Manejo de los temporizadores On Delay y Off Delay - Laboratorio Nº 3

Curso: Controles Eléctricos y Automatización
Facultad: Ingeniería Electrónica UNMSM
Ciclo: 2011-I

1.- Objetivos

• Familiarizar al alumno en el uso de los circuitos temporizadores.

• Reconocer los diferentes tipos de temporizadores.

• Realizar esquemas eléctricos de los problemas propuestos.

2.- Requerimientos de herramientas y materiales

• Destornillador plano o estrella

• Alicate de punta

• Multímetro

• Extensión

• Cinta aislante

3.- Parte Experimental

3.1.- Manejo de un piloto luminoso mediante un temporizador ON DELAY - Implemente el siguiente circuito

Elementos utilizados:

• 1 contactor

• 1 pulsador NA

• 1 temporizador ON DELAY

• 1 piloto luminoso

Explique su funcionamiento:

Tal como se pudo observar en la experiencia de laboratorio, el temporizador ON DELAY es un módulo que se engancha en la parte superior del contactor, para que trabaje con este de manera conjunta. Si traducimos al español ON DELAY, significaría retardo en encendido, pues es así como trabaja este dispositivo, empezando a trabajar una vez que la bobina del contactor haya sido energizada. Es desde este momento que el temporizador comienza a contar hasta el tiempo prefijado por el ajuste de la perilla que se encuentra en la parte superior del mismo, creando un retardo, que al finalizar cerrará su contacto normalmente abierto y abrirá el normalmente cerrado, hasta que la bobina de el contactor se encuentre energizada.

Como se pudo observar, este dispositivo permite activar o desactivar algún actuador luego de un período de tiempo preestablecido, permitiéndole al circuito realizar alguna tarea antes de esta acción.

3.2.- Manejo de un piloto luminoso mediante un temporizador OFF DELAY - Implemente el siguiente circuito

Elementos utilizados:

• 1 contactor

• 1 pulsador NA

• 1 temporizador OFF DELAY

• 1 piloto luminoso

Explique su funcionamiento:

Al igual que en el caso anterior, este dispositivo es también un módulo que se engancha en la parte superior del contactor. Si traducimos al español OFF DELAY, significaría retardo en apagado, lo que indicaría, que comenzará a contar una vez que se haya retirado la energía de la bobina del contactor, hasta el tiempo prefijado, cerrando su contacto normalmente abierto y abriendo el normalmente cerrado.

Este dispositivo, podría ser empleado con la finalidad de desactivar o activar alguna acción final después de haber desconectado la bobina del contactor.

3.3.- Problema

Se desea controlar un piloto luminoso para que realice la siguiente secuencia.

Para hacer que el piloto luminoso realice la secuencia anteriormente mostrada hago uso de dos temporizadores ON Delay, cada uno calibrado para que actúe después de 5 segundos. Para tal efecto los conectamos de la siguiente manera:

Al energizarse el circuito, la primera bobina K1 (asociada al temporizador 1) se alimenta a través del contacto NC del segundo temporizador, donde empezará a contar hasta llegar a los cinco segundos. Asimismo, paralelo a la alimentación colocamos en serie un contacto NC del primer temporizador con la lámpara H1, la cual permanecerá encendida hasta que el primer temporizador termine de contar los 5 segundos.

Al finalizar el conteo del primer temporizador, se abrirá el contacto que alimenta la lámpara pasando del estado alto a bajo, y a su vez se cerrará el segundo contacto NA del primer temporizador, que alimentará a la bobina K2 (asociada al temporizador 2).

Una vez que haya sido alimentada la bobina K2, el segundo temporizador comenzará a contar hasta los cinco segundos, donde abrirá el contacto NC del segundo temporizador, donde momentáneamente desconectará a la primera bobina y por consiguiente a la segunda, inmediatamente el contacto asociado a la primera bobina se volverá a cerrar, reiniciándose el proceso.

Cabe señalar, que el circuito se diagramó y simuló en el software CADe SIMU, el cual puede ser descargado desde el siguiente enlace http://personales.ya.com/canalPLC/cade_sim.htm

4.- Cuestionario

4.1.- Esquematice y explique el funcionamiento del circuito estrella – triángulo para arranque de un motor

Sólo es posible utilizar este modo de arranque en motores en los que las dos extremidades de cada uno de los tres devanados estatóricos vuelvan a la placa de bornes. Por otra parte, el bobinado debe realizarse de manera que el acoplamiento en triángulo corresponda con la tensión de la red: por ejemplo, en el caso de una red trifásica de 380 V, es preciso utilizar un motor bobinado a 380 V en triángulo y 660 V en estrella.

