AUTOMATISMOS Y CUADROS ELCTRICOS

AUTOMATISMOS Y CUADROS ELCTRICOSMOTORES ELCTRICOSIng. Cristian Tapia C.11MOTORES ELCTRICOSMotores elctricosLa gran mayora de los movimientos que realizan las mquinas en la industria, para tareas tan dispares como desplazar objetos, empaquetar, cerrar puertas, subir y bajar materiales, agitar lquidos, etc., se realizan mediante motores elctricos. Un motor, es un receptor que al ser alimentado mediante una corriente elctrica, produce un movimiento giratorio en su eje que, a travs de los 2MOTORES ELCTRICOSacoplamientos mecnicos adecuados, es aprovechado para efectuar diferentes trabajos en el sector industrial y domstico.3

MOTORES ELCTRICOSGeneralmente el funcionamiento y arranque de los motores elctricos suele estar gestionado por sistemas de automatismos elctricos. Este es el motivo por el que debe usted conocer previamente, cules son los diferentes tipos de motores utilizados en la industria y cmo se conectan. El siguiente paso, que se tendr que saber, ser montar y poner a punto los diferentes circuitos de automatismos que permiten realizar maniobras con algunos tipos de motores. 4MOTORES ELCTRICOS5

MOTORES ELCTRICOSTipos de motores elctricosAtendiendo al sistema de corriente utilizado en la alimentacin, se pueden establecer dos tipos de motores: corriente alterna y corriente continua. Debido a su fcil conexin, bajo mantenimiento y poco coste de fabricacin, los ms utilizados en la actualidad son los motores de corriente alterna, dejndose para aplicaciones ms especficas los de corriente continua. 6MOTORES ELCTRICOS7Partes internas de un motor elctricoUn motor, y en general cualquier mquina elctrica rotativa, est constituida por dos partes bien diferenciadas: el rotor y el estator.El rotor es la parte giratoria de la mquina elctrica y se aloja en el interior del circuito magntico del estator. Desde el exterior lo nico que se puede ver de l es su eje. Dependiendo del tipo de mquina elctrica, el rotor puede estar bobinado o no.MOTORES ELCTRICOS8En el primer caso, el conexionado elctrico se realiza desde la caja de bornes, a travs de escobillas, a un sistema de colector o anillos rozantes.

MOTORES ELCTRICOSEl estator es la parte fija de la mquina. Est formado por chapa magntica ranurada (o piezas polares), en la que se aloja el devanado. La conexin elctrica se realiza desde exterior a travs de la caja de bornes.9

MOTORES ELCTRICOSPartes externas de un motor elctricoSi echa un vistazo al exterior de un motor elctrico, podr identificar las siguientes partes:Caja de bornes: permite la conexin del motor elctrico al sistema de alimentacin.Placa de caractersticas: es una placa de aluminio en la que se encuentran estampadas (por serigrafa o troquel) las caractersticas ms significativas del motor.10MOTORES ELCTRICOSEje: es el elemento por el que se trasmite el movimiento giratorio del motor. Dispone de una chaveta para el acoplamiento a la maquinaria en la que vaya a ser instalado.Carcasa: cubre todo el interior del motor, tanto el circuito elctrico como el circuito magntico.Tapa del ventilador: cubre el sistema de ventilacin del motor. Dispone de una rejilla para facilitar la salida de aire.11MOTORES ELCTRICOSBase de fijacin: es la parte de la carcasa que permite la fijacin del motor a la bancada en la que va a ubicarse. Suele disponer de cuatro ranuras para la fijacin y ajuste mediante tornillos.12

MOTORES ELCTRICOS13Motores de corriente alternaEn funcin del nmero de fases de la alimentacin, los motores de corriente alterna pueden ser monofsicos y trifsicos. Los monofsicos se alimentan mediante fase y neutro y los trifsicos mediante tres fases. Los primeros se utilizan mayoritariamente en entornos domsticos y los segundos en entornos industriales.Los smbolos normalizados para identificar estos motores son los siguientes:MOTORES ELCTRICOS14Estos tipos de motores son denominados habitualmente motores de induccin o asncronos.Entre los motores trifsicos, podemos destacar dos tipos en funcin del devanado del rotor: los de jaula de ardilla (o cortocircuito) y los de rotor bobinado (o tambin denominado de anillos rozantes).

