proteccion de motores

PROTECCIÓN DE MOTORES



GENERALIDADES
El Código Nacional de Electricidad (N.E.C), de USA, es deliberadamente muy detallado respecto a la protección de los circuitos derivados del motor.
El objetivo es evitar incendios de origen eléctrico en dichos circuitos y en los conductores de alimentación al motor. En ya mencionado Código se especifica claramente los sistemas de sobrecargas y de cortocircuitos tanto para los conductores de alimentación como para los circuitos derivados, así como el calibre mínimo de los cables que debe ser utilizado para un solo motor o grupo de ellos. En caso de cortocircuito en el interior del motor el sistema de protección contra cortocircuitos del circuito auxiliar evitara que se dañe, además del propio motor, el arrancador y el equipo de control del mismo. El sistema de protección del circuito auxiliar contra sobrecargas, determinado en parte por la corriente en el arranque y en el tipo de motor, esta proyectado para proteger a los conductores de alimentación contra sobrecargas continuadas. Esta protección en la línea es, sin embargo, mas elevada que la necesaria para la protección del motor contra sobrecargas constantes en funcionamiento. Por esto, es necesario, además, proteger al propio motor contra sobrecargas operativas utilizando dispositivos de máxima los cuales van incluidos en la carcasa del motor o bien el arrancador o en el regulador. Otros dispositivos protectores que serán considerados además de máxima, incluyen protecciones contra baja tensión y sobretension, interrupción del campo en derivación, inversión e interrupción de fases y protecciones contra temperatura y desvío de frecuencia.

FUSIBLES
Quizá el dispositivo más simple de protección del motor contra sobreintensidades es el fusible. Los fusibles están divididos en dos grandes grupos: fusibles de baja tensión (600 V o menos) y fusibles de alta tensión (mas de 600 V).
El tipo de cartucho o contacto de casquillo, es útil para las tensiones nominales entre 250 y 600 Ven los de tipo fijo y recambiable. El tipo fijo mostrado en el esquema contiene polvo aislante (talco o un adecuado aislante orgánico) redondeando el elemento fusible. En caso de cortocircuito, el polvo tiene como misión: (1) enfriar el metal vaporizado, (2) absorber el vapor metálico condensado, y (3) extinguir el arco que pueda mantenerse en el vapor metálico conductor. La presencia de este polvo es la que confiere al fusible su alto poder de ruptura en el caso de cortocircuitos bruscos.
Este fusible funciona a la tensión nominal de 125 V, estando disponible en el comercio para bajas corrientes nominales de hasta 30 A. Estos fusibles poseen una base roscada y están proyectados para ser utilizados en arrancadores reducidos o en cajas de interruptores de seguridad a 125 V, en motores de pequeña corriente. Por regla general, los fusibles protegen contra los cortocircuitos mas bien que contra las sobrecargas.
Se han efectuado ensayos para mejorar las características del fusible en las aplicaciones a los motores de forma que, con valores nominales inferiores, permitan protecciones contra sobrecargas y de cortocircuitos. Un tipo de fusible llamado fusible temporizado, que existe en los tipos de cuchillas, cartucho y tapón, proporciona un gran retardo en el caso de sobrecargas momentáneas o sostenidas antes de desconectar el circuito. Estos fusibles contienen dos elementos en serie (o paralelo): (1) un elemento fusible estándar para la protección de cortocircuitos (25 a 50 veces la corriente normal) y (2) una disposición contra sobrecarga, o interruptor térmico de hasta cinco veces la corriente nominal que proporciona una característica de retardo de tiempo inverso. La cualidad de tiempo inverso significa que, por ejemplo el circuito será conectado por este ultimo elemento en unos 3 minutos (a 5 veces la corriente nominal), hasta aproximadamente 10 segundos (a unas 20 veces la corriente nominal), ya que el efecto térmico varia con el cuadrado de corriente. Por tanto un fusible de valor nominal relativamente pequeño puede ser empleado para procurar la protección contra sobrecargas y sin llegar a desconectar el circuito durante los periodos de elevación transitoria de la corriente en el arranque o en el frenado. En el caso de cortocircuito, el elemento fusible estándar de acción instantánea interrumpe inmediatamente el circuito para evitar desperfectos.
Otro tipo aparte de fusible que ha sido fabricado, intenta mejorar la capacidad de limitación de corriente de estos dispositivos antes de que la corriente de cortocircuito alcance su máximo o un valor de régimen permanente.
Los fusibles de cartucho comunes poseen cierta capacidad de limitación de la corriente ya que interrumpen el circuito casi instantáneamente antes de que el cortocircuito tenga la oportunidad de existir y fundir o unir los contactos de los disyuntores o relés de máxima. El fusible de potencia limitador de la corriente contiene elementos fusibles de aleación de plata rodeados por cuarzo en polvo.
Por encima de 600V se emplean fusibles especiales de alta tensión que incluyen varios órganos para extinguir el arco que se podría mantener, particularmente a alta tensión, cuando el elemento fusible se vaporiza a causa de la corriente excesiva.
Los tipos de fusibles de alta tensión más comunes son: (1) el fusible de desionización con ácido bórico liquido, (2) el fusible de expulsión, y (3) el fusible de material sólido

