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Elegir un relé de potencia para cuestiones de seguridad en aplicaciones industriales

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La elección de relés para aplicaciones industriales exige una cierta consideración. Los criterios más habituales para decidirse por uno u otro van desde la revisión de la tensión y las corrientes implicadas hasta el espacio máximo disponible para el relé, sin olvidar tampoco las distancias de separación de componentes específicos. Una consideración más compleja pasa por estudiar si existe algún estándar de seguridad concreto aplicable en cada caso.

Este artículo investiga los requisitos a los que los ingenieros de diseño deben enfrentarse a la hora de desarrollar aplicaciones industriales y comerciales y al elegir los relés adecuados.
Hay dos aspectos técnicos que los ingenieros deben revisar cuidadosamente durante el proceso de selección de relés. Este artículo destacará cómo los picos de corriente de arranque pueden dañar significativamente los contactos de un relé hasta el punto de que no puedan volver a abrirse. Este error puede poner en evidencia la necesidad de cumplir con los estándares de seguridad para equipos tales como ascensores, herramientas de corte industriales y señalización ferroviaria. El segundo tema hace referencia a entornos con limitaciones de espacio, tales como un armario de control industrial, y a encontrar el espacio necesario para instalar la cantidad necesaria de relés.
 
Elegir relés para entornos eléctricos exigentes
Durante los últimos diez años, el panorama de la fabricación industrial ha experimentado una rápida transformación. Con el objetivo de aumentar la eficacia operativa general, tendencias como la Industria 4.0 y el Internet de las cosas industrial (IIoT, por sus siglas en inglés) han impulsado el crecimiento de los equipos y sistemas de automatización industrial.
Los sistemas industriales necesitan una forma eficaz de controlar los raíles de alta potencia a los equipos desde una interfaz de baja tensión. Los relés electromagnéticos suponen un método efectivo de lograr estas acciones, y por lo general pueden activar o desactivar varios conjuntos de contactos a partir de una única señal. Mientras que el modesto relé ofrece una solución sencilla y de bajo coste, puede que se den situaciones en las que el equipo controlado esté sujeto a estrictos requisitos de seguridad funcional. Por ejemplo, un operador que use una prensa hidráulica debe estar seguro al 100 % de que esta funcione solo cuando se desee. Los estándares de seguridad funcional, tales como el IEC 61508 y sus derivados de equipamiento industrial, estipulan los niveles de integridad de seguridad (SIL) necesarios para proteger a los usuarios de los equipos y evitar daños en estos. Uno de los estándares de seguridad, el IEC 61810-3, anteriormente conocido como EN 50205, se refiere explícitamente a los relés empleados en aplicaciones de control de seguridad y de autocontrol.
 
Gestionar corrientes de arranque
Las corrientes de arranque pueden ser potencialmente dañinas para cualquier elemento de un equipo eléctrico, como puede ser el caso de conmutadores, contactos y relés. Las corrientes de arranque se producen cuando la tensión de alimentación que llega a la carga provoca corrientes de intensidad excesiva. Las cargas inductivas, como motores y transformadores, y las cargas capacitivas, como los bancos de almacenamiento de energía, son especialmente propensas a experimentar elevadas corrientes de arranque. La magnitud de estas corrientes puede ser de hasta cuarenta veces la corriente media en régimen permanente. En un relé, el aumento repentino de corriente puede generar un arco instantáneo entre los contactos del relé, lo que provocaría que estos se soldaran entre sí. El relé puede dar la impresión de que sigue funcionando como se espera, pero su capacidad de desconectar la corriente de la carga se ha visto comprometida.
Existen varias formas de reducir las corrientes de arranque, como aumentar poco a poco la tensión aplicada a la carga o emplear un interruptor de paso por cero (ZCS), como por ejemplo, un relé de estado sólido (SSR). El ZCS funciona con una tensión de alimentación CA detectando el momento en el que la tensión pasa a ser cero, y por tanto, la corriente es cero, entre los picos positivo y negativo; esto es, el punto de cruce por cero. Una vez que se produce el cruce por cero, el relé puede activar o desactivar la carga.
Por desgracia, la naturaleza de las cargas altamente inductivas implica que el punto de máxima corriente puede retrasar considerablemente el pico de tensión, desplazando también el momento de cero tensión y corriente. En consecuencia, el enfoque del cruce por cero y el relé de estado sólido puede resultar en la conmutación de corrientes altas. Además, el ZCS y el SSR son ampliamente conocidos como una fuente potencial de interferencias electromagnéticas (EMI) disruptivas y no deseadas de los métodos de conmutación empleados. Alcanzar el cumplimiento de la seguridad funcional con un ZCS/SSR exige un control complejo del circuito semiconductor.
 
