.2.
Los circuitos de control se presentan de manera más directa (entre las líneas
verticales L1, L2), la localización de los componentes se representa de forma
que de una secuencia de operación a los dispositivos y así comprender la
forma en la que se encuentra operando el circuito. Los diagramas de línea son
más eficientes cuando se requiere diseñar, modificar o expandir el circuito.
Se puede decir que el diagrama de línea es sencillo de leer. Los componentes
se escriben de izquierda a derecha entre las líneas; describiendo paso a paso
el funcionamiento del sistema si algún contacto se encuentra en una posición
errónea el equipo se encontrara desenergizado, en cambio, cuando los
contactos están cerrados hacen que pase la corriente de una línea a otra así
logrando energizar el equipo. En estos dispositivos los componentes se
muestran en su posición original (desactivados).
Aparte de estos dos diagramas de control se puede considerar también los
denominados diagrama de bloques Figura 3.3 y el diagrama unifilar Figura 3.4,
son importantes pero en el sentido de una descripción precisa del
Iván E. Landa Delgado, 2013
62
CAPITULO 3
ELABORACIÓN DEL CIRCUITO DE CONTROL
funcionamiento, así como para la realización de la instalación o mantenimiento
de la misma.
1
Paro
2,3,4
arranque
M
OL
2
ᵩ
M
N
3
M
R
4
M
V
Figura 3.2 Ejemplo de diagrama de línea de control con lámparas piloto.
El diagrama de bloques es descrito por una serie de bloques, en los cuales se
describe brevemente la función que realizan dentro del sistema, estos bloques
se encuentran entrelazados por flechas las cuales indican la dirección de la
corriente. En tanto en el diagrama unifilar representa el conjunto del sistema
eléctrico de una manera más gráfica, el camino que recorre la energía eléctrica
desde su alimentación hasta su destino en este caso el motor.
fusible
contacto
Ol
M
Figura 3.3 Diagrama de bloques para control
Figura 3.4 Diagrama unifilar de motor.
de motor.
Iván E. Landa Delgado, 2013
63
CAPITULO 3
ELABORACIÓN DEL CIRCUITO DE CONTROL
3.3 Control de dos alambres
El control a dos alambres o a dos hilos, se llama básicamente así porque se
conectan dos alambres a un dispositivo de control el cual puede ser: un
interruptor de temperatura, de flotador, de límite, de presión o algún dispositivo
de control mantenido. Estos conectados a la bobina del arrancador magnético.
El funcionamiento básico de este control es cuando se cierra el interruptor se
energiza la bobina, la cual cerrara los contactos de las líneas para así energizar
el motor cuando los contactos del dispositivos de control se abren la bobina del
motor se queda energizada pero se para el motor. Figura 3.5.
El control de dos alambres se le conoce también como “liberación por falta de
voltaje”, esto se debe a que cuando ocurre una falla en el voltaje, el arrancador
se desconecta y cuando se restablece la energía inmediatamente se vuelve a
conectar el arrancador.
Una ventaja de este tipo de control es que el operario no tendrá que arrancar
nuevamente la operación de la maquina; pero por el contrario los materiales de
producción se pueden dañar por el repentino arranque cuando se restablece la
energía, en tanto para los motores trifásicos grandes o de 240V en adelante se
requiere de más contactos de los que se ocupan generalmente en el control de
dos alambres.
Dispositivo de control
M
OL
1
M
OL
M
2
M
Motor trifásico
3
M
OL
Figura 3.5 Diagrama elemental de arrancador control a 2 alambres.
Iván E. Landa Delgado, 2013
64
CAPITULO 3
ELABORACIÓN DEL CIRCUITO DE CONTROL
3.4 Control de tres alambres
Este tipo de control es llamado así dado que el contactor está conectado a tres
alambres. En este control se utilizan dispositivos piloto; como pueden ser las
estaciones de botones, ya sean de contacto momentáneo o de contacto
permanente. También se suelen utilizar interruptores dentro del circuito de
control, como pueden ser de límite de presión, etc.; esto con el fin de
complementar los dispositivos de mando (arranque-paro).
El control de tres alambres es conocido como “protección contra falta de
voltaje”, esto nos dice que en caso de una falta de voltaje el arrancador se
desconectara pero a diferencia del control de dos alambres, este no se pondrá
en funcionamiento en el momento que se recupere la energía. La característica
principal de este tipo de control es que utiliza un contacto auxiliar en el
contactor para mantener el circuito cerrado.
La Figura 3.6 muestra el diagrama básico de control que se describe de la
siguiente manera: se oprime el botón de “arranque”, esto hará que se energice
la bobina “M”, la cual cerrara el contacto “M” haciendo funcionar el motor o
equipo que se esté poniendo en operación; cuando se oprime el botón de
“paro” se abrirá el circuito y la bobina pierde energía generando así la apertura
del contacto “M” y se detendrá el equipo. Mientras que la Figura 3.7 muestra el
diagrama de arranque de un motor por medio del control de tres alambres.
Ols
ᵩ
3
2
Paro
N
Arranque
M
1
M
3
2
Arranque
1
Paro
Figura 3.6 Circuito básico de control 3 alambres y estación de botones.
Iván E. Landa Delgado, 2013
65
CAPITULO 3
ELABORACIÓN DEL CIRCUITO DE CONTROL
Paro
Arranque
M
OL
M
1
OL
M
M
2
M
3
OL
M
Figura 3.7 Diagrama elemental de arrancado a 3 alambres para motor trifásico.
3.4.1 Estación de botones múltiples
En el control de tres alambres es muy usual ver estaciones de botones
múltiples utilizadas para control. En estas el motor se puede arrancar o detener
desde diferentes estaciones de botones, generalmente esto es utilizado cuando
en una planta o industria se decide tener estaciones de botones remotas.
La manera correcta de realizar el diagrama de control de una estación de
botones múltiples, se realiza de manera que los botones que están encargados
del paro del motor se colocan en serie en la línea de energía y los encargados
del arranque en paralelo. Figura 3.8.
Arranque1
ᵩ
Paro1
Paro2
Paro3
Ols
N
Arranque2
M
Arranque3
Figura 3.8 Control 3 alambres con estación de botones múltiples.