El principio consiste en arrancar el motor acoplando los devanados en estrella a la tensión de la red, lo que equivale a dividir la tensión nominal del motor en estrella por raíz de 3.

La punta de corriente durante el arranque se divide por 3:

Is = 1,5 a 2,6 In

Donde:

In = Intensidad nominal

Is = Intensidad de arranque

Un motor de 380 V/660 V acoplado en estrella a su tensión nominal de 660 V absorbe una corriente raíz de 3 veces menor que si se acopla en triángulo a 380 V. Dado que el acoplamiento en estrella se realiza a 380 V, la corriente se divide nuevamente por raíz de 3. Por tanto, se divide por un total de 3.

El par de arranque se divide igualmente por 3, ya que es proporcional al cuadrado de la tensión de alimentación:

Td = 0,2 a 0,5 Tn

Donde:

Tn = Par nominal

Ts = Par de arranque

La velocidad del motor se estabiliza cuando se equilibran el par del motor y el par resistente, normalmente entre el 75 y 85% de la velocidad nominal. En ese momento, los devanados se acoplan en triángulo y el motor rinde según sus características naturales. Un temporizador se encarga de controlar la transición del acoplamiento en estrella al acoplamiento en triángulo. El cierre del contactor de triángulo se produce con un retardo de 30 a 50 milisegundos tras la apertura del contactor de estrella, lo que evita un cortocircuito entre fases al no poder encontrarse ambos cerrados al mismo tiempo.

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. El paso al acoplamiento en triángulo va acompañado de una punta de corriente transitoria, tan breve como importante, debida a la fcem (fuerza contraelectromotriz) del motor.

El arranque estrella-triángulo es apropiado para las máquinas cuyo par resistente es débil o que arrancan en vacío.

Dependiendo del régimen transitorio en el momento del acoplamiento en triángulo, puede ser necesario utilizar una variante que limite los fenómenos transitorios cuando se supera cierta potencia:

– temporización de 1 a 2 segundos al paso estrella-triángulo.

Esta medida permite disminuir la fcem y, por tanto, la punta de corriente transitoria.

Esta variante sólo puede utilizarse en máquinas cuya inercia sea suficiente para evitar una deceleración excesiva durante la temporización.

– arranque en 3 tiempos: estrella-triángulo + resistencia-triángulo.

El corte se mantiene, pero la resistencia se pone en serie aproximadamente durante tres segundos con los devanados acoplados en triángulo. Esta medida reduce la punta de corriente transitoria.

– arranque en estrella-triángulo + resistencia-triángulo sin corte.

La resistencia se pone en serie con los devanados inmediatamente antes de la apertura del contactor de estrella. Esta medida evita cualquier corte de corriente y, por tanto, la aparición de fenómenos transitorios.

El uso de estas variantes conlleva la instalación de componentes adicionales y el consiguiente aumento del coste total. En muchos casos, el uso de un arrancador estático de tipo Altistart (arrancador progresivo de estado sólido de la marca Telemecanique) es una solución preferible.

4.2.- Esquematice y explique el funcionamiento del circuito de arranque de un motor por resistencia rotórica

Un motor de anillos no puede arrancar en directo (devanados rotóricos cortocircuitados) sin provocar puntas de corriente inadmisibles. Es necesario insertar en el circuito rotórico resistencias que se cortocircuiten progresivamente, al tiempo que se alimenta el estator a toda la tensión de red.

El cálculo de la resistencia insertada en cada fase permite determinar con rigor la curva de par-velocidad resultante:

Para un par dado, la velocidad es menor cuanto mayor sea la resistencia. Como resultado, la resistencia debe insertarse por completo en el momento del arranque y la plena velocidad se alcanza cuando la resistencia está completamente cortocircuitada.

La corriente absorbida es prácticamente proporcional al par que se suministra. Como máximo, es ligeramente superior a este valor teórico.

Por ejemplo, la punta de corriente correspondiente a un par de arranque de 2 Tn es aproximadamente de 2 In. Por tanto, la punta es considerablemente más débil, y el par máximo de arranque más elevado, que en el caso de un motor de jaula, en el que el valor normal se sitúa en torno a 6 In para 1,5 Tn.

El motor de anillos con arranque rotórico se impone, por tanto, en todos los casos en los que las puntas de corriente deben ser débiles y cuando las máquinas deben arrancar a plena carga.

Por lo demás, este tipo de arranque es sumamente flexible, ya que resulta fácil adaptar el número y el aspecto de las curvas que representan los tiempos sucesivos a los requisitos mecánicos o eléctricos (par resistente, valor de aceleración, punta máxima de corriente, etc.).

4.3.- Esquematice y explique el funcionamiento del circuito de arranque de un motor por resistencia  estatórica

El principio consiste en arrancar el motor bajo tensión reducida mediante la inserción de resistencias en serie con los devanados.