Relés con contactos guiados
La forma más factible y menos compleja de conmutar circuitos con fiabilidad y seguridad consiste en emplear un relé con contactos guiados (FGR). Estos relés están cubiertos por el estándar IEC 61810-3. Además, emplean un método constructivo que garantiza que los contactos normalmente abiertos (hacer contacto/NA o, en inglés, «make/NO») no puedan asumir el mismo estado que los normalmente cerrados (romper contacto/NC o «break/NC»). Si los contactos se soldaran o se produjese cualquier otro fallo en el interior del relé, el movimiento forzado de los contactos mantendrá una distancia mínima especificada de 0,5 mm hasta los contactos averiados.
Imagen 1: Vista detallada de contactos FGR de TE Connectivity


La imagen 1 muestra una vista detallada del método constructivo de una serie de contactos de relés guiados.
En TE Connectivity, la gama de productos SCHRACK de relés con contactos guiados se emplea en aplicaciones relacionadas con la seguridad. Algunos ejemplos de ellas incluyen bloqueos de seguridad (interlocks), interruptores de parada de emergencia y sistemas robóticos de control. Más allá de los usos industriales, los contactos FGR se emplean en distintos sistemas de control, desde controladores para puertas de ascensores o señalización ferroviaria hasta equipos de diagnóstico médico.


La gama SCHRACK incluye una amplia variedad de opciones de diseño flexible tales como configuraciones de contactos múltiples, distintas opciones de chapado de contacto y numerosas distribuciones de contactos para alcanzar mayores tensiones nominales. Las opciones de bobinado estándar y sensible ofrecen una mayor vida útil y un perfil de disipación de calor mejorado.
La imagen 2 destaca la gama de FGR de SCHRACK, desde la serie SR2M de 2 polos hasta la familia SRL7 de 7 polos.


Imagen 2: la gama de relés con contactos guiados SCHRACK de TE Connectivity (fuente: TE Connectivity SCHRACK)

Un ejemplo de FGR es el SCHRACK SR2M (ver la imagen 3). Este relé de 2 polos cumple con el estándar EN 61810-3 (antiguamente EN 50205) y cuenta con un aislamiento reforzado entre los polos. Los contactos de conmutación admiten 250 VCA, con un máximo de 400 VCA y una corriente de conmutación de 6 A. El material del contacto es plata-níquel (AgNi). Las disposiciones de los contactos son 1 contacto forma A (SPST-NO) y 1 contacto forma B (SPST-NC). La tensión operativa de la bobina del relé depende de cada modelo y admite las tensiones nominales más habituales que van desde los 5 VCC hasta los 110 VCC. Está disponible en formato tanto enchufable como para soldar.


Las aplicaciones más habituales del SR2M son cierres de emergencia, control de prensas hidráulicas, control de ascensores y escaleras mecánicas o monitorización de la seguridad.
Otro ejemplo de uso del FGR es el SCHRACK SR4D/Mde cuatro polos. Este relé (ver la figura 4) está disponible con 3 contactos forma A y un contacto forma B (3 NO + 1 NC), o con 2 contactos forma A y 2 contactos forma B (2 NO + 2 NC). El material del contacto es una aleación de dióxido de estaño y plata (AgSnO2), y la corriente nominal por contacto es de 8 A.

Imagen 4: relé con contactos guiados SCHRACK SR4 D/M de TE Connectivity (fuente: TE Connectivity SCHRACK)
 
Contactos FGR para aplicaciones industriales de espacio reducido
La mayoría de los activos de producción industrial están controlados por controladores lógicos de proceso (PLC) montados en carriles DIN y alojados en el interior de un armario de control. Conforme aumenta la complejidad de la maquinaria, y con ella, la cantidad de equipos, el espacio en el suelo de las plantas de fabricación se convierte en un bien cada vez más escaso. Por lo general, los ingenieros se ven limitados a un único armario de control por activo de producción, lo que provoca restricciones en el equipo de control. Los controladores industriales modernos deben ofrecer una mayor cantidad de funciones y proporcionar una mayor capacidad en un menor espacio. Sin embargo, este diseño exige también que la disipación de calor se mantenga bajo unos ciertos mínimos.
Un ejemplo de relé con contactos guiados sobre un carril DIN es el compacto SCHRACK XT (ver imagen 5).
Imagen 5: el relé con contactos guiados SCHRACK XT montado sobre un carril DIN (fuente: TE Connectivity SCHRACK)
El SCHRACK XT está disponible en los modelos de un único polo o de dos polos, y admite corrientes nominales de 16 A (1P) o de 8 A (2P). El relé FGR se puede adquirir con una bobina de 24 VCC, de 24 VCA, de 115 VCA o de 230 VCA.


Mantener la seguridad operativa en los sistemas eléctricos industriales
El cumplimiento de los estándares de seguridad aplicables es fundamental para la seguridad humana en todos los aspectos de nuestras vidas. Esto resulta especialmente importante en aquellos procesos industriales donde la maquinaria y los equipos de proceso presentan peligros de seguridad potenciales. Los estándares de seguridad funcional estipulan el marco general para evaluar y determinar riesgos, y en el caso de los relés, el IEC 61810-3 dictamina el uso de relés con contactos guiados para aplicaciones de control de seguridad.
Los relés con contactos guiados de la gama de productos SCHRACK de TE Connectivity son esenciales para cualquier aplicación relacionada con la seguridad con el fin de proteger vidas.
TE Connectivity, TE connectivity (logo), TE y SCHRACK son marcas comerciales propiedad de la familia de empresas TE Connectivity Ltd. o bajo la licencia de esta. Los demás productos, logos y nombres de empresa mencionados en este texto pueden ser marcas registradas de sus respectivos propietarios.
 
Autor: Mark Patrick, Mouser Electronics
 


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