Jesús Alfredo Galindo Salinas 5 AE
Tipos de relevadores y tipos de válvulas solenoides RELEVADORES Los relevadores son dispositivos que se emplean en los circuitos de control, los cuales util utiliz izan an un camp campoo elec electr trom omag agnét nétic icoo para para cerr cerrar ar y/o y/o abri abrirr conta contact ctos os.. Este Este camp campoo electromagnético se genera por medio de un electroimán, que convierte energía eléctrica en energía energía mecáni mecánica. ca. La figura figura repres represent entaa un electr electroim oimán án en el cual cual se distin distingue guenn sus principales elementos como son: La bobina: bobina: produce el flujo magnético cuando circula por ella una corriente eléctrica. El núcleo: núcleo: normalmente hecho de acero laminado de alta permeabilidad que proporciona trayectoria para el campo magnético de la bobina. La armadura: armadura: es atraída hacia el núcleo por la acción del campo magnético. Los relevadores se clasifican en dos tipos: los de control y los de potencia. Estos últimos también se les conoce como contactores. Los relevadores de control se emplean en circuitos pilotos, arrancadores magnéticos, circuitos de control de diferentes relevadores, contactores u otros dispositivos. Sus requerimientos de corriente y voltaje de conmutación son bajos y debido a esto sus contactos pueden ser pequeños y tener poca separación entre sí. Los contactores, en cambio, se utilizan para establecer e interrumpir repetidamente un circuito de potencia eléctrica. Los contactos de este dispositivo son diseñados para trabajo pesado en la interrupción de cargas industriales, las cuales requieren niveles de corriente relativamente altos. Relevadores polarizados: Llevan una pequeña armadura, solidaria a un imán permanente. El extremo inferior puede girar dentro de los polos de un electroimán y el otro lleva una cabeza de contacto. Si se excita al electroimán, se mueve la armadura y cierra los contactos. Si la polaridad es la opuesta girará g irará en sentido contrario, abriendo los contactos ó cerrando otro circuito. Relevadores de tipo armadura: Son los más antiguos y también los más utilizados. El electroimán hace vascular la armadura al ser excitada, cerrando los contactos dependiendo de si es N.O ó N.C Relevadores de núcleo móvil: móvil: Estos tienen un émbolo en lugar de la armadura anterior. Se utiliza un solenoide para cerrar sus contactos, debido a su mayor fuerza atractiva (por ello es útil para manejar altas corrientes). Relevador de corriente alterna: Cuando se excita la bobina de un relevador con corriente alterna, el flujo magnético en el circuito magnético, también es alterno, produciendo una fuerza pulsante, con frecuencia doble, sobre los contactos. En un relevador de corriente
alterna se modifica la resonancia de los contactos para que no oscilen. Funciona como un activador a distancia. Es un electro imán que se une por medio de dos plaquetas Relevadores de estado sólido: Un relé de estado sólido SSR (Solid State Relay), es un circuito electrónico que contiene en su interior un circuito disparado por nivel, acoplado a un interruptor semiconductor, un transistor o un tiristor. Relevadores temporizadores o timers: Los timers son uno de los elementos de los PLC que tanto se usaron para procesos de automatización industrial. No se accionan enseguida sino desde 3 segundos hasta 24 hs después. Se usan para que las luces se prendan y apaguen a determinados intervalos de tiempo, en redes eléctricas de grandes oficinas o fábricas (no las luces de la calle, que hoy en día tienen un sistema fotoeléctrico de encendido que les permite sensar el grado de luz en el ambiente). Antes los relés temporizadores se usaban en telefonía, telefonía, son elementos que se comandan eléctricamente con una bovina de tensión: al apretar un botón con un solo circuito (o puede tener varios circuitos) queda programada una serie de acciones que variarán dentro de un rango de tensión, según el máximo que haya sido programado. Estados de control de un Relevador Es importante que recordemos que todos los RELEVADORES tienen contactos asociados que se ACTIVAN cuando la BOBINA de éste, se ENERGIZA, (También los interruptores tienen contactos que se ACTIVAN al activarse estos). Todos los contactos tienen un ESTADO NORMAL, y es la posición en la cual están INACTIVOS o la bobina del relé esta DESENERGIZADA, este estado puede ser ABIERTO (CONTACTO NORMALMENTE ABIERTO) o CERRADO (CONTACTO NORMALMENTE CERRADO). Cuando se energiza la bobina del relevador, sus contactos se ACTIVAN, cambiando al estado opuesto de su ESTADO NORMAL (estado no activo), es decir, un contacto NORMALMENTE ABIERTO se cerrará y un contacto NORMALMENTE CERRADO se abrirá.