MOTORES ELCTRICOSLos primeros se utilizan de forma mayoritaria en todo tipo de aplicaciones, y los segundos en aquellos casos especficos que requieren un gran par motor.Motores monofsicosLos motores monofsicos disponen en su interior de dos devanados, uno de arranque y otro de trabajo. Lo habitual es que la caja de bornes de este tipo de motores, disponga solamente de dos bornes, que se conectan directamente entre la fase y el neutro de la red elctrica. 15MOTORES ELCTRICOSEn este caso, el motor tiene un nico sentido de giro que no se puede cambiar sin desmontar la mquina, ya que para ello es necesario permutar la polaridad de uno solo de los devanados.Estos motores suelen tener conectado en serie al devanado de arranque, un condensador (en el exterior) o un interruptor centrfugo (en el interior). El primer mtodo el ms utilizado en la actualidad debido a su nulo mantenimiento.16MOTORES ELCTRICOSEn la siguiente figura se puede ver dos formas de arranque directo de un motor monofsico.17

MOTORES ELCTRICOS18Estos motores son de baja potencia y su arranque se puede hacer con interruptor bipolar como se muestra en la figura.

MOTORES ELCTRICOS19

MOTORES ELCTRICOS20En el esquema de la izquierda, el motor se alimenta de la red elctrica con un interruptor bipolar y la proteccin se realiza mediante fusibles. En el esquema de la derecha, tanto la conmutacin de la alimentacin elctrica como la proteccin, se realiza mediante un interruptor magnetotrmico bipolar.Motores trifsicos de rotor en jaula de ardilla Los motores trifsicos disponen en el estator tres devanados, uno por fase.MOTORES ELCTRICOSCada devanado tiene dos terminales, un principio y un final, que salen a la caja de bornes, quedando conectados internamente de la siguiente forma:

En este tipo de motores, el rotor no est bobinado, por tanto no es necesario realizar en l ningn conexionado elctrico.21

MOTORES ELCTRICOSLos motores trifsicos disponen una caja de bornes con 6 bornes, los cuales pueden ser interconectados entre s de la siguiente manera:

La primera conexin se denomina tringulo y es para la menor tensin de funcionamiento del motor.22

MOTORES ELCTRICOSTodos los motores disponen de un conjunto de chapas perforadas, que facilitan la conexin de los bornes en estrella o en tringulo. 23

MOTORES ELCTRICOS24La segunda conexin se denomina estrella y es para la tensin mayor.As, se puede decir que todos los motores trifsicos son bitensin.Por ejemplo, si un motor trifsico indica en su placa de caractersticas, que la tensin nominal es de 230V/400V, si se conecta a una red de alimentacin de 230V, la conexin debe hacerse en tringulo.Sin embargo, si la red de alimentacin es de 400 V, la conexin de los bornes debe hacerse en estrella.24MOTORES ELCTRICOSArranque directo de un motor trifsicoLos motores de baja potencia (menores de 0,75 kW), pueden arrancarse de forma directa mediante un interruptor tripolar, que permita la apertura o cierre de todas las fases a la vez.25

MOTORES ELCTRICOS26

MOTORES ELCTRICOS27

AUTOMATISMOS INDUSTRIALES CABLEADOSEn el esquema de la izquierda, el corte se hace con un interruptor trifsico de accionamiento manual y la proteccin contra sobrecargas y cortocircuitos, mediante fusibles. En el esquema de la derecha, el arranque y la proteccin se hace mediante un interruptor magnetotrmico tripolar.Falta de una fase en la alimentacin de un motor trifsicoSi un motor trifsico es alimentado con solo dos de las tres fases de la red elctrica, se produce una28AUTOMATISMOS INDUSTRIALES CABLEADOSsobrecorriente en estas fases, que si se mantiene en el tiempo, puede hacer peligrar los devanados internos del motor, destruyndolos de forma irremediable a los pocos segundos de darse esta situacin.Si el motor est parado y se intenta arrancar en dos fases, emite un sonido caracterstico y no arranca. Sin embargo, si el motor est en marcha cuando se produce la falta de una fase, es muy posible que el motor siga girando, emitiendo un sonido anormal, hasta que se quema.29AUTOMATISMOS INDUSTRIALES CABLEADOSEn el mercado existen diferentes dispositivos que detectan la falta de una fase, permitiendo desconectar el motor de la red elctrica.30

AUTOMATISMOS INDUSTRIALES CABLEADOSInversin del sentido de giro de un motor trifsicoLa inversin de giro en este tipo de motores se realiza permutando dos de las fases de alimentacin.31

AUTOMATISMOS INDUSTRIALES CABLEADOSPara realizar la inversin sin necesidad de desconectar los cables del motor, se utiliza un conmutador de potencia destinado a tal fin. En este caso, el conmutador es el encargado de realizar la permutacin de fases en su interior.Estos conmutadores disponen de tres posiciones: una central (0) para motor parado, otra para el giro a izquierdas (I) y otra para giro a derechas (II). El cambio de fases, para la inversin del sentido de giro, se realiza internamente. 32AUTOMATISMOS INDUSTRIALES CABLEADOSLa conexin de cables es bien sencilla, tres bornes para las tres fases de entrada, que vienen de la alimentacin, y tres bornes para las fases de salida, que se conectan al motor.En la figura siguiente, el conmutador rotativo de palanca para realizar la inversin de giro est representado por el rectngulo con lnea discontinua. Es decir, que el conmutador real dispone de seis bornes de conexin, tres para la alimentacin de la red elctrica y los otros tres para la salida al motor.33AUTOMATISMOS INDUSTRIALES CABLEADOSEn esta secuencia de imgenes, puedes observar el funcionamiento interno de un conmutador rotativo, para la inversin del sentido de giro de un motor trifsico de rotor en jaula de ardilla:34

