ud9 automatización eléctrica algebra logica
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APUNTES DE
AUTOMATISMOS
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NEUMÁTICOS E
HIDRÁULICOS
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UD 9 Automatización eléctrica. Relés. Contactores. Simbología eléctrica. Álgebra lógica
9.0 Introducción
9.1 Algebra lógica.
9.1.0 Sistemas de numeración y representación
9.1.1 Álgebra de Boole. Introducción
9.1.2 Operaciones y sus propiedades en el Álgebra de Boole
9.1.3 Tabla de la verdad. Funciones lógicas
9.1.4 Puertas lógicas
9.1.5 Simplificación de sistemas combinacionales. Tabla de Karnaugh
9.2 Automatización eléctrica cableada. Elementos
9.2.0 Introducción
9.2.1 Elementos característicos. Contactor y Relé
9.2.2 Tipos de relé
9.2.3 Simbología eléctrica
9.2.4 Circuitos característicos de mando eléctrico
9.0 Introducción
Un proceso a automatizar requiere tener en cuenta un conjunto de elementos, cada uno de los
cuales realiza su función dentro del proceso. Podríamos representar el proceso con el sistema de
control y estos elementos mediante el gráfico.
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Elementos de entrada de órdenes
Son los que permiten al operador la entrada de datos y órdenes al sistema. Podemos
clasificarlos en dos categorías: binarios y numéricos (o alfanuméricos). Los elementos binarios son
los que nos permiten entrar órdenes del tipo sí/no (cierto/falso, activado/desactivado, etc.). Entre
ellos destaca el pulsador que es el más usado en el entorno industrial, sin embargo, podemos
destacar también los interruptores, los conmutadores, etc.
Los elementos numéricos permiten la entrada de números Los más corrientes son los
preselectores digitales que son elementos con una rueda numerada (habitualmente del 0 al 9) que
se puede hacer girar en uno u otro sentido mediante unos botones; el valor que aparece en el
frontal del preselector es el que se envía al sistema de control.
También destacan los teclados numéricos.
Los elementos alfanuméricos permiten entrar letras y números (a menudo codificados en
código ASCII), en la mayor parte de los casos se trata de teclados.
Elementos de entrada de información
Son elementos del sistema encargados de transmitir el estado en el que se encuentran
diversos factores o elementos que condicionan el funcionamiento del sistema
Los elementos de entrada de información se pueden clasificar según el tipo de señal que
faciliten o según la magnitud que indiquen.
Según el tipo de señal podemos distinguir los binarios, los numéricos y los analógicos.
Los binarios comparan la magnitud con una referencia (umbral) y la salida corresponde al
resultado de la comparación (mayor/menor); un ejemplo podría ser un termostato.
Los numéricos facilitan un código numérico que corresponde al valor de la magnitud leída; un
ejemplo podría ser un codificador de posición axial absoluto (encoder).
Los analógicos dan una señal en forma de tensión eléctrica o de corriente eléctrica proporcional
al valor de la magnitud; por ejemplo podemos citar un transductor de par mecánico. Las
informaciones de tipo analógico se presentan habitualmente en uno de los siguientes cuatro
rangos: 0 a 10 V y -10 a 10 V.
Las señales de corriente eléctrica son de 0-20 mA y 4-20 mA y tienen la ventaja respecto a los
de tensión de no verse afectados por la longitud de los conductores; además el tipo 4-20 mA
facilita la detección de averías dado que el valor 0 mA sólo se puede obtener en caso de mal
funcionamiento. Por estos motivos el tipo 4-20 mA es el más usado en el entorno industrial.
Las magnitudes a detectar o medir son muchas, podemos destacar algunas: Temperatura,
presión, caudal, pH, posición, velocidad, aceleración, fuerza, par mecánico, deformación, corriente
eléctrica, tensión eléctrica, potencia, iluminación, presencia (final de carrera), proximidad
(inductivos, capacitivos,...), etc.
Además podemos incluir dentro de esta categoría los avisos (todos ellos binarios) procedentes
de los preaccionadores; como podrían ser estado de contactores, fusibles, relés térmicos, etc.
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Elementos de salida de información
Se encargan de la comunicación con el operador. Se pueden clasificar de forma similar a los de
entrada de órdenes. Los elementos binarios son los que dan informaciones del tipo sí/no
(cierto/falso, activado/desactivado, etc.). Entre ellos destaca el piloto visualizador, pero también
podemos citar los timbres, las sirenas, etc.
Los elementos numéricos y alfanuméricos permiten la visualización de números o de números
y texto.
Los más sencillos son los displays de 7 segmentos y los displays alfanuméricos, pero también
destacan las pantallas de cristal líquido (LCD) que permiten mensajes más largos y complejos o
los monitores (parecidos a pantallas de ordenador) que permiten presentar gráficos (por ejemplo
sinópticos) fijos o en movimiento.
Preaccionadores y accionadores
Los accionadores son los encargados de llevar a cabo el proceso. A menudo los accionadores
no son directamente conectables al sistema de control y requieren preaccionadores.
Por ejemplo, un motor eléctrico necesita un contactor (o un interruptor) o un variador de
velocidad para poder funcionar, un cilindro neumático necesitará una válvula distribuidora; un
cilindro o un motor hidráulico necesitará una válvula distribuidora o una válvula proporcional; a un
calentador eléctrico le hará falta un contactor o un variador de tensión; etc. Fijémonos que entre
los citados hay elementos binarios (contactor, válvula distribuidora) y elementos de pedido
analógico (variador de tensión, válvulas proporcionales).
Sistema de tratamiento de la información
El sistema de tratamiento de la información establece la forma en que se tienen que combinar
las entradas de información a fin de activar las salidas del proceso. Cuando una misma
combinación de entradas siempre da lugar a la misma combinación de salidas se dice que el
proceso es de tipo combinacional.
