Unitat 3. Comandament, regulació i maniobres
Resultats d'aprenentatge
En acabar la unitat, heu de ser capaços del següent:
Relacionar els diferents elements que configuren els automatismes elèctrics amb les funcions que fan.
Identificar els components i dispositius utilitzats en automatismes cablats i programables, a partir d'esquemes i documentació tècnica.
Diferenciar entre la part de comandament i la part de potència en automatismes cablats i programables, a partir d'esquemes i documentació tècnica.
Elaborar la documentació tècnica de projectes d'automatismes cablats o programables, a partir del quadern de càrregues.
Dimensionar elèctricament els components i parts d'un equip automàtic, a partir de les especificacions de projecte.
Seleccionar dispositius i materials en catàlegs tecnicocomercials, a partir de les especificacions de projecte.
Identificar els efectes de disfuncions i avaries en instal·lacions automàtiques.
Relacionar cada part de les instal·lacions automàtiques amb les funcions que fan i els efectes observables en cas de mal funcionament.
Localitzar components o dispositius que són causa d'avaria.
Material didàctic
Resum
Components dels sistemes de comandament i regulació
Un automatisme elèctric neix de la necessitat de controlar una màquina sense una intervenció continuada de l'operador humà, amb seguretat i eficàcia. En qualsevol automatisme elèctric hi haurà sempre tres parts diferenciades:
Un nivell d'entrada de senyals, formada per elements que capten informació del sistema o instal·lació.
Un nivell de tractament, en què destaquen tots els elements que, degudament connectats, fan possible l'automatització del sistema.
Un nivell de sortida on es dirigeixen els senyals cap als actuadors o receptor.
Components dels sistemes de comandament i regulació. Dispositius per al tractament d'automatismes cablats
Pel que fa al tractament de l'automatisme destaquen:
- Els contactors.
- Els relés de comandament.
- Els relés temporitzadors.
El contactor és, en essència, un dispositiu de connexió i desconnexió per activar o desactivar un motor, una instal·lació o diferents receptors alimentats a una determinada xarxa de tensió, i intervenen directament en un circuit de potència. Però és la seva intervenció en un circuit de maniobra, mitjançant la bobina i els contactes auxiliars, el que fa possible aquesta actuació sobre la potència.
Bàsicament un contactor està format per un electroimant i una sèrie de contactes principals o de potència, dimensionats per corrents elevats; a més d'uns contactes auxiliars per actuar directament en la maniobra que asseguren enclavaments, senyalitzacions, etc. Els primers són contactes oberts en repòs, i els segons poden ser oberts o tancats en repòs. Tots canvien el seu estat de repòs en connectar la bobina del contactor a la tensió.
Un altre element destacat en el tractament d'automatismes elèctrics és el relé de comandament. El relé és un element estructuralment igual que el contactor, però sense contactes principals o de potència i amb el mateix funcionament. En connectar la bobina del relé a tensió, commutaran tots el contactes auxiliars de què disposa el relé. Pot tenir diverses aplicacions, com l'enclavament de circuits, l'accionament d'electrovàlvules o el comandament de senyalitzacions.
Els relés temporitzadors són també elements utilitzats per al tractament d'automatismes elèctrics. Son relés amb una sèrie de contactes que commuten la seva posició de repòs, en funció d'un temps ajustat prèviament.
En funció del retard aplicat als contactes en connectar o desconnectar l'alimentació al relé temporitzador hi ha tres tipus de funcionament: a la connexió, a la desconnexió o a la connexió-desconnexió.
El relé temporitzador a la connexió commutarà la posició del seus contactes un temps després de l'alimentació.
En el relé temporitzador a la desconnexió els contactes commuten en el moment de l'alimentació, i tornen a la posició de repòs un temps després de l'eliminació de l'alimentació.
El temporitzador a la connexió-desconnexió és una combinació del dos primers.
