Automatismos eléctricos cableados

1. Concepto de automatismo cableado

1.1. Lógica cableada y lógica programada

Un automatismo es un conjunto de aparatos que gobierna una máquina o una instalación sin intervención continua de una persona: arranca y para motores, invierte su giro, enciende alumbrados, abre puertas, etc.

• En la lógica cableada, la función se consigue con aparatos electromecánicos (contactores, relés, temporizadores, pulsadores, finales de carrera) unidos por cables. Para cambiar el funcionamiento hay que cambiar el cableado.

• En la lógica programada, la función la realiza un autómata programable o un relé programable; para cambiarla basta con modificar el programa.

La lógica cableada sigue siendo la base de los cuadros de maniobra sencillos y de los circuitos de seguridad, y es la que hay que saber leer y montar.

1.2. Circuito de fuerza y circuito de mando

Todo automatismo tiene dos partes que se dibujan por separado:

2. Aparamenta de maniobra y protección

2.1. El contactor

El contactor es un aparato de maniobra accionado a distancia por un electroimán, capaz de establecer, soportar e interrumpir corrientes en condiciones normales, incluidas las de sobrecarga de servicio. Tiene una sola posición de reposo: mientras su bobina recibe tensión permanece cerrado (contactos abiertos se cierran y cerrados se abren); al quitarle tensión, un resorte lo devuelve al reposo.

Partes principales:

• Electroimán: bobina, núcleo fijo y armadura móvil. En los de corriente alterna el núcleo lleva una espira de sombra (de cortocircuito) que evita la vibración del electroimán en los pasos por cero de la corriente.

• Contactos principales (polos): conectan el receptor en el circuito de fuerza; están dimensionados para la corriente de la carga y disponen de cámaras apagachispas.

• Contactos auxiliares: de poco calibre, se usan en el circuito de mando (autoenclavamiento, enclavamientos, señalización). Pueden ir incorporados o en bloques aditivos acoplados al frontal o al lateral.

Categorías de empleo (UNE-EN 60947-4-1): indican el tipo de carga para la que se elige el contactor, porque la misma corriente es más o menos exigente según la carga.

Un contactor tiene una corriente asignada en AC-1 mayor que en AC-3; para mandar un motor debe elegirse por su valor en AC-3 (o AC-4 si trabaja a impulsos), nunca por el de AC-1.

2.2. Relés auxiliares

El relé auxiliar (contactor auxiliar) funciona igual que un contactor, pero solo tiene contactos de poco calibre y trabaja únicamente en el circuito de mando: multiplica contactos, separa circuitos de distinta tensión, memoriza órdenes o realiza funciones lógicas. Muchos relés llevan contactos conmutados (un común con un contacto cerrado y otro abierto).

2.3. Temporizadores

Un temporizador cambia el estado de sus contactos un tiempo regulable después de recibir (o de perder) la orden. Pueden ser bloques temporizados que se acoplan a un contactor, o relés temporizadores electrónicos independientes.

• Temporizador a la conexión (retardo a la excitación): al dar tensión a la bobina empieza a contar; cuando transcurre el tiempo, sus contactos temporizados cambian. Al quitar la tensión vuelven al reposo instantáneamente. Si se quita la tensión antes de cumplir el tiempo, no se produce ningún cambio.

• Temporizador a la desconexión (retardo a la desexcitación): al dar tensión, sus contactos cambian al instante; al quitarla empieza a contar y, cumplido el tiempo, vuelven al reposo.

• Otras funciones de los relés electrónicos: intermitente (abre y cierra cíclicamente), impulso a la conexión y estrella-triángulo (dos salidas con una pequeña pausa de unas decenas de milisegundos entre la desconexión de una y la conexión de la otra, para que no coincidan).

