Aparatos de maniobra automática I
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AUTOMATISMOS ELÉCTRICOS INDUSTRIALES - 4 Aparatos de maniobra automática-1 Automatismos eléctricos industriales - 4 AUTOMATISMOS CABLEADOS APARATOS DE MANIOBRA AUTOMÁTICA-1 FJRG 110929 1 IES Fr. Martín Sarmiento Dpto. de Electricidad AUTOMATISMOS ELÉCTRICOS INDUSTRIALES - 4 Aparatos de maniobra automática-1 FJRG 110929 2 IES Fr. Martín Sarmiento Dpto. de Electricidad AUTOMATISMOS ELÉCTRICOS INDUSTRIALES - 4 Aparatos de maniobra automática-1 CONTENIDO 1 RELÉS DE ADQUUSICIÓN DE DATOS 2 RELÉS DE MANIOBRA 3 4 5 6 7 8 RELÉS DE MANIOBRA Clasificación Relés convencionales Relés polarizados Relés reed Relés de estado sólido Relés temporizadores CONTROL DEL TIEMPO. TEMPORIZADORES. RELÉ TEMPORIZADO DE IMPULSO RELÉ INTERMITENTE RELÉ MULTIFUNCIÓN DISPOSICIÓN DE LOS CONTACTOS TIPOS DE RELÉS DE TIEMPO SEGÚN CONSTRUCCIÓN INTRODUCCIÓN A LOS SENSORES CONTROL DE POSICIÓN FINALES DE CARRERA. DETECTORES DE PROXIMIDAD: - INDUCTIVOS - CAPACITIVOS - FOTOELÉCRICOS INTERRUPTORES DE POSICIÓN (FINALES DE CARRERA) DETECTORES INDUCTIVOS A) Principio de funcionamiento B) CONSTITUCIÓN FÍSICA C) MODO DE OPERACIÓN D) EJECUCIONES ESPECIALES NAMUR FORMA DE ANILLO FORMAS DE HORQUILLA OTRAS EJECUCIONES E) VENTAJAS E INCONVENIENTES F) APLICACIONES G) SIMBOLOGÍA DETECTORES CAPACITIVOS A) Principio de funcionamiento B) APLICACIONES C) VENTAJAS E INCONVENIENTES D) SIMBOLOGÍA FJRG 110929 3 IES Fr. Martín Sarmiento Dpto. de Electricidad AUTOMATISMOS ELÉCTRICOS INDUSTRIALES - 4 Aparatos de maniobra automática-1 FJRG 110929 4 IES Fr. Martín Sarmiento Dpto. de Electricidad AUTOMATISMOS ELÉCTRICOS INDUSTRIALES - 4 Aparatos de maniobra automática-1 1 RELÉS DE ADQUISICIÓN DE DATOS Son dispositivos diseñados para abrir o cerrar circuitos de corriente en función de los valores que adquieren ciertas magnitudes como la tensión, intensidad, tiempo, temperatura, presión, distancia, etc. La adquisición de datos consiste en captar los fenómenos exteriores (físicos, eléctricos, electrónicos) a los cuales está ligado el equipo automático. El funcionamiento del aparellaje por contactores puede ser mandado por algún fenómeno o magnitud física, como por ejemplo el tiempo, el desplazamiento de un móvil, variación de nivel, temperatura, presión, etc. Entre los muchos dispositivos existentes en el mercado, estudiaremos los que más nos interesan. Estos son: * * Relé de maniobra o mando Relé de función. Pueden ser. - Relé de tiempo (temporizadores) - Relé de temperatura (termostato). - Relé de presión (presostato). - Relé de depresión (vacuostato) - Relé de posición (final de carrera, detectores inductivos, capacitivos y fotoeléctricos) - Relé de viento (anemómetro) - Relé de variación de nivel (interruptor de nivel) - etc. Utilización: Donde se quiera controlar corrientes muy débiles como por ejemplo: - Circuitos combinacionales y secuenciales. Tratamiento de órdenes exteriores. Mando de cargas de bajo consumo (micromotores, señalización, etc.). 2 RELÉS DE MANIOBRA (AUXILIARES) Son dispositivos diseñados para abrir o cerrar circuitos de corriente en función de si tiene o no tensión aplicada a la bobina electromagnética. Con la denominación de relé de maniobra se designa un conmutador con mando electromagnético similar al de los contactores, pero de tamaño reducido y características constructivas específicas. El relé electromagnético, también conocido como relé de mando, relé de maniobra, relé de automatismo o simplemente relé, a pesar de ser elementos que aparecieron hace ya muchas décadas, siguen siendo fundamentales hoy en día. Fig. 2.1 RELÉ ELECTROMAGNÉTICO Podemos considerar el relé como un elemento que posibilita el gobierno de potencias superiores a las que necesita para su propio funcionamiento. La mayoría de los relés utilizados actualmente son enchufables y sus contactos tienen tres bornas Sus tensiones de activado (bornas A1 y A2) tienen valores similares a los de los contactores, tanto en continua como en alterna. En la práctica, un relé tiene que satisfacer, entre otros aspectos, diferentes exigencias: Bajo o nulo mantenimiento. Frecuencia de conmutación elevada. Conexión para pequeñas tensiones y para pequeñas corrientes. Elevado número de maniobras sin pérdida de prestaciones. Bajo consumo de la bobina de mando. Las características más relevantes de un relé electromecánico son las siguientes: FJRG 110929 5 IES Fr. Martín Sarmiento Dpto. de Electricidad AUTOMATISMOS ELÉCTRICOS INDUSTRIALES - 4 Aparatos de maniobra automática-1 Aislamiento galvánico (no existe contacto eléctrico) entre la entrada (circuito de mando) y la salida (circuito de maniobra). Fácil control. Bajo coste para la mayoría de aplicaciones. Presencia de "rebotes" de sus contactos, sobre todo en la conexión. Este elemento ejerce, en principio, las funciones de un contactor auxiliar, con las diferencias de su menor tamaño y menores tensiones y potencias de conmutación. Puede ejercer, además, funciones de temporización, secuencias y protección. Clasificación En el mercado podemos encontrar un elevado número de tipos de relés con diversas características. A continuación veremos los más importantes. • Relés convencionales Un relé convencional de aplicación general está constituido por una bobina y uno o dos contactos. Cuando se acciona la bobina con CC el núcleo es de hierro dulce macizo, mientras que si se acciona por CA el núcleo es de chapas magnéticas laminares. Debemos tener en cuenta que un relé construido para operar en CC no puede operar en CA, puesto que, en tal caso, se producirían pérdidas muy elevadas a causa de las corrientes de Foucault y la bobina no suministraría la fuerza magnética suficiente para mover las láminas de los contactos de maniobra. En cambio, un