Components dels sistemes de comandament i regulació. Dispositius d'accionament i detecció
Si ens centrem en els elements que intervenen en el nivell d'entrada trobem, per un costat, els dispositius d'accionament manual, com polsadors, interruptors i commutadors, dispositius que tanquen o obren contactes elèctrics en ser accionats per un operador humà.
Per l'altre costat trobem els elements de detecció: final de cursa, detectors de proximitat, detectors fotoelèctrics pressòstats i termòstats. Són dispositius que donaran, en definitiva, un senyal d'entrada a l'automatisme, en activar-se.
Els finals de cursa detecten la posició d'un objecte en el moment que hi ha un contacte físic amb aquest.
Els detectors de proximitat poden tenir la mateixa aplicació que el fi de cursa, però sense necessitat de contacte físic, només per proximitat.
Els detectors fotoelèctrics detecten objectes quan aquests s'interposen entre un emissor de llum (generalment no visible) i un receptor d'aquesta.
El pressòstat detecta una pressió d'aire o l'absència d'aquesta.
Un termòstat detecta una determinada temperatura.
Perquè el senyal de sortida de l'automatisme sigui operatiu cap als receptors es fan servir borns o pastilles de connexions, que uneixen elèctricament les connexions de l'interior d'un quadre elèctric amb els actuadors o receptors externs.
Circuits de comandament i regulació. Simbologia
Un circuit de comandament es representa amb un o diversos esquemes. Els elements que formen part de l'esquema es representen amb un símbol característic, subjecte a una normativa, que a Espanya es basa en la norma UNE, i a Europa en la norma EN elaborada pel CEN. La unificació de normes i símbols garanteix una "lectura" única per part de qualsevol tècnic.
Els símbols són molts i variats, però en automatismes destaquen els empleats en la representació de contactes, elements de comandament de control (bobines), comandaments mecànics i elèctrics d'elements d'accionament, senyalitzacions i màquines.
Circuits de comandament i regulació. Identificació dels elements
Tots els símbols que formen part d'un esquema s'identifiquen amb el següent:
- Una lletra que indica el tipus d'aparell.
- Un número que el diferencia d'altres aparells dins de l'esquema.
- Una lletra final que indica el tipus de funció associada a l'element (opcional).
Així doncs, el K3M serà un contactor principal d'un circuit de potència i, concretament, el número 3 dins d'un esquema.
Circuits de comandament i regulació. Referenciació dels borns
La referenciació és la identificació dels borns amb un número o amb una lletra i un número segons l'element. Aquesta identificació és la que indica, de manera expressa, el fabricant sobre l'aparell mateix al costat de cada born de l'aparell.
En els contactes principals la referència o identificació es fa amb un sol nombre, que serà sempre imparell en el born d'entrada (dalt), i amb el nombre immediatament superior en el born de sortida (baix).
Tots els contactes auxiliars o d'elements d'accionament són marcats amb un nombre de dues xifres:
La primera xifra indicarà el número d'ordre o la posició del contacte sobre l'aparell.
La segona xifra indica quin tipus de funció té el contacte, d'obertura o de tancament. Acaba en 1 i 2 per als contactes NC i en 3 i 4 per als contactes NO.
Per completar un esquema d'un circuit de potència s'ha de tenir present:
L'alimentació es referencia: L1, L2, L3 per als conductors de fase, N per al conductor de neutre i PE per al conductor de protecció.
Borns de motors elèctrics: U, V, W per als borns d'entrada de les bobines; Z, X, Y per als borns de sortida de les bobines; i K, L, M per als borns de bobines d'un rotor bobinat.
Circuits de comandament i regulació. Esquemes d'automatismes
Un esquema és la representació gràfica d'un circuit en la qual es poden interpretar les connexions dels diferents components amb els seus símbols i les seves referències, i fins i tot deduir-ne el funcionament.
La representació més comuna d'un automatisme, és la que es fa d'acord amb dos esquemes:
L'esquema del circuit de potència, en què es representen els dispositius de protecció, els contactes principals dels contactors i els motors o actuadors, des del punt de vista de l'alimentació d'una xarxa elèctrica.