9.1 Algebra lógica.
9.1.0 Sistemas de numeración y representación
Todos estamos familiarizados en la vida cotidiana a utilizar el sistema decimal, es decir usando
10 cifras (0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 y 9). En vez de este sistema se podía haber usado arbitrariamente
cualquier otro pero éste fue adoptado, probablemente porque tenemos diez dedos en las dos
manos.
En el sistema decimal, tenemos diez elementos de un digito para expresar cualquier cantidad.
La combinación de estos digitos hace que la posición que ocupa en la cifra que expresa valores
por encima de un digito le confiera un peso o valor determinado, el cual deriva de potencias de
diez.
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Para expresar un número mayor que 9 se ponen dos cifras de lado, la primera de ellas expresa
el número entero de veces que es necesario contar hasta 10 y la segunda el resto que es
necesario añadirle; así podemos contar hasta 99. Para contar hasta más arriba sólo es necesario ir
aumentando el número de cifras.
Por ejemplo 7583 se halla sumando los pesos representativos de cada digito.
7 unidades de millar
5 centenas
8 decenas
3 unidades
7 x 103 + 5 x 102 + 8 x 101 + 3 x 10 0 = 75 83
Así un mismo número puede ser representado en cualquier sistema de numeración que se nos
pueda ocurrir.
Por ejemplo 110101 en base 2
1 x 25 + 1 x 24 + 0 x 23 + 1 x 22 +0 x 21 + 1 x 2 0 = 53 (decimal)
De esta forma sabemos convertir un número de cualquier base a base decimal. Para hacer la
conversión en sentido contrario vamos dividiendo el número por la base deseada hasta llegar a un
cociente de cero; entonces todos los restos obtenidos leídos en orden inverso dan el número
deseado. Así podemos convertir 125 en base 10 a base 2
125 : 2 = 62 resto 1
62 : 2 = 31 resto 0
31 : 2 = 15 resto 1
15 : 2 = 7 resto 1 125 = 1111101
7 : 2 = 3 resto 1
3 : 2 = 1 resto 1
Hasta aquí solo hemos tratado los números enteros. Para pasar números con parte fraccionaria
de una base a otra, tenemos que saber primero que la parte fraccionaria de un número en una
base es tambien parte fraccionaria de ese número en cualquier otra base.
Para pasar la parte fraccionaria de un número en base 10 a base 2 se va multiplicando por 2
dicha parte y anotando el dígito que queda delante de la coma.
Po ejemplo 0,250 base 10 a base 2
0,250 x 2 = 0,500 bit 0
0,500 x 2 = 1,000 bit 1 0,250= 0,01
Si la parte fracionaria no se anula, se puede seguir obteniendo tantos digitos como se desee.
Es posible que el proceso no termine.
Para distinguir los numeros positivos de los negativos ponemos un bit de signo previo al valor
absoluto, generalmente se dedica el bit 0 a los positivos y el bit 1 a los negativos.
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Sistema binario y codigos del sistema binario
Los ordenadores y los autómatas son equipos electrónicos y, como tales, sólo son capaces de
almacenar dos valores que corresponden a los estados con corriente y sin corriente. Por este
motivo estas máquinas trabajan internamente en forma binaria (base 2).
El código binario tiene sólo dos valores (0 y 1), lo que hace que un número escrito en binario
tenga muchas más cifras que en decimal. Por ejemplo 47583 escrito en binario será
1011100111011111.
Los codigos en general se clasifican en dos grandes grupos: PONDERADOS en los que cada
bit tiene un peso valor determinado según su posición y NO PONDERADOS.
Código BCD (Decimal codificado en binario)
A menudo un número tiene que ser representado en un display de salida. En este caso es
habitual escribir este número en código BCD (decimal codificado en binario). Un número en código
BCD consta de una sucesión de grupos de cuatro cifras binarias donde cada bloque es la cifra
decimal correspondiente escrita en binario. Así el número 47583 se escribe en BCD
0100 0111 0101 1000 0011
4 7 5 8 3
Decimal Binario
8421 (Peso del
bit)
0 0000
1 0001
2 0010
3 0011
4 0100
5 0101
6 0110
7 0111
8 1000
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Código biquinario
Es un código ponderado que utiliza 7 bit para cada combinación.
Decimal Biquinario
50 4 3 2 1 0
0 01 0 0 0 0 1
1 01 0 0 0 1 0
2 01 0 0 1 0 0
3 01 0 1 0 0 0
4 01 1 0 0 0 0
5 10 0 0 0 0 1
6 10 0 0 0 1 0
7 10 0 0 1 0 0
8 10 0 1 0 0 0
9 10 1 0 0 0 0
Código Gray
Decimal Gray
0 0000
1 0001
2 0011
3 0010
4 0110
5 0111
6 0101
7 0100
8 1100
9 1101
10 1111
11 1110
12 1010
13 1011
14 1001
15 1000
Código exceso a 3 (x s 3)
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Se trata de un codigo no ponderado que se obtiene sumando 3 al codigo BCD
Decimal Binario XS3
0 0000 0011
1 0001 0100
2 0010 0101
3 0011 0110
4 0100 0111
5 0101 1000
6 0110 1001
7 0111 1010
8 1000 1011
9 1001 1100
Sistema octal y hexadecimal
A la hora de trabajar con ordenadores y autómatas no es cómodo trabajar en binario y, por
esto, los usuarios pueden trabajar, según los casos, en octal o hexadecimal.
En el sistema hexadecimal (base 16) disponemos de 16 cifras (0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B,
C, D, E y F). Demonos cuenta de que para evitar confusiones en la escritura a las 6 cifras
superiores a 9 se les asigna una letra.
