Capitulo 3 Interpretacion De Diagramas Electricos 645qq

CAPITULO III

INTERPRETACIÓN DE DIAGRAMAS ELÉCTRICOS CIRCUITOS Y ESQUEMAS ELÉCTRICOS Las instalaciones y las maquinas eléctricas industriales están formadas por circuitos que cumplen funciones especificas dentro de cada sistema. GENERALIDADES Para que una corriente eléctrica pueda realizar un trabajo útil, por ejemplo energizar la bobina de un or, accionar un motor o encender una lámpara, necesita un camino cerrado para su circulación. Esta trayectoria continua se denomina un circuito eléctrico. El estudio de los circuitos eléctricos, así como la adquisición de habilidades para su representación y análisis a través de esquemas, son factores claves para comprender como funcionan las instalaciones, maquinas, aparatos y demás sistemas eléctricos industriales, figura 3.1.

Figura 3.1 Los circuitos eléctricos industriales se representan mediante esquemas, los cuales emplean símbolos especiales para especificar los elementos que los forman y la manera como están interconectados. En (a) se muestra el esquema de conexión de un motor trifásico a la red de suministro de AC y en (b) un sistema de control del encendido y apagado del mismo, utilizando ores y otros elementos de señalización y mando. También se indica la correspondencia entre los símbolos gráficos y los elementos físicos que ellos representan.

En general, la finalidad de un circuito es hacer uso de la energía de los electrones en movimiento para medirla o, lo que es más común, convertirla en otras formas de energía (luz, calor, movimiento, etc.). Por tanto, para que una maquina eléctrica cualquiera funcione, debe estar incorporada necesariamente a un circuito eléctrico. Incluso, dentro de cada máquina existen varios circuitos que cumplen funciones determinadas. La aparentemente compleja jungla de cables y alambres que corren a través de las paredes, los techos y los suelos de una fábrica, así como por el interior de las máquinas y tableros de control, es en realidad un sistema bien organizado de circuitos, cada uno con una función específica. 43

CONCEPTOS BÁSICOS CIRCUITOS ELÉCTRICOS Un circuito eléctrico, como se mencionó es un camino cerrado para la circulación de la corriente, figura 3.2a. Comprende el recorrido completo que realiza la corriente desde que sale de la fuente de energía hasta que retorna a ella, pasando por las cargas y los elementos de control y protección, a través de unos conductores, figura 3.2b. Estos elementos son fundamentales para que un circuito opere como se espera de él y lo haga de manera segura y contable. Un circuito puede estar abierto o cerrado, dependiendo de si está o no interrumpido en algún punto. En el primer caso, figura 3.2c, se tiene energía disponible, pero no hay flujo de corriente eléctrica a través de la carga. En el segundo caso, figura 3.2d, se tienen ambas condiciones. Normalmente, un circuito está abierto en condiciones de reposo y cerrado en condiciones de funcionamiento.

Fig. 3.2 Un circuito es una trayectoria cerrada para la circulación de la corriente

La fuente voltaje de un circuito es la encargada de producir la fuerza electromotriz, voltaje o tensión necesaria para impulsar los electrones a través de los conductores, de manera análoga como una bomba hidráulica impulsa el agua a través de una tubería. En esta parte del curso trabajaremos preferencialmente con fuentes de voltaje monofásicas y trifásicas. Estas últimas, como sabemos, entregan tres señales monofásicas (R, S y T) de la misma frecuencia (50 o 60 Hz), pero desfasadas 120 grados eléctricos entre sí, es decir un tercio de período, figura 3.3.

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Figura 3.3 Formas de onda de un voltaje de alimentación típico de sistemas eléctricos industriales. Los conductores en un circuito cualquiera proporcionan un camino de baja resistencia para la libre circulación de los electrones a través del mismo, de manera análoga como las tuberías conducen el agua a través de un circuito hidráulico. Los conductores utilizados en las instalaciones eléctricas industriales son generalmente alambres o cables de cobre aislados. Los mismos, disponibles en diferentes calibres, se enrutan normalmente a través de ductos plásticos o metálicos que los protegen de la humedad y del daño físico, y le proporcionan a las instalaciones una apariencia de orden, facilitando su mantenimiento. La carga de un circuito eléctrico industrial está representada por elementos como motores, resistencias, bobinas, pilotos, solenoides, etc., que convierten la energía de los electrones en movimiento, en fuerza, calor, rotación, luz, magnetismo, sonido, y otras formas útiles de energía. Obviamente, un circuito puede tener una o más cargas. Estas últimas pueden estar conectadas en serie, en paralelo o en una configuración mixta, figura 3.4. Lo mismo se aplica a interruptores, os, fusibles, etc. Para completar un circuito serie, la corriente tiene que pasar necesariamente por todos sus elementos, mientras que para completar uno paralelo es suficiente con que pase por alguno de ellos.

