Fundamentos de los contactores de motor y su aplicación

Aplicaciones como calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC), compresores, bombas, manipulación de materiales y envasado, requieren la implementación y el control seguros de grandes motores que funcionan con tensiones y corrientes elevadas. El control de estos grandes motores eléctricos plantea un problema a los diseñadores, ya que deben proporcionar un aislamiento adecuado entre el motor y el circuito de control. Además, los altos voltajes y corrientes pueden generar importantes transitorios electromagnéticos que pueden dañar los controles electrónicos.

Los relés electromagnéticos ofrecen control remoto con aislamiento, pero tienen sus propias limitaciones. La apertura y el cierre de las conexiones de alimentación de un motor de alta potencia genera arcos eléctricos que desgastan las superficies de contacto del relé, reduciendo la vida útil de los contactos.

La solución a este problema es un contactor electromagnético, una clase especial de relé destinado al control de motores. Además de una construcción más resistente y contactos más grandes y resistentes que los relés, emplean técnicas de supresión de arcos que incluyen materiales especiales y un cierre y apertura de contactos más rápidos.

Este artículo examina los fundamentos de los contactores electromagnéticos de motor y sus ventajas frente a otros métodos de control de motores. A continuación, se analiza cómo se seleccionan y aplican utilizando ejemplos de configuración reales de la familia Easy TeSys de Schneider Electric.

Funcionamiento de los contactores

Los contactores electromagnéticos constan de un electroimán construido sobre un núcleo en "E". En concreto, una bobina aislada eléctricamente se envuelve concéntricamente alrededor de la pata central del núcleo. La bobina es excitada por la fuente de tensión de control, que puede ser CA o CC. Cuando la bobina recibe corriente, la fuerza electromagnética tira de una armadura situada en el extremo abierto del núcleo (figura 1).

Figura 1: Esquema de funcionamiento simplificado de un contactor en los estados de desconexión y de conexión. (Fuente de la imagen: Art Pini)

Los contactos eléctricos están acoplados mecánicamente al inducido. La disposición de los contactos varía según el modelo de contactor: pueden ser Normalmente abiertos (NO) o una combinación de Normalmente abiertos y Normalmente cerrados (NC). Puede haber varios contactos aislados. Por ejemplo, un contactor trifásico tendrá tres juegos de contactos de potencia, uno para cada fase. Cuando el inducido tira hacia dentro, los contactos NC se abren y los contactos NO se cierran. Además, muchos contactores incluyen un juego auxiliar de contactos de menor potencia que se utilizan para supervisar el estado del contactor, activado o desactivado.

Los materiales de contacto se eligen por su alta resistencia, excelente conductividad eléctrica y resistencia a los efectos del arco eléctrico y la oxidación. La geometría de los contactos está diseñada para soportar los niveles de potencia previstos y suprimir la formación de arcos.

Todos los elementos del contactor están contenidos en un gabinete, que aísla eléctricamente los contactos a la vez que proporciona un método sencillo para conectar el cableado de alimentación, carga y bobina. El gabinete también proporciona soporte de montaje, que puede ser en forma de montaje en panel o riel DIN (Figura 2).

Figura 2: Ejemplos de gabinetes de contactores típicos; montaje en panel (izquierda) y montaje en riel DIN (derecha). (Fuente de la imagen: Schneider Electric)

Los contactores Easy TeSys (Serie DPE) de Schneider Electric están alojados en un receptáculo compacto de solo 45 milímetros (mm) de ancho y se pueden montar en un gabinete/recinto DIN. El gabinete/recinto tiene un grado de protección IP20, lo que indica protección para los dedos. Todos los contactores de la serie incluyen un contacto auxiliar normalmente abierto. Esta serie de contactores trifásicos está aprobada por UL/CSA con valores nominales de hasta 32 amperios, 20 caballos de fuerza a 480 voltios CA (HP/480 VCA) y 25 HP/600 VCA, con una variedad de voltajes de excitación de la bobina de control (Tabla 1).

Tabla 1: Los ejemplos seleccionados de la serie de contactores Easy TeSys DPE de Schneider Electric muestran la gama de selecciones de corriente operativa y tensión de bobina de control que ofrece la línea. (Fuente de la tabla: Art Pini)

Estos dispositivos ofrecen una vida útil de aproximadamente 1 millón de operaciones eléctricas. Los contactores Easy TeSys son adecuados para las aplicaciones descritas en las categorías de utilización especificadas en la norma IEC 60947. Las intensidades nominales de los contactores individuales dependen de la categoría de utilización. Por ejemplo, la categoría CA-1 describe aplicaciones en las que la carga es no inductiva o sólo ligeramente inductiva, como un horno basado en resistencias. Estas aplicaciones tienen principalmente cargas resistivas, que tienen menos problemas con los voltajes y corrientes transitorios.

La categoría CA-3 cubre aplicaciones para motores de inducción de jaula de ardilla en las que el motor se pone en marcha y, en ocasiones, puede retirarse la alimentación para detener el motor. Los motores son dispositivos inductivos y las operaciones de arranque y parada dan lugar a transitorios inductivos que someten al contactor a una mayor tensión.

Las aplicaciones de la categoría CA-4 someten al contactor a mayores esfuerzos. En esta categoría se incluyen los motores de inducción de jaula de ardilla y los motores de anillos colectores sometidos a frenado por corriente inversa y a marcha lenta. Jogging o inching es "la aplicación rápida y repetida de potencia para arrancar un motor desde el reposo con el fin de realizar pequeños movimientos del motor." En general, el jogging consiste en arrancar un motor con breves impulsos de potencia a pleno voltaje. Del mismo modo, el inching significa arrancar un motor con impulsos cortos de voltaje reducido. Las múltiples aplicaciones de potencia generan el mayor nivel de tensión en el contactor.