Una vez estabilizada la velocidad, las resistencias se eliminan y el motor se acopla directamente a la red. Normalmente, se utiliza un temporizador para controlar la operación.

Durante este tipo de arranque, el acoplamiento de los devanados del motor no se modifica. Por tanto, no es necesario que las dos extremidades de cada devanado sobresalgan de la placa de bornes.

El valor de la resistencia se calcula en base a la punta de corriente que no se debe superar durante el arranque, o al valor mínimo del par de arranque necesario teniendo en cuenta el par resistente de la máquina accionada.

Generalmente, los valores de corriente y de par de arranque son:

Is = 4,5 In

Ts = 0,75 Tn

Durante la fase de aceleración con las resistencias, la tensión que se aplica a las bornes del motor no es constante.

Equivale a la tensión de la red menos la caída de tensión que tiene lugar en la resistencia de arranque.

La caída de tensión es proporcional a la corriente absorbida por el motor. Dado que la corriente disminuye a medida que se acelera el motor, sucede lo mismo con la caída de tensión de la resistencia. Por tanto, la tensión que se aplica a las bornes del motor es mínima en el momento del arranque y aumenta progresivamente.

Dado que el par es proporcional al cuadrado de la tensión de las bornes del motor, aumenta más rápidamente que en el caso del arranque estrella-triángulo, en el que la tensión permanece invariable mientras dura el acoplamiento en estrella.

Este tipo de arranque es, por tanto, apropiado para las máquinas cuyo par resistente crece con la velocidad, por ejemplo los ventiladores.

Su inconveniente consiste en que la punta de corriente es relativamente importante durante el arranque. Sería posible reducirla mediante el aumento del valor de la resistencia, pero esta medida conllevaría una caída de tensión adicional en las bornes del motor y, por tanto, una considerable reducción del par de arranque.

Por el contrario, la eliminación de la resistencia al finalizar el arranque se lleva a cabo sin interrumpir la alimentación del motor y, por tanto, sin fenómenos transitorios.

4.4.- Esquematice y explique el funcionamiento  del circuito de arranque de un motor por auto transformador

El motor se alimenta a tensión reducida mediante un autotransformador que, una vez finalizado el arranque, queda fuera del circuito.

El arranque se lleva a cabo en tres tiempos:

– en el primer tiempo, el autotransformador comienza por acoplarse en estrella y, a continuación, el motor se acopla a la red a través de una parte de los devanados del autotransformador. El arranque se lleva a cabo a una tensión reducida que se calcula en función de la relación de transformación. Generalmente, el transformador está dotado de tomas que permiten seleccionar la relación de transformación y, por tanto, el valor más adecuado de la tensión reducida.

– antes de pasar al acoplamiento a plena tensión, la estrella se abre. En ese momento, la fracción de bobinado conectada a la red crea una inductancia en serie con el motor. Esta operación se realiza cuando se alcanza la velocidad de equilibro, al final del primer tiempo.

– el acoplamiento a plena tensión interviene a partir del segundo tiempo, normalmente muy corto (una fracción de segundo). Las inductancias en serie con el motor se cortocircuitan y, a continuación, el autotransformador queda fuera del circuito. La corriente y el par de arranque varían en la misma proporción. Se dividen por (U red / U reducida)² y se obtienen los valores siguientes:

Is = 1,7 a 4 In

Ts = 0,5 a 0,85 Tn

El arranque se lleva a cabo sin interrupción de corriente en el motor, lo que evita que se produzcan fenómenos transitorios.

No obstante, si no se toman ciertas precauciones pueden aparecer fenómenos transitorios de igual naturaleza durante el acoplamiento a plena tensión. De hecho, el valor de la inductancia en serie con el motor tras la apertura de la estrella es importante si se compara con la del motor. Como consecuencia, se produce una caída de tensión considerable que acarrea una punta de corriente transitoria elevada en el momento del acoplamiento a plena tensión. El circuito magnético del autotransformador incluye un entrehierro que disminuye el valor de la inductancia para paliar este problema. Dicho valor se calcula de modo que, al abrirse la estrella en el segundo tiempo, no haya variación de tensión en las bornes del motor.

El entrehierro aumenta la corriente magnetizante del autotransformador. Dicha corriente aumenta la corriente solicitada en la red durante el primer tiempo del arranque.

Este modo de arranque suele utilizarse en los motores con potencia superior a 100 kW. Sin embargo, el precio de los equipos es relativamente alto debido al elevado coste del autotransformador.

Bibliografía:

• Telemecanique (1999). Manual Electrotécnico Telesquemario Tecnologías de Control Industrial, España: Schneider Electric España, S.A. Cap. 2.