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TEMA 7: COMANDO Y PROTECCION DE MOTORESELECTRICOS

1. SALIDA A MOTOR (comando y proteccin de motores)

Los objetivos de una salida a motor son los siguientes:

- Comandar el motor (encendido y apagado del motor)- Proteger a sus componentes contra los efectos de fallas de origen elctrico- Asegurar la seguridad del personal- Maximizar la continuidad de servicio.

Para cumplir con los objetivos planteados, toda salida a motor debe cumplir con cuatrofunciones bsicas:

- Seccionamiento: separacin del motor de la red de distribucin elctrica que loalimenta.

- Conmutacin o Comando: Establecimiento y corte de la corriente que tome lacarga.

- Proteccin contra cortocircuitos: proteccin del motor contra los daos causadospor altas corrientes.

- Proteccin contra sobrecargas: proteccin del motor contra los efectos de lascorrientes de sobrecarga.

Los componentes que pueden integrar una salida a motor son : i. Contactores ii Rels trmicos iii. Guardamotores magnticosiv. Fusibles v. Guardamotores magnetotrmicosvi) Seccionadores vii) Seccionadores portafusibles c/fusibles.

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i. Contactores:

El contactor cumple con la funcin de comando o conmutacin.

Un contactor es un dispositivo mecnico de conexin controlado por un electroimn conuna operacin tipo on/off.

Cuando la bobina del electroimn se encuentra energizada, el contactor se cierra ycompleta el circuito entre la fuente y la carga a travs de sus contactos de potencia.Dependiendo de la tecnologa del contactor, la parte mvil del electroimn que manejalos contactos mviles puede funcionar por rotacin sobre un eje, por desplazamientoparalelo con relacin a una parte fija o por una combinacin de ambos.

Cuando la bobina es desenergizada, el contactor abre debido a la accin de un resorte depresin o de la fuerza de la gravedad de los propios contactos segn el tipo constructivode contactor.

Ventajas que ofrecen los contactores:

- Posibilidad de abrir o cerrar grandes corrientes a travs de un dispositivo de bajacorriente (bobina del contactor)

- Elevado nmero de maniobras- Adecuados para servicio intermitente y continuo- Posibilidad de implementacin de comandos remotos y/o automticos - Son resistentes y confiables puesto que no contienen elementos internos

delicados

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Especificaciones tcnicas caractersticas de un contactor:

- Categora de utilizacin: La categora de utilizacin define las condiciones deestablecimiento y corte de la corriente dependiendo de la corriente nominal Ie yla tensin nominal Ue.

La categora de utilizacin depende de la naturaleza de la carga a alimentar(motor a jaula de ardillas, motor rotor bobinado, resistencias, etc.) y de lascondiciones en las que el establecimiento o el corte de la corriente se dan (motoren funcionamiento normal, corte durante el arranque, motor con rotor bloqueado,etc.).

La norma IEC 947 las clasifica en:

AC1: corresponde a todo tipo de cargas AC con cos 0.95 AC2: corresponde a la operacin de motores de rotor bobinado. Al cierre elcontactor cierra sobre una corriente de arranque que es del orden de 2.5 veces lacorriente nominal del motor. El contactor abre la corriente de arranque a unvoltaje que no excede el voltaje de alimentacin.Se encuentran en esta categora algunos equipos para puentes gra y mquinasde gran potencia con tiempos de arranque prolongados.

AC3: corresponde a la operacin de motores de jaula de ardilla con apertura delcontactor en funcionamiento normal del motor. El contactor cierra sobre unacorriente que puede ser del orden de 5 a 7 veces la corriente nominal del motor yabre la corriente nominal del mismo con un voltaje entre bornes que seraproximadamente 20% del voltaje de la fuente de alimentacin. La apertura eseste caso no es severa.

AC4: corresponde a la operacin de motores de jaula de ardilla con apertura delcontactor sobre la corriente de arranque del motor. El contactor cierra sobre unacorriente que puede ser del orden de 5 a 7 veces la corriente nominal del motor yabre la misma corriente con un voltaje entre bornes que ser mayor cuantomenor sea la velocidad del motor, pudiendo llegar a ser de la misma magnitudque el voltaje de la fuente de alimentacin. Se encuentran en esta categora algunos equipos de izaje de pequeas potencias.

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DC1: Cualquier carga en DC que tenga una constante de tiempo L/R1msDC2, DC3, DC4 y DC5: corresponde a la operacin de motores de corrientecontinua, con distintas constantes de tiempo y distintos rgimenes de cierre yapertura del contactor.

- Corriente nominal Ie: Se define en funcin del voltaje nominal Ue, la categorade utilizacin y la temperatura ambiente del contactor.

- Corriente nominal trmica convencional Ith: Es la corriente que puede conducirun contactor cerrado por un perodo superior a 8 horas sin que el aumento detemperatura producida por la misma supere los lmites establecidos en la norma.