COMBINACIÓN DEL FUSIBLE Y DEL RELÉ DE SOBRECARGAS
Aunque los propios fusibles presentan, naturalmente, la protección de cortocircuitos o de corriente máxima ruptura, su protección contra sobrecargas esta algo limitada por las razones anteriormente citadas. Los relés de máxima están proyectados para funcionar desde el 110 al 250 por ciento de sobrecarga con corrientes máximas de ruptura de hasta 10 veces la corriente nominal. El conjunto combinado de fusible y relé de máxima que comprenden los sistemas de protección de sobrecargas y cortocircuito. El tiempo de operación del relé de máxima varia inversamente con la corriente de sobrecarga.

RELÉ DE SOBRECARGA MAGNÉTICO, DE ACCIÓN INSTANTÁNEA
Un tipo de relé de sobrecarga que obedece a un principio magnético de funcionamiento. Este tipo de relé puede ser utilizado en circuitos de corriente continua y con una modificación auxiliar, en circuitos de corriente alterna (por inclusión de un manguito fijo de cobre o de latón rodeando la armadura). Los contactos fijos están normalmente cerrados cuando el relé magnético de sobrecargas esta desexcitado. Con la corriente nominal o algo inferior, la presión del resorte es suficiente para impedir el movimiento de la armadura. Cuando la corriente alcanza o excede una sobrecarga particular (digamos el 125 por ciento de la carga nominal), se crea la fuerza magnétomotriz suficiente para producir el movimiento de la armadura y la apertura de los contactos normalmente cerrados con lo que se conecta el motor.

RELÉ DE SOBRECARGA MAGNÉTICO, DE ACCIÓN RETARDADA
El mismo relé con la adición de una amortiguación para retardar el movimiento de la armadura. El amortiguador contiene aceite o un fluido especial de viscosidad adecuada para producir el retardo necesario. Unido a la armadura, existe un pistón en varios agujeros por los cuales pasa el fluido. El pistón asciende cuando la fuerza magnétomotriz de la bobina es suficiente para ejercer una tracción sobre la armadura. Para regular el tiempo de retardo del relé, el tamaño de las aberturas de los agujeros se puede modificar sacando la cubeta y girando un disco obturador sobre el pistón. El dispositivo produce una característica de retraso tiempo inverso. Cuando la sobrecarga aumenta, la fuerza que hace subir al pistón es mayor y la armadura se levanta en más breve tiempo para abrir los contactos normalmente cerrados.
La ventaja del relé magnético de acción retardada, diferente del tipo instantáneo, es que las sobrecargas súbitas o momentáneas son insuficientes para ocasionar la desconexión del motor. Sin embargo, si la sobrecarga continua durante el periodo dado, el pistón se levanta lentamente, debido a la acción del liquido, para desplazar los contactos cerrados.
Se observara que, cuando la armadura se levanta, la reluctancia magnética disminuye (entrehierro menor) y la tracción sobre la armadura aumenta.
Los relés magnéticos contra sobrecargas tienen la ventaja de procurar un ajuste preciso de retardo del tiempo de disparo para cada motor.