3.5 Control separado
Este tipo de control utiliza una fuente externa para el circuito de control, como
puede ser un trasformador aislador o un voltaje independiente (circuito de
control está separado de la energía que alimenta el motor). Figura 3.9a. Este
Iván E. Landa Delgado, 2013
66
CAPITULO 3
ELABORACIÓN DEL CIRCUITO DE CONTROL
control también se puede lograr conectando el circuito de la bobina a una
fuente separada de tensión. Figura 3.9b.
a)
Paro
b)
Arranque
M
OL
Conectados a la fuente externa
M
Paro
Fusible
Arranque
M
Sec. 120v
OL
M
Priam.480v
L1
L1
M
L2
M
L2
L3
L3
CONTACTOS M
OLS
CONTACTOS M
OLS
Figura 3.9 a) Control separado con transformador aislador, b) Control separado con fuente externa.
3.6 Control de secuencia
El control de secuencia se utiliza cuando se requiere que dos equipos estén
operando simultáneamente, generalmente cuando el equipo principal requiere
de algún equipo auxiliar por ejemplo un sistema de lubricación o una bomba
hidráulica, para lograr esta función se interconectan las estaciones de botones
(arranque-paro).
La estación del segundo equipo se interconecta a los contactos del primer
equipo, así el segundo equipo no podrá ser energizado mientras no se
encuentre operando el equipo principal. Figura 3.10.
ᵩ
S.C.
Paro
N
arranque
M1
M
Paro
Arranque
M2
S.C
M2
Figura 3.10 Diagrama de arrancador tipo estándar para control de secuencia.
Por otro lado, el llamado control automático de secuencia Figura 3.1, tienen la
misma función, solo que en este el segundo equipo se accionara de una
Iván E. Landa Delgado, 2013
67
CAPITULO 3
ELABORACIÓN DEL CIRCUITO DE CONTROL
manera automática cuando entre en operación el equipo principal. Esto se
logra utilizando una sola estación de control (arranque-paro), el cual se conecta
haciendo la bobina y esta cerrara los contactos para que se coloque en
operación el primer equipo y este permitirá que el siguiente equipo se ponga en
operación. Se suelen colocar diferentes interruptores en el circuito de control
para llevar a cabo un proceso mejor controlado.
ᵩ
S.C.
Paro
N
arranque
Motor de la bomba de
aceite lubricante
M1
M1
S.C
Interruptor de presion
Motor principal
M2
TR
S.C
TR
Motor de alimentacion
Figura 3.11 Diagrama de control secuencial (utilizando dispositivos piloto).
3.7 Control reversible
Una característica de los motores trifásicos es que al invertir dos puntas
cualesquiera de la línea de alimentación se logra invertir su sentido de giro. Los
arrancadores reversibles se utilizan para esta función dado, que dispositivos
que intercambian las líneas. Claro que no trabajan solos se debe instalar dos
contactores uno para accionar hacia adelante y otro para atrás o reversa.
En diversas aplicaciones en la industria es necesario que los motores eléctricos
puedan realizar la función de invertir su giro. Pero se debe tener cuidado en
este tipo de control ya que debe evitarse que se puedan accionar al mismo
tiempo ambos contactores, para ello se emplean tres métodos de interconexión
los cuales son:

Mecánica.

Por botones.

Por contactos auxiliares.
Iván E. Landa Delgado, 2013
68
CAPITULO 3
ELABORACIÓN DEL CIRCUITO DE CONTROL
3.7.1 Interconexión mecánica
La interconexión mecánica es llamada así por el hecho de que utiliza un
dispositivo mecánico para evitar que se puedan accionar los dos contactares al
mismo tiempo. En la Figura 3.12 se observa el diagrama de este método y
como se encuentra colocado el dispositivo mecánico para evitar que se cierren
los contactos del contactor desactivado.
Ols
ᵩ
Paro
N
Adelante
Bobina A
A
Atrás
Bobina R
R
Figura 3.12 Diagrama del método de interconexión mecánica.
3.7.2 Interconexión por botones
Este método tiene básicamente la misma función que el anterior que es impedir
que se puedan accionar simultáneamente las bobinas del arrancador. Para
esos se utilizan botones uno para arranque y otro para reversa que
interconectan entre ellos. En el diagrama podemos observar que al presionar el
botón de giro hacia adelante se energizara la bobina “A”, la cual cierra el
contacto “A” y así mantiene girando el motor por el contrario cuando se
presiona el botón de reversa se energiza la bobina “R” que cerrara el contacto
“R” para hacer que el motor gire en el sentido contrario.
Este método es de gran utilidad pese a que no es necesario presionar el botón
de paro y después invertir el giro, con solo presionar el botón del sentido
contrario al giro que tenga el motor, se abrirá el circuito y se desenergizará la
bobina que se encontraba en funcionamiento al mismo tiempo se pondrá en
operación la bobina que se encontraba desenergizada de esta forma se logra
invertir el sentido de rotación en el motor. Véase la Figura 3.13. Se suelen
utilizar relevadores de tiempo como sistema de protección para lograr que se
Iván E. Landa Delgado, 2013
69
CAPITULO 3
ELABORACIÓN DEL CIRCUITO DE CONTROL
detenga el motor o pierda velocidad y con esto evitar que cambie de sentido
muy bruscamente.
La inversión de rotación es ampliamente utilizada en la industria más no es
muy recomendada cuando se utiliza en largas jornadas donde se invierta el giro
constantemente, púes las inversiones repetidas pueden sobrecalentar los
relevadores de sobrecarga.
ᵩ
Ols
N
Paro
Adelante
A
Reversa
Bobina A
R
Bobina R
Figura 3.13 Diagrama del método de interconexión de botones.
3.7.3 Interconexión por medio de contactos auxiliares
Este método utiliza contactos auxiliares normalmente cerrados (NC) colocados
en los contactos de marca ya sea hacia adelante y reversa, cuando se acciona
un botón cualquiera energizara su bobina esta abrirá el contacto de botón
contrario para evitar así que se puedan poner en marcha los dos
simultáneamente.