Circuitos de Retención Estos circuitos son muy utilizados en la lógica de relevadores y son la base para entender una de las instrucciones más utilizadas en la programación de PLC’s, la salida Latch enclavada o de retención. El propósito de un circuito de retención es el de mantener energizada la salida después de usar un interruptor de acción momentánea como un botón pulsador, con el siguiente diagrama repasaremos el funcionamiento de este tipo de circuitos.
1.- Para encender el motor, el operador presiona el botón de arranque, enviando una señal momentánea al relevador de control L. 2.- La bobina se energiza y los contactos del motor se juntan para encenderlo. Pero ¿CÓMO CONTINUA FUNCIONANDO? La señal es momentánea y si no hay algún circuito adicional, la bobina vuelve a su estado NO ENERGIZADO en cuanto se suelta el botón de arrancar, y el motor se apaga. Como sabemos, este circuito adicional es un circuito de retención; entonces, el arrancador es energizado cuando se presiona el botón de arrancar. Un contacto auxiliar para mantener el circuito (montado sobre el arrancador), forma un CIRCUITO PARALELO alrededor de los contactos del botón pulsador de arrancar, sosteniendo el arrancador energizado después de que el botón se suelta. Si ocurriera un falla en el circuito de fuerza o se oprimiera el botón de PARAR, el arrancador se abrirá y por consiguiente se abrirá también el contacto auxiliar de sostén. En la restauración del circuito de fuerza el botón de arrancar debe ser actuado otra vez para que el motor nuevamente opere. Este circuito también es llamado control a 3 hilos y este término surge de d e la realidad de que en un circuito básico son requeridos al menos 3 hilos para conectar co nectar los dispositivos piloto a el arrancador. Tomemos el siguiente ejemplo, supongamos que en algún renglón de nuestro diagrama de escalera tenemos las siguientes instrucciones: Y nuestro sensor es normalmente abierto (NA), entonces la salida que habilita a la bobina bob ina 01 solo encenderá si el sensor está detectando algo, pero si nuestro nu estro sensor es normalmente cerrado (NC), entonces la salida permanecerá encendida mientras el sensor esté sin detectar (es decir, cuando detecta, la salida se apaga). Ahora, si en nuestro renglón tenemos lo siguiente: Y nuestro sensor es NA, la salida estará activa ac tiva hasta que el sensor detecte algo (es decir, cuando se detecte algún objeto la salida se apagará), y si el sensor utilizado es NC, la salida se activará hasta que el sensor detecte algún objeto. Como podemos ver, es el caso contrario del renglón anterior. Para mayor claridad de estos ejemplos observemos con atención los siguientes esquemas. Por la explicación anterior, entendemos entonces la importancia de comprender el principio de funcionamiento de todos los dispositivos utilizados en un sistema automático, lo cual también nos ayudará, a diagnosticar más eficazmente los problemas que se nos presenten, de igual manera nos ayudará a un mejor desarrollo de nuestros programas y proyectos; así entonces, empecemos por estudiar a los SENSORES que por existir una gran variedad de tipos y aplicaciones, constituyen el principal y más importante dispositivo de entrada
¿Qué es una válvula de solenoide?
Este tipo de válvulas es controlada variando la corriente que circula a través de un solenoide (conductor ubicado alrededor de un émbolo, en forma de bobina). Esta corriente, al circular por el solenoide, genera un campo magnético que atrae un émbolo móvil. Por lo general estas válvulas operan de forma completamente abierta o completamente cerrada, aunque existen aplicaciones en las que se controla el flujo en forma lineal. Al finalizar el efecto del campo magnético, el émbolo vuelve a su posición por efecto de la gravedad, un resorte o por presión del fluido a controlar. Existen muchos tipos de válvulas de solenoide. Todas ellas trabajan con el principio físico antes descrito, sin embargo se pueden agrupar de acuerdo a su aplicación, construcción o forma: Según su aplicación: aplicación: Acción Directa u Operadas mediante piloto. Según su construcción: construcción: Normalmente abierta o Normalmente cerrada. Según su forma: De acuerdo al número de vías.
VÁLVULAS DE SOLENOIDE DE ACCIÓN DIRECTA En este tipo de válvulas, el émbolo móvil controla el flujo debido al efecto de la fuerza de origen magnético directamente. Para ejemplificar el modo de trabajo de estas válvulas en general, se estudiará el funcionamiento de la válvula de solenoide de acción directa, normalmente cerrada de dos vías de la Figura Nº3.
