Aparamenta de Baja Tensión: El Contactor (Parte 2ª)

2.- Funcionamiento

En reposo, la acción de los muelles antagonistas mantiene abierto el electroimán y los contactos principales.

Cuando se aplica tensión a la bobina, se genera un flujo en el circuito magnético, el yugo atrae al martillo, éste arrastra al puente móvil portador de los contactos móviles, y éstos cierran el circuito principal. El contactor adquiere la posición de trabajo.

La posición de trabajo se mantiene en tanto sigue excitado el circuito magnético, es decir, en tanto permanece alimentada la bobina. El corte de esta alimentación comporta el retorno del contactor a la posición de reposo.

2.1.- Límites normalizados de la tensión de mando

El simple funcionamiento descrito tiene, como es lógico, sus límites. La publicación IEC 60947-4-1 establece:

2.1.1.- A la conexión

El contactor debe cerrar de forma satisfactoria a todo valor de la tensión de mando Us comprendido entre el 85% y el 110% del valor asignado.

Figura 3

●         Ue: Tensión del circuito de mando (Figura 3)

 Us: Tensión de mando

●      Un valor de Us con el que el contactor cierra con seguridad pero con el que la bobina sobrepasa su límite térmico no se considera forma satisfactoria.

2.1.2.- A la desconexión

El contactor debe iniciar la apertura y abrir completamente cuando la tensión de mando Us baja a un valor comprendido entre:

●         75% y 20% de Us asignada, en corriente alterna.

●         75% y 10% de Us asignada, en corriente contínua.

Los valores inferiores (20% y 10%) tienen por objeto garantizar la apertura del contactor frente a imprevistos efectos de magnetismo remanente o de tensiones inducidas, por ejemplo: por capacidad, (figura 4).

Figura 4

El fabricante, para garantizar el cumplimiento de la norma, procura que los límites de su aparato estén más allá de lo exigido, pero de ello no hay que fiarse, a no ser de que haya acuerdo expreso.

2.2.- Funcionamiento fuera de límites

La norma prescribe que el contactor debe conectar satisfactoriamente al 85% de la tensión de mando Us, pero no indica que debe o puede ocurrir a menos de éste valor. Puede deducirse que un contactor no es apto para un servicio donde la tensión oscila más allá del +10%, -15%.

Pero aunque se tomen precauciones al respecto, será difícil evitar que ello ocurra un día u otro. Por tanto es importante considerar la relación entre el esfuerzo motor del electroimán y el esfuerzo resistente del aparato y ver qué ocurre.

En las figuras 5 y 6 tenemos las siguientes correspondencias:

Figura 5:

    a: Aparato en reposo; inicio del recorrido.

    b: Abren los contactos auxiliares cerrados (Muelles C).

    c: Cierran los contactos principales (Muelles B).

    d: Cierran los contactos auxiliares abiertos (Muelles C).

    e: Final del recorrido; aparato conectado.

Figura 6:

    1 Conjunto de fuerzas antagonistas.

    2 a 4 Fuerza del electroimán a tensiones de mando decrecientes.

    2 Fuerza del electroimán a la tensión asignada Us.

    3 Fuerza del electroimán a la tensión de conexión Ucon (Ucon  a 0,85 Us).

    4 Fuerza del electroimán a la tensión de desconexión Udesc (0,2 Us  Udesc    0,75 Us).

    3a y 4a Supuestas características inadecuadas. 

 

Figura 5

Figura 6: Características estáticas de un contactor

Vemos que:

Con la característica 3a el aparato abierto inicia el cierre pero se detiene al entrar en contacto los contactos principales, falta fuerza para completar el cierre.

Con el aparato cerrado y la característica 4a, la fuerza del electroimán es inferior a la antagónica pero cuando los contactos principales van a separarse, la situación se invierte y no se completa la apertura.

En ambos casos (3a y 4a) el momento de cierre o apertura de los contactos principales es un momento de indeterminación, que si no se supera conduce a un chisporroteo y a la destrucción de las pastillas o cabezas de contacto en pocos segundos o incluso en fracción de segundo.

Las características inadecuadas pueden evitarse mediante el diseño del electroimán, o mediante dispositivos mecánicos, si bien se encuentran contactores que fallan en éste aspecto.