Decimal Octal Hexadecimal Binario
0 0 0 0000
1 1 1 0001
2 2 2 0010
3 3 3 0011
4 4 4 0100
5 5 5 0101
6 6 6 0110
7 7 7 0111
8 10 8 1000
9 11 9 1001
10 12 A 1010
11 13 B 1011
12 14 C 1100
13 15 D 1101
14 16 E 1110
15 17 F 1111
Como ejemplo el número 47583 se escribiría en hexadecimal como B9DF,
B x 163 = 11 x 4096 = 45056
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9 x 162 = 9 x 256 = 2304
D x 161 = 13 x 16 = 208 47583= B9DF
F x 160 = 15 x 1 = 15
En el sistema octal (base 8) trabajamos con dígitos entre 0 y 7. El número 134737 escrito en
octal, valdrá 47583 en decimal
1 x 85 = 1 x 32768 = 32768
3 x 84 = 3 x 4096 = 12288
4 x 83 = 4 x 512 = 2048 47583 = 134737
7 x 82 = 7 x 64 = 448
3 x 81 = 3 x 8 = 24
7 x 80 = 7 x 1 = 7
9.1.1 Álgebra de Boole
El álgebra de Boole describe el conjunto de propiedades que cumplen las funciones básicas de
la lógica. Dado que todos nuestros elementos sólo pueden tener dos valores (1 y 0) podemos decir
que es un álgebra de tipo binario.
Los elementos de entrada de señales a un circuito (pulsadores, interruptores, etc.) pueden
tener dos estados: conectado (cerrado) y desconectado (abierto). Los elementos de salida
(contactores, relés, electroválvulas, etc.) también tienen dos estados: excitado (trabajo) y no
excitado (reposo).
El primer estado (conectado, excitado) lo representamos por 1 y el segundo (desconectado,no
excitado) por 0. Estas cifras (1 y 0) corresponden a la forma que la lógica usa para representar
cualquiera de las combinaciones sí-no, cierto-falso, cerrado-abierto, conectado-desconectado, etc.
Para describir la ecuación de un circuito, siempre partiremos de la situación de reposo (y, por
tanto, la más segura) de sus componentes.
El álgebra de Boole establece una serie de postulados y operaciones tendentes a resolver
automatismos o procesos a ejecuta, obteniendo un conjunto de ecuaciones que deberian ser
traducidos y llevados a cabo por elementos mecánicos, hidaúlicos, neumáticos, eléctricos o
electrónicos. Es un sistema matemático usado en el diseño de cicuitos lógicos, que permite
representar mediante símbolos el objeto de un circuito lógico, de forma que su estado pueda ser
equivalente a un circuito real que mediante herramientas lo lograremos simplificar y hacer más
eficaz.
9.1.2 Operaciones y sus propiedades en el Álgebra de Boole
En el álgebra de Boole solo se realizan tres operaciones la suma y el poducto y la
complementación (inversa) que cumplen los siguientes postulados.
1º) Propiedad conmutativa
a + b = b + a y a x b = b x a
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2º) Elemento neutro
a + 0 = a y a x 1 = a
3º) Propiedad distibutiva
a + (b x c) = (a + b) ( a + c) y a x (b + c) = a x b + a x c
4º) Elemento complementario
a + a = 1 y a x a = 0
5º) El resultado de aplicar cualquiera de estas operaciones el resultado es otra variable del
sistema y además el resultado es único.
6º) Ley de impotencia
a + a = a y a x a= a
7º) Ley de involución
a = a
8º) Ley asociativa
a + (b + c) = (a + b) + c = a + b + c y a x (b x c) = (a x b) x c = a x b x c
9º) Ley de absorción
a + a x b = a y a x (a + b) = a
10º) Leyes de Morgan
a x b = a + b y a + b = a x b
9.1.3 Tabla de la verdad. Funciones lógicas
Se define como función lógica en el Álgebra de Boole a todo conjunto de variables
relacionadas entre sí por cualquiera de las operacines definidas en el apartado anterior.
La tabla de la verdad de una función lógica es una forma de representación de la misma, en la que
se indica el valor 1 o 0 que adopta la función para cada una de las combinaciones posibles de las
variables de las cuales depende.
A B C F
0 0 0 0
0 0 1 1
0 1 0 0
0 1 1 1
1 0 0 1
1 0 1 0
1 1 0 1
1 1 1 1
A partir de la tabla de la verdad la deducción de la función resulta sencilla.
F = a x b x c + a x b x c + a x b x c + a x b x c + a x b x c si la sacamos por unos
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F = (a +b +c) x (a +b +c) x (a +b +c) si la sacamos por ceros
9.1.4 Puertas lógicas
Las operaciones combinacionales más comunes se realizan con los bloques de funciones
básicas, conexión serie (AND), paralelo (OR), negación (NOT), etc.
Las funciones AND, OR, NAND y NOR suelen tener tres entradas y una salida.
AND
Corresponde al caso en que hay dos pulsadores (I1, I2,I3) en serie. Este circuito deja pasar
corriente cuando los tres pulsadores están apretados; el esquema eléctrico y su símbolo es que
se muestra a continuación. Al lado la tabla de la verdad y su función por unos.
Q= I1 +I2 + I3
I1 I2 I3 Q
0 0 0 0
0 0 1 0
0 1 0 0
0 1 1 0
1 0 0 0
1 0 1 0
1 1 0 0
1 1 1 1
OR
Corresponde al caso en que hay dos pulsadores (I1, I2,I3) en paralelo. Este circuito deja pasar
corriente cuando uno de los tres pulsadores están apretados; el esquema eléctrico y su símbolo
es que se muestra a continuación. Al lado la tabla de la verdad y su función por unos.