La Figura 3.14 muestra el método de interconexión por contactos auxiliares y
se puede describir de la siguiente manera: al oprimir el botón “adelante” se
energizara la bobina “A” encargada de cerrar el contacto NO “A”y abrir el
contacto “A” normalmente cerrado. De esta manera, evita que se pueda
energizar la bobina “R”, para poner el motor en reversa se necesita presionar el
botón de paro para detener el motor, y se presionara el botón “reversa” de esta
forma se logra energizar la bobina “R” que se encargara de cerrar o abrir los
contactos “R” dependiendo de la posición inicial en la que se encuentren
normalmente (NC o NO).
Iván E. Landa Delgado, 2013
70
CAPITULO 3
ELABORACIÓN DEL CIRCUITO DE CONTROL
ᵩ
Ols
Paro
N
Adelante
R
Bobina A
A
Bobina R
A
Reversa
R
Figura 3.14 Diagrama de método de interconexión de contactos auxiliares.
3.8 Tipos de arranque de motores trifásicos
Como sabemos los motores suelen consumir corrientes muy elevadas en el
momento del arranque y estos aparte de ser perjudicial para el motor, también
puede provocar fluctuaciones dentro de la red de suministro eléctrico lo que
puede llegar a afectar otros equipos. Debido a este tipo de problemas se
consideran diversos tipos de arranque de los motores eléctricos trifásicos.
Diversos factores se consideran para seleccionar el tipo de arranque que se
utilizara, estos factores son:
1. Requisitos de torque y arranque de la carga.
2. Las características de arranque del motor.
3. La fuente de energía y el efecto de la corriente de arranque del motor
sobre el voltaje de línea.
4. El efecto de torque de arranque del motor en la carga impulsada.
5. Función que realizara el motor.
3.8.1 Arranque directo
El arranque directo o arranque a pleno voltaje, es el arranque más simple de
estos métodos pese a que se conecta el motor directamente a la línea de
alimentación, se utiliza simplemente un interruptor de cuchillas y se colocan
Iván E. Landa Delgado, 2013
71
CAPITULO 3
ELABORACIÓN DEL CIRCUITO DE CONTROL
fusibles como el sistema de protección.
Generalmente en estos sistemas se utilizan arrancadores para realizar la
función de protección contra sobrecarga los arrancadores pueden ser de tipo
manual o magnéticos dependiendo del tamaño del motor.
La mayoría de los motores que se construyen en la actualidad son capaces de
soportar la sobrecorriente que se produce durante el arranque. Pero la
protección también nos protege el circuito de control, pese a que hay diferentes
dispositivos y algunos de ellos puede que no sean capaces de soportar la
sobrecorriente.
Es importante antes de realizar la instalación de este tipo de arranque una
verificación de los conductores y verificar la capacidad del sistema de
distribución para determinar si es posible realizar este tipo de arranque o
preferentemente optar por un arranque a tensión reducida.
L1
M
M
L2
Fusibles
M
MOTOR
L3
Ols
M
Paro
Arranque
Bobina M
Ols
M
Figura 3.15 Diagrama de arranque directo.
El diagrama de la Figura 3.15 muestra el método de arranque directo, donde al
presionar el botón de arranque se energizara la bobina (M), la cual se
encargara de cerrar los contactos (M) para energizar el motor, como podemos
observar este tipo de arranque se utiliza generalmente para motores pequeños
de bajas capacidades.
Iván E. Landa Delgado, 2013
72
CAPITULO 3
ELABORACIÓN DEL CIRCUITO DE CONTROL
3.8.2 Arranque por resistencia primaria
El método de arranque de resistencia primaria es de los más utilizados, a
causa de su simplicidad, este método es de tipo a voltaje reducido. Consiste en
la conexión de resistencias en serie con las líneas de alimentación hacia el
motor. La corriente de entrada deberá pasar a través de las resistencias lo que
creara una caída de voltaje. Cabe mencionar que al reducir la carga de
arranque del motor este arrancara con una velocidad reducida.
El método de arranque por resistencia primaria es controlado por dos grupos
de contactos; uno utilizado para la alimentación del motor a través de las
resistencias y otro para sacar a las resistencias del sistema y de esta forma
suministrar el voltaje pleno al motor y para acelerar el motor a su velocidad
plena.
En este tipo de arranque se utiliza un temporizador (controladores de tiempo o
relevadores de control de tiempo), encargado de sacar del sistema a las
resistencias mediante la activación de los contactos de una manera automática.
L1
M
S
M
L2
M
MOTOR
Fusibles
S
L3
Ols
M
S
Tr
Bobina S
S
Paro
Arranque
Bobina M
Ols
M
Figura 3.16 Diagrama de arranque por resistencia primaria.
Iván E. Landa Delgado, 2013
73
CAPITULO 3
ELABORACIÓN DEL CIRCUITO DE CONTROL
El diagrama de la Figura 3.16 muestra el arranque por resistencia primaria, en
donde operara al presionar el botón de arranque de esta forma se energizará la
bobina (M), encargada de cerrar los contactos (M) para arrancar el motor, a
tensión reducida puesto que pasara a través de las resistencias que están
conectadas en serie con cada fase, un temporizador el cual después de un
tiempo definido conmutara, energizando la bobina (S) para sacar a las
resistencias del circuito y de esta manera alimentar al motor a plena carga.
Para detener el motor se deberá presionar el botón de paro y de esta manera
se abrirá el circuito deteniendo el motor.
3.8.3 Arranque por autotransformador
Este tipo de arranque es poco usual, se utiliza para motores muy grandes de
potencias muy elevadas. Se alimenta a voltaje reducido mediante el uso de dos
autotransformadores, tomando así menos corriente y su torque será menor. En
este el arranque se da en tres tiempos:
I.
Se acopla el autotransformador en estrella, a continuación el motor se
acopla a la red de alimentación a través de los devanados del
autotransformador, en este momento se lleva acabo el arranque del
motor a un voltaje reducido en función de la relación de trasformación.
II.
La estrella se abre antes de que el motor pase a pleno voltaje, ahora
una parte del devanado se conecta a la red para crear una inductancia
en serie con el motor. (todo esto se realiza cuando se alcanza la
velocidad de equilibrio).
III.