- Corriente de corta duracin permitida: Es la corriente que puede conducir uncontactor cerrado durante un perodo de tiempo corto luego de un perodo sincarga sin que se produzca un sobrecalentamiento peligroso.

- Voltaje nominal Ue: Es el voltaje que, junto con la corriente nominal Ie,determina el uso del contactor. Los ensayos establecidos en la norma as como la categora de utilizacin asociada a un contactor estn basados en este valor detensin. En circuitos trifsicos se expresa como el valor compuesto de la tensin.

- Voltaje nominal de control Uc: es el voltaje nominal del circuito de control delcontactor y en l se basan las caractersticas de operacin.

- Voltaje nominal de aislacin Ui: Este es el valor de voltaje utilizado para definirlas caractersticas de aislacin del contactor y es el utilizado en los ensayosdielctricos para determinar caminos de fugas y distancias elctricas.

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- Voltaje nominal de impulso Uimp: El valor pico de una onda de tensin deimpulso que el contactor puede soportar sin daarse.

- Potencia nominal: Potencia nominal del mayor motor estndar que puede sercomandado por el contactor a la tensin nominal Ue.

- Poder de corte: Mximo valor de corriente que el contactor puede abrir bajocondiciones de apertura establecidas en la norma. No debe someterse alcontactor a requerimientos de aperturas de corrientes mayores a su poder decorte.

- Poder de establecimiento: Mximo valor de corriente que el contactor puedeestablecer bajos condiciones de establecimiento fijadas en la norma.

- Factor de carga (m): relacin entre el tiempo en que fluye la corriente (t) y laduracin total del ciclo de carga (T)

- impedancia de polo: es la suma de la impedancia de todos los componentes delcircuito entre el terminal de entrada y el terminal de salida del contactor. Seexpresa como R+jX y est dada a una frecuencia nominal de 50Hz. Se da unvalor promedio por polo a Ie.

- endurancia elctrica: Es la cantidad promedio de ciclos de carga que loscontactos principales del contactor pueden realizar sin mantenimiento. Laendurancia elctrica depende de la categora de utilizacin, la corriente nominalIe y el voltaje nominal Ue.

- endurancia mecnica: Es la cantidad promedio de ciclos de operacin en vaco(es decir, sin corriente pasando por el contactor) que los contactos principalesdel contactor pueden realizar sin falla mecnica.

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A modo de ejemplo, se adjuntan tablas de catlogos de contactores.

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Como se puede observar, al ser el rgimen AC1 menos estricto que el rgimen AC3, elmismo contactor tiene un valor de corriente nominal Ie mayor para AC1 que para AC3.

La norma que especifica las caractersticas tcnicas de los contactores es la normaIEC947-4-1 - Contactores y Guardamotores Contactores y Guardamotoreselectromecnicos.

ii) Rels trmicos:

Estos rels cumplen con la funcin de proteccin trmica del motor contra sobrecargasy van asociados a un contactor que es el que realiza la apertura del circuito de potencia. Puesto que protegen solamente contra sobrecargas, los rels trmicos debencomplementarse con una proteccin contra cortocircuitos.

El rel de imagen trmica simula, a travs de la utilizacin de un bimetal, elcalentamiento y enfriamiento del motor protegido en base a sus constantes de tiempo,vigilando las temperaturas alcanzadas en comparacin con la mxima admisible comofuncin de la duracin de la sobrecarga. La temperatura es obtenida de forma indirecta,a travs de la medicin de la corriente.

A continuacin se muestra un dibujo que ilustra el principio de funcionamiento del reltrmico:

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Suponiendo que el proceso trmico que tiene lugar en un motor de induccin sometidoa un rgimen de sobrecarga es un proceso adiabtico, es decir que todo el calordesarrollado contribuye a la elevacin de temperatura de los arrollamientos, se llega aque el tiempo de sobrecarga admisible ta del motor est dado por:

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cp

cpma II

IAt

siendo m la constante de tiempo trmica de la mquina, I la corriente de sobrecarga enpu, Icp la intensidad de precarga en pu y A un coeficiente mayor que 1, usualmente 1.3.

A continuacin se muestra una expresin grfica de la ecuacin anteriormenteexpresada:

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Se observa entonces que el tiempo de sobrecarga admisible est relacionado con lacondicin de precarga del motor, por lo que el rel trmico deber ser sensible al estadode precarga. Es por esto que la mayora de los rels trmicos dan sus curvas paradistintos estados de precarga.

La temperatura ambiente es un parmetro muy importante y variaciones de la mismapueden influir en el comportamiento del rel. Es por este motivo que la mayora de losrels trmicos actuales estn compensados, utilizando un elemento bimetlico decompensacin independiente del elemento principal y sometido nicamente a latemperatura ambiente el cual balancea el comportamiento del bimetlico principal. Conesta compensacin, se garantiza el comportamiento uniforme del rel para un rango detemperatura de 40C a +60C aproximadamente.