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Q= I1 +I2 + I3
I1 I2 I3 Q
0 0 0 1
0 0 1 1
0 1 0 1
0 1 1 1
1 0 0 1
1 0 1 1
1 1 0 1
1 1 1 0
NOT
Esta solo tiene una entrada y una salida y responde a la negación lógica
Q =I1
I1 Q
0 1
1 0
NAND
Es el resultado de unir una puerta AND seguida de una NOT, su salida será la salida
negada de una puerta AND.
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Q = I1 x I2 x I3 = I1 + I2 + I3
I1 I2 I3 Q
0 0 0 1
0 0 1 1
0 1 0 1
0 1 1 1
1 0 0 1
1 0 1 1
1 1 0 1
1 1 1 0
NOR
Es el resultdo de unir una puerta OR con una NOT, su salida será la salida negada de una
puerta OR.
Q = I1 + I2 + I3 = I1 x I2 x I3
I1 I2 I3 Q
0 0 0 0
0 0 1 0
0 1 0 0
0 1 1 0
1 0 0 0
1 0 1 0
1 1 0 0
1 1 1 1
OR Exclusiva (XOR)
En esta puerta, la salida será 1 cunado tenga un numero impar de 1 en sus entradas.
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Q = I1 x I2 + I1 x I2 = I1⊕ I2
I1 I2 Q
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 0
9.1.5 Simplificación de sistemas combinacionales. Tabla de Karnaugh
Los sistemas combinacionales son aquello sistemas lógicos cuya salida solo depende de los
valores de sus entradas en cada instante. La ecuación (forma canónica) de un sistema se puede
obtener directamente de la tabla de la verdad de ese sistema en función de los unos o los ceros
como hemos visto y representar esa función bien mediante el circuito de puertas lógicas o bien
mediante el diagrama eléctico de contactos. Si cogemos las funciones directamente y las
implementamos nos salen esquemas muy largos y complejos que nos hacen utilizar muchas
puertas o muchos contactos. Es conveniente realizar la simplificación de la función al máximo,
para que los programas de la automatización salgan lo más sencillo posible.
La simplificación de la función se puede realizar de varias formas. La más directa sería
aplicando las propiedades del algebra de boole que anteriormente hemos visto. A veces puede
resultar la forma más sencilla si bien al tener que operar matemáticamente puede resultar un
sistema muy complejo.
Para minimizar estas funciones se suelen emplear varios metodos, siendo el más extendido y
sencillo el método de Karnaugh.
Método de Karnaugh
El procedimiento se realiza a partir de la tabla de la verdad del sistema y es utilizado para
simplificación de funciones de hasta cinco variables. A partir de cinco se suelen utiizar otros
métodos.
Una vez hayamos obtenido la tabla de la verdad el resultado por unos o por ceros lo
trasladamos a la tabla de Karnaugh, construida de la siguiente forma dependiendo del numero de
variables del sistema.
2 variables
I1/I2 0 1
0
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3 variables
I1-I2
I3 00 01 11 10
0
1
4 variables
I1-I2
I3-I4 00 01 11 10
00
01
11
10
y vamos rellenando los huecos intepretando el estado de las variables 0 como desconectada y 1
como conectada. Una vez trasladados los resultados de la función como unos o ceros, pasamos a
realizar el agrupamiento de estos en grupos que sean potencia de dos 2n = 1, 2, 4, 8 y de forma
rectangular o cuadrada. Se debe tener en cuenta que los lados opuestos de las tablas a efectos de
agrupación están unidos. La función será igual a tantos sumandos (si la realizamos por unos) o
productos (si la realizamos por ceros) como numero de grupos se hayan realizado. Suponiendo
que lo hagamos por unos, cada sumando estara compuesto por el producto de las variables que
se repitan en el grupo con el mismo valor en forma normal si valen uno o en forma negada si valen
cero.
Suponiendo que lo hagamos por ceros, cada producto será formado por la suma de las
variables que se repitan con el mismo valor en forma normal si valen cer y negada si valen uno.
Ejemplo
Simplificar mediante Karnaugh la función Q= (I1+I2+I3)+ (I1+I2+I3) +(I1+I2+I3)
1º) Tabla de la verdad
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I1 I2 I3 Q
0 0 0 0
0 0 1 0
0 1 0 0
0 1 1 0
1 0 0 1
1 0 1 0
1 1 0 1
1 1 1 1
2º) Tabla de Karnaugh (por unos)
I1-I2
I3 00 01 11 10
0 1 1
1 1
3º) Q = (I2 x I3) + (I1 x I2)
4º) Lo representamos por esquema de contactos o por esquema de puertas lógicas.
9.2 Automatización eléctrica cableada. Elementos
9.2.0 Introducción
Una vez visto en el punto anterior el fundamento matemático de la automatización de un
sistema, comenzamos ahora con el estudio de a automatización mediante mando eléctrico.
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Ante el estudio de cualquier tipo de automatización de un sistema mediante mando eléctrico
podemos establecer una division en el sitema tal y como se indica en el siguiente esquema.
CONSIGNA
ORDENES
PARTE DE MANDO PARTE DE POTENCIA
SISTEMA
El conjunto de elementos donde se controlan las acciones que queremos que realice el
sistema es lo que denominamos la parte de mando. En esta parte se capta y se procesa toda la
información para que el sistema actue en un sentido o en otro. Otra parte que encontramos esta
entre la parte de mando y la de potencia. Son elementos que sirven de intercomunicadores entre
los elementos de mando y los de potencia potencia y que se encargan de transmitir las ordenes
para la activación o desactivación de los actuadores. Por último esta la parte en la que se
encuentran los actuadores que junto a los elementos que sirven de intermediación entre el mando
y la actuación forman el circuito de potencia.