Las inductancias en serie con el motor se cortocircuitan y el
autotransformador queda fuera del circuito dejando al motor trabajando
a voltaje pleno.
Este arranque se lleva a cabo sin interrupciones de corriente al motor lo que
evita que se produzca algún fenómeno transitorio. Pero se deben tomar ciertas
precauciones ya que pueden aparecer fenómenos durante el acoplamiento a
pleno voltaje.
Como se mencionó anteriormente este método de arranque es utilizado para
Iván E. Landa Delgado, 2013
74
CAPITULO 3
ELABORACIÓN DEL CIRCUITO DE CONTROL
motores grandes con ponencias superiores a 150 KW; aunque el precio de un
autotransformador es muy elevado.
Ols
Paro
Arranque
Bobina TR
TR
L2
L3
TR
S
S
M
Bobina S
S
Bobina M
S
L1
TR
TR
TR
M
M
M
S
S
S
Ols
M
MOTOR
Figura 3.17 Diagrama de arranque con autotransformador (a voltaje reducido).
El diagrama de la Figura 3.17 muestra el método de arranque por
autotransformador en donde se observa cómo se encuentra arrancado un
motor por medio de un autotransformador. Cuando oprime el botón de arranque
se energizará la bobina “TR”, los contactos “TR” conmutaran energizando el
autotransformador y al mismo tiempo se energizaran temporizadores, el
primero de ellos normalmente cerrado y el otro normalmente abierto, cada uno
de estos puede activar su respectiva bobina, es de gran importancia notar la
utilización de un dispositivo de interconexión para evitar una sobreposición que
pueda ocasionar una falla.
La bobina “S” del temporizador normalmente cerrado conmutara los contactos
Iván E. Landa Delgado, 2013
75
CAPITULO 3
ELABORACIÓN DEL CIRCUITO DE CONTROL
“S” que energizaran el motor a través del autotransformador y así conseguir un
arranque a voltaje reducido, después de un tiempo determinado el segundo
temporizador conmutara y el primero saldrá de operación logrando de esta
manera activar la bobina “M” y desactivar la bobina “S”, de esta forma,
cortocircuitara el autotransformador y cerrar los contactos “M” de las líneas
para alimentar el motor a voltaje pleno.
3.8.4 Arranque a rotor bobinado
Este tipo de arranque se aplica a los motores de rotor bobinado con anillos
rozantes. En este se utilizan resistencias conectadas en serie con las bobinas
del rotor en forma que al elevarse la impedancia, se disminuye la corriente
absorbida en el arranque y a medida que se va adquiriendo velocidad las
resistencias se van disminuyendo hasta quedar totalmente fuera del circuito.
Este tipo de arranque mejora en gran medida el factor de potencia e incluso es
posible la velocidad de arranque ±25% si el motor esta en carga. La velocidad
se regula mediante la variación del deslizamiento; esto quiere decir, que si se
aplica un voltaje menor a los bobinados del rotor, aumentara su deslizamiento y
disminuirá la velocidad del rotor.
En la Figura 3.18 muestra el método de arranque a rotor bobinado, este
método es específicamente para los motores que cuentan con este tipo de
rotor. Cuando se oprime el botón de arranque se energizara la bobina “M”
cerrando así los contactos “M” en el circuito y arrancando el motor. La tensión
pasara a través de las resistencias conectadas en serie a las bobinas del rotor,
de esta forma, se disminuye la corriente absorbida durante el arranque,
después de un tiempo determinado conmutara el temporizador “M” cerrando
activando la bobina “TR” para que cerrar los contactos “TR” cortocircuitando el
primer grupo de resistencias de esta forma se aumentara la velocidad en el
motor, esta bobina a su vez activara un nuevo temporizador el cual activara
nuevamente otra bobina para cortocircuitar el siguiente grupo de resistencias
con los contactos en este caso “TR2” y se llevara a cabo el mismo proceso
para cortocircuitar el grupo de resistencias con los contactos “TR3” de esta
Iván E. Landa Delgado, 2013
76
CAPITULO 3
ELABORACIÓN DEL CIRCUITO DE CONTROL
manera aumentando la velocidad del motor y poniéndolo en operación a
tensión plena.
Paro
Arranque
Bobina M
Ols
M
M
TR
TR2
L1
M
M
Bobina TR
TR
Bobina TR2
TR2
Bobina TR3
L2 L3
M
M
TR
TR
TR2
TR2
TR
TR2
Ols
M
M
TR3
TR3
TR3
Figura 3.18 Diagrama de arranque a rotor bobinado.
3.8.5 Arranque por conexión estrella-delta
Este método se utiliza cuando se requiere reducir la corriente de arranque y la
torsión en el motor. Este tipo de arranque consiste en arrancar el motor con
conexión estrella a un voltaje inferior a la que soporta el motor.
Iván E. Landa Delgado, 2013
77
CAPITULO 3
ELABORACIÓN DEL CIRCUITO DE CONTROL
Cuando se conecta el devanado del estator de un motor en delta, el voltaje de
cada fase será el mismo que el valor de la línea de alimentación, al realizar una
conexión por algún medio externo en estrella el voltaje de cada fase se reducirá
hasta el valor del voltaje de línea entre la raíz de tres (V L/ √3), esto es igual al
58 % del voltaje de la línea. Debido a que se disminuye el voltaje, el par de
arranque también se reducirá ya que son proporcionales. El principio del
arranque en estrella-delta consiste en acoplar los devanados del motor en
estrella a la red de tensión esto es lo que genera que el voltaje disminuya.
Al arrancar el motor con un par menor la velocidad de este mismo será menor.
Esta se estabilizara cuando el par del motor y el par resistente se estabilicen
(alrededor del 80% de la velocidad nominal) en este momento los devanados
se acoplan en delta y el motor trabaja naturalmente. Se utiliza un temporizador
para controlar la transición del acoplamiento de estrella a delta. La corriente
que recorre los devanados se interrumpe con la apertura del contactor de
estrella y se restablece con el cierre del contactor de triángulo.
Es importante considerar que el arranque estrella–delta es apropiado para las
maquinas que tienen un par resistente débil o que pueden arrancar en vacío.
También hay que considerar que solo se puede utilizar en motores en los que
las dos extremidades de cada uno de sus tres devanados estatóricos vuelven a
la placa de bornes.