L'esquema del circuit de comandament o maniobra, en què es representen els òrgans de comandament dels contactors, relés de comandament i la resta d'aparells comandats elèctricament, amb els seus contactes auxiliars. També es representen els elements d'accionament i detecció, i també els dispositius de senyalització.
Circuits de comandament i regulació. Esquemes bàsics
Hi ha una sèrie d'esquemes bàsics que faciliten el disseny d'altres esquemes amb més dificultat.
Un dels esquemes característics del control d'un contactor és el circuit de realimentació, amb el qual s'aconsegueix activar de manera permanent un contactor de potència o un relé amb un polsador NO i un polsador NC.
Destaca també la representació esquemàtica de les senyalitzacions, que pot ser:
Senyalització lluminosa amb la indicació en tensió: informa sobre la posada en tensió de tota una instal·lació.
Senyalització lluminosa amb la indicació en marxa: informa sobre l'activació d'un contactor.
Senyalització lluminosa amb la indicació aturada: informa sobre la desconnexió o aturada d'un contactor.
Senyalització lluminosa amb la indicació avaria: informa sobre el disparament d'un element de protecció que ha d'aturar la màquina i, al mateix temps, senyalitzar l'anomalia.
Circuits de comandament i regulació. Muntatge i cablatge
Les fases de treball del muntatge d'un quadre d'automatisme es poden resumir en les següents:
Elecció del quadre: determinar les dimensions, tipus de quadre, el tipus de placa per a la fixació dels elements i els elements que constitueixen el conjunt del quadre.
Fixació mecànica dels elements auxiliars dels aparells de l'automatisme dins del quadre i en la porta.
Cablatge o muntatge elèctric dels aparells.
Comprovació del quadre d'automatisme.
El mètode per al cablatge o connexió elèctrica està basat en l'edició d'una llista de cables o connexions segons el seguiment de la referenciació dels borns de connexió dels aparells, marcats en els esquemes de potència i maniobra.
En la llista de connexions d'un esquema de maniobra s'ha de tenir present la proximitat física entre els elements del quadre, quan hi ha més d'una possibilitat de connexió entre els borns dels aparells de l'interior en la placa i la porta del quadre.
Circuits de comandament i regulació. Consideracions per al muntatge dels conductors elèctrics
Les normes bàsiques per al muntatge del cablatge elèctric són:
Els cables se situaran dins de les canals sense que estiguin forçats i sense encreuaments.
La sortida dels cables per les canals obertes o perforades es farà per la part de dalt o de baix dels aparells, perpendicularment al born de l'aparell, i s'evitaran les sortides horitzontals o en diagonal.
Si un quadre no té canals de fixació, es faran agrupacions de cables amb brides o cintes espirals.
Els conductors de potència suporten un corrent elevat, i cal facilitar-ne la ventilació.
En un mateix born de connexió o pastilla no es connectarà mai més d'un conductor de potència.
Els conductors no passaran mai per la part superior dels aparells.
Tots els conductors portaran punteres o terminals, adients a la seva secció.
Sistemes d'arrencada de motors elèctrics de CA i CC
Moltes aplicacions industrial depenen de l'arrencada i control d'un motor elèctric. Els motors poden ser de corrent altern o corrent continu, de petita, mitjana o gran potència, d'engegada amb càrrega o sense, i constructivament diferents els uns dels altres. Aquesta varietat fa indispensable conèixer el diferents tipus d'arrencades i els esquemes representatius que tenen.
Esquemes de circuits d'arrencada de motors de CA
Bàsicament el sistema d'arrencada de motors de CA dependrà de la seva potència i la seva aplicació. En aquest sentit podem controlar una màquina amb el següent:
- Una arrencada directa.
- Amb possibilitat de canvi en el sentit de gir.
- Arrencada per un motor de gran potència.