9.2.1 Elementos característicos. Contactor y Relé
Los elementos característicos de un automatismo cableado son el relé que siempre lo
encontraremos en el circuito de mando o el contactor, una versión de relé pero que incorpora
como vamos a ver contactos que forman parte del circuito de potencia, y que lo pedemos
enmarcar dentro del esquema anterior entre los preaccionadores.
Aunque como se ha mencionado anteriormente los preaccionadores no forman parte explicita
del circuito de mando, que es en la parte en la que principalmente nos vamos a centrar ya que es
donde se diseña la automatización, vamos a comenzar describiendo los elementos eléctricos
principales que actuan como preaccionadores y que por su estructura los podemos encuadrar
entre la parte de mando y de potencia del sistema.
UNIDAD CENTRAL
DIALOGO HOMBRE-
MÁQUINA
SENSORES P
REA
CC
ION
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PREACCIONADORES.- Traduce las ordenes de la unidad de control al actuador.
- Contactor.- Es un dispositivo electromagnético de control TODO/NADA
Su función en el circuito consiste en conectar y desconectar los elementos en el circuito de
potencia y, además, interviene también en la lógica del circuito de mando. Podemos diferenciar
dos tipos de contactos, los contactos principales y los auxiliares.
Los contactos principales son contactos de potencia o principales, que son capaces de
conectar, mantener y desconectar la intensidad del circuito de potencia.
Los contactos auxiliares son contactos que se utilizan en los esquemas de mando activando
receptores y otros contactos o alimentando receptores de poca potencia. Para dar una idea, la
intensidad máxima que pueden soportar está en torno a los 6 amperios.
El contactor es un interruptor gobernado por un electroimán.
Un electroimán es una pieza metálica con un conductor arrollado por el que podemos hacer
pasar una corriente eléctrica. Al electroimán se llama bobina.
Se puede ver:
A1 A1 A2 Cuando el contactor tiene 2 salidas
conectamos la que mejor nos vaya por su
situación en el cuadro eléctrico.
A2 A2 A2
Si cortamos:
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Al pasar corriente por la bobina se crea un campo magnético que atrae el hierro y los contactos
se cierran.
En referencia a los esquemas:
Los contactos principales se numeran de 1 a 6 si la corriente es trifásica y de 1 a 8 si es
tetrapolar.
Las bobinas se numeran en sus bornes si son de una bobina con las cifras A1 y A2 y si
son de dos bobinas la segunda B1 y B2.
Los contactos auxiliares las primeras cifras referencian al orden del contacto (1,2,…,n) y la
segunda 1-2 si el contacto es NC normalmente cerrado o 3-4 si el contacto es NO normalmente
abierto.
Elección de un contactor en función de las aplicaciones
La elección de un contactor es función:
- de la naturaleza y de la tensión de red,
- de la potencia instalada,
- de las características de la carga,
- de las exigencias del servicio deseado,
- a veces, de la normalización impuesta por ciertos organismos (Veritas, Lloyd, Marina
Mercante...) o por algunos usuarios.
Esto implica, a nivel del contactor, el conocimiento de diferentes criterios como:
- Tensión nominal de empleo,
- Intensidad nominal de empleo,
- Intensidad térmica,
- Naturaleza y características particulares del circuito de potencia:
- Circuito resistivo, categoría de empleo AC1
- Motor de jaula, arranque y corte a motor lanzado, categoría de empleo AC3,
- Primario de transformadores, y condensadores en los cuales los fenómenos transitorios
se producen al cierre o a la apertura del contactor.
Además:
- Las cadencias de funcionamiento elevadas, o un empleo con corte de motor en período de
arranque, categoría de empleo AC4, es indispensable tener en cuenta la robustez eléctrica o
duración de la vida de los polos del contactor. Esta duración puede ser aumentada eligiendo un
contactor de calibre superior al necesario, para asegurar un servicio menos severo.
– A veces, el ambiente, la temperatura, la altitud deben ser tomadas en consideración.
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Definiciones:
Robustez mecánica
Se define por el número medio de ciclos de maniobras en vacío, es decir sin que ninguna
intensidad circule por los polos, que el contactor es capaz de efectuar sin fallo mecánico.
Poder de corte
Es el valor eficaz de la intensidad que el contactor puede cortar en las condiciones fijadas por
las normas. este valor es tanto más pequeño cuanto más elevada es la tensión de la red.
Poder de cierre
Es el valor eficaz de la intensidad que el contactor puede establecer en las condiciones fijadas
por las normas. En la práctica, el poder de cierre es independiente de la tensión de empleo.
En corriente alterna, el poder de corte y el poder de cierre se expresan por e/ valor eficaz de la
componente simétrica de la intensidad de cortocircuito. Teniendo en cuenta la asimetría que puede
existir en un circuito, los contactos soportan pues una intensidad asimétrica de cresta de
aproximadamente dos veces superior.
Potencia nominal de empleo (se expresa en KW o en CV)
Un contactor suele ser destinado al control de un motor de potencia normalizada bajo la tensión
de empleo indicada. La intensidad de empleo correspondiente es de suponer que no difiere mucho
de la indicada por las normas para el motor de jaula con 4 polos.
Tiempo de funcionamiento (se expresa en milisegundos, ms)
– Tiempo de cierre: es el tiempo comprendido entre la aparición de la tensión en las bornas de
la bobina y la unión de los contactos principales.
– Tiempo de apertura: es el tiempo comprendido desde el momento en que se corta el circuito
de la bobina hasta la separación de los contactos principales. Para obtener el tiempo total de corte,
conviene añadir al tiempo de apertura el tiempo de extinción del arco eléctrico que depende de las
condiciones de corte.
Tensión nominal de empleo (Ue)
Valor de tensión que, combinado con una intensidad de empleo, determina el empleo del
contactor o del arrancador y al que se refieren los poderes de cierre y corte, el tipo de servicio y la
categoría de empleo. Para los circuitos trifásicos, se expresa mediante Ia tensión entre fases.