RELÉS DE SOBRECARGA, TÉRMICOS, DE ALEACIÓN FUSIBLE
Un relé térmico, concretamente proyectado para el reenganche manual, es el relé térmico de aleación fusible. Se conecta un calefactor eléctrico de alta potencia en el circuito de carga (de un motor de c.c. o de c.a.). Bajo condiciones de sobrecargas el calor es suficiente para fundir la aleación fusible a baja temperatura y hacer que el muelle arrastre al cierre y haga girar el contacto móvil fuera de los contactos fijos. Al principio podría parecer que, comparado con el relé magnético de máxima, el tipo de aleación fusible es un dispositivo complicado sin necesidad. Realmente, es un relé de máxima practico y muy popular.

RELÉS DE SOBRECARGA, TÉRMICOS BIMETALICOS
Las ventajas de la utilización de un calefactor separado (indicado en la sección precedente) para accionar los contactos de máxima normalmente cerrados, animó al desarrollo de otros dispositivos más sencillos y menos caros tales como el relé térmico bimétalico. Una tira rectangular bimétalica corriente que se curvara al calentarse debido a la diferente dilatación de los dos metales. Este tipo de desviación es lento, por lo que podría quemar los contactos al interrumpir una corriente elevada del circuito muy inducido de un motor. El dispositivo se emplea un disco circular bimétalico cuya cara superior tiene un elevado coeficiente de dilatación. A causa del calor, las fuerzas desarrolladas en el disco, debidas a la distinta, son tales que el disco debe invertir su convexidad con rapidez en vez de gradualmente. El disparo de acción rápida que aparece en el instante de la inversión tiene fuerza suficiente para abrir los contactos fijos. El tiempo de desplazamiento del relé térmico bimétalico de máxima es inversamente proporcional a la magnitud de la corriente de sobrecarga sostenida. De la misma forma que los relés de fusión térmica y acción retardada, permite sobrecargas de breve duración sin desconectar el motor de la línea.
El relé bimétalico posee dos ventajas que no presentan los tipos de aleación fusible y puede retornar automáticamente y por medio de un elemento de compensación, se pueden realizar ajustes según las variaciones de la temperatura ambiente.

RELÉ DE SOBRECARGA, TÉRMICO, INDUCTIVO DE ALEACIÓN FUSIBLE
Uno de los inconvenientes de los relés de máxima de aleación fusible y térmicos bimétalicos es que el uso de un calefactor separado sólo puede permitir ajustes de sobrecarga en incrementos discretos, según los calibres disponibles de calefactores de corrientes. Por estar (algunas veces) al alcance los calefactores de repuesto, ya que las piezas de recambio se suministran normalmente con el arrancador, es costumbre tener a mano un surtido de calefactores de valores superiores e inferiores al valor de ajuste de la corriente de sobrecarga a la que el calefactor esta calibrado. Para un servicio determinado del motor a veces se desea ajustar un poco más elevado el valor nominal de la sobrecarga durante una marcha determinada o un funcionamiento particular. Un dispositivo que lo permite es el relé de sobrecarga inductivo de aleación fusible (el tipo llamado inductotermico). Este relé se acciona según el principio de la inducción de corrientes de Foucault en un cilindro de aleación de cobre y en la aleación fusible a baja temperatura que esta en el interior del mismo. El relé solo funciona en corriente continua y se utiliza exclusivamente para la protección de sobrecargas en motores de c.a. Como el calor producido en la aleación fusible es proporcional a la densidad de flujo creada por la corriente en la bobina de inducción, se produce una característica de tiempo inverso.