En la Figura 3.19 se muestra el método de arranque estrella-delta o estrellatriangulo, en este método al presionar el botón de arranque, el motor operara
con el devanado de estrella. debido a la activación de la bobina “TR”, los
contactos de este mismo conmutaran alimentando la bobina “S”, que a su vez
cerrara los contactos “S” y energizaran la bobina “M” para cerrar sus contactos
asignados “M” todo esto es prácticamente instantáneo puesto que el interruptor
de tardo de tiempo se encuentra normalmente cerrado, después de un tiempo
determinado este interruptor se abrirá desenergizando la bobina “S” y al mismo
tiempo se energizara la bobina “R”, la cual está encargada de cerrar los
contactos “S” en el circuito, de esta forma, el motor estará trabajando en delta o
triangulo a voltaje pleno.
Iván E. Landa Delgado, 2013
78
CAPITULO 3
ELABORACIÓN DEL CIRCUITO DE CONTROL
Paro
Arranque
OLS
Bobina TR
TR
TR
M
TR
Bobina S
S
Bobina M
M
R
S
Bobina R
S
Ols
Figura 3.19 Diagrama de arranque estrella-delta.
3.8.6 Arranque suave
Este tipo de arranque como se mencionó anteriormente, funciona mediante
dispositivos electrónicos los cuales permiten un aumento continuo y lineal del
par y ofrece la posibilidad de una reducción selectiva de la corriente de
arranque. En éste también se puede controlar el paro de un motor de una
manera suave, esto se logra mediante la reducción de la tensión.
Los arrancadores suaves utilizan tiristores que se conectan en antiparalelo (en
electrónica de potencia es cuando se conecta dos tiristores en paralelo pero
con sus polaridades invertidas) a cada una de las fases, Figura 3.20 uno
Iván E. Landa Delgado, 2013
79
CAPITULO 3
ELABORACIÓN DEL CIRCUITO DE CONTROL
encargado de la onda positiva y otro de la onda negativa; es importante saber
que los tiristores solo se encuentran activos durante la etapa de aceleración y
desaceleración del motor.
Figura 3.20 Conexión de tiristores en antiparalelo.
Podemos encontrar dos variantes de arrancadores suaves, uno que solo
controla dos fases del motor mediante los tiristores y en el otro se controla cada
una de las fases.
El control mediante dos fases Figura 3.21, es utilizado para motores pequeños
y medianos (menores a 250kw), con ellos se pude ajustar el tiempo de
arranque y el tiempo de paro así como la tensión de arranque; para sacar de
operación a los tiristores se utilizan contactos internos para realizar la función
de bypass y sacar de operación al arrancador cuando el motor este trabajando
a su tensión y par adecuados.
Fusibles
Tiristores
M
Tiristores
Figura 3.21 Diagrama de control suave mediante dos fases.
El segundo por medio del control de las tres fases de alimentación, figura 3.22,
es utilizado para poner de 7,5kW en adelante, se encarga de limitar la corriente
así como de las protecciones del motor.
Iván E. Landa Delgado, 2013
80
CAPITULO 3
ELABORACIÓN DEL CIRCUITO DE CONTROL
Una de las partes más importantes de los arrancadores suaves es su
capacidad de regular sus diferentes parámetros como son el tiempo y el voltaje
de arranque, estos se regulan por medio de potenciómetros con los cuales se
ajustan a los valores deseados.
Contactos
contactos
Tiristores
Fusibles
Tiristores
M
Tiristores
Figura 3.22 Diagrama de control suave mediante tres fases.
Dentro de la gama de los arrancadores suaves algunos de ellos permiten dos
diferentes tipos de conexión, circuito estándar y circuito delta “In-delta”.
En el circuito estándar la conexión es muy sencilla puesto que los tiristores se
conectan en serie con cada una de las líneas de alimentación del motor. En
cuanto al circuito “In-delta” solo es posible en arrancadores suaves con control
de tres fases, en este los tiristores se encontraran conectados dentro de la
delta del motor (en serie con las bobinas individuales del motor). Figura 3.23.
Esto conlleva una gran ventaja puesto que el diseño del arrancador en esta
configuración puede ser de un factor de 1/√3 aproximadamente 58 % de la
corriente nominal del motor.
Figura 3.23 Circuito “In-delta” o circuito en triángulo
Iván E. Landa Delgado, 2013
81
CAPITULO 3
ELABORACIÓN DEL CIRCUITO DE CONTROL
3.8.7 Arranque por convertidor de frecuencia
Dentro de los diversos sistemas de arranque el método por convertidor de
frecuencia es el más efectivo siempre que se requiera controlar y ajustar la
velocidad de un motor. Aunque el método fue implementado principalmente
para el control de la velocidad, es utilizado para diferentes objetivos como
pueden ser:

Arranque con cargas de gran inercia.

Optimizar el consumo eléctrico.

Arrancar con grandes cargas en redes de baja capacidad de
cortocircuito.
El arranque por convertidor es de las técnicas nuevas de control de motores, se
le puede considerar otro tipo de arranque suave, pero su aplicación solo tiene
sentido si se requiere variar la velocidad durante la operación del motor.
En los convertidores de frecuencia es donde se lleva a cabo la transformación
de las características de la energía de entrada al convertidor de energía
suministrada por la red de distribución, pasan de tensión alterna continua o de
una tensión alterna a otra alterna de diferente valor eficaz.
El esquema del diagrama de arranque por convertidor de frecuencia, se
muestra a grandes rasgos en la Figura 3.24, se encuentra conformado por un
rectificador en las líneas de alimentación seguido de una etapa de corriente
directa a la cual se le conoce como “D.C. link” y después un inversor para
pasar de corriente directa a corriente alterna para alimentar el motor.
Figura 3.24 Control con rectificador de frecuencia para un motor.
Iván E. Landa Delgado, 2013
82
CAPITULO 3
ELABORACIÓN DEL CIRCUITO DE CONTROL
3.9 Comparación entre métodos de arranque de un motor
eléctrico
Durante el desarrollo del capítulo se han mostrado los diferentes tipos de
arranque de un motor de inducción trifásica, entre los que destacan los
métodos de arranque “suave”.