2.4. Relé térmico

El relé térmico protege al motor contra sobrecargas. Sus elementos sensibles (bimetales) se calientan con la corriente del motor; si esta supera durante cierto tiempo la intensidad a la que está regulado, el relé dispara y abre su contacto auxiliar cerrado, que corta el circuito de mando y desconecta el contactor. No protege contra cortocircuitos, que corresponden a los fusibles o al interruptor automático. Su estudio detallado, junto con el guardamotor, corresponde al tema de motores.

2.5. Pulsadores

El pulsador es un aparato de mando manual que cambia el estado de su contacto mientras se presiona y vuelve al reposo por un resorte al soltarlo.

• Pulsador de marcha: contacto normalmente abierto (NA).

• Pulsador de paro: contacto normalmente cerrado (NC).

• Pulsador doble: lleva un contacto NA y otro NC accionados a la vez.

• Pulsador de parada de emergencia (de seta): contacto NC que queda enclavado al pulsarlo; solo se desenclava con una acción deliberada (girar, tirar o con llave).

Colores de los pulsadores según la UNE-EN 60204-1 (equipo eléctrico de las máquinas):

Si se usa el mismo color (blanco, gris o negro) para funciones distintas, deben distinguirse por otro medio: forma, posición o símbolo. En muchas instalaciones antiguas y en la práctica docente aún se ve verde para marcha y rojo para paro, combinación que la norma admite.

Para los pilotos de señalización se usan: rojo (emergencia), amarillo (situación anormal), azul (acción obligatoria del operador), verde (situación normal) y blanco (significado neutro).

2.6. Finales de carrera

El final de carrera (interruptor de posición) es un aparato de mando accionado mecánicamente por la propia máquina al llegar a una posición: un carro, una puerta, una leva. Su cabeza puede ser de palanca con roldana, de varilla o de pulsador, y suele llevar un contacto NA y otro NC. Se usa para detener un movimiento al final de su recorrido, invertirlo o confirmar una posición. Para funciones de seguridad se emplean finales de carrera de maniobra positiva de apertura, en los que el contacto NC se abre de forma forzada aunque esté soldado. Cuando no puede haber contacto físico se emplean detectores (inductivos, capacitivos, fotoeléctricos).

3. Marcado de bornes

El marcado de bornes de contactores y relés sigue la serie UNE-EN 60947.

3.1. Bobinas

La bobina se marca A1-A2 (en corriente continua, A1 es el positivo).

3.2. Contactos principales

Se marcan con una cifra: los impares son la entrada y los pares la salida: 1-2, 3-4, 5-6 (en algunos aparatos, 1/L1-2/T1, 3/L2-4/T2 y 5/L3-6/T3).

3.3. Contactos auxiliares

Se marcan con dos cifras:

• La cifra de las decenas es el número de orden del contacto en el aparato (1, 2, 3…).

• La cifra de las unidades es la cifra de función:

Ejemplos: 13-14 es el primer contacto, NA; 21-22 es el segundo, NC; 33-34 el tercero, NA; 41-42 el cuarto, NC.

3.4. Contactos temporizados y de protección

La norma fija la cifra de función (5-6 y 7-8 para los contactos temporizados); las decenas 5 y 6 de los bloques temporizados son la numeración habitual de los fabricantes:

• Bloque temporizado a la conexión: 55-56 (NC que se abre al cumplirse el tiempo) y 67-68 (NA que se cierra al cumplirse el tiempo).

• Bloque temporizado a la desconexión: 57-58 (NA) y 65-66 (NC).

• Relé temporizador electrónico con contacto conmutado: 15 (común), 16 (contacto cerrado en reposo) y 18 (contacto abierto en reposo).

• Relé térmico: 95-96 (NC, el que corta el mando) y 97-98 (NA, para señalizar el disparo). Sus bornes de potencia siguen el marcado de los principales (salida 2/T1, 4/T2, 6/T3).

• Relé de uso general con contacto conmutado: 11 (común), 12 (NC) y 14 (NA).