relé construido para poder operar en CA sí puede trabajar perfectamente en CC si se añade una resistencia en serie a la bobina. Dicha resistencia suple la reactancia propia que la bobina presentaría a la frecuencia de trabajo para la cual fue diseñado (recordar que en Europa la frecuencia de la red eléctrica es de 50 Hz). Los contactos de los relés son casi siempre de tipo conmutado, es decir, NONC, y su cantidad habitual, de uno a cuatro. La numeración de los bornes de sus contactos y bobina depende de su tipo de base (enchufable, de patillas para soldar, a tornillo de presión, etc.). Los relés de la Fig. 2.2 son de contactos instantáneos y su esquema Fig. 2.3 ofrece las variantes indicadas. Fig. 2.2 Fig. 2.3 Las bases o zócalos donde se alojan estos relés tienen dimensiones y denominación de bornas normalizadas (Fig. 2.4). Fig. 2.4 Numeración internacional de bornas de zócalos para relés enchufables FJRG 110929 6 IES Fr. Martín Sarmiento Dpto. de Electricidad AUTOMATISMOS ELÉCTRICOS INDUSTRIALES - 4 Aparatos de maniobra automática-1 Los datos eléctricos de un relé se disponen de la misma forma que en un contactor auxiliar. Sus tensiones normales de activado las vemos en la parte superior de la Fig. 2.5. Bajo ellas, tres relés de base enchufable con su esquema y datos eléctricos. Robustez mecánica: 10 millones de maniobras. Fig. 2.5 • Relés polarizados En esencia son relés electromecánicos que incorporan un imán permanente. La presencia de este imán hace que la fuerza de atracción aumente considerablemente, con lo que el tamaño del relé puede ser inferior. Hay dos tipos de relés polarizados: Los de un solo estado estable, que mantienen los contactos cerrados únicamente cuando se excita la bobina, los de enclave (enganche), que mantienen los contactos cerrados cuando se deja de excitar la bobina. En este caso la desconexión de los contactos se realiza aplicando una tensión inversa a una segunda bobina. • Relés reed Estos relés están formados por una ampolla de vidrio herméticamente cerrada en el interior de la cual se encuentra un conjunto de contactos, o únicamente uno, según la capacidad de alojamiento y tipo de relé. La ampolla está rodeada por una bobina que, cuando circula corriente por ella, provoca que los contactos ferromagnéticos se cierren (si son NA) o se abran (si son NC). La gran ventaja que presentan es que son de muy pequeño tamaño, aunque pueden conmutar únicamente cargas de pequeña potencia y bajo amperaje. • Relés de estado sólido Estos relés se basan en materiales semiconductores y presentan aislamiento óptico entre la entrada (parte de mando) y la salida (parte de maniobra). No tienen bobinas, ni contactos metálicos, ni elementos mecánicos, sino que las funciones respectivas las realizan exclusivamente componentes electrónicos. También se conocen como relés estáticos. En general, los relés de estado sólido presentan las mismas características que los electromecánicos, pero además tienen ventajas importantes: AI carecer de elementos mecánicos, no producen ningún ruido acústico en el momento de la conmutación. Poseen un número de maniobras prácticamente infinito, ya que no existe desgaste de piezas por movimientos mecánicos. Se controlan con bajas corrientes y tensiones. No presentan "rebotes': Poseen gran resistencia mecánica. Tienen reducidas dimensiones, lo que los hace muy útiles en aplicaciones electrónicas donde el espacio es un aspecto importante. FJRG 110929 7 IES Fr. Martín Sarmiento Dpto. de Electricidad AUTOMATISMOS ELÉCTRICOS INDUSTRIALES - 4 Aparatos de maniobra automática-1 Existen también relés híbridos, los cuales combinan la tecnología de los semiconductores con la de los relés electromecánicos polarizados. El circuito de entrada del relé híbrido está formado por dispositivos semiconductores que controlan la excitación de la bobina del relé. El acoplamiento con la salida es magnético, igual que en los relés electromecánicos. Al excitar la bobina se produce el cierre o apertura de los contactos de maniobra. Fig. 2.6 RELÉ REDD Fig. 2.7 RELÉ DE ESTADO SÓLIDO • Relés temporizadores También conocidos simplemente como temporizadores, son relés que permiten ajustar los tiempos de conexión y desconexión del mismo. Los estudiamos en el siguiente apartado. 3 CONTROL DEL TIEMPO. TEMPORIZADORES. Una de las funciones importantes de un relé es la temporización. En un relé temporizado durante el momento de conexión o desconexión de su bobina no coincide con el cierre o apertura de sus contactos, respectivamente. Fig. 3.1 Los temporizadores son relés que permiten ajustar los tiempos de conexión y desconexión del mismo. La temporización puede ajustarse entre algunos milisegundos y algunas horas. Fig. 3.1 Los relés temporizados pueden dividirse en tres grupos: Fig. 3.2 • Relés temporizados con retardo a la conexión (al trabajo). En este caso, tras aplicar tensión a la bobina, transcurre cierto tiempo t hasta que el contacto se activa. La desconexión es instantánea. • Relés temporizados con retardo a la desconexión (al reposo). En este caso, el activado es instantáneo, pero transcurre un tiempo t entre la desaparición de tensión en bobina y desactivado del contacto. • Relés temporizados con retardo a la conexión y a la desconexión (al trabajo y al reposo). En este caso, tras aplicar tensión a la bobina, transcurre cierto tiempo t1 hasta que el contacto se activa. La desconexión no es instantánea, transcurriendo un tiempo t2 entre la desaparición de tensión en bobina y desactivado del contacto. Las gamas de tiempo son muy diversas, por ejemplo: 0,2/2 - 0,8/8 - 6/60 – 50/500 - segundos. * Una frecuente aplicación del relé temporizado la encontramos en el arranque estrella-triángulo de los motores trifásicos. FJRG 110929 8 IES Fr. Martín Sarmiento