En la Tabla 3.2 se muestran las principales características de los distintos
métodos de arranque así como
algunas de sus aplicaciones
y su
comportamiento.
Iván E. Landa Delgado, 2013
83
Tabla 3.2 Características de los distintos métodos de arranque.
COMPARACIÓN DE LOS DIFERENTES MÉTODOS DE ARRANQUE
ARRANQUE
DIRECTO
RESISTENCIA
PRIMARIA
AUTOTRANSFORMADOR
ROTOR
DEVANADO
ESTRELLA- DELTA
SUAVE "SOFT
STARTER"
CONVERTIDOR
DE
FRECUENCIA
Δ
Y
DIAGRAMA
SIMPLIFICADO
M
M
M
M
Motor 3~
Motor 3~
Motor 3~
M
M
Motor 3~
Motor 3~
CORRIENTE DE
ARRANQUE
5 a 10 In
Aprox. 4.5 In
1.5 a 4 In
Aprox. 2 In
2 a 3 In
4 a 5 In
In
PAR DE ARRANQUE
Aprox. 2.5
Mn
0.75 a 1 Mn
0.5 a 0.85 Mn
Aprox. 2 Mn
0.2 a0.5 Mn
Aprox. 0.5 Mn
1.5 a 2 Mn
Baja
Baja ( pero debe
tenerse cuidado al pasar
a directo)
Baja
Media al arranque y
alta en el cambio
Baja
Baja
CAÍDA DE TENSIÓN
Alta
CARACTERÍSTICAS
Alta
aceleración
con un alto
consumo
de
arranque.
Arranque a
tensión
reducida.
La caída de
tensión es
proporcional
a la corriente
absorbida
por el motor.
Solo para
motor de rotor
devanado.
Arranque a tensión
reducida.
La corriente y el par de
arranque varían en la
misma proporción.
Necesario un
circuito
rotórico.
Puede
funcionar
como
regulador de
velocidad.
Arranque con
reducción de par y
corriente.
Valor pico de par y
corriente al realizar
cambio.
Arranque
ajustable.
Alto par con
baja corriente.
Posibilidad de
rapa de parada
Características
de arranque
ajustable
Cualquiera
APLICACIONES
Cualquiera
Apropiado
para
maquinas
cuyo par
resistente
crece con la
velocidad.
ÚTIL PARA
GRANDES CARGAS
DE INERCIA
Si
No
No
Si
No
No
Si
VALOR COMERCIAL
Bajo
Medio
Medio
Medio
Bajo
Alto
Muy alto
Bombas y ventiladores
Cualquiera
Sin carga
Bombas,
ventiladores,
bandas
trasportadoras
etc.
CAPITULO 3
ELABORACIÓN DEL CIRCUITO DE CONTROL
EJERCICIOS PRÁCTICOS
Para concluir se incluyen ciertos ejercicios prácticos con la finalidad de demostrar
la elaboración de sus diagramas correspondientes.
1. Utilizando la tabla de simbología en anexos dibújese el diagrama de control
para un motor trifásico tipo jaula de ardilla, el cual se encuentra acoplado a
una bomba para subministrara agua a un tanque elevado, utilice
dispositivos de protección así como los elementos necesarios para detener
o arrancar el motor en base al volumen del agua en el tanque.
2. Elaborar el diagrama de control para un motor de inducción trifásico, se
requiere que el motor pueda invertir su sentido de giro, éste motor también
puede ponerse en operación desde una segunda estación de control
(remota).
3. Elaborar el diagrama de control para un elevador de carga el cual utilizara
dos motores uno para el acenso y otro para el descenso. Utilice la
protección adecuada para evitar que pueda chocar la plataforma tanto en la
parte superior como en la parte inferior.
4. Elabora el diagrama de control para dos motores que trabajan en el mismo
proceso, el segundo motor se encarga del sistema de lubricación y solo
puede activarse cuando el motor principal se encuentra activado. El
proceso es automático y el primer motor enciende después de 5 segundos
y el sistema de lubricación se activara a los 10 segundos.
5. Diseñar el diagrama de control que permita a 5 motores operara de la
siguiente manera:
I.
Al presionar un botón, arrancará al instante el motor M1, 20
segundos después de haber arrancado M1, arrancará M2.
II.
Los motores M3, M4 y M5 deberán tener su botón de arranque y paro
de forma independiente al de M1 y M2.
III.
No será posible arrancar M3 si M4 está operando y no se podrá
Iván E. Landa Delgado, 2013
86
CAPITULO 3
ELABORACIÓN DEL CIRCUITO DE CONTROL
operar M4 si M3 está operando.
IV.
Si el Ol de M2 se acciona, deberán parar todos los motores al mismo
tiempo.
Ejemplo; Circuito de control de arrancador SIEMENS, utilizado para la puesta en
marcha de motor en patín de descarga número 1 de PEMEX refinación T.A.R.
Xalapa.
Diagrama de alambrado
NC
Bobina
B
Protección termomagnética
Arranque
Paro
V
R
NO
NC
Fusible
1
2
3
Estacionde botores remota
440V/120V
Diagrama de secuencia
440V/120V
ols
Paro
Arranque
Bobina
B
B
Estación remota
B
R
B
V
Iván E. Landa Delgado, 2013
87
CAPITULO 3
ELABORACIÓN DEL CIRCUITO DE CONTROL
Respuestas
1. Se utilizan interruptores de tipo flotador para abrir o cerrar el circuito y de
esta manera accionar el motor. Al presionar el botón “arranque” se activara la
bobina “A” cerrando los contactos “A”, de esta manera el motor arrancara a
tensión reducida. Después de un tiempo determinado el temporizador “TR-A”
conmutara activando la bobina “B” y cerrando sus respectivos contactos para
que el motor trabaje a su tensión plena. (Cuando el tanque este lleno el
interruptor flotador NC se abrirá para sacar de operación al motor de una
forma automática. De la misma manera cuando el nivel del agua en el tanque
llegue a su nivel mínimo el interruptor flotador pasara a su posición de abierto
a cerrado para alimentar la bobina y arrancar nuevamente el motor.