Figura 3.4. En un circuito serie, (a), la corriente sigue una sola trayectoria a través de las cargas, mientras que en uno paralelo, (b), tiene varías. Un circuito mixto, (c), es una combinación de ambas opciones. 45

Los dispositivos de control o de mando regulan el paso de la corriente a través de un circuito, de manera análoga como una válvula controla la cantidad de agua que fluye a través de una tubería. Los dispositivos de control más usuales en los sistemas eléctricos industriales son los interruptores electromecánicos, representados por os normalmente abiertos o cerrados de relés, ores, pulsadores, temporizadores, selectores, sensores, etc. Actualmente es también muy común el uso de interruptores de estado sólido, basados en transistores, tiristores y otros tipos de semiconductores. Estos últimos se examinan en la sección de Electrónica de Potencia. Finalmente, los dispositivos de protección se encargan de interrumpir el paso de la corriente a través de un circuito en caso de sobrecargas o cortocircuitos, actuando como interruptores automáticos. Los dispositivos de protección más comúnmente utilizados en los sistemas eléctricos industriales son los fusibles, los seccionadores, los disyuntores, los guardamotores, los relés térmicos y los relés termomagnéticos.

ESQUEMAS ELÉCTRICOS Con el fin de facilitar su ejecución, análisis y mantenimiento, los circuitos eléctricos industriales se representan mediante esquemas, también llamados planos o diagramas. Un esquema es simplemente una representación gráfica, en lenguaje simbólico, de los elementos de un circuito y la forma como se conectan entre sí para cumplir una función determinada, independiente de su ubicación o sus características físicas. La realización e interpretación de esquemas es una parte fundamental del trabajo eléctrico industrial. De hecho, todo el proceso de diseño y ejecución de una instalación eléctrica se expresa en la forma de esquemas o planos eléctricos. Los esquemas eléctricos industriales se elaboran principalmente a partir de símbolos gráficos que representan los componentes propiamente dichos, y de líneas o trazos que representan las conexiones eléctricas o mecánicas entre ellos, figura 3.5. Adicionalmente, los componentes, trazos, bornes y demás elementos se identifican mediante símbolos alfanuméricos llamados designadores, formados por números, letras o grupo de letras y un numero, que individualizan cada elemento y permiten diferenciarlo de otros del mismo tipo. Los designadores literales y numéricos se denominan también marcas e índices respectivamente. Un esquema eléctrico debe ser realizado de tal forma que muestre las condiciones del circuito al que se refiere en condiciones de reposo y sea fácil de interpretar por otros. En particular, deben minimizarse los cruces entre líneas y especificarse claramente cuándo dos líneas que se cruzan están o no conectadas entre sí. Asimismo, deben diferenciarse claramente las uniones eléctricas de las uniones mecánicas, utilizándose líneas continuas para el primer caso y líneas punteadas para el segundo. Igualmente, todos los elementos de un esquema deben estar claramente identificados, así como sus respectivas entradas y salidas. Por razones obvias, los símbolos de elementos pertenecientes a un mismo dispositivo, digamos la bobina y los os de un or, se identifican con la misma marca, por ejemplo -KM3. No obstante, en un mismo esquema no pueden existir clones, es decir varios símbolos con las mismas marcas y los mismos índices, porque es físicamente imposible que un mismo dispositivo pueda estar partes diferentes de un circuito realizando simultáneamente varias funciones distintas.

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Fig. 3.5 Principales símbolos utilizados en los esquemas eléctricos industriales 47

Tipos de esquemas Dependiendo de los niveles de corriente manejados, los circuitos eléctricos industriales se clasifican en circuitos de potencia y circuitos de mando. Los circuitos de potencia, en particular, se representan mediante esquemas multifilares que muestran la forma como se conectan las cargas de potencia a la red o fuente principal de energía. En los mismos se especifican todos los elementos, con sus correspondientes símbolos, marcas e índices, así como todos los conductores o conexiones entre ellos. Un ejemplo de diagrama multifilar, correspondiente a la etapa de potencia de un circuito de inversión de giro para un motor trifásico, se muestra en la figura 3.6. En este caso, R, S y T designan las tres fases del suministro trifásico, KM1 y KM2 los os principales de los ores de giro directo e inverso, respectivamente, F1 las láminas bimetálicas del relé térmico de protección del motor y U1, V1 y W1 los terminales de del motor. También se indican los números (índices) utilizados normalmente para identificar los bornes de conexión de KM1, KM2 y F1, así como todas las conexiones necesarias.

Figura 3.6 Diagrama multifilar del circuito de potencia de un inversor de giro par motor trifásico. KM1 conecta los terminales UVW las líneas de fase de la red en el orden RST (giro directo) y KM2 en el orden SRT (giro inverso). El motor gira en sentido directo o CW (horario) cuando sus terminales U 1V1W 1 se alimentan con las fases en la secuencia RST. Esto se consigue cerrando los o principales de KM1 y abriendo los de KM2. 48