AUTOMATISMOS INDUSTRIALES CABLEADOS35

AUTOMATISMOS INDUSTRIALES CABLEADOSArranque estrella/tringuloExisten varios mtodos para evitar las sobrecorrientes en el instante del arranque de los motores trifsicos de jaula de ardilla, pero posiblemente, el ms utilizado, por su sencilla implementacin y bajo coste, es el denominado arranque estrella/tringulo.El arranque estrella/tringulo consiste en poner en marcha el motor en dos tiempos.36AUTOMATISMOS INDUSTRIALES CABLEADOSEn el primero, que coincide con la conmutacin a la red elctrica, el motor funciona con sus bornes conectados en estrella, consumiendo as tres veces menos corriente que en funcionamiento nominal. En el segundo tiempo, que coincide cuando la mquina ya ha conseguido la velocidad y corriente nominales, la caja de bornes se conmuta al modo tringulo, trabajando as en las condiciones de marcha normal para las que ha sido diseado.37AUTOMATISMOS INDUSTRIALES CABLEADOSAs las curvas Par-Velocidad y Corriente-Velocidad se ven afectadas de la siguiente forma:38

AUTOMATISMOS INDUSTRIALES CABLEADOSExisten varias tcnicas para realizar el arranque estrella/tringulo. Cuanto mayor es la potencia del motor, mayor debe ser la precisin en la conmutacin de estrella a tringulo y por tanto, tambin el grado de automatizacin del circuito.Sin embargo, para motores de pequea potencia se pueden utilizar sistemas de conmutacin manual, estando muy extendido, en cuadros elctricos, el uso de los conmutadores de levas.39AUTOMATISMOS INDUSTRIALES CABLEADOS40

AUTOMATISMOS INDUSTRIALES CABLEADOS41

AUTOMATISMOS INDUSTRIALES CABLEADOS42

AUTOMATISMOS INDUSTRIALES CABLEADOSMotores de induccin con rotor bobinadoSu uso no est tan extendido como los de rotor en jaula de ardilla o cortocircuito, pero se utilizan para aplicaciones muy concretas que requieren un gran par motor.La caja de bornes tiene los seis bornes habituales en los motores trifsicos, que permiten conectar los devanados del estator en estrella y tringulo, de igual forma que se ha visto para los motores de rotor en jaula de ardilla. 43AUTOMATISMOS INDUSTRIALES CABLEADOSPero adems, dispone de tres bornes adicionales para el conexionado externo del devanado del rotor, etiquetados como K, L, M.

44

AUTOMATISMOS INDUSTRIALES CABLEADOSEstos motores estn diseados para trabajar con el rotor en cortocircuito, pero si esta conexin se realiza en el momento del arranque, la sobrecorriente sera de tal magnitud que pondra en peligro la aparamenta y los conductores que lo alimentan. Por tanto, es necesario cortocircuitar el rotor en diferentes tiempos, eliminando varios grupos de resistencias de potencia.La complejidad tcnica que requiere la maniobra para la eliminacin de estas resistencias por escalo-45AUTOMATISMOS INDUSTRIALES CABLEADOSnes, desaconseja el arranque manual, hacindose necesario el uso de un circuito de automatismos. 46

AUTOMATISMOS INDUSTRIALES CABLEADOSMotores de corriente continuaEl fcil conexionado, bajo coste y mantenimiento de los motores de corriente alterna con rotor en jaula de ardilla, ha relegado a los motores de corriente continua a aplicaciones muy concretas. Si bien es cierto que para aplicaciones como la robtica y el posicionamiento, aun se utilizan de forma masiva, cuando se requieren mquinas de gran potencia, lo habitual es utilizarlas de corriente alterna.47AUTOMATISMOS INDUSTRIALES CABLEADOSGeneralidadesTodas las mquinas de corriente continua son reversibles y pueden funcionar como motor o como generador.Disponen de dos devanados: el inducido en el rotor y el inductor (o excitacin) en el estator.48

AUTOMATISMOS INDUSTRIALES CABLEADOSSegn cmo se conecten entre s estos devanados, se pueden conseguir las siguientes configuraciones:Mquina serie.Mquina shunt o derivacin.Maquina compuesta (compound).Mquina de excitacin independiente.Los smbolos son los siguientes:49