L3
ols
paro
L2
L1
arranque
Bobina A
Interruptor flotador
NC
A
TR- A
Bobina B
A
A
B
B
B
B
Nivel maximo
Nivel mínimo
M
MOTOR
2. En este diagrama se pueden utilizar diferentes métodos de interconexión para
evitar que se accionen contactos al mismo tiempo, dado que el motor operara
tanto en sentido horario como en sentido anti horario es necesario utilizar dos
bobinas de contactos para accionar el motor. el esquema de control puede
Iván E. Landa Delgado, 2013
88
CAPITULO 3
ELABORACIÓN DEL CIRCUITO DE CONTROL
ser el siguiente:

Utilizando un dispositivo de interconexión mecánica
ᵩ
Arranque D1
Paro 1
Paro 2
Ols
N
Arranque D2
Bobina D
D
Arranque I1
Arranque I2
Bobina I
I

Utilizando interconexión por contactos
ᵩ
Arranque D1
Paro 1
Paro 2
Arranque D2
Ols
I
Bobina D
D
Bobina I
N
D
Arranque I1
Arranque I2
I
3. En este diagrama utilizaremos el motor para subir y uno para bajar, para
realizarlo de una forma más casilla utilizaremos dos estaciones de botones
distintas y para evitar que las plataformas puedas chocar tanto arriba como
abajo utilizaremos un interruptor de limite.
Iván E. Landa Delgado, 2013
89
CAPITULO 3
ELABORACIÓN DEL CIRCUITO DE CONTROL
ᵩ
N
1
2
Interruptor de limite arriba
Paro
2,3,6
Arriba
Bobina de contactos A
A
3
A
B
Motor 2
4
Interruptor de limite abajo
Paro
3,5,6
Abajo
Bobina de contactos B
5
B
6
B
A
Motor 1
4. En este diagrama utilizaremos 2 temporizadores o relevadores de control de
tiempo para accionar los motores, se colocaron luces piloto solo como
indicación cuando su respectivo motor se encuentre activado.
ᵩ
N
Ols
1
Paro
2,3,5
Arriba
Bobina de contactos A
2
A
3
Contacto con retardo de tiempo 5 S
Motor 1
4
Luz indicadora
5
Contacto con retardo de tiempo 10 S
Motor 2
Luz indicadora
Iván E. Landa Delgado, 2013
90
CAPITULO 3
ELABORACIÓN DEL CIRCUITO DE CONTROL
5. El diagrama de control puede ser de la siguiente manera:
ᵩ
N
Ols
M1
1
Paro
Arranque
tr
2
2,3,5,7,9
A
A
M2
Ols
3
TrA, 20s
4
5,7,9
B
M3
5
Paro
Ols
Arranque
A
B
D
6
6,7
C
C
M4
7
Paro
Ols
Arranque
A
B
C
8
5,8
D
D
M5
9
Paro
Ols
Arranque
A
B
10
10
E
Iván E. Landa Delgado, 2013
E
91
CONCLUSIÓN
El conocimiento de los distintos métodos de control de motores es de vital
importancia en la industria, tanto para temas de instalación como para temas de
mantenimiento y prevención de diferentes anomalías que se puedan presentar.
Dentro de una planta se requiere que el equipo se encuentre en condiciones
óptimas de operación, de no suceder esto pueden producir accidentes y pérdidas
económicas para la empresa.
Tal vez el punto más importante por el cual es necesario el control de motores, es
la cantidad de procesos que se manejan en la industria, en donde se aplican
motores de corriente alterna los cuales pueden realizar diferentes funciones como
mover una banda trasportadora, manejo de grandes cargas de inercia, para el
accionamiento de bombas e incluso en un elevador.
El arranque de motores es el proceso en el cual pueden surgir mayores problemas
en un motor eléctrico, por esta razón es de gran importancia el uso de
arrancadores específicos para las tareas a realizar por el motor, y así protegerlo
de posibles fallas que puedan llegar a generar gastos económicos.
Iván E. Landa Delgado, 2013
92
REFERENCIAS
Castillo Pedrosa, J., & Marrufo González, E. (2010). Instalaciones eléctricas
básicas (Primera ed.). España: McGraw-Hill.
Enríquez Harper, G. (1988). El ABC de las máquinas eléctricas: Instalación y
control de motores de corriente alterna III. (Primera ed., Vol. III). D. F.,
México : Limusa.
Enríquez Harper, G. (1999). Fundamentos de control de motores eléctricos en la
industria. México: Limusa.
Fraile Mora, J. (2008). Maquinas Eléctricas (Sexta ed.). México: McGraw-Hill.
Kosow, I. L. (1982). Control de Máquinas Eléctricas. México: Reverte.
Monterrey, V. C. (Enero de 2011). Manual Eléctrico . (Segunda). (S. d.
Conductores Monterrey, Ed.) México, México.
Mott, R. L. (1992). Diseño de elementos de máquinas (Segunda ed.). México:
Prentice Hall.
N. Alerich, W. (1972). Control de motores eléctricos: teoría y aplicaciones (Primera
ed.). México: Diana.
National Electrical Manufacturers Association. (1998). NEMA Standards
Publication MG 1-1998. Recuperado el 8 de Julio de 2013, de
http://www.homewoodsales.com/PDFs/techlibrary/Motors/NEMA/CompleteMG1-1998Rev3.pdf
Ponce Cruz, P., & Sampe López, F. J. (2008). Maquinas Electricas Y Tecnicas
Modernas De Control (Primera ed.). México: Alfaomega.
Schneider Electric. (15 de Abril de 2009). Guía soluciones de automatización y
control industrial. Recuperado el 7 de Agosto de 2013, de Schneider
Electric: http://www.schneiderelectric.es/sites/spain/es/soporte/libreriaautomatizacion-control/descarga/guia-soluciones.page
SquareD. (Octubre de 1991). Fundamentos de control para motor. Mexico: La
Nueva Imagen.
SquareD. (s.f.). Fundamentos de control para motor. Mexico: La Nueva Imagen.
Iván E. Landa Delgado, 2013
93
ANEXOS
ANEXO 1
Características técnicas de motores asíncronos trifásicos de rotor jaula de
ardilla.
