Contactor

Un contactor es un interruptor controlado eléctricamente que se utiliza para conmutar un circuito de energía eléctrica. ^[1] Un contactor generalmente está controlado por un circuito que tiene un nivel de potencia mucho menor que el circuito conmutado, como un electroimán de bobina de 24 voltios que controla un interruptor de motor de 230 voltios.

A diferencia de los relés de uso general , los contactores están diseñados para conectarse directamente a dispositivos de carga de alta corriente. Los relés tienden a ser de menor capacidad y generalmente están diseñados tanto para aplicaciones normalmente cerradas como normalmente abiertas . Los dispositivos que conmutan más de 15 amperios o en circuitos con una potencia nominal de más de unos pocos kilovatios generalmente se denominan contactores. Aparte de los contactos auxiliares opcionales de baja corriente, los contactores están equipados casi exclusivamente con contactos normalmente abiertos ("forma A"). A diferencia de los relés, los contactores están diseñados con características para controlar y suprimir el arco producido al interrumpir corrientes pesadas del motor.

A diferencia de un disyuntor , un contactor no está diseñado para interrumpir una corriente de cortocircuito . Los contactores varían desde aquellos que tienen una corriente de corte de varios amperios hasta miles de amperios y de 24 V CC a muchos kilovoltios. El tamaño físico de los contactores varía desde un dispositivo lo suficientemente pequeño para levantarlo con una mano hasta dispositivos grandes de aproximadamente un metro (yarda) de lado.

Los contactores se utilizan para controlar motores eléctricos , iluminación , calefacción , bancos de condensadores , evaporadores térmicos y otras cargas eléctricas.

Un contactor tiene tres componentes:

• Los contactos son la parte del contactor que transporta la corriente. Esto incluye contactos de potencia, contactos auxiliares y resortes de contacto. El material de los contactos se elige por su alta conductividad eléctrica, resistencia mecánica y estabilidad ante arcos eléctricos y oxidación. Los metales que se utilizan habitualmente incluyen aleaciones de tungsteno, molibdeno, cobre y otros. Por ejemplo, los contactores de circuitos de motor pueden utilizar contactos hechos de plata con óxido de cadmio añadido para mejorar la durabilidad y la resistencia al arco eléctrico. ^[2]
• El electroimán (o " bobina ") proporciona la fuerza motriz para cerrar los contactos. La carcasa es un marco que alberga los contactos y el electroimán. Las carcasas están hechas de materiales aislantes como baquelita , nailon 6 y plásticos termoendurecibles para proteger y aislar los contactos y para proporcionar cierta medida de protección contra el contacto por parte del personal. Los contactores de marco abierto pueden tener una carcasa adicional para protegerlos contra el polvo, el aceite, los peligros de explosión y el clima.
• Los contactores magnéticos utilizan bobinas de soplado para alargar y mover elarco eléctrico. Son especialmente útiles en circuitos de alimentación de CC. Los arcos de CA tienen períodos de baja corriente, durante los cuales el arco se puede extinguir con relativa facilidad, pero los arcos de CC tienen una corriente alta continua, por lo que para apagarlos es necesario estirar el arco más que un arco de CA de la misma corriente. Los contactores magnéticos del contactor Albright de la imagen (que está diseñado para corrientes de CC) duplican con creces la corriente que el contactor puede interrumpir, aumentándola de 600 A a 1500 A.

A veces, también se instala un circuito economizador para reducir la potencia necesaria para mantener cerrado un contactor; un contacto auxiliar reduce la corriente de la bobina después de que el contactor se cierra. Se requiere una cantidad de potencia algo mayor para cerrar inicialmente un contactor que la necesaria para mantenerlo cerrado. Un circuito de este tipo puede ahorrar una cantidad sustancial de potencia y permitir que la bobina energizada se mantenga más fría. Los circuitos economizadores casi siempre se aplican en bobinas de contactores de corriente continua y en bobinas de contactores de corriente alterna grandes.

Un contactor básico tendrá una entrada de bobina (que puede ser accionada por una fuente de CA o CC según el diseño del contactor). Las bobinas universales (accionadas tanto por CA como por CC) también están disponibles en el mercado hoy en día. ^[3] La bobina puede ser energizada al mismo voltaje que un motor que el contactor está controlando, o puede ser controlada por separado con un voltaje de bobina más bajo más adecuado para el control por controladores programables y dispositivos piloto de menor voltaje. Algunos contactores tienen bobinas en serie conectadas en el circuito del motor; estas se utilizan, por ejemplo, para el control automático de aceleración, donde la siguiente etapa de resistencia no se corta hasta que la corriente del motor ha caído. ^[4]

Cuando la corriente pasa a través del electroimán , se produce un campo magnético que atrae el núcleo móvil del contactor. La bobina del electroimán absorbe más corriente inicialmente, hasta que su inductancia aumenta cuando el núcleo metálico entra en la bobina. El contacto móvil es propulsado por el núcleo móvil; la fuerza desarrollada por el electroimán mantiene unidos los contactos móviles y fijos. Cuando la bobina del contactor se desenergiza, la gravedad o un resorte devuelve el núcleo del electroimán a su posición inicial y abre los contactos.