Tensión nominal de aislamiento (Ui)
La tensión nominal de aislamiento de un aparato es el valor de la tensión que caracteriza a este
aislamiento y a la que se refieren los ensayos dieléctricos, las líneas de fuga y las distancias de
aislamiento. Al no ser idénticas las prescripciones para todas las normas, el valor nominal
adoptado para cada una de ellas puede ser, a veces, distinto.
ELEMENTOS DEL CIRCUITO DE MANDO
RELÉ
Al igual que el contactor un relé se compone basicamente de una bobina, un conjunto
magnético y contactos con la diferencia de que este no tiene contactos de potencia. Es un
elemento electromagnético que se incorpora normalmente al circuito de mando y que al recibir una
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determinada excitación eléctrica actua de intermedio para alimentar o controlar un determinado
elemento eléctrico.
Su funcionamiento basicamente es el siguiente. Al recibir tensión su bobina, ésta hace bascular
el conjunto magnético, consiguiendo que los contactos cambien también de posición, los contactos
que esten en reposo abiertos pasaran a estar cerrados y los cerrados a posición de abiertos.
Lo describiremos con el dibujo.
Construcción
Bobina con núcleo (1) y devanado
(3) con lengüetas de conexión (7), un
inducido (4), un muelle de reposición (2) y
un conjunto de contactos conmutadores (5)
y lengüetas de conexión (6).
Un relé puede tener varios contactos
conmutadores que se activan
simultáneamente.
Al aplicar tensión a la bobina del relé a
través de los contactos A1 y A2 fluye
corriente eléctrica a través de los
devanados. Se forma un campo magnético que atrae el inducido contra el núcleo de la bobina.
La conexión de mando 1 queda conectada con la conexión de mando 4. Al retirar la tensión un
resorte devuelve el inducido a su posición básica.La conexión de mando 1 queda conectada con la
conexión de mando 2.
9.2.2 Tipos de relé
En la práctica, la construcción de un relé puede ser muy diferente. Su funcionamiento, sin
embargo, es básicamente igual.
En general podemos encontrar mucha tipología de relés por ejemplo:
Relés de Protección contra las sobrecargas
124A1 A2
2 3
1
5
67
4
42
1
A1
A2
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- Relés térmicos de biláminas
Los relés térmicos de biláminas son los aparatos más utilizados para proteger los motores
contra las sobrecargas débiles y prolongadas. Se pueden utilizar en corriente alterna o continua.
Sus características más habituales son:
– tripolares,
– compensados, es decir, insensibles a los cambios de la temperatura ambiente,
– sensibles a una pérdida de fase (1), por lo que evitan el funcionamiento monofásico del
motor,
– rearme automático o manual,
– graduación en “amperios motor”: visualización directa en el relé de la corriente indicada en la
placa de características del motor.
Principio de funcionamiento de los relés térmicos tripolares
Los relés térmicos tripolares poseen tres biláminas compuestas cada una por dos metales con
coeficientes de dilatación muy diferentes unidos mediante laminación y rodeadas de un bobinado
de calentamiento.
Cada bobinado de calentamiento está conectado en serie a una fase del motor. La corriente
absorbida por el motor calienta los bobinados, haciendo que las biláminas se deformen en mayor o
menor grado según la intensidad de dicha corriente. La deformación de las biláminas provoca a su
vez el movimiento giratorio de una leva o de un árbol unido al dispositivo de disparo.
Si la corriente absorbida por el receptor supera el valor de reglaje del relé, las biláminas se
deformarán lo bastante como para que la pieza a la que están unidas las partes móviles de los
contactos se libere del tope de sujeción. Este movimiento causa la apertura brusca del contacto
del relé intercalado en el circuito de la bobina del contactor y el cierre del contacto de señalización.
El rearme no será posible hasta que se enfríen las biláminas.
- Relés electromagnéticos de máxima corriente.
-
Los relés electromagnéticos de máxima corriente se utilizan para proteger las instalaciones
sometidas a picos de corriente frecuentes (por ejemplo, arranque de motores de anillos en
aparatos de elevación) contra las sobrecargas importantes en los casos en los que, a causa de
arranques demasiado frecuentes, variaciones bruscas del par o riesgos de calado, resulte
imposible utilizar relés térmicos de biláminas.
Principio de funcionamiento
Los principales elementos de los relés son:
– un circuito magnético, formado por una parte fija, una armadura móvil y una bobina,
– un mecanismo de disparo accionado a través de la armadura móvil y que actúa sobre
contactos auxiliares NC + NA.
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La corriente que se desea controlar atraviesa la bobina, conectada en serie a una de las fases
del receptor. Cuando dicha corriente rebasa el valor de reglaje, el campo magnético que genera la
bobina es suficiente para atraer la armadura móvil y cambiar el estado de los contactos.
El contacto de apertura se encuentra en el circuito de la bobina del contactor principal, por lo
que éste se abre.
Dispositivo de reglaje
El reglaje se realiza reduciendo o aumentando el ángulo de apertura de la armadura móvil, lo
que modifica el entrehierro, y por tanto, el número de amperios-vuelta necesarios para cerrar el
circuito magnético. El dispositivo de reglaje está graduado en amperios, por lo que basta con
indicar el valor de la corriente de disparo.
- Los relés temporizadores térmicos
Los relés temporizadores térmicos tienen dos funciones:
– controlar, desde que se ponen bajo tensión mediante un contacto auxiliar, que las
operaciones no duren más de lo previsto,
– temporizar las acciones de los relés midiendo la corriente o la tensión.