4. Identificación de los aparatos en los esquemas

Cada aparato se identifica con una o dos letras y un número de orden. La primera letra indica la clase de aparato y la segunda, si la hay, su función:

La letra K agrupa relés y contactores; S, los aparatos de mando manual o mecánico. Todos los contactos de un mismo aparato llevan su misma referencia (los contactos 13-14 y 21-22 de KM1 se rotulan KM1, aunque estén dibujados lejos de su bobina). La normativa más reciente de designación (UNE-EN IEC 81346-2) agrupa las letras de otra forma, pero las referencias de la tabla son las más extendidas en los esquemas de automatismos.

5. Esquemas de automatismos

5.1. Tipos de esquema

• Esquema de fuerza: dibuja el recorrido de la energía desde la red al receptor. Puede ser unifilar (un solo trazo representa varios conductores) o multifilar (cada conductor con su línea).

• Esquema de mando desarrollado: dibuja cada circuito de mando entre dos líneas horizontales o verticales que representan la alimentación (fase o L arriba, neutro o N abajo, o L1 y L2), con los contactos en la parte superior y las bobinas en la parte inferior, conectadas al conductor común.

• Esquema de conexiones o de cableado: muestra la posición real de los bornes y los cables, para montar el cuadro.

5.2. Reglas para leer un esquema

1. Los aparatos se dibujan en reposo: sin tensión en las bobinas y sin accionar los pulsadores ni los finales de carrera. Un contacto NA dibujado abierto se cerrará al excitarse su bobina o al pulsarlo.

2. Se sigue cada rama de arriba abajo (de la alimentación a la bobina) y las ramas de izquierda a derecha, numeradas para poder citarlas.

3. Para saber qué hace una bobina, se buscan todos sus contactos por su referencia, en el esquema de mando y en el de fuerza; muchos esquemas indican debajo de cada bobina en qué ramas están sus contactos (referencias cruzadas).

4. Contactos en serie equivalen a una función Y (todos deben estar cerrados); contactos en paralelo, a una función O (basta uno).

6. Circuitos básicos de mando

6.1. Marcha-paro con autoenclavamiento (realimentación)

Rama de mando, en serie desde la fase: contacto 95-96 del relé térmico → pulsador de paro SB1 (NC) → pulsador de marcha SB2 (NA) con el contacto 13-14 de KM1 en paralelo → bobina KM1 (A1-A2) → neutro.

Funcionamiento:

• Al pulsar SB2, la bobina KM1 se excita, se cierran sus contactos principales (arranca el motor) y su contacto auxiliar 13-14, que queda en paralelo con SB2.

• Al soltar SB2, la bobina sigue alimentada a través de 13-14: es el autoenclavamiento o realimentación (el contactor «se mantiene» por su propio contacto).

• Al pulsar SB1 (o al disparar el relé térmico, que abre 95-96), se corta la alimentación de la bobina, el contactor cae y se abre 13-14: el motor se para y no vuelve a arrancar aunque se suelte SB1.

• Si se pulsan a la vez marcha y paro, prevalece el paro, porque SB1 está en serie con todo el circuito. Tras un corte de la red, el motor no rearranca solo al volver la tensión, porque el autoenclavamiento se ha perdido.

Mando desde varios puntos: los pulsadores de paro (NC) se conectan en serie y los de marcha (NA) en paralelo.

6.2. Enclavamientos

Un enclavamiento impide que dos contactores funcionen a la vez cuando eso provocaría un cortocircuito o una maniobra peligrosa (por ejemplo, los dos sentidos de giro).

• Enclavamiento eléctrico: un contacto NC de cada contactor se coloca en serie con la bobina del otro (21-22 de KM2 en la rama de KM1 y 21-22 de KM1 en la de KM2). Mientras uno esté excitado, el otro no puede excitarse.

• Enclavamiento por pulsadores: con pulsadores dobles, el NC de cada pulsador de marcha se intercala en la rama del contactor contrario.

• Enclavamiento mecánico: un dispositivo mecánico une los dos contactores e impide que ambos se cierren a la vez, aunque falle el eléctrico. En los inversores se recomienda usar el eléctrico y el mecánico juntos.