ANEXO 2
Valores nominales nema de arrancadores nema a plena tensión
VALORES NOMINALES DE ARRANCADORES NEMA A PLENA TENSION
POTENCIA CORRESPONDIENTE A LAS
TENSIONES DE LINEA INDICADAS
NUMERO DE
TAMAÑO
NEMA
8 HORAS VALOR
NOMINAL DE LA
CORRIENTE DEL
CONTACTOR (A)
110V
Trifásico
(HP)
220V
Trifásico (HP)
440/550V
Trifásico
(HP)
0
9
0
1,5
2
0
18
2
3
5
1
27
3
7,5
10
2
45
-
15
25
3
90
-
30
50
4
135
-
50
100
5
270
-
100
200
6
540
-
200
400
7
810
-
300
600
8
1215
-
450
900
9
2250
-
800
1600
ANEXO 3
Clasificación NEMA y características de los SCIMS polifásicos basadas en la construcción del rotor.
LETRA
CLASE
NEMA
CONTRUCION
DEL ROTOR Y
TIPO
PAR
Arranque
(% a plena
carga)
A
Rotor normal,
par y corriente
de arranque
normales
B
Rotor universal
baja corriente
de arranque
C
Dos jaulas par
elevado baja
corriente
D
Jaula única rotor
de resistencia
elevada, par
elevado,
deslizamiento
elevado
F
Dos jaulas par
pequeño baja
corriente de
arranque
Máximo (%
a plena
carga)
CORRIENTE
DE
ARRANQUE
(% a plena
carga)
DESLIZAMIENTO
FACTOR
DE
POTENCIA
RENDIMIENTO
GAMA
DISPONIBLE
DE LOS
TAMAÑOS
COMERCIALES
(% a plena carga)
(% a plena
carga)
(% a plena
carga)
(HP)
200-250
500-1000
3·5
bajo
105-158
190-250
500-550
baja
3·5
bajo
200-250
200-230
500-550
baja
3·7
105-150
250-350
50-80
Igual que el
par de
arranque
150-190
300-800
350-500
muy baja
7 · 15
2-4
bajo
85-90
elevado
88-92
0-200
82-87
87-89
Igual que el
anterior
82-84
82-84
1-200
50-75
82-88
50-75
87-90
APLICACIONES SEGÚN LAS
CARACTERISTICAS
Generalmente necesita un arrancador por
tensión reducida pero puede arrancarse a
plena tensión cuando la capacidad lo
permite. Se emplea para cargas a velocidad
constante que necesitan un par de arranque
elevado, tales como herramientas
mecánicas, sopladores y ventiladores.
Puede arrancar a plena tensión. Las
aplicaciones son análogas a los de clase A
con las características de un factor de
potencia y corriente de arranque algo
inferiores.
Par de arranque elevado. Cargas a
velocidad constante tales como bombas,
compresores equipos refrigeradores,
trituradores, bandas transportadoras y
cadenas de montaje. Pueden arrancar a
plena tensión
0-150
Par de arranque y aceleración muy elevada
pero deslizamiento muy grande de todo tipo.
Prensas punzonadoras, cizallas y troqueles
de chapa gruesa y otras cargas de inercia
elevada tales como montacargas, grúas,
ascensores, pueden arrancar a plena
tensión.
40-200
Cargas de poca inercia y pequeño par de
arranque tales como bombas centrifugas,
sopladores y ventiladores. Elevado
rendimiento y pequeño deslizamiento puede
arrancar a plena tensión.
ANEXO 4
Capacidad de ajuste de dispositivo de protección contra corto circuito y
falla a tierra para el circuito derivado de motores.
Porcentaje de la corriente a plena carga
Tipo de motor
Fusible sin
retraso de
tiempo
Elemento
dual (fusible
con retraso)
Interruptor
con disparo
instantáneo
300
175
700
Motores monofásicos y polifásicos jaula de
ardilla con arranque a voltaje pleno o
arranque por reactor o resistor:
Sin letra de código:
Código F a V:
Código B a E:
Código A:
300
300
250
150
175
175
175
150
700
700
700
700
250
250
250
250
Motores jaula de ardilla y síncronos con
arranque por autotransformador menores a
30 amperes Sin letra de código:
Mayores a 30 amperes sin letra de código:
Código F a V:
Código B a E:
Código A:
250
200
250
200
150
175
175
175
175
150
700
700
700
700
700
200
200
200
200
150
Jaula de ardilla con alta reactancia menores
de 30 amperes sin letra de código:
Mayores a 30 amperes sin letra de código:
Rotor devanado sin letra de código:
250
200
150
175
175
150
700
700
250
250
200
150
Monofásico todos los tipos sin letra de
código
Interruptor
de tiempo
inverso
250
ANEXO 5
Tabla de tamaño de los controladores (NEMA)
Tamaños de los controladores
(designaciones NEMA)
Tamaño del
arrancador
H.P. máximos del
motor trifásico
Voltaje del motor
00
1/3
110
0
1-1/2
1
3
2
7-1/2
3
15
4
25
00
1-1/2
0
2
1
5
2
15
3
30
4
50
5
100
6
200
7
300
8
450
00
2
0
3
1
7-1/2
2
25
3
50
4
100
5
200
6
400
7
600
8
900
208-220
440-550
ANEXO 6
Simbología DIN
ANEXO 7
Simbología NEMA
ANEXO 8
Conexiones de los circuitos de potencia y control, a través de los
arrancadores 600 V o menos.
2 FASES
1 FASE
3 FASES
4 HILOS
L1, L3-FASE 1
NOMENCLATURA DE LINEAS
L1, L2
L1,L2, L3
L2, L4-FASE 2
L1 SIEMPRE
AISLADA A
TIERRA
-
,L2
1 ELEMENTO
L1
-
-
2 ELEMENTOS
-
L1, , L4
-
3 ELEMENTOS
-
-
L1,L2, L3
CIRCUITO DE CONTROL
CONECTADO A:
L1, L2
L1, L3
L1, L3
PARA REVERSIBLES LINEAS
INTERCAMBIABLES
-
L1, L3
L1, L3
A TIERRA CUANDO SE USE
RELEVADORES
DE
SOBRECARGA
EN
ARRANCADORES