Figura 3: Válvula de Acción Directa. En ella, al no circular corriente por la bobina, la aguja asociada a la parte inferior del émbolo cierra el orificio deteniendo el flujo. Al energizar el solenoide, se genera un campo magnético que ejerce fuerza sobre el émbolo atrayéndolo hacia arriba. De esta manera la aguja se levanta, permitiendo el paso p aso del fluido. Al finalizar el efecto de la corriente eléctrica, la fuerza ascendente sobre el émbolo cesa. Este cae, por efecto de la gravedad, cerrando mediante la aguja el orificio, impidiendo de esta manera el paso del flujo por p or la tubería. En otras aplicaciones, se ocupan o cupan resortes que permiten la instalación de la válvula en posiciones no verticales, prescindiendo de esta manera de la fuerza de gravedad. Desde luego, mientras mayor sea la diferencia de presión entre la entrada y la salida del de l fluido, mayor tendrá que ser la fuerza ejercida sobre el émbolo móvil para cerrar c errar (o abrir dependiendo del caso) el orificio de la válvula. Debido a lo anterior, existe un límite máximo de diferencia de presiones con las que puede trabajar cada válvula. Este límite se conoce cono ce como “Diferencial Máximo de Presión de Apertura”. VÁLVULAS DE SOLENOIDE OPERADAS POR PILOTO Las válvulas de solenoide operadas por piloto se basan en una combinación de la bobina solenoide, descrita anteriormente, y la presión de la línea o tubería. En este tipo de válvulas, el émbolo está unido a un vástago de aguja, que a su vez cubre un orificio piloto en vez del puerto principal. En la Figura 4 se aprecia, a modo de ejemplo, una válvula de solenoide operada por piloto, normalmente cerrada, de dos vías con pistón flotante.
Figura 4: Válvula operada por piloto, normalmente cerrada de dos vías y pistón flotante Existen tres tipos básicos de válvulas operadas por piloto: p iloto: • Pistón Flotante. • Diafragma Flotante. • Diafragma Capturado. Los tres tipos de válvulas operan con el mismo principio. Cuando la bobina es energizada, el émbolo es atraído hacia el centro de la bobina, abriendo el orificio piloto. Una vez hecho esto, la presión atrapada arriba del pistón o diafragma se libera a través del orificio piloto, creando así un desbalance de presión a través del pistón o diafragma. De este modo, la presión inferior es mayor a la superior, forzándolo a subir y produciendo la apertura del puerto principal. Diferencial Máximo de Presión de Apertura Ape rtura (MOPD): Tal como se dijo anteriormente, mientras mayor sea la diferencia de presiones entre la entrada y la salida, más fuerza será necesaria para abrir o cerrar la válvula. También, mientras mayor sea el orificio de la válvula, mayor será el área afectada por esta diferencia de presiones, haciendo aún más difíciles los movimientos de la aguja asociada al émbolo. Por lo tanto, dado la fuerza máxima con que el electroimán puede atraer al émbolo, existe un límite para la diferencia de presiones entre la entrada y la salida. Si la presión excede
este límite, el solenoide será incapaz de mover al émbolo, dejando a la válvula sin capacidad de actuación. Si se requiere de un gran MOPD, la fuerza que deberá ejercer el campo sobre el émbolo deberá ser grande. De esta manera, será necesaria una gran bobina, aumentando los costos de construcción de la válvula. Debido a lo anterior, las válvulas solenoide piloto no hacen contacto con el pistón, sino que maneja la presión que afecta a este a través de sus conexiones a la línea y a la cámara piloto. De esta manera, cuando el solenoide piloto está desenergizada, se acumula presión alta en la cámara piloto, provista a través de una conexión de alta presión, forzando la clausura del pistón. Al energizarse el solenoide, se libera la presión de la cámara piloto y se igualan las presiones, haciendo que el resorte levante el pistón y abra la válvula. Estas válvulas son conocidas también como c omo “operadas por piloto externo”, dejando para las válvulas anteriores la denominación de “operadas por piloto interno”. Diferencial Mínimo de Presión de Apertura (MinOPD): Según se explicó, una válvula de acción directa no puede actuar si las presiones de la tubería exceden su MOPD. Ello exigiría una mayor fuerza magnética, lo que implica un gasto excesivo en una bobina del tamaño adecuado. Es por esto que en aplicaciones de actuación en presencia de presiones mayores, se utilizan las válvulas de solenoide operadas por piloto. El objetivo de la actuación, la apertura del orificio piloto, es que sea realizada con el menor esfuerzo posible. Sin embargo, en las válvulas operadas por piloto es necesario un diferencial de presión específico una vez que el orificio piloto ha permitido la igualación de las presiones de entrada y salida. Este MinOPD es requerido