- Amb possibilitat de variar la velocitat.
L'arrencada directa s'esdevé quan es connecta el motor, inicialment aturat, directament a la xarxa d'alimentació elèctrica, sense fer servir cap dispositiu per limitar la intensitat. Els elements mínims necessaris seran un element de protecció del motor, un contactor i els polsadors encarregats de la posada en marxa i l'aturada. L'esquema representatiu de maniobra és bàsicament el d'un circuit de realimentació d'un contactor, i el de potència representarà el motor controlat directament pels contactes de potència del contactor amb les proteccions adients.
Per representar en un esquema la inversió del sentit de gir d'un motor és necessari canviar l'ordre o la disposició de dues fases de l'alimentació en el circuit de potència. Seran necessaris, doncs, com a mínim per als motors trifàsics, dos contactors de potència, un per cada sentit de gir. El circuit de maniobra es podrà dissenyar amb l'obligatorietat d'aturar la màquina abans de cada sentit, o sense aturada obligatòria.
Els motors de potència superiors a 0,75 kW o aquells amb un valor determinat per a la relació entre la intensitat d'arrencada i la intensitat nominal, superior al que disposa el Reglament electrotècnic de la ITC-BT 47, estaran obligats a disposar de sistemes d'arrencada per limitar la intensitat precisament en l'engegada. Els sistemes més representatius són:
- Arrencada estrella-triangle.
- Arrencada per resistències estatòriques.
- Arrencada per autotransformador.
- Arrencada per resistències rotòriques.
L'arrencada estrella-triangle consisteix a connectar mitjançant contactors un motor que en una arrencada directa ho faria en triangle, i en estrella durant el període d'engegada; una vegada estabilitzat el motor es connectaria en triangle. Seran necessaris per al disseny d'aquest sistema tres contactors: un per a l'alimentació directa, un altre que connectarà en el circuit de potència el motor en estrella i un altre que ho farà en triangle. El circuit de maniobra més comú és amb la utilització d'un relé temporitzador per al canvi d'estrella a triangle.
L'arrencada per resistències estatòriques consisteix a connectar resistències en sèrie amb les bobines de l'estator, de manera que la tensió d'alimentació en el moment de l'engegada sigui menor, i en disminueixi també la intensitat. Amb l'estabilització del motor s'eliminen les resistències. El nombre de contactors necessaris variarà segons el nombre de trams de resistències que es fan servir. L'eliminació d'aquestes resistències es fa en la maniobra per mitjà de relés temporitzadors.
El sistema d'arrencada per autotransformador consisteix a reduir la tensió d'alimentació (aproximadament un 70%) en el moment de l'engegada, amb un autotransformador connectat als borns del motor, eliminant-lo i connectant la tensió directa quan el motor arriba a un règim de funcionament nominal. Normalment es fan servir tres contactors en el circuit de potència: un per connectar l'autotransformador en estrella, un altre per donar tensió al motor mitjançant l'autotransformador, i un altre per a l'alimentació directa.
L'arrencada per resistències rotòriques només és possible en motors de rotor bobinat i consisteix a connectar resistències en sèrie amb les bobines del rotor, de manera que es redueix la intensitat en el moment de l'engegada i es disminueix el valor del corrent en el rotor. Les resistències s'eliminen progressivament, a mesura que s'arriba al règim nominal de funcionament del motor. Seran necessaris un contactor per a l'alimentació directa i un per a cada tram de resistències a connectar.
Esquemes per a la regulació de la velocitat de motors de CA
En la practica els dos sistemes per variar la velocitat són:
Variar el nombre de pols, amb la utilització de motors de debanats independents o de connexió Dahlander.
Modificar el valor de la freqüència amb un variador de freqüència.
En el motor de debanats independents, cada debanat que porta internament el motor està dissenyat per a una velocitat determinada, i de manera separada es podrà fer servir segons les necessitats.