Se utilizan principalmente para:
– proteger la resistencia o el autotransformador de arranque de un motor contra los arranques
demasiado frecuentes, prolongados o incompletos. Permite realizar arrancadores conformes a las
normas IEC 947-4-1, NF/EN 60947-4-1, DIN
VDE 0660 T102 (idéntica a la norma EN 60947-4-1),
– retrasar las paradas de seguridad hasta el momento en el que la persistencia o la repetición
de un fenómeno resulten peligrosas (por ejemplo: descebado de una bomba, falta de presión del
aceite de una máquina, etc.).
Principio de funcionamiento
Los principales elementos de los relés son:
– una bilámina rodeada de un bobinado de calentamiento conectado en serie a una o varias
resistencias,
– una caja de material moldeado con un contacto NC y un contacto NA de retención,
– un pulsador de rearme,
– una rueda frontal para regular el tiempo de disparo.
El conjunto compuesto por el bobinado de calentamiento y la resistencia está conectado entre
los dos hilos de alimentación del circuito de control del equipo. Dentro del circuito del bobinado de
calentamiento del relé hay un contacto NA (3-4) que controla su puesta bajo tensión desde que se
inicia el arranque o el fenómeno que se debe controlar, y un contacto NC (1-2) que controla la
finalización de los mismos. Cuando arranca el motor o se inicia el fenómeno, el contacto (3-4) se
cierra. A partir de este momento, se establece el contacto (1-2) y el bobinado de calentamiento del
relé se pone bajo tensión. Durante todo el tiempo que duran el arranque o el fenómeno, el calor va
deformando progresivamente la bilámina. Pueden darse dos casos:
– la duración es inferior al tiempo determinado en el relé.
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Cuando finalizan el arranque o el fenómeno, el contacto (1-2) se abre. La tensión del bobinado
de calentamiento se interrumpe, la bilámina se enfría y el relé está preparado para controlar el
siguiente ciclo,
– la duración del arranque o del fenómeno es superior al tiempo determinado. La bilámina se
deforma de tal manera que provoca el disparo del relé. El contacto de retención (95-96) se abre y
ordena la apertura de todos los contactores esclavos. Después de solucionar el accidente, el
operario debe rearmar el relé antes de volver a poner la instalación en funcionamiento.
Relés de conmutación todo o nada
- Los relés estáticos
Son aparatos unipolares perfectamente adaptados para controlar cargas resistivas para
regulación de hornos,
aplicación que normalmente requiere una cadencia de conmutación elevada. Existen dos
versiones:
– relés síncronos: la conmutación en estado pasante y el bloqueo se realizan respectivamente
cuando la alternancia posterior a la aplicación de la señal de mando llega a cero y en el cero de
corriente,
– relés asíncronos: la conmutación en estado pasante y el bloqueo se realizan respectivamente
después de la aplicación de la señal de mando y en el cero de corriente.
Si se utilizan relés estáticos para alimentar los receptores
polifásicos, se recomienda conectar en serie los circuitos de control para que la conmutación de
todos los relés sea simultánea.
- Relés auxiliares
Los relés auxiliares son aparatos derivados directamente de los contactores de potencia, a los
que deben su tecnología. La diferencia reside principalmente en la sustitución de los polos por
contactos auxiliares con una corriente térmica convencional de 10 A. Esta identidad de diseño y
presentación con los contactores de potencia permite la creación de conjuntos de equipos
homogéneos, de fácil instalación y uso.
Los contactores auxiliares constan de cuatro contactos instantáneos NA o NC, o de dos
contactos instantáneos y dos contactos solapados NA y NC. Pueden incluir un circuito magnético
de corriente alterna o continua.
Existen las siguientes versiones:
– de retención mecánica,
– de bajo consumo.
Admiten los mismos aditivos que los contactores de los que proceden: instantáneos,
temporizados neumáticos de trabajo o reposo, temporizados electrónicos de trabajo o reposo,
módulos de antiparasitado, bloque de retención mecánica.
Todos los aditivos se montan por simple presión.
Aditivos temporizados neumáticos
Son aditivos frontales que se montan por simple presión, al igual que los aditivos instantáneos.
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Están dotados de un contacto inversor NA/NC o de dos contactos NA y NC, y de un tornillo
frontal de reglaje de la temporización.
La temporización se obtiene por corriente de aire en un surco de longitud regulable.
Relés temporizados
Son relés que se utilizan cuando se desea retardar la aplicación de la señal. Puede elegirse
entre dos tipos de temporizador:
- Temporización con demora en la conexión
En el momento del cierre del circuito magnético, los contactos basculan una vez transcurrida la
temporización, que se regula por medio del tornillo.
En el momento de la apertura vuelven automáticamente a su posición original.
con retardo a la conexión
- Temporizacióncon demora a la desconexión
En el momento del cierre del circuito magnético los contactos basculan de manera instantánea.
En el momento de la apertura vuelven a su posición original una vez transcurrida la
temporización.
con retardo a la desconexión
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- Temporización con demora a la conexión y a la desconexión
Es un relé que surge de la combinación de los dos anteriores, retardando la conexión y la
desconexión del elemento a la respuesta de la llegada o desaparición de la señal.
- Relés temporizados electrónicos
Estos aparatos compactos constan de:
– un oscilador que proporciona impulsos,
– un contador programable en forma de circuito integrado,
– una salida estática o de relé.
Es posible ajustar el contador mediante un potenciómetro situado en la parte frontal del aparato
y graduado en unidades de tiempo. Cuenta los impulsos que siguen al cierre (o la apertura) de un
contacto de control. Al alcanzar el número de impulsos, es decir, una vez transcurrida la
temporización, genera una señal de control hacia la salida.
Aparatos de salida estática
Existen dos versiones disponibles, Trabajo y Reposo, con distintas gamas de temporización.
Estos relés se conectan directamente en serie con la carga cuya puesta en tensión o retirada se
retrasa.