Dpto. de Electricidad AUTOMATISMOS ELÉCTRICOS INDUSTRIALES - 4 Aparatos de maniobra automática-1 Temporizado al trabajo (a la conexión) Temporizado al reposo (a la desconexión) Fig. 3.2 Temporizado al trabajo y al reposo (a la conexión y desconexión) El esquema de mando (maniobra) de la Fig. 3.3-a corresponde al esquema de potencia (fuerza) de la Fig. 3.3b. La ventaja de este relé respecto al bloque suplementario temporizado en el contactor K1M reside en el tiempo de conmutación. El relé KA puede tardar 100 milisegundos o más en llevar su contacto de una posición a otra, estando durante ese tiempo sin tensión los contactores K2M y K3M. Ese efecto es bueno para que el paso de estrella a triángulo se realice sin fenómenos transitorios. Arranque estrella-triángulo - Esquema de potencia Fig. 3.3-a Arranque estrella- triángulo - Circuito de mando Fig. 3.3-b * Cuando el contacto que activa un relé es muy pequeño (microswitch, minirruptor ... ) o cuando la chispa que se produce en él puede resultar peligrosa (atmósferas explosivas), se puede recurrir al relé temporizado por contacto. Este relé tiene doble circuito de mando: A1 - A2, que estará con la tensión de mando aplicada permanentemente. Y1 - Y2, en el que existe una pequeña tensión que genera el mismo relé, a la que se aplica al contacto (por ejemplo, 2 V c.c.). En la Fig. 3.4 podemos ver dos relés temporizados por contacto, uno a la conexión y otro a la desconexión, junto a sus diagramas de funcionamiento. En ambos casos los contactos se desactivan si desaparece la tensión en A1-A2. FJRG 110929 9 IES Fr. Martín Sarmiento Dpto. de Electricidad AUTOMATISMOS ELÉCTRICOS INDUSTRIALES - 4 Aparatos de maniobra automática-1 a) Temporizado al trabajo b) Temporizado al reposo Fig. 3.4 RELÉS TEMPORIZADOS POR CONTACTO En los dos esquemas de la Fig. 3.5 podemos ver una aplicación del relé temporizado por contacto. En el primer caso, un aumento de presión provocará el cierre del contacto del presostato y el motor arrancará tras cierto tiempo. En el segundo caso, un aumento de temperatura tendrá el mismo efecto. Fig. 3.5 RELÉ TEMPORIZADO DE IMPULSO En un relé temporizado de impulso a la conexión el contacto se activa cuando aparece tensión en los bornes A1-A2 y se desactiva automáticamente tras un tiempo prefijado (impulso a la conexión). Si se trata de un relé de impulso a la desconexión, el contacto se activa al desaparecer la tensión en A1-A2 y se desactiva tras cierto tiempo. En ambos casos el tiempo es breve -un impulso de 1 ó 2 segundos- y sir, pero es insuficiente para activar un contactor, un contador de impulsos, etc. Fig. 3.6 RELÉS TEMPORIZADOS DE IMPULSO Su diagrama de funcionamiento corresponde a la Fig. 3.7. Junto a él, los dos símbolos correspondientes. a) Temporizado de impulso a la conexión b) Temporizado de impulso a la desconexión Fig. 3.7 RELÉ TEMPORIZADO DE IMPULSO FJRG 110929 10 IES Fr. Martín Sarmiento Dpto. de Electricidad AUTOMATISMOS ELÉCTRICOS INDUSTRIALES - 4 Aparatos de maniobra automática-1 * En el esquema de la Fig. 3.8 aplicamos un relé temporizado de impulso a la conexión. El motor M debe trabajar a impulsos breves, accionado por un fin de carrera SI. Este S1 puede estar activado durante tiempos que oscilan entre 5 y 10 segundos, pero el motor debe funcionar siempre durante 2 segundos. El relé KA resuelve perfectamente el problema. El interruptor S2 detiene el motor indefinidamente y el pulsador S3 permite trabajar al motor a impulsos manuales. Fig. 3.8 * En el esquema de la Fig. 3.9 los motores M1 y M2 deberán arrancar simultáneamente y el M2 se detendrá automáticamente tras cierto tiempo. En el esquema inferior hemos conseguido el mismo efecto utilizando el material convencional. Necesitaremos un contactor-base con dos contactos auxiliares NO (que no es frecuente) o utilizar un contactor auxiliar adicional. Parece más ventajoso utilizar el relé de impulso a la conexión. Fig. 3.9 * El relé de impulso a la desconexión encuentra aplicación en sistemas de seguridad o alarma por fallo de tensión en la red (alumbrados de emergencia, conmutación de líneas ... ). En la instalación de la Fig. 3.10 la ausencia de tensión en la línea L1-N hace actuar las alarmas óptica (H1) y acústica (H2) alimentadas en c/c (línea independiente, acumuladores... ). Fig. 3.10 FJRG 110929 11 IES Fr. Martín Sarmiento Dpto. de Electricidad AUTOMATISMOS ELÉCTRICOS INDUSTRIALES - 4 Aparatos de maniobra automática-1 El motor de la Fig. 3.11 está alimentado por dos líneas independientes L y (L). Observando el esquema de mando es fácil deducir lo que ocurre si hay un corte de tensión en la línea L. Fig. 3.11 RELÉ DE NTERMITENCIA Un relé es intermitente cuando su contacto comienza a hacer maniobras (activado - desactivado) de modo periódico e indefinido desde el momento en que existe tensión de mando en A1-A2. Si es de tiempo fijo la cadencia es invariable, por ejemplo, de 2 segundos (1" de activado y 1" de desactivado). Si es de tiempo variable, el tiempo que está el contacto en cada posición (t y T de la Fig. 3.12) es regulable. Fig. 3.12 RELÉ DE INTERMITENCIA * La aplicación habitual de un relé intermitente es la señalización, ya que es más llamativa una señal intermitente que una fija. Un solo relé puede proporcionar intermitencia a varios pilotos de señalización, como en el esquema de la Fig. 3.13. Debido al disparo térmico de un motor, a una sobrepresión, etc., los pilotos correspondientes lucirán intermitentemente. Si abrimos el interruptor S, sus luces serán fijas. Fig. 3.13 FJRG 110929 12 IES Fr. Martín Sarmiento Dpto. de Electricidad AUTOMATISMOS ELÉCTRICOS INDUSTRIALES - 4 Aparatos de maniobra automática-1 RELÉ MULTIFUNCIÓN Actualmente está muy extendido el relé multifunción. Por medio de un selector interno o externo, un mismo