2.3.- Consumo del electroimán

El electroimán en el momento de la conexión está abierto y presenta un entrehierro "e" de unos 4 a 10 mm según tamaño y tipo (Figura 7), mientras que una vez completado el cierre, éste entrehierro queda reducido a unos 0,2 mm o su equivalente. Ello significa que en corriente alterna, el consumo es notablemente mayor en la atracción (electroimán abierto) que en la retención (electroimán cerrado). Ésta diferencia se acentúa a medida que crece la potencia del electroimán, o sea del contador.

Figura 7

Datos de algunas ejecuciones que se encuentran en el mercado

La diferencia de consumo entre atracción y retención nos advierte sobre dos aspectos importantes:

●         El peligro de que se queme la bobina si el electroimán no puede completar su cierre.

●    El peligro de la caída de tensión en el circuito de alimentación del mando, originada por el consumo del electroimán en el momento de iniciar la atracción. Este peligro es más pronunciado cuando el circuito de mando se alimenta a través de transformador auxiliar y los contactores son de potencia elevada.

2.4.-Tiempos de operación

Entendemos por tiempos de operación los tiempos transcurridos:

●        Desde que se emite la orden de cierre, hasta el cierre completo y satisfactorio de todos los contactos abiertos.

●         Desde que se emite la orden de corte, hasta la apertura completa y satisfactoria de todos los contactos que en trabajo estaban cerrados, incluida la completa extinción de los respectivos arcos.

Este proceso se muestra con claridad en la figura 8, donde podemos ver el proceso de conexión y el de desconexión:

Figura 8: Proceso de conexión-desconexión de un contactor

2.4.1.- Valores usuales de operación

Los datos de la tabla siguiente, corresponden a una serie concreta de contactores, se refieren a los contactos principales, y se dan como ejemplo.

2.4.1.1.- Duración de las órdenes de cierre y de corte

En general no se presentan dificultades por éste lado, pues las órdenes suelen ser de tanta o más duración que los tiempos de operación, no obstante es de advertir que estas órdenes requieren una duración mínima para garantizar la total consecución de la operación, cosa que no siempre ocurre cuando la orden es un simple impulso.

Por otro lado ésta característica hace que el contactor sea insensible a muy cortas alteraciones de tensión y evita falsos funcionamientos por causa de tales espúreos.

2.4.1.2.- Rebotes al cierre

Un contacto móvil al cerrar y golpear contra el fijo tiene tendencia a rebotar. Ésta tendencia puede manifestarse sólo en forma de oscilación de la presión de contacto, pero también puede llegar a rebotes con separaciones momentáneas de ambos contactos. En tal caso, si el rebote se produce entre:

●       Contactos principales, aparece el riesgo de soldadura.

●      Contactos auxiliares, se produce un tren de impulsos que si el elemento gobernado en el circuito auxiliar es otro aparato electromagnético, no tendrá consecuencias indeseadas, pero si el elemento gobernado es un semiconductor, éste podrá interpretarlo como una sucesión de órdenes y dar lugar a un funcionamiento erróneo.

Los fabricantes procuran evitar o reducir la posibilidad de estos rebotes, pero no siempre lo consiguen.

2.4.1.3.- Sincronización entre contactos

Aunque de fábrica se procura que los 3 polos (fases) del circuito principal cierren y abran simultáneamente, ello nunca se consigue plenamente; en primer lugar por las ineludibles tolerancias de fabricación, y en segundo lugar porque , con el trabajo, los contactos se desgastan de forma desigual.

Cuando también hay corte del conductor neutro, a menudo se provoca un desfase intencionado, de manera que el neutro sea el primero en cerrar y el último en abrir. Algunos reglamentos lo exigen.

También se provocan desfases intencionados entre contactos auxiliares, por ejemplo: para conseguir efectos de solapado.

2.5.- Extinción del arco

2.5.1.- Caso de corriente alterna

En la gran mayoría de contactores, el corte de la corriente se efectúa en 2 puntos por cada polo (doble corte). Esto permite que un menor alejamiento de las partes móviles sea suficiente; 4 a 8 mm, según tamaño y tipo.

El arco, cuando corresponde al valor asignado de la corriente, se mantiene entre las cabezas de contacto y se extingue a su paso natural por cero. La proximidad de las cabezas de contacto contribuye a su refrigeración. Buena parte del material de contacto que el arco evapora, se recupera por condensación sobre las mismas cabezas de contacto. Esto reduce el desgaste.