AUTOMATISMOS INDUSTRIALES CABLEADOSNo todos los devanados son intercambiables para conseguir las diferentes configuraciones aqu propuestas. Por ejemplo, un devanado inductor diseado para una conexin serie, no puede conectarse en shunt, y viceversa, ya que el nmero de espiras y dimetro del conductor con el que est construido es diferente. Sin embargo, el devanado inductor para un motor shunt, puede utilizarse sin problemas en una mquina con conexin independiente.50AUTOMATISMOS INDUSTRIALES CABLEADOSLa caja de bornesLos bornes de cada uno de los devanados estn etiquetados segn la configuracin para la que han sido diseados. Generalmente este tipo de mquinas dispone de cuatro bornes en su caja de bornes, excepto la mquina compound que dispone de seis.51

AUTOMATISMOS INDUSTRIALES CABLEADOSArranque directo de motores de corriente continuaIgual que sucede con los motores de corriente alterna en el momento del arranque, los de continua tambin generan una sobrecorriente que puede ser perjudicial, tanto para la instalacin que los alimenta como para los devanados de la propia mquina.Por tanto, algunas normas establecen que la constante mxima de proporcionalidad entre la intensidad de la corriente de arranque y la de plena 52AUTOMATISMOS INDUSTRIALES CABLEADOScarga, en los motores de corriente continua, debe ajustarse a la siguiente tabla.

Para disminuir la corriente en el instante del arranque, se conecta un restato en serie con el devanado inducido. 53

AUTOMATISMOS INDUSTRIALES CABLEADOSCuando el motor alcanza su funcionamiento normal, en velocidad y en corriente, el restato debe anularse.54

AUTOMATISMOS INDUSTRIALES CABLEADOS55

AUTOMATISMOS INDUSTRIALES CABLEADOSInversin del sentido de giro de los motores de CCPara invertir el sentido de giro de un motor de CC, se debe cambiar el sentido de la corriente en uno de sus devanados. Es decir, hay que permutar los cables de alimentacin, bien en los bornes del devanado inducido o en los bornes del devanado inductor.Con el fin de que el motor no se embale, en la prctica siempre se recomienda invertir las conexio-56AUTOMATISMOS INDUSTRIALES CABLEADOSnes del inducido en lugar de las del inductor (excitacin).

En la siguiente figura se muestra cmo deben conectarse los terminales de los devanados, de los diferentes tipos de mquinas, para que inviertan su 57

AUTOMATISMOS INDUSTRIALES CABLEADOSsentido de giro, respecto a las cajas de bornes representadas en la figura anterior.58

AUTOMATISMOS INDUSTRIALES CABLEADOS59

AUTOMATISMOS INDUSTRIALES CABLEADOSEn estos dos esquemas se representa cmo se produce el cambio del sentido de giro en un motor shunt mediante el accionamiento de un conmutador inversor rotativo.En el esquema de la izquierda se observa cmo al accionar el interruptor bipolar general, en ambos devanados el sentido de la corriente es el mismo. En esta situacin, el motor gira en un sentido.Si se acciona el conmutador inversor, al actuar nuevamente sobre el interruptor general, el sentido 60AUTOMATISMOS INDUSTRIALES CABLEADOSde la corriente en el devanado del inducido cambia respecto al inductor y por tanto tambin cambia el sentido de giro de la mquina.La inversin del sentido de giro de un motor de corriente continua, debe hacerse a motor parado y regulando el restato del inducido para evitar la sobrecorriente en el momento del arranque.El proceso que debes seguir para invertir el sentido de giro de un motor shunt segn el esquema propuesto debe ser el siguiente:61AUTOMATISMOS INDUSTRIALES CABLEADOSArranque en un sentido de giroGira el mando de restato a su mxima resistencia.Fija el conmutador rotativo a la posicin para el sentido de giro con el que desees que arranque el motor.Acciona el interruptor general bipolar.Disminuye progresivamente el valor de resistencia del restato para disminuir la corriente el momento del arranque.62AUTOMATISMOS INDUSTRIALES CABLEADOSImportante: no acciones el conmutador rotativo cuando la mquina est en marcha. Para cambiar el sentido de giro, debes abrir previamente el interruptor general y seguir los pasos que se describen a continuacin.Arranque en sentido contrarioCon el interruptor general abierto, coloca el mando del restato en la posicin de mxima resistencia.63AUTOMATISMOS INDUSTRIALES CABLEADOSAcciona el conmutador inversor para que el motor arranque en sentido contrario a la maniobra anterior.Cierra el interruptor general bipolar.Disminuye el valor de resistencia del restato para disminuir el valor de la corriente en el momento del arranque.Observa que la mquina gira en sentido contrario.64