Aparatos de salida de relé
Existen las siguientes versiones disponibles:
– temporizados de Trabajo, de Reposo o de Trabajo y Reposo,
– de contacto de paso,
– intermitentes de arranque en fase de trabajo o de reposo,
– temporizados para arrancadores estrella-triángulo,
– multifunción que reúnen las funciones de los relés anteriores.
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Todos estos relés permiten seleccionar varios rangos de temporización mediante un
conmutador.
Ciertos modelos disponen de los siguientes controles y reglajes remotos:
– puesta en marcha del temporizador por contacto exterior,
– suspensión momentánea de la temporización por contacto exterior,
– ajuste de la temporización por potenciómetro exterior
9.2.3 Simbología y numeración eléctrica
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Numeración
- Contactos principales
La referencia de sus bornas consta de una sola cifra:
– de 1 a 6: tripolares,
– de 1 a 8: tetrapolares.
Las cifras impares se sitúan en la parte superior y la progresión se efectúa en sentido
descendente y de izquierda a derecha.
En los contactores de pequeño calibre, el cuarto polo de un contactor tetrapolar es la excepción
a esta regla: la referencia de sus bornas es igual a la del contacto auxiliar “NC”, cuyo lugar ocupa.
Por otra parte, las referencias de los polos ruptores suelen ir precedidas de la letra “R”.
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- Contactos auxiliares
Las referencias de las bornas de los contactos auxiliares constan de dos cifras.
Las cifras de las unidades, o cifras de función, indican la función del contacto auxiliar:
– 1 y 2: contacto de apertura (NC),
– 3 y 4: contacto de cierre (NO),
– 5 y 6: contacto de apertura (NC) de funcionamiento especial; por ejemplo, temporizado,
decalado, de paso, de disparo térmico,
– 7 y 8: contacto de cierre (NO) de funcionamiento especial; por ejemplo, temporizado,
decalado, de paso, de disparo en un relé de prealarma.
La cifra de las decenas indica el número de orden de cada contacto del aparato. Dicho número
es independiente de la disposición de los contactos en el esquema.
El rango 9 (y el 0, si es necesario) queda reservado para los contactos auxiliares de los relés
de protección contra sobrecargas, seguido de la función 5 y 6 o 7 y 8.
Mandos de control (bobinas)
Las referencias son alfanuméricas y la letra ocupa la primera posición:
– bobina de control de un contactor: A1 y A2,
– bobina de control con dos devanados de un contactor: A1 y A2, B1 y B2.
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9.2.4 Circuitos caracteristicos de mando eléctrico
- Encendido de una lámpara mediante Relé (si suelto P se apaga H1)
- Encendido de una lámpara con retención:
Con interruptor
+24V
PA
RO
0V
KA1
A1
A2
KA1
13
14
x1
x2
H 1
P
13
14
1 2 3 4
4
+24V
PA
RO
0V
KA1
A1
A2
KA1
13
14
x1
x2
P
13
14
H 1
1 2 3 4
4
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Relé con autoenclavamiento (autoalimentación)
Iluminación de dos lámparas independientes (incompatibles), pasando obligatoriamente por
paro.
+24V
PA
RO
0V
KA1
A1
A2
KA1
23
24
x1
x2
K1
23
24
H 1
P
13
14
1 2 3 4 5
5
+24VP
AR
O
0V
M1
K1
K1M2
K2
K2
K1 K2
33
34
1 3
1 4
2 1
2 2
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1 3
1 4
1 3
1 4
1 3
1 4
2 1
2 2
a 1
a 2
3 3
3 4
h 1 h 2
K2K1
1 2 3 4 5 6 7 8
4
7
5 6
8
3
40-42
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- Iluminación de dos lámparas independientes (incompatibles), sin pasar por paro.
- Necesarios dos pulsadores para encender luz azul. (AND)
+24V
PA
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0V
M1
K1
K1M2
K2
K2
K1 K2
33
34
1 3
1 4
2 1
2 2
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a 2
1 3
1 4
1 3
1 4
1 3
1 4
2 1
2 2
a 1
a 2
3 3
3 4
h 1 h 2
K2 K1
1 2 3 4 5 6 7 8
4
7
6 6
8
4
+24V
P
1211
M1
13
14
M2
13
14
KA1
13
14
KA1
23
24
X1
X2
KA1
a1
a2 0V
H 1
1 2 3 4 5
4
5
AUTOMATISMOS ELÉCTRICOS, NEUMÁTICOS E HIDRÁULICOS
41-42
AU
TO
MA
TIS
MO
S E
LÉ
CT
RIC
OS
, NE
UM
ÁT
ICO
S E
HID
RÁ
UL
ICO
S
- Desde un pulsador u otro se enciende una luz (OR)
- Encendido de una lámpara 5s más tarde de ordenar su activación mediante pulsador
(Relé con demora a la conexión).
+24V
P
1211
M1
13
14
M2
13
14
K1
13
14
K1
A1
A2
K1
23
24
X1
X2
0V
H 1
1 2 3 4 5 6
5
6
+24V
P
1211
M1
13
14
KT1 5
A1
A2
K1
A1
A2
X1
X2
K1
13
14K1
23
24
KT1
17
18
0V
1 2 3 4 5 6
4
5
6
42-42
AU
TO
MA
TIS
MO
S E
LÉ
CT
RIC
OS
, N
EU
MÁ
TIC
OS
E H
IDR
ÁU
LIC
OS
Desconexión de una lámpara 5s más tarde de dar la orden de su desconexión. (Relé con
demora a la desconexión).
+24V
EM
ER
1211
M1
13
14
K1
A1
A2
X1
X2
K1
13
14
K1
23
24
KT1
17
18
0V
KT1 5
A1
A2
PARO
H 1
1 2 3 4 5 6
4
5
6