relé puede temporizar a la conexión, a la desconexión, por impulsos, intermitentemente..., y sus escalas de tiempo son ajustabas en varias gamas (de segundos hasta horas). Fig. 3.14 RELÉ MULTIFUNCIÓN En el esquema de la Fig. 3.14 el relé KA temporiza a la conexión y a la desconexión y actúa sobre los contactores de tres motores. El conjunto funcionará de modo diferente si KA temporiza sólo a la conexión. DISPOSICIÓN DE LOS CONTACTOS Existen algunas variantes a los modelos de relés temporizados citados anteriormente. Por ejemplo, con más contactos. En la Fig. 3.15 tenemos algunos ejemplos. Es interesante observar la numeración normalizada de las bornas que, por lo general, no es válida para los modelos enchufables o miniatura. La primera cifra indica el orden correlativo del contacto. La segunda, su naturaleza. Fig. 3.15 CONTACTOS TIPOS DE RELÉS DE TIEMPO SEGÚN CONSTRUCCIÓN a) Temporizadores de relojería. Cuando el tiempo es controlado por un mecanismo de relojería. b) Temporizadores neumáticos. Son elementos más antiguos que los electrónicos, y constan de un sistema neumático, formado por una cámara de aire y una membrana que permite la temporización mediante un sistema mecánico de giro. c) temporizadores térmicos. Cuando por acción de la temperatura, se dilata un bimetal accionando algún contacto. d) temporizadores de motor-síncrono. FJRG 110929 13 IES Fr. Martín Sarmiento Dpto. de Electricidad AUTOMATISMOS ELÉCTRICOS INDUSTRIALES - 4 Aparatos de maniobra automática-1 Los que actúan por medio de un mecanismo de relojería accionado por un pequeño motor síncrono. Al cabo de los tiempos prefijados se produce el accionamiento de los contactos, abriendo o cerrando los circuitos. * Un motor síncrono gira con velocidad constante (de sincronismo). e) Temporizadores electrónicos. Son los núcleos modernos y se ejecutan mediante relés híbridos. Éstos llevan dentro un pequeño circuito electrónico que controla la conexión y desconexión de la bobina y permite la programación, generalmente mediante un botón giratorio (potenciómetro), del tiempo de retardo de conexión o desconexión. RELOJERÍA NEUMÁTICOS MOTOR SINCRONO Fig. 3.16 TIPOS DE TEMPORIZADORES ELECTRÓNICO NOTA: Contactos Desplazados Un bloque suplementario temporizado puede tener también uno de sus contactos desplazados, casi siempre un NO (Fig. 3.17). Una aplicación clásica de este segundo tipo de bloque temporizado la encontramos en el mando de un motor con arranque estrella-triángulo. Debido a fenómenos transitorios que ocurren en el paso de estrella a triángulo, interesa que exista un cierto tiempo entre el desactivado de K3M y el activado de K2M (Fig. 3.18). Fig. 3.17 CONTACTOS DESPLAZADOS Fig. 3.18 4 INTRODUCCIÓN A LOS SENSORES En un proceso controlado, los sensores son los elementos que miden las distintas variables, indican los errores, recogen los estados y transmiten esta información al sistema de control de proceso. Las variables del proceso pueden ser: - temperatura, presión, fuerza, longitud, - ángulo de giro, nivel, caudal, etc. La función de los sensores es convertir estas variables físicas en otras más fáciles de evaluar (generalmente en señales eléctricas). FJRG 110929 14 IES Fr. Martín Sarmiento Dpto. de Electricidad AUTOMATISMOS ELÉCTRICOS INDUSTRIALES - 4 Aparatos de maniobra automática-1 Una clasificación de los sensores puede ser: • ACTIVOS: la magnitud física que se mide proporciona la energía necesaria para la generación de la señal eléctrica de salida. Ejemplos: termopares, sensores piezoeléctricos... • PASIVOS: la magnitud física que se mide sólo modifica alguno de los parámetros eléctricos del sensor (resistencia, capacidad, etc) y necesita una fuente de energía externa para generar la señal eléctrica de salida. Ejemplos: galgas extensiométricas, termorresistencias... Otra forma de clasificarlos es según el campo de valores que miden: • DE MEDIDA: detectan todos los valores posibles de la variable dentro de un determinado margen de valores. • TODO-NADA: detectan si la magnitud a medir está por encima o por debajo de un determinado valor. 5 CONTROL DE POSICIÓN Los dispositivos para controlar la posición relativa entre dos elementos que se van a estudia en este tema son los siguientes: DETECTORES DE PROXIMIDAD: Los detectores o sensores de proximidad tienen como finalidad determinar la existencia de un objeto en un intervalo de distancia especificado. Se suelen basar en el cambio provocado en alguna característica del sensor debido a la proximidad del objeto. El campo de valores que miden puede ser: − todo-nada o − analógico. Los sensores todo-nada pueden, a su vez, ser de dos tipos: • Con contacto físico: detectan la presencia del objeto cuando éste entra directamente en contacto físico con el sensor (microrruptores, finales de carrera, etc.). Son los elementos de control de posición más comunes. • Sin contacto físico: detectan la presencia del objeto a detectar sin que éste entre en contacto físico con el sensor. Los sensores de proximidad sin contacto llevan un elemento sensor (bobina, condensador, etc.) y un circuito electrónico asociado. En general, presentan una serie de ventajas respecto a los de contacto físico: - Cadencias de funcionamiento elevadas (por lo que son adecuados Fig. 5.1 para automatismos electrónicos). Grandes velocidades de ataque (tienen en cuenta información de corta duración). Robustez (muy buena resistencia a los entornos industriales). Son productos estáticos (no hay piezas en movimiento dentro del detector, con lo que la duración de vida es independiente del número de ciclos de maniobra). Pueden ser de tres tipos - INDUCTIVOS y CAPACITIVOS FOTOELÉCRICOS ULTRASÓNICOS etc. FJRG 110929 15 IES Fr. Martín Sarmiento Dpto. de Electricidad AUTOMATISMOS ELÉCTRICOS INDUSTRIALES - 4 Aparatos de maniobra automática-1 DETECTORES INDUCTIVOS Y CAPACITIVOS Los auxiliares de mando accionados mecánicamente permiten resolver un gran número de problemas; pero cuando sus características resultan insuficientes, pueden ser sustituidos por detectores de proximidad estáticos. Estos reemplazan funciones análogas a las de los contactos de mando mecánico, pero su concepción es totalmente diferente. Son enteramente estáticos, no contienen pieza de mando ( pulsador, palanca, roldana, etc. ) y el contacto eléctrico es sustituido por un elemento semiconductor (tiristor o transistor según las aplicaciones) que conduce o no conduce, según la circunstancia. Símbolo: Fig. 5.3 Fig. 5.2 DETECTORES DE PROXIMIDAD Fig. 5.3 6 INTERRUPTORES DE POSICIÓN (FINALES DE CARRERA) Son los elementos de control de posición más comunes. Los contactos de mando mecánico son utilizados para controlar la posición de una máquina, permitiendo la puesta en marcha, la disminución de velocidad o la parada en un sitio determinado o para mandar ciclos de funcionamiento automático en las máquinas modernas. Internamente están formados por contactos que son accionados mecánicamente a través de una palanca por la pieza móvil que hay que controlar. Pueden ser contactos: - Normalmente abierto NA (3-4) - Normalmente cerrado NC (1-2) Cuando un fin de carrera es activado por un actuador móvil adecuado, desplaza los contactos y abre/ cierra o Al actuar una presión sobre la parte saliente del interruptor, Fig. 6.1 Los principales factores que intervienen en la elección de un contacto de mando mecánico son: • Protección contra: manipulaciones, choques violentos, proyecciones de líquido, presencia de gas ; • Naturaleza del ambiente, húmedo, polvoriento, corrosivo y la temperatura que exista en el lugar de utilización; • El sitio disponible para alojar y fijar el aparato, su peso; • Las condiciones de utilización: - frecuencia de maniobras, naturaleza, peso y velocidad del móvil a controlar, precisión y fidelidad exigidas, sobre-carrera posible en uno u otro sentido, esfuerzo necesario para accionar el contacto, • Número y naturaleza de los contactos: ruptura lenta o brusca, posibilidad de regulación. • Naturaleza de la corriente, valor de la tensión e intensidad a controlar. Normalmente están situados al principio o final del recorrido de un determinado móvil, son accionados por él y FJRG 110929 16 IES Fr. Martín Sarmiento Dpto. de Electricidad AUTOMATISMOS ELÉCTRICOS INDUSTRIALES - 4 Aparatos de maniobra automática-1 abren, cierran o conmutan un circuito. Símbolo: Ver Fig. 6.2 Ventajas: - Robustos. - Duración. - Fácil conexión. - Fácil ajuste Fig. 6.2 Utilización: La utilización de los finales de carrera es muy grande. En general para todas las máquinas que tengan un movimiento de vaivén por unos carriles o sigan una trayectoria siempre fija, como por ejemplo : husillos, elevadores, cintas transportadoras, puertas automáticas. Tipos de finales de carrera Los dispositivos de mando son múltiples y depende del trabajo a realizar. Fig. 6.3 Fig. 6.3 TIPOS DE FINALES DE CARRERA Fig. 6.4 Podemos clasificar los finales de carrera: * Por su modelo de cabezal: Fig. 6.4 - De pistón - De bola - De rodillo - De leva con rodillo * Por los estados de funcionamiento : - Monoestables (los normales) - Biestables. Composición de un final de carrera Fig. 6.5 ¿En qué lugar del recorrido se produce el cambio? FJRG 110929 17 IES Fr. Martín Sarmiento Dpto. de Electricidad AUTOMATISMOS ELÉCTRICOS INDUSTRIALES - 4 Aparatos de maniobra automática-1 En un pulsador manual no tiene importancia este dato. Ya vimos que en un contacto auxiliar de contactor puede tener influencia debido a prioridades de conmutación. En un fin de carrera es fundamental, ya que de ello puede depender que el recorrido o el punto de detención de una máquina herramienta, un montacargas...., no sea el correcto. Todo fabricante de finales de carrera proporciona la secuencia del estado de los contactos a lo largo de dicho recorrido. En dicha secuencia se indican las distancias o ángulos “C” en los que el contacto NC se abre y los correspondientes “B” en los que el contacto abierto se cierra. La Fig. 6.6 nos ofrece un ejemplo de ello. En el resto de recorrido hasta completar la distancia o el ángulo totales A, los contactos continúan activados. Fig. 6.6 ACTIVADO DE UN FINAL DE CARRERA El color negro indica el contacto cerrado y el blanco contacto abierto. Por lo que respecta al tipo de secuencia que ofrece un final de carrera al activado de sus contactos, distinguiremos tres variantes: (Ver Fig. 6.7) - de ruptura lenta, de ruptura brusca y de contactos solapados. Fig. 6.7 * Usaremos un fin de carrera de ruptura lenta cuando interesa que exista un cierto tiempo entre el activado de los dos contactos. Tal es el caso, por ejemplo, en que el contacto NC debe detener un motor y el NO debe hacerlo girar en sentido contrario. En la Fig. 6.8-a se muestra esquemáticamente un motorreductor MR que hace girar un husillo AB en el que hay roscada una pieza guiada Q. Según que el motor gire en un sentido o en otro, la pieza avanza o retrocede. Fig. 6.8-a FJRG 110929 18 IES Fr. Martín Sarmiento Dpto. de Electricidad AUTOMATISMOS ELÉCTRICOS INDUSTRIALES - 4 Aparatos de maniobra automática-1 Fig. 6.8-b Fig. 6.8-c En el esquema de mando Fig. 6.8-a se pueden ver las conexiones de los dos fines de carrera de ruptura lenta. No se ha representado el esquema principal por ser de sobra conocido. Bajo los contactores se indica de algún modo (en este caso, una flecha) hacia dónde se dirige Q cuando se activan. Respecto a cómo se comporta este automatismo, es fácil deducirlo de la observación del esquema: cuando cerramos el interruptor S1 y siempre que la pieza Q se encuentre en alguno de