Sus ventajas son:
(1) para una bobina de una determinada capacidad de corriente, el ajuste de disparo de máxima es regulable sin limitación, y (2) en unión con transformadores de varias tomas de corrientes, el mismo relé de máxima puede ser utilizado para una amplia diversidad de motores de c.a. de superior o inferior valor nominal de la corriente de sobrecargas, con las mismas ventajas de ajuste indicadas en (1)

RELÉ DE SOBRECARGAS, TÉRMICO, INDUCTIVO, BIMETALICO.
La ampliación de la gama de ajuste de sobrecargas de una determinada bobina de máxima también es posible en los relés bimétalicos contra sobrecargas. Este relé contiene un núcleo de hierro que generalmente es fijo(aunque han aparecido unos cuanto modelos que también permiten variación), inserto en un manguito de cobre o de latón al que ha sido soldada una armadura bimétalica en palanca. Las corrientes de Foucault generadas en el tubo de cobre calientan la palanca bimétalica. Una corriente de sobrecarga produce el calor suficiente para curvar la armadura bimétalica y desplazar los contactos del circuito de carga normalmente cerrados. Generalmente este relé es de reposición automática; pero puede disponerse una reconexion manual. Las ventajas de este relé son las mismas que las indicadas en el párrafo precedente con la ventaja añadida de que es un mecanismo más simple y compacto.


DISPOSITIVOS TÉRMICOS AUXILIARES.
El principio bimétalico también se utiliza en un dispositivo denominado termostático o disco térmico. Los contactos del disco están normalmente cerrados a la temperatura usual, y el aparato puede remacharse o soldarse al bastidor o soporte. En el caso de un incremento de la temperatura ambiente a causa de una ventilación deficiente, de una tensión de línea anormal. El disco térmico bimétalico no utiliza ningún tipo de bobinas, pero sus contactos deben ser lo suficientemente grandes en motores pequeños, para interrumpir la corriente de la línea o de inducido.


RELÉ DIFERENCIAL.
Como el principio de inducción funciona por medio de un equilibrio de la fuerza magneto motriz y de la corriente en las bobinas principales y en cuadratura del relé, este principio puede emplearse para detectar ligeros desequilibrios en los circuitos de c.a. Las dos bobinas principales inferiores son una bobina de suma y una diferencia, respectivamente, a la vez que las bobinas en cuadratura superiores también son una bobina de suma y una de diferencia. La corriente en las bobinas de suma se compensa con la corriente de las bobinas de diferencia. Si las corrientes son equilibradas e iguales, no se produce ningún campo resultante y el disco no girara. El relé diferencial funciona como un relé para cada fase y esta conectado para detectar solo un desequilibrio en el interior de la misma maquina, en vez de detectar un desequilibrio de la corriente de la línea o del sistema.






DATOS DE LA MAQUINA A CALCULAR.

MOTOR TRIFASICO JAULA DE ARDILLA:

POTENCIA EN HP
10 HP


TENSION DE ALIMENTACION
380 VOLT


FACTOR DE POTENCIA
0.85

FACTOR DE SERVICIO
1.1

FRECUENCIA
50 Hz


In =
P




P =
HP X 736

VxÖ 3xF.P







In =
7360




P =
10 X 736

380xÖ 3x0.85







In =
13.17 (A)




P =
7360









I fuse
=
In
x
2.5
I fuse
=
13.17
x
2.5
I fuse
=
32.93 (A)

I disy
=
In
x
2
I disy
=
13.17
x
2
I disy
=
26.34 (A)

I relé
=
In
x
1.15
I relé
=
13.17
x
1.15
I relé
=
15.16 (A)


TABLA PARA DETERMINAR LA CONSTANTE PARA CALCULO DE PROTECCIONES.

Elemento
Características
Expresión matemática
Disyuntor y Fusible
Según norma Americana el calculo de protecciones de cortocircuito debe ser que la corriente nominal se puede afectar desde un 150% hasta un 300% y en casos excepcionales hasta un 400%, y esta constante la llamaremos K.
I disy = In x K
También.
I fuse = In x K

El usuario puede hacer uso del valor que el estime necesario según las características de su sistema.


Elemento
Características
Expresión matemática
Relé de sobrecarga
Para determinar el valor del relé de sobrecarga se debe tener en cuenta el valor del factor de servicio de la maquina.
Si este es menor de 1.15 el valor de la corriente nominal de la maquina debe multiplicarse por 115%, y si este fuese mayor a 1.15 el valor de la corriente nominal se deberá multiplicar por 125%.
I relé = In x 115%
I relé = In x 125%