El arco tiene tendencia a desplazarse alejándose del generador, es decir ensanchar el circuito abarcado, lo que en el contactor se traduce en migración hacia el exterior de los contactos (figuras 9 y 10).

Ésta tendencia se incrementa a medida que aumenta la intensidad del arco, siendo muy pronunciada por ejemplo: cuando se produce la desconexión del motor durante el período de arranque; periodo en que la intensidad es 6 veces el valor asignado.

Entonces la extinción del arco se produce fuera de las cabezas de contacto, se evapora más material de contacto, y se recupera menos; el desgaste de contactos es mucho mayor. De ahí que para categoría de empleo AC 4, donde los cortes durante el arranque son habituales, la potencia de motor asignada al contactor sea notablemente más baja que para categoría de empleo AC 3.

La tendencia de migración del arco, en contactores de potencia mediana y elevada suele favorecerse mediante una adecuada geometría de los contactos fijos (figuras 11 y 12) y mediante la adición de cámaras extintoras, también llamadas apagachispas.

Estas cámaras favorecen la extinción del arco, básicamente por:

●         Alargamiento y enfriado por laminación entre paredes refractarias (figura 13).

●      Alargamiento,subdivisión y enfriado por contacto con múltiples láminas metálicas (figura 14). Este tipo es el más usado.

2.5.2.- Caso de corriente continua

La extinción del arco en corriente contínua es mucho más difícil que en corriente alterna, puesto que en contínua no se produce el paso natural periódico por cero que tenemos en alterna. La extinción sólo puede basarse en alargar, enfriar y/o subdividir el arco hasta llevarlo a una situación que sea incompatible con la tensión disponible.

Así se incrementan las configuraciones de las figuras vistas en el caso de la corriente alterna y suelen añadirse sistemas de soplado magnético para aumentar la velocidad de migración del arco hacia el interior de las cámaras extintoras (figura 15).

El desgaste de las pastillas de contactos es proporcionalmente mayor que en corriente alterna.

2.6.- Muelles

Al hablar del funcionamiento dentro y fuera de límites, se ha puesto de manifiesto el principalísimo papel que los muelles juegan en la configuración del esfuerzo resistente de las partes móviles del contactor frente al esfuerzo motor del electroimán, y por tanto su importancia frente al correcto funcionamiento.

Proliferan las ejecuciones de contactores que permiten la adición, sustracción o cambio de elementos complementarios, principalmente contactos auxiliares. Cualquiera de estas modificaciones puede alterar la correlación de esfuerzos, y dar lugar, a un funcionamiento defectuoso.

Los fabricantes suelen advertir y dar instrucciones al respecto en sus catálogos.

2.7.- Circuito de mando

Un contactor puede ir gobernado por un contacto cerrado o abierto, en función de una determinada magnitud: posición, nivel, presión, etc. (temperatura en el esquema a de la figura 16). No obstante, el trabajo genuino, es que sea gobernado por impulsos eléctricos; de marcha y de paro, emitidos por pulsadores l y O respectivos (esquema b de la figura 16).

Figura 16

De ahí que un contacto auxiliar abierto 13 - 14 (figura 17) forme parte integrante de todo contactor normal. Éste contacto, es el contacto auxiliar de auto mantenimiento.

Los precedentes esquemas a) y b) de la figura 16, corresponden a mando por corriente alterna, mientras que el siguiente c) de la figura 17 corresponde a mando por continua.

Figura 17

2.8.- Durabilidad, vida mecánica

No se sabe cuál es la vida de un aparato hasta que muere. La durabilidad es un concepto estadístico, resultante de la experiencia y de múltiples ensayos, expresado por el número de maniobras alcanzado o superado por el 90% de una serie de aparatos iguales o equivalentes sometidos a ensayo.

Los límites actuales que se ofrecen en el mercado son:

●         Contactores auxiliares:

o   Durabilidad hasta 30 · 106 maniobras.

●         Contactores para motor:

o   Motor hasta 15 k : hasta 20 · 106 maniobras.

o   Motor hasta 50 kW: hasta 10 · 106 maniobras.

o   Motor de más de 50 kW: hasta 3 · 106 maniobras.

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