los dos extremos, se inicia un ciclo indefinido de idas y retornos. * En muchos casos puede usarse tan sólo un contacto del fin de carrera, como en la Fig. 6.8-c, correspondiente al mismo dispositivo anterior. En este esquema el control se realiza por pulsadores, y los fines de carrera sólo limitan el recorrido. * Cuando el activado de fin de carrera actúa sobre dos elementos cuya acción debe ser simultánea, usaremos uno de ruptura brusca. En la Fig. 6.9 se han aplicado dos de ellos en el mando de un pequeño elevador eléctrico. El motor tiene acoplado en su eje un freno eléctrico que debe bloquear el conjunto en el mismo instante en el que el motor deja de recibir tensión. Cuando el freno Y no recibe tensión, el eje está libre. El movimiento se controla por medio de un interruptor S de tres posiciones (subir-paro-bajar). Fig. 6.9-a FJRG 110929 Fig. 6.9-b 19 IES Fr. Martín Sarmiento Dpto. de Electricidad AUTOMATISMOS ELÉCTRICOS INDUSTRIALES - 4 Aparatos de maniobra automática-1 Datos eléctricos. Los datos eléctricos de un fin de carrera no difieren demasiado de los de un contactor auxiliar. En la Fig. 6.10 tenemos un bloque base al que pueden acoplarse diversos cabezales (de rodillos, de palanca, de presión axial... ). Fig. 6.10 Finales de carrera MONOESTABLES Y BIESTABLES. • F.C. MONOESTABLES Los finales de carrera normales son monoestables, es decir, que si cesa la presión o el empuje mecánico sobre ellos, los resortes internos llevan a los contactos a su posición inicial. • F.C. BIESTABLES En un fin de carrera biestables un contacto puede permanecer de modo indefinido abierto o cerrado a partir del momento en que fue accionado mecánicamente. En la Fig. 6.11 se muestra su símbolo y un modelo de F.C. biestable para máquinas de elevación. Debido a su disposición mecánica interior, las barras sólo pueden estar horizontales o verticales. Si por medio de un empuje vertical se hace girar la barra AA, los contactos se activarán en un lugar determinado del recorrido. Los cuatro cuadrantes son simétricos y la ruptura es brusca. Aplicamos en el ejemplo de la Fig. 6.12 un fin de carrera biestable para el control de las maniobras. Cada piso tiene un pulsador de llamada y la tracción corre a cargo de un motorreductor trifásico. Los finales de carrera S4, S5 y S7 detienen la cabina en cada piso. El S6 registra si en la última maniobra el ascensor subió o bajó, y puede colocarse en cualquier lugar intermedio del recorrido. Fig. 6.11 FINAL DE CARRERA BIESTABLE Fig. 6.12 El esquema de la Fig. 6.12 corresponde al mando del circuito principal anterior. El fin de carrera biestable S6 representa en la situación en la que queda tras una bajada. Es evidente que S3 sólo da orden de subir y Si sólo de bajar. FJRG 110929 20 IES Fr. Martín Sarmiento Dpto. de Electricidad AUTOMATISMOS ELÉCTRICOS INDUSTRIALES - 4 Aparatos de maniobra automática-1 La orden que manda el pulsador central S2 depende del estado de S6. Interruptores "finales de carrera" para circuitos de potencia Al contrario de los otros auxiliares de mando donde los contactos están introducidos en el circuito de mando de los contactores, los que equipan este interruptor "final de carrera" actúan directamente sobre el circuito de potencia. Este elemento auxiliar realiza la seguridad de los aparatos de elevación y manuntención cuando por cualquier motivo, el móvil sobrepasa la carrera prevista. Cuando accidentalmente el móvil alcanza la posición extrema, éste actúa sobre una palanca que provoca la apertura brusca de los polos; después de la desconexión y liberalización del móvil, una intervención manual debe ser efectuada sobre el pulsador de rearme. Fig. 6.13 Nota : Microinterruptores. Ver Fig. 6.14 . Los finales de carrera pueden actuar directamente sobre el circuito principal o sobre el de control, en cuyo caso, la corriente que soportan es muy pequeña, y por esta razón se les denominan microinterruptores. Aunque la función y el principio son los mismos, son más endebles sus contactos y de menor tamaño. Fig. 6.14 7 DETECTORES INDUCTIVOS A) Principio de funcionamiento La tecnología se basa en la variación de un campo electro-magnético al aproximarse un objeto metálico. Dispone para ello, de una bobina cuya frecuencia de oscilación cambia al ser aproximado un objeto metálico a su superficie axial. Esta frecuencia es empleada en un circuito electrónico para conectar un tiristor y con ello, lo que esté conectado al mismo, de forma digital (ON – OFF) o, analógicamente. Si el objeto metálico se aparta de la bobina, la oscilación vuelve a empezar y el mecanismo recupera su estado original. Detectan cualquier objeto conductor (metálico) (hierro, latón, aluminio, cobre, etc.) sin necesidad de contacto: control de presencia o de ausencia, detección de paso, de atasco, de posicionamiento, de codificación y de contaje. Fig. 7.1 FJRG 110929 21 IES Fr. Martín Sarmiento Dpto. de Electricidad AUTOMATISMOS ELÉCTRICOS INDUSTRIALES - 4 Aparatos de maniobra automática-1 B) CONSTITUCIÓN FÍSICA El elemento detector o sensible consiste en un núcleo magnético abierto, que abraza a una bobina. Una corriente de alta frecuencia recorre dicha bobina, y es generada por un rectificador/oscilador. Estos son los bloques que habitualmente constituyen un sensor inductivo, aunque en algunos modelos el amplificador de salida puede estar implementado en otro dispositivo con carcasa independiente, para reducir el tamaño del sensor. Fig. 7.2 C) MODO DE OPERACIÓN Cuando un metal conductor o placa metálica se mueven dentro de un campo magnético, sobre la placa o el metal se generan unas corrientes eléctricas conocidas como corrientes de Eddy o corrientes de Foucault. Este es el principio que usan la mayor parte de los sensores inductivos empleados en la industria. En ellos