La connexió Dahlander consisteix a donar tensió als borns U1, V1 i W1 de la placa de connexions del motor, connectant en triangle els tres debanats, per obtenir una velocitat lenta. O donar tensió als borns U2, V2 i W2 curtcircuitant els borns U1, V1 i W1 per obtenir la velocitat ràpida. A cada connexió correspon en la pràctica l'obtenció d'un nombre diferent de pols, més gran en la velocitat lenta i més petit en la velocitat ràpida, amb una relació 2:1.
Els convertidors de freqüència són dispositius de regulació industrial amb possibilitat de modificar tant la freqüència com la tensió per variar la velocitat de motors d'inducció. L'esquema de connexions es determinarà amb la documentació tècnica de cada fabricant.
Arrencada de motors de CC
La utilització del motor de CC en la indústria està justificada per la versatilitat de la màquina en el moment de controlar velocitats, per al motor o controls de posició. Els esquemes de connexió dependran del tipus de màquina, que pot ser:
- Motor d'excitació independent.
- Motor d'excitació en sèrie.
- Motor d'excitació de derivació.
S'ha de tenir present també que en motors de potència elevada s'ha de limitar la intensitat d'arrencada. Per limitar el valor d'aquesta intensitat, cal utilitzar reòstats d'arrencament. Aquesta resistència s'ha d'anar eliminat de manera progressiva a mesura que el motor arriba a la velocitat.
Es poden dissenyar circuits de maniobra i potència per fer una arrencada en la qual l'eliminació d'aquesta resistència es faci de manera automàtica, amb relés temporitzadors en la maniobra, que disminuiran el valor de la resistència fins a l'eliminació total.
En els motors de CC la inversió del sentit de gir en la pràctica es fa generalment canviant la polaritat en les bobines de l'induït o bé amb la utilització de contactors o per mitjà de rectificadors controlats electrònicament.
Esquemes de regulació de velocitat de motor de CC
Per dissenyar els esquemes per variar la velocitat en motors de CC s'ha de tenir present que teòricament es pot fer de dues maneres diferents: variant el valor de la resistència de l'inductor o variant la tensió aplicada. Si es fa amb el primer sistema s'ha de fer servir un reòstat connectat al bobinatge inductor. Si es fa amb el segon serà necessari algun dispositiu per variar la tensió en l'induït; per exemple, un autotransformador.
El sistema més pràctic és la utilització de variadors comercials que fan funcions de regulació de velocitat, a més d'arrencada, canvi del sentit de gir i frenada de la màquina.
Mapa conceptual
Més informació
Bibliografia bàsica
Trigo, V.; Martín, J. C.; Sánchez, P. A. (2001). Automatismos y cuadros eléctricos. Madrid: EDIDEX.
Un llibre de consulta molt apropiat per al nivell de grau mitjà i enfocat directament al tema d'automatismes elèctrics.
Bibliografia complementària
Schneider Electric Espanya (1999). Manual Electrotécnico. Telesquemario. Schneider Electric Espanya.
Un document molt vàlid per ampliar la informació sobre els principals components dels automatismes elèctrics.
Adreces d'interès
http://www.schneiderelectric.es/documentacion.htm
Pàgina oficial de Schneiderelectric en què podem trobar molta informació sobre els dispositius de control i comandament d'automatismes industrials en l'apartat de documentació. Coneixerem les característiques tècniques i l'aspecte real que tenen aquests elements.
Pàgina de Moeller. Descripció detallada amb característiques d'elements i aparells per a l'automatització.
http://www.infoplc.net/Documentacion/documentacion.htm
Pàgina dedicada a l'automatització industrial en què podem trobar en l'apartat de documentació manuals molt útils per ampliar la informació sobre automatització.
http://www.isftic.mepsyd.es/w3/recursos/fp/cacel/CACEL1/menu_1.htm
Pagina web del Ministeri d'Educació per a l'estudi d'automatismes elèctrics, amb un apartat de simulació molt interessant; fins i tot es pot descarregar una aplicació per fer la simulació.