En el caso de los contactores que se activan con corriente alterna , una pequeña parte del núcleo está rodeada por una bobina de sombreado que retrasa ligeramente el flujo magnético en el núcleo. El efecto es compensar la atracción alterna del campo magnético y evitar así que el núcleo vibre al doble de la frecuencia de la línea.

Debido a que la formación de arcos eléctricos y los daños consiguientes ocurren justo cuando los contactos se abren o se cierran, los contactores están diseñados para abrirse y cerrarse muy rápidamente; a menudo hay un mecanismo de punto de inflexión interno para garantizar una acción rápida.

Sin embargo, el cierre rápido puede provocar un aumento del rebote de los contactos , lo que provoca ciclos adicionales de apertura y cierre no deseados. Una solución es tener contactos bifurcados para minimizar el rebote de los contactos; dos contactos diseñados para cerrarse simultáneamente, pero que reboten en diferentes momentos para que el circuito no se desconecte brevemente y provoque un arco.

Otra técnica para mejorar la vida útil de los contactores es el limpieza de contactos ; los contactos se mueven uno junto al otro después del contacto inicial para limpiar cualquier contaminación.

Sin una protección adecuada de los contactos , la formación de un arco eléctrico provoca una degradación significativa de los contactos, que sufren daños importantes. Se produce un arco eléctrico entre los dos puntos de contacto (electrodos) cuando pasan de un estado cerrado a uno abierto (arco de ruptura) o de un estado abierto a un estado cerrado (arco de cierre). El arco de ruptura suele ser más energético y, por lo tanto, más destructivo. ^[5]

El calor desarrollado por el arco eléctrico resultante es muy alto, lo que finalmente hace que el metal del contacto migre con la corriente. La temperatura extremadamente alta del arco (decenas de miles de grados Celsius) agrieta las moléculas de gas circundantes creando ozono , monóxido de carbono y otros compuestos. La energía del arco destruye lentamente el metal del contacto, lo que hace que algo de material escape al aire en forma de partículas finas. Esta actividad hace que el material de los contactos se degrade con el tiempo, lo que finalmente da como resultado una falla del dispositivo. Por ejemplo, un contactor aplicado correctamente tendrá una vida útil de 10,000 a 100,000 operaciones cuando funcione con energía; lo que es significativamente menor que la vida mecánica (sin energía) del mismo dispositivo, que puede superar los 20 millones de operaciones. ^[6]

La mayoría de los contactores de control de motores a voltajes bajos (600 voltios y menos) son contactores de corte de aire; el aire a presión atmosférica rodea los contactos y extingue el arco al interrumpir el circuito. Los controladores de motores de CA de voltaje medio modernos utilizan contactores de vacío. Los contactores de CA de alto voltaje (superiores a 1000 voltios) pueden utilizar vacío o un gas inerte alrededor de los contactos. Los contactores de CC de alto voltaje (superiores a 600 V) aún dependen del aire dentro de conductos de arco especialmente diseñados para romper la energía del arco. Las locomotoras eléctricas de alto voltaje pueden aislarse de su suministro aéreo mediante disyuntores montados en el techo accionados por aire comprimido; el mismo suministro de aire puede usarse para "apagar" cualquier arco que se forme. ^{[7] [8]}

Los contactores se clasifican según la corriente de carga diseñada por contacto (polo), ^[9] la corriente máxima de resistencia a fallas, el ciclo de trabajo, la expectativa de vida útil de diseño, el voltaje y el voltaje de la bobina. Un contactor de control de motor de propósito general puede ser adecuado para trabajos de arranque pesados ​​en motores grandes; los llamados contactores de "propósito definido" se adaptan cuidadosamente a aplicaciones como el arranque del motor del compresor del aire acondicionado. Las clasificaciones norteamericanas y europeas para los contactores siguen filosofías diferentes: los contactores de máquina herramienta de propósito general norteamericanos generalmente enfatizan la simplicidad de la aplicación, mientras que la filosofía de clasificación de propósito definido y europea enfatiza el diseño para el ciclo de vida previsto de la aplicación.

La corriente nominal del contactor depende de la categoría de uso . Las categorías IEC de ejemplo en la norma 60947 se describen como:

• AC-1 - Cargas no inductivas o ligeramente inductivas, hornos de resistencia
• AC-2 - Arranque de motores de anillos rozantes : arranque, parada
• AC-3 - Arranque de motores de jaula de ardilla y apagado solo después de que el motor alcance la velocidad deseada. (Amperios de rotor bloqueado (LRA) y amperios de carga completa (FLA))
• AC-4 - Arranque de motores de jaula de ardilla con servicio de avance lento y parada rápida. Arranque y parada rápidos. (Conexión y desconexión LRA)

Los relés y bloques de contactos auxiliares están clasificados según IEC 60947-5-1:

• AC-15 - Control de cargas electromagnéticas (>72 VA)
• DC-13 - Control de electroimanes

Los contactores NEMA para motores de bajo voltaje (menos de 1000 voltios) se clasifican según el tamaño NEMA , que proporciona una clasificación de corriente continua máxima y una clasificación por caballos de fuerza para los motores de inducción conectados. Los tamaños de contactor estándar NEMA se designan 00, 0, 1, 2, 3 a 9.