La adaptación de un contactor Easy TeSys DPE específico a un motor o a una aplicación de alta potencia similar se basa principalmente en la corriente que se maneja. El catálogo Easy TeSys de Schneider Electric contiene ayudas de selección basadas en la potencia del motor, la categoría de utilización y la vida útil requerida (Figura 3).

Figura 3: Guía de selección del DPE Easy TeSys para motores de la categoría de utilización CA-3 basada en la potencia del motor y la vida útil deseada del contactor. (Fuente de la imagen: Schneider Electric)

La figura 3 es una de las tres guías de selección relacionadas con la categoría de utilización del dispositivo que se controla. TI es para la categoría de utilización CA-3, básicamente un motor que puede pararse con poca frecuencia. Cuando el motor está parado, la corriente es igual a la corriente de funcionamiento. Como ejemplo, considere la posibilidad de encontrar un contactor Easy TeSys DPE para un motor trifásico de 5,5 Kilovatios (kW) que funcione a 400 voltios con una corriente operativa de 11 A y en el que la vida operativa deseada sea de dos millones de ciclos. Partiendo de la línea de voltaje de 400 voltios, el diseñador debe localizar 5,5 kW y, a partir de ahí, proyectar una línea ascendente hasta que se cruce con la línea de dos millones de operaciones. El locus modelo DPE más cercano (en azul) es el DPE 18.

Un ejemplo de una categoría de utilización CA-4, en la que el motor se para y se vuelve a arrancar con frecuencia, se ocupa de las corrientes más grandes en el peor de los casos. Considere un motor trifásico de 5,5 kW que funciona a 400 voltios con una corriente operativa de 11 A en una aplicación CA-4 en la que se desenergiza mientras el motor está parado. La vida útil deseada es de 300.000 operaciones.

La corriente de bloqueo de este motor es seis veces superior a la corriente de funcionamiento, por lo que es necesario un contactor diseñado para un nivel de corriente superior (Figura 4).

Figura 4: Guía de selección del DPE Easy TeSys para la categoría de utilización CA-4. Tenga en cuenta que las corrientes en el peor de los casos pueden ser mucho mayores debido a la posibilidad de que se retire potencia del motor mientras está parado. (Fuente de la imagen: Schneider Electric)

Para encontrar el contactor recomendado, comience con la corriente de calado de 66 A, que es seis veces la corriente operativa de 11 A. Proyectando hacia arriba desde el eje actual hasta intersecar la línea que representa 0.3 millones de operaciones. El locus de producto más cercano es el DPE32.

Los contactores Easy TeSys de la serie DPE cubren las configuraciones de motor y aplicaciones más comunes, como transportadores, máquinas de embalaje, bombas, compresores, calefacción y ventilación, aire acondicionado, refrigeración, etc.

La familia Easy TeSys también incluye una serie de relés térmicos de sobrecarga complementarios diseñados para proteger los circuitos y motores de CA contra sobrecargas, fallos de fase, tiempos de arranque prolongados y rotor calado. Estos relés controlan la intensidad del motor y, cuando ésta supera el valor límite, los contactos se abren y detienen el motor. Hay quince modelos diferentes y cada uno tiene una gama de niveles de disparo de corriente ajustables. Los modelos de protección contra sobrecargas son compatibles con los contactores Easy TeSys de DPE09 a DPE38 seleccionados. Se conectan directamente a los terminales inferiores de los contactores trifásicos utilizando los terminales de abrazadera de tornillo del contactor. La combinación tiene una anchura común de 45 mm y puede montarse en riel DIN o atornillarse a un panel mediante el soporte para contactores DPE (figura 5).

Figura 5: El relé de protección contra sobrecargas se monta directamente debajo del contactor DPE y se fija mediante las conexiones roscadas del contactor. (Fuente de la imagen: Schneider Electric)

El relé de sobrecarga térmica DPER32 de Easy TeSys, de 32 A/690 voltios, tiene un rango de disparo de ajuste térmico ajustable de 23-32 A, clase de disparo 10 (con una sobrecarga de seis veces el nivel preestablecido, el protector de sobrecarga se disparará en 10 segundos), para la protección de motores trifásicos de 15 kW a 400 voltios. Es un dispositivo diferencial con detección de fallo de fase y desequilibrio de carga. Tiene un dial de ajuste térmico, un selector de restablecimiento manual/automático, un selector de prueba para la simulación de un disparo, botones de restablecimiento y parada, un indicador de bandera y dos contactos auxiliares (1 NO + 1 NC) para la señalización de averías. Los ajustes del usuario están protegidos por una cubierta transparente que se puede cerrar con llave. Toda la familia de protectores de sobrecarga térmica está certificada según múltiples normas, incluidas IEC, UL y CUL.

Conclusión:

Los diseñadores de aplicaciones de motores con tensiones y corrientes de funcionamiento elevadas necesitan una forma fiable de aislar los circuitos de control asociados y protegerlos de la radiación electromagnética. Los contactores tripolares DPE de Easy TeSys, junto con los relés térmicos de sobrecarga DPER de Easy TeSys, están diseñados para conmutar y proteger los casos de uso más comunes de los motores. El amplio rango de modelos que cubren múltiples niveles de corriente y voltaje facilita su configuración según los requisitos de una aplicación específica.