para pa ra levantar al pistón o diafragma del puerto principal. Es importante señalar que las válvulas operadas por piloto, al igual que las de acción directa, deben evitar exceder su MOPD, para lograr un flujo adecuado dentro de la línea. VÁLVULAS DE DOS VIAS De acuerdo a su forma, las válvulas se pueden clasificar según la cantidad de entradas y/o salidas que ella posee. De esta manera, los tres tipos principales de válvulas son las de dos, tres y cuatro vías. La válvula de dos vías es el tipo de válvula solenoide más común, ya que posee una conexión de entrada y una de salida, controlando el flujo del fluido en una sola línea. Ya se ha explicado en profundidad el funcionamiento de válvulas de acción directa y operada por piloto y pistón, por lo que ahora se dará una reseña del funcionamiento de las válvulas con diafragma flotante. En la Figura 7 se aprecia una válvula operada por piloto, normalmente cerrada y con diafragma flotante. Estas válvulas poseen un orificio igualador que qu e comunica la presión de la entrada con la parte superior del diafragma, empujándolo contra el asiento y manteniendo, de esta manera, cerrada la válvula. El orificio piloto debe ser más grande que el orificio igualador. Cuando se energiza la bobina, el émbolo es atraído por el campo magnético y levanta la aguja del orificio piloto, produciendo la reducción de la presión arriba del diafragma, igualándola con la de salida. El diferencial de presión resultante a través del diafragma crea una fuerza que lo levanta del puerto principal generando la apertura de la válvula. Al desenergizar la bobina se cerrará el orificio piloto, provocando
que la presión de entrada se vaya por el agujero igualador y se igualen las presiones sobre y bajo el diafragma. De esta forma, el dispositivo se volverá a sentar y se cerrará la válvula.
Figura 7: Válvula operada por piloto, normalmente cerrada de dos vías y diafragma flotante. VÁLVULAS DE TRES VIAS Las válvulas de tres vías tienen una conexión de entrada que es común a dos conexiones de salida distintas, como la que se muestra en la Figura 10. Las válvulas de tres vías son, básicamente, una combinación de la válvula de dos vías normalmente cerradas y de la válvula de dos vías normalmente abierta, en un solo cuerpo y con una sola bobina. La mayoría de estas válvulas son operadas por piloto.
Figura 10: Válvula Solenoide de Tres Vías operada por piloto externo Veamos su funcionamiento. Al estar la bobina desenergizada, con el orificio piloto clausurado, en la parte superior del ensamble del pistón se tiene una presión P1, la cual llega a través de la conexión piloto externa que se observa a la derecha y arriba de la figura. La parte inferior del pistón se encuentra directamente expuesta a la presión de la entrada, P2, produciéndose una diferencia de presiones P2 - P1 que levanta el pistón. Esto permite el flujo de fluido desde la entrada hacia la salida inferior, ya que cierra el puerto para la salida lateral y lo abre para la salida de abajo. Para producir el efecto de desviación, se debe energizar la bobina, con lo cual se levanta el émbolo y la aguja destapa el orificio piloto. De esta forma, se permite el paso del fluido presente en la entrada a través del tubo capilar y hacia la parte superior del ensamble del pistón. Así, se consigue una igualación de las presiones sobre y bajo el pistón, el cual es finalmente empujado hacia abajo por un resorte ubicado sobre éste. Se tendrá entonces que el puerto lateral se abre y el inferior se cierra, con lo que flujo se moverá hacia la salida lateral. VALVULAS DE CUATRO VIAS Estas válvulas solenoide son conocidas comúnmente como válvulas reversibles, cuya forma más usual se aprecia en la Figura 11. Éstas poseen una entrada y tres salidas. El funcionamiento de la válvula de cuatro vías se detalla en las Figuras 12 y 13, según el estado energético de la bobina. Cuando la bobina de la válvula piloto se encuentra sin energía, el pistón deslizante está posicionado de tal forma que conecta los puertos B con D1 y S1 con A. De esta forma, la sección superior del deslizante principal está acumulando la
presión alta presente en la línea de descarga D. Por otro lado, la parte inferior del deslizante, provisto de un sello que lo aísla de la sección superior, se encuentra expuesta a la presión baja de la línea de succión S. Con esto, se genera un desbalance de presiones en el deslizante principal que provoca la fuerza que lo mantiene en su posición “abajo”. En estas condiciones, se comunican los puertos S y 1 a modo de válvula reversible, mientras los puertos D y 2 mantienen el flujo del fluido principal a través del deslizante de la válvula de cuatro vías.
Figura 11: Válvula Solenoide de Cuatro Vías operada por piloto externo.