la bobina sensora está provista de un núcleo descubierto hacia el lado de detección, al aplicar tensión al sensor la bobina produce un campo magnético alterno de alta frecuencia, dirigido hacia el lado activo o sensible. Fig. 7.3 Al acercarse un metal al lado activo, se presenta en éste una inducción parásita y unas corrientes parásitas, las cuales influyen en el circuito oscilador, reduciendo la amplitud de oscilación y reduciendo el consumo de corriente del sensor. Estas señales son tratadas por el circuito rectificador y comparador, emitiendo la correspondiente señal de salida. D) EJECUCIONES ESPECIALES NAMUR Detector Namur Conexionado Fig. 7.4 Son sensores inductivos con salida a dos hilos, que se emplean en áreas con riesgo de explosión, zonas de seguridad intrínseca (atmósferas explosivas). Se diferencian de los convencionales por la ausencia de las etapas comparadora (trigger) y de amplificación, FJRG 110929 22 IES Fr. Martín Sarmiento Dpto. de Electricidad AUTOMATISMOS ELÉCTRICOS INDUSTRIALES - 4 Aparatos de maniobra automática-1 de modo que en la zona con riesgo de explosión se encuentra solo la bobina sensora y en una zona segura se encuentra el circuito amplificador que proporciona la salida adecuada. Cuando un objeto se acerca a un sensor tipo NAMUR, éste varía su resistencia interna, provocando un aumento en el consumo de corriente. Esta variación se debe mantener dentro de un margen de seguridad (representado en la gráfica) que indica la norma DIN 19 234. El amplificador exterior se encarga de evaluar este cambio y convertirlo en una señal digital. Su apariencia externa es similar a un sensor inductivo normal. FORMA DE ANILLO La bobina sensora consiste en un núcleo de ferrita en forma de anillo con una bobina interna. El oscilador se atenua en el momento en que se introduce en el anillo un objeto metálico. Este tipo de sensores es adecuado, para la detección sin contactos de pequeñas piezas metálicas que son conducidas por un tubo transportador, el cual pasa a través del anillo sensor. Fig. 7.5 FORMAS DE HORQUILLA Los sensores de proximidad tipo horquilla poseen una hendidura en la que se disponen dos bobinas osciladoras opuestas. El sensor detecta objetos metálicos situados en la horquilla. Estos sensores se usan en aplicaciones que requieren alta repetibilidad del punto de conmutación (contaje de revoluciones de un engranaje). Fig. 7.6 OTRAS EJECUCIONES Existen otros tipos de sensores inductivos, se basan en el mismo principio de funcionamiento, pero con características particulares en función de la aplicación en la cual van a ser empleados algunos casos son: - - Sensores inductivos a prueba de campos magnéticos, se emplean en zonas cercanas a los equipos de soldadura, sus propiedades eléctricas y mecánicas exceden con mucho a las de un sensor corriente. Sensores inductivos para elevadas temperaturas, pueden cubrir márgenes de hasta 200 grados centigrados. Sensores inductivos para elevadas presiones, pueden llegar a soportar presiones de hasta 800 bar. Sensores inductivos para grandes alcances, como la distancia de detección viene determinada por el tamaño de la bobina principalmente, estos sensores usan grandes bobinas para tener un alcance mayor. Fig. 7.7 E) VENTAJAS E INCONVENIENTES Los detectores de proximidad inductivos aportan numerosas ventajas y algunas desventajas: Las ventajas de estos detectores sobre el fin de carrera convencional son notables: no encierran ninguna pieza móvil; sencillez en el ajuste ; durabilidad independiente del número de ciclos de maniobra (ninguna pieza móvil y, por tanto, sin desgaste mecánico, contactos de salida estáticos), poseen una duración de vida independiente del número y de la frecuencia de maniobras; no son afectados por ambientes húmedos, corrosivos, viscosos, polvorientos, abrasivos, corrosivos. FJRG 110929 Total estanqueidad. Elevada frecuencia de conmutación (pueden superar el millón de maniobras/hora). 23 IES Fr. Martín Sarmiento Dpto. de Electricidad AUTOMATISMOS ELÉCTRICOS INDUSTRIALES - 4 Aparatos de maniobra automática-1 tienen un tiempo de respuesta muy corto, por tanto una cadencia de funcionamiento elevada; realizan con gran fiabilidad la conmutación de corrientes pequeñas; permiten controlar móviles donde la velocidad no está limitada; pueden ser utilizados en automatismos alimentados en corriente continua. compatibilidad con los automatismos electrónicos gracias a la posibilidad de cadencias elevadas, detección de objetos frágiles, recién pintados, etc. Fig. 7.8 ventajas E INCONVENIENTES DE LOS DETECTORES inductivos F) APLICACIONES Debido a su mayor sencillez en el ajuste, los detectores inductivos son muy utilizados en una gran variedad de aplicaciones industriales. Fig. 7.9 Las principales aplicaciones de los sensores inductivos son la detección de piezas metálicas. Debido a su funcionamiento, en el que detectan los objetos sin contacto físico, permiten el contaje, analizar su posición y forma de objetos metálicos, se pueden emplear en la industria alimentaria, ya que no interfiere en los productos. Fig. 7.10 Este tipo de sensores son ampliamente usados en industrias, como las relaccionadas con el automóvil, debido a que la mayoría de las piezas empleadas son metálicas. FJRG 110929 24 IES Fr. Martín Sarmiento Dpto. de Electricidad AUTOMATISMOS ELÉCTRICOS INDUSTRIALES - 4 Aparatos de maniobra automática-1 Fig. 7.11 Los sensores inductivos debido a su elevada conmutación del punto de trabajo se pueden emplear para determinar el sentido de giro y número de vueltas de un engranaje o eje. G) SIMBOLOGÍA SENSORES DE 2 HILOS Fig. 7.12 SENSORES DE 3 HILOS Fig. 7.13 SENSORES DE 4 HILOS Fig. 7.14 FJRG 110929 25 IES Fr. Martín Sarmiento Dpto. de Electricidad AUTOMATISMOS ELÉCTRICOS INDUSTRIALES - 4 