Las clasificaciones de potencia se basan en el voltaje y en las características típicas del motor de inducción y el ciclo de trabajo , como se indica en la norma NEMA ICS2. Los ciclos de trabajo excepcionales o los tipos de motores especializados pueden requerir un tamaño de arrancador NEMA diferente al nominal. La documentación del fabricante se utiliza para guiar la selección para cargas que no sean de motor, por ejemplo, iluminación incandescente o capacitores de corrección del factor de potencia. Los contactores para motores de voltaje medio (superiores a 1000 voltios) se clasifican por capacidad de voltaje y corriente.

Los contactos auxiliares de los contactores se utilizan en circuitos de control y están clasificados según las especificaciones de contacto NEMA para el servicio de circuito piloto requerido. Normalmente, estos contactos no se utilizan en circuitos de motor. La nomenclatura es una letra seguida de un número de tres dígitos; la letra designa la corriente nominal de los contactos y el tipo de corriente (es decir, CA o CC) y el número designa los valores de diseño de voltaje máximo. ^[10]

Los contactores se utilizan a menudo para proporcionar un control central de grandes instalaciones de iluminación, como un edificio de oficinas o un edificio comercial. Para reducir el consumo de energía en las bobinas de los contactores, se utilizan contactores de enclavamiento, que tienen dos bobinas de operación. Una bobina, activada momentáneamente, cierra los contactos del circuito de alimentación, que luego se mantienen cerrados mecánicamente; la segunda bobina abre los contactos.

Un arrancador magnético es un dispositivo diseñado para suministrar energía a motores eléctricos. Incluye un contactor como componente esencial, al mismo tiempo que brinda protección contra cortes de energía, subtensión y sobrecarga.

Los contactores de vacío utilizan contactos encapsulados en botellas de vacío para suprimir el arco. Esta supresión del arco permite que los contactos sean mucho más pequeños y ocupen menos espacio que los contactos de corte en aire con corrientes más altas. Como los contactos están encapsulados, los contactores de vacío se utilizan bastante en aplicaciones sucias, como la minería. Los contactores de vacío también se utilizan ampliamente en voltajes medios de 1000 a 5000 voltios, reemplazando eficazmente a los disyuntores llenos de aceite en muchas aplicaciones.

Los contactores de vacío solo se pueden utilizar en sistemas de CA. El arco de CA generado al abrir los contactos se autoextingue en el cruce por cero de la forma de onda de la corriente, y el vacío evita que el arco se vuelva a encender en los contactos abiertos. Por lo tanto, los contactores de vacío son muy eficientes para interrumpir la energía de un arco eléctrico y se utilizan cuando se requiere una conmutación relativamente rápida, ya que el tiempo máximo de interrupción está determinado por la periodicidad de la forma de onda de CA. En el caso de una alimentación de 60 Hz (estándar norteamericano), la alimentación se interrumpirá en 1/120 de segundo (8,3 ms).

Un relé de mercurio , a veces llamado relé de desplazamiento de mercurio o contactor de mercurio, es un relé que utiliza el mercurio metálico líquido en un recipiente sellado aislado como elemento de conmutación.

Un relé humedecido con mercurio es un tipo de relé, generalmente un relé de lengüeta , en el que los contactos están humedecidos con mercurio. Estos no se consideran contactores porque no están diseñados para corrientes superiores a 15 amperios.

Cuando se debe operar una serie de contactores en secuencia, esto puede hacerse mediante un árbol de levas en lugar de mediante electroimanes individuales. El árbol de levas puede ser accionado por un motor eléctrico o un cilindro neumático. Antes de la llegada de la electrónica de estado sólido , el sistema de árbol de levas se utilizaba comúnmente para el control de velocidad en locomotoras eléctricas . ^[11]

Además de sus valores nominales de corriente y de su clasificación para el control de circuitos de motores, los contactores suelen tener otros detalles de construcción que no se encuentran en los relés. A diferencia de los relés de menor potencia, los contactores suelen tener estructuras especiales para la supresión de arcos eléctricos, lo que les permite interrumpir corrientes intensas, como la corriente de entrada de arranque del motor. Los contactores suelen tener una disposición para la instalación de bloques de contactos adicionales, clasificados para servicio piloto, que se utilizan en circuitos de control de motores.

• Es raro ver voltajes de bobina altos para relés, pero a menudo se encuentran con contactores con voltajes de bobina desde 24 V CA/CC hasta 600 V CA posibles.
• Los relés suelen tener contactos normalmente cerrados; los contactores normalmente no (cuando están desenergizados, no hay conexión).
• Los arrancadores de motores combinados solo utilizan contactores.

• Medios relacionados con Contactores en Wikimedia Commons