6.3. Inversor de giro de un motor trifásico

Para invertir el sentido de giro de un motor trifásico se intercambian dos fases de su alimentación.

• Fuerza: KM1 conecta L1-L2-L3 al motor en el orden normal; KM2 conecta las mismas fases con dos de ellas cruzadas (por ejemplo, L1 y L3). Un solo relé térmico protege al motor en ambos sentidos.

• Mando: dos ramas marcha-paro con autoenclavamiento (SB2 para un sentido con KM1, SB3 para el otro con KM2), un paro común SB1, y enclavamiento entre KM1 y KM2.

• Si el mando solo tiene enclavamiento eléctrico, para cambiar de sentido hay que pulsar paro antes; con pulsadores dobles puede pasarse de un sentido a otro directamente, aunque el motor sufre una inversión brusca (servicio AC-4).

6.4. Arranque estrella-triángulo automático

Sirve para reducir la corriente de arranque de un motor de jaula: se arranca en estrella y, pasado un tiempo, se pasa a triángulo. El motor debe poder funcionar en triángulo a la tensión de línea de la red (en una red de 400 V, un motor de 400/690 V). Sus fundamentos se estudian en el tema de motores; aquí interesa el automatismo.

• Fuerza: KM1 (contactor de línea) alimenta U1-V1-W1; KM2 (estrella) une entre sí W2-U2-V2; KM3 (triángulo) conecta W2-U2-V2 a las fases de modo que queden U1-W2, V1-U2 y W1-V2 unidos. El relé térmico va en la línea de KM1 o en el circuito de fases del motor.

• Mando: al pulsar marcha se excitan KM1 y KM2 (estrella) y el temporizador KT a la conexión. Cumplido el tiempo, un contacto temporizado NC (55-56) de KT desexcita KM2 y uno NA (67-68) excita KM3 (triángulo).

• Enclavamiento obligado entre KM2 y KM3 (eléctrico y, si es posible, mecánico): si se cerraran juntos habría un cortocircuito. Un relé temporizador específico de estrella-triángulo deja una pequeña pausa entre la apertura de la estrella y el cierre del triángulo.

Lo esencial para el examen

• Fuerza = receptor y contactos principales; mando = bobinas, pulsadores, contactos auxiliares.

• Bobina: A1-A2. Contactos principales: 1-2, 3-4, 5-6 (impar entrada, par salida).

• Auxiliares: decena = orden; unidad = función: 1-2 NC, 3-4 NA, 5-6 NC especial/temporizado, 7-8 NA especial/temporizado. 13-14 NA, 21-22 NC.

• Temporizado a la conexión: 55-56 NC y 67-68 NA; a la desconexión: 57-58 NA y 65-66 NC; relé conmutado 15-16-18.

• Relé térmico: 95-96 NC (corta el mando) y 97-98 NA (señaliza).

• AC-1 cargas resistivas; AC-3 motores de jaula (arranque y paro en marcha); AC-4 impulsos, contracorriente e inversión.

• Temporizador a la conexión: cuenta al excitarse; a la desconexión: cuenta al desexcitarse.

• Autoenclavamiento: contacto NA (13-14) del contactor en paralelo con el pulsador de marcha.

• Varios puntos de mando: paros en serie, marchas en paralelo; prevalece el paro.

• Enclavamiento eléctrico: NC de un contactor en serie con la bobina del otro.

• Inversión de giro: intercambiar dos fases.

• Estrella-triángulo: KM1 línea, KM2 estrella, KM3 triángulo, KT; KM2 y KM3 nunca a la vez.

• Letras: KM contactor, KA relé auxiliar, KT temporizador, SB pulsador, SQ final de carrera, F protección, Q aparato de potencia.

• Colores (UNE-EN 60204-1): marcha blanco preferente, nunca rojo; paro negro preferente, nunca verde; emergencia rojo sobre amarillo.

• Los esquemas se dibujan con los aparatos en reposo.