Asimismo, el motor gira en sentido inverso o CCW (antihorario) cuando los terminales U1V1W 1 se alimentan con las fases en la secuencia SRT, es decir las fases R y S permutadas. Esto se consigue cerrando los os principales de KM2 y abriendo los de KM1. En ningún momento deben estar energizados KM1 y KM2 al mismo tiempo porque se produciría una condición de cortocircuito. Los circuitos de mando, por su parte, se representan mediante esquemas bifilares o de funcionamiento. Este tipo de esquemas muestran la forma como se conectan y gobiernan las bobinas de los ores y demás elementos de control y señalización. Están compuestos básicamente por dos trazos horizontales separados, correspondientes a las líneas de alimentación, y una serie de trazos verticales entre ellos, que representan los circuitos parciales, y en los cuales se ubican los símbolos de los distintos elementos involucrados. La interconexión de los circuitos parciales se realiza mediante trazos horizontales. En estos últimos no deben ubicarse elementos de control ni de otro tipo. Un ejemplo de diagrama bifilar, correspondiente al circuito de mando de un inversor de giro como el descrito anteriormente, se muestra en la figura 3.7. En este caso, R y S designan las fases de alimentación del circuito, F1 los os auxiliares del relé térmico, SO el pulsador general de paro, S1 el pulsador de giro directo, S2 el pulsador de giro inverso, KM1 y KM2 la bobina y los os auxiliares de los ores de giro directo e inverso, respectivamente, y H1, H2 y H3, en su orden, los pilotos indicadores de giro directo, giro inverso y sobrecorriente. En el diagrama anterior también se indican los números que identifican cada circuito parcial y los índices que identifican los bornes de conexión de los distintos elementos involucrados, así como las conexiones eléctricas y mecánicas entre ellos.

Figura 3.7. Diagrama bifilar o de funcionamiento del circuito de mando de un inversor de giro para motor trifásico. Complementa la figura 3.6. 49

Se asume que inicialmente el mismo se encuentra en condiciones de reposo, es decir con KM1 y KM2 desenergizados y luego se arranca en sentido directo, se detiene, se arranca en sentido inverso, se detiene, y así sucesivamente. Los diagramas de las figuras 3.6 y 3.7 revelan varios aspectos formales importantes que deben tenerse en cuenta cuando se realizan e interpretan esquemas multifilares y de funcionamiento de equipos industriales. Los siguientes son algunos de ellos: Las uniones eléctricas (conductores) se representan mediante trazos continuos horizontales o verticales, nunca oblicuos. Los trazos que representan conductores de potencia (figura 3.6) deben ser más gruesos que los que representan conductores de mando (figura 3.7). Las uniones y mandos de naturaleza mecánica se representan mediante trazos punteados horizontales, verticales, oblicuos o quebrados. Estos trazos van de la mitad de un símbolo a la mitad de otro y pueden cruzarse con trazos que representan conductores eléctricos. En la figura 3.7, por ejemplo, las líneas punteadas que unen los os 3-4 y 1-2 de S1 ó S2 indican que los mismos se accionan simultáneamente, aunque son eléctricamente independientes. Asimismo, las líneas punteadas que unen las bobinas de KM1 y KM2 indican que entre ellas existe un enclavamiento mecánico. Por tanto, al activarse cualquiera de ellas, la otra queda automáticamente anulada o bloqueada. Los esquemas deben dibujarse siguiendo, en lo posible, una secuencia lógica de operación. En nuestro caso, inicialmente se activan la bobina de KM1 y el piloto H1 (sentido directo), y luego la bobina de KM2 y el piloto H2 (sentido inverso). Por esta razón, los circuitos parciales de KM1 y H1 aparecen primero que los de KM2 y H2. El último circuito parcial es el del piloto H3, que corresponde a una situación eventual. Si se encuentran varios símbolos con una misma marca, significa que pertenecen a un mismo dispositivo. De cualquier modo, nunca deben existir dos o más símbolos con las mismas marcas y los mismos índices. Por ejemplo, nuestro inversor de giro utiliza la bobina (A1-A2), los tres con- tactos principales (1-2, 3-4, 5-6) y dos os auxiliares (53-54, 61-62) de cada uno de los ores. Por tal razón, estos elementos comparten la misma marca (KM1 ó KM2). La línea inferior de alimentación del circuito de mando debe estar unida, por razones de seguridad, a los bornes de salida de los elementos que actúan como cargas. Por esta razón, en la figura 3.7, los bornes A2 de los ores y X2 de los pilotos están directamente conectados a la fase S. Los os y elementos de control se conectan entre los bornes de entrada de las cargas y la línea superior de alimentación (R, en este caso). Para facilitar su localización, debajo de los símbolos de las bobinas de ores, y por fuera de la línea de alimentación inferior, se recomienda anotar todos los os que se utilizan de los mismos, tanto instantáneos como temporizados, así como el número del circuito en el cual se encuentra cada uno. En nuestro caso, por ejemplo, el o 53-54 de KM1 se halla en el circuito 3. esta información se consigna debajo de la bobina de KM1 (circuito 1), en dos columnas, una para la identificación del o y la otra para el numero del circuito. Los esquemas de potencia y de control son complementarios. Por tanto, todo esquema de potencia debe estar siempre acompañado de un esquema de mando, y viceversa. De cualquier modo, ambos esquemas deben dibujarse mostrando las condiciones del sistema que representan en condiciones de reposo, es decir con las bobinas y elementos de carga desenergizados, y los dispositivos de mando y maniobra sin accionar.

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