Aparatos de maniobra automática-1 8 DETECTORES CAPACITIVOS A) Principio de funcionamiento: Consta de una sonda situada en la parte posterior de la cara del sensor el cual es una placa condensadora. Al aplicar corriente al sensor, se genera un campo electrostático que reacciona a los cambios de la capacitancia causados por la presencia de un objeto. Cuando el objeto se encuentra fuera del campo electrostático, el oscilador permanece inactivo, pero cuando el objeto se aproxima, se desarrolla un acoplamiento capacitivo entre éste y la sonda capacitiva. Cuando la capacitancia alcanza un límite especificado, el oscilador se activa, lo cual dispara el circuito de encendido y apagado. Los sensores de proximidad inductivos y capacitivos están basados en el uso de osciladores, en los que la amplitud de oscilación varía al aproximar un objeto. Fig. 8.1 CIRCUITO DISPARADOR Este circuito (trigger o switching circuit) compara la señal que le proporciona el rectificador con una señal umbral que cambia ligeramente dependiendo del estado de activación, creando así la histéresis del sensor de proximidad. CIRCUITO OSCILADOR Fig. 8.2 ETAPA DE SALIDA La etapa de salida acondiciona la señal proporcionada por el circuito comparador a los valores de tensión o corriente normalizados, activando o desactivando la salida según corresponda. CIRCUITO RECTIFICADOR La señal alterna recibida del oscilador es convertida por medio del circuito rectificador, de manera que la aproximación del objeto al sensor se traducirá en una variación de una señal de corriente continua. POTENCIOMETRO La sensibilidad (distancia de detección) de la mayoría de los sensores de proximidad capacitivos puede ajustarse por medio de un potenciómetro (resistencia variable). De esta forma es posible eliminar la detección de ciertos medios (por ejemplo, es posible determinar el nivel de un líquido a través de la pared de vidrio de su recipiente). Entre un electrodo "activo" y uno puesto a tierra, se crea un campo electrostático disperso. Para contrarrestar las influencias que pueda ocasionar la humedad, se suele disponer un tercer electrodo que lo compense. FJRG 110929 26 IES Fr. Martín Sarmiento Dpto. de Electricidad AUTOMATISMOS ELÉCTRICOS INDUSTRIALES - 4 Aparatos de maniobra automática-1 Si un objeto o un medio (metal, plástico, vidrio, madera, agua) irrumpe en la zona activa de conmutación, la capacitancia del circuito resonante se altera. Al aumentar la capacidad, la corriente en el circuito oscilador también aumenta (que es el que suministra la alta frecuencia). El rectificador simplemente convierte la señal alterna en continua. Cuando esta señal alcance un determinado valor, actuará el circuito disparador (Trigger) que controla si la señal proveniente del rectificador corresponde al nivel de referencia necesario para conmutar el dispositivo de salida. Fig. 8.3 Fig. 8.4 La distancia de conmutación es una función resultante del tipo, longitud lateral y grosor del material utilizado. Muchos metales producen aproximadamente el mismo valor. Los detectores capacitivos son adecuados para detectar objetos o productos no metálicos de cualquier tipo (papel, vidrio, plástico, líquido, madera, etc.). Fig. 8.5 Fig. 8.6 Fig. 8.7 Fig. 8.8 B) APLICACIONES FJRG 110929 27 IES Fr. Martín Sarmiento Dpto. de Electricidad AUTOMATISMOS ELÉCTRICOS INDUSTRIALES - 4 Aparatos de maniobra automática-1 Gracias a su propiedad de reaccionar con una amplia gama de materiales, el sensor de proximidad capacitivo es más universal en aplicaciones que el inductivo, pero este tipo de sensores es más sensible a perturbaciones, por ejemplo, su sensibilidad con respecto a la humedad es muy elevada, debido a la elevada constante dieléctrica del agua (81). Fig. 8.7. Sin embargo, están muy indicados para la detección de objetos a través de una pared no metálica (la constante dieléctrica del material a detectar debe ser por lo menos 4 veces el de la pared y el grosor de la pared debe ser inferior a 4 mm). Fig. 8.8 Aunque, por razones de coste, en la detección de objetos metálicos se prefieren generalmente los sensores de proximidad inductivos a los capacitivos. Otra aplicación es la detección de personal: cuando el operador de una máquina se acerca demasiado, se para la máquina, en previsión del posible accidente. Fig. 8.9 Fig. 8.9 Para la detección de vehículos, en semáforos se utilizan sensores inductivos. Los sensores capacitivos podrían realizar esta tarea, con mejor repuesta para los vehículos lentos. Fig. 8.10 Fig. 8.10 Los objetos de goma, cuero, plástico y otros materiales, son difíciles de detectar por sensores ópticos de reflexión directa y la utilización de sensores ultrasónicos puede resultar excesivamente costosa, por lo que también están indicados los capacitivos. También son adecuados para la detección de materiales pulverulentos o granulados en contenedores o silos. También es posible verificar el volumen de llenado en contenedores de productos alimenticios a través de cajas selladas. Fig. 8.11 Fig. 8.11 Fig. 8.12 Alimentación: Detección del nivel alto y bajo FJRG 110929 Fig. 8.13 Embalaje: Detección de presencia de objeto 28 IES Fr. Martín Sarmiento Dpto. de Electricidad AUTOMATISMOS ELÉCTRICOS INDUSTRIALES - 4 Aparatos de maniobra automática-1 C) VENTAJAS E INCONVENIENTES Los detectores de proximidad capacitivos aportan numerosas ventajas y algunas desventajas: Fig. 8.14 VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LOS DETECTORES CAPACITIVOS D) SIMBOLOGÍA SENSORES DE 2 HILOS Fig. 8.15 SENSORES DE 3 HILOS Fig. 8.16 SENSORES DE 4 HILOS Fig. 8.17 FJRG 110929 29 IES Fr. Martín Sarmiento Dpto. de Electricidad AUTOMATISMOS ELÉCTRICOS INDUSTRIALES - 4 Aparatos de maniobra automática-1 FJRG 110929 30 IES Fr. Martín Sarmiento Dpto. de Electricidad