Adicionalmente, los rels trmicos pueden ser trmico-diferenciales, agregando a laproteccin contra sobrecargas la proteccin contra desbalance de corrientes.

Los rels trmicos deben proteger el motor pero deben a su vez soportar la corriente dearranque durante el tiempo de arranque sin disparar.

La norma que especifica este tipo de rels es la IEC 947-4 y establece distintas clases derels, especificando tiempos de no apertura y de apertura para cada una de ellas comosigue:

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Tiempos de intervencinNo disparo Disparo

Clase

1.05 Ir 1.20 Ir 1.5 Ir 7.2 Ir10A > 2hs. < 2hs. < 2min. 2 a 10 seg.10 > 2hs. < 2hs. < 4min. 4 a 10 seg.20 > 2hs. < 2hs. < 8min. 6 a 20 seg.30 > 2hs. < 2hs. < 12min. 9 a 30 seg.

La seleccin de la clase del rel trmico a utilizar para la proteccin de un motor debertener en cuenta la clase de aislacin del motor as como su rgimen de funcionamiento:ciclo de operacin, arranque, parada, etc.

Los rangos de corrientes nominales de los rels trmicos van desde 0.10A a 200Aaproximadamente.

A continuacin se muestran curvas de disparo para los rels clase 10A y 20.

iii) Guardamotores magnticos:

Son dispositivos de proteccin contra cortocircuito, de corte tripolar.

Los guardamotores magnticos cumplen la funcin de proteccin contra cortocircuitos,cumpliendo adicionalmente la funcin de seccionamiento.

Los requisitos para que cumplan con la funcin de proteccin contra cortocircuito sonbsicamente una pronta deteccin de la corriente de defecto y una rpida apertura de loscontactos. Esto conduce a que los guardamotores magnticos sean aparatos limitadores.

A continuacin se presenta la curva tpica de un guardamotor magntico:

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Siendo Ind el umbral de no disparo e Id el umbral de disparo. El umbral de disparo seubica en promedio en los 13In, dependiendo de los modelos.

El guardamotor magntico presenta un elevado poder de corte, siendo el rango delmismo desde 10kA hasta 100kA aproximadamente.

Usualmente, para completar la funcin de proteccin de una salida motor, elguardamotor magntico debe acompaarse de un contactor con rel trmico. Acontinuacin, se muestra a modo de ejemplo la curva de disparo de un conjuntoguardamotor magntico rel trmico:

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La norma que especifica las caractersticas tcnicas de los guardamotores es la normaIEC947-4-1 - Contactores y Guardamotores Contactores y Guardamotoreselectromecnicos.

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iv) Fusibles:

El fusible, utilizado como elemento componente de una salida a motor, solo debe actuarfrente a cortocircuitos. Es decir, las sobrecargas no deben producir la operacin delfusible, por lo cual debe emplearse el fusible de respaldo, llamado para baja tensin tipoaM.La curva caracterstica del fusible aM lo hace insensible a las sobrecargas, siendodiseado el elemento fusible de este tipo de fusibles ms resistente a la fatiga mecnicadebida a los esfuerzos de contraccin y dilatacin trmica causadas por lassobrecorrientes de los sucesivos arranques.

Se muestra a continuacin una figura donde se comparan las curvas de los fusibles tipoaM y gL (uso general).

.v) Guardamotores magnetotrmicos

Son dispositivos que agrupan en un mismo aparato las funciones de proteccin contracortocircuitos y contra sobrecargas.

A continuacin, se adjuntan a modo de ejemplo, curvas de disparo, curvas de limitacinde corriente y curvas de I2t de un guardamotor magnetotrmico.

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vi) Otros dispositivos de proteccin

Los dispositivos estudiados hasta ahora calculan la temperatura en forma indirecta, atravs de mediciones de corriente.

Para aquellos motores que por ser crticos para el proceso del que forman parte seentiende que deben ser protegidos de forma an ms eficiente, la proteccin contrasobrecargas se realiza mediante dispositivos trmicos o sensores de temperatura,termistores (resistencias variables con la temperatura), colocados dentro del bobinadodel motor, procurando sensar la temperatura del punto ms caliente. Las sondasempleadas son del tipo de coeficiente de temperatura positivo (PTC), emplendosetambin en ciertos casos sondas de coeficientes negativos (NTC).

Igualmente, para estos motores puede emplearse adicionalmente, rels diferenciales,rels de desbalance de fases, rels de subtensiones, etc.

Cuando para arrancar el motor o cuando debido a que la aplicacin requiere control develocidad del motor se utiliza un arrancador suave o un variador de velocidad, dichosequipamientos ya traen usualmente integrada la proteccin contra sobrecarga del motor,por lo que, de utilizarse los mismos, puede seleccionarse una salida motor que obvie lafuncin proteccin contra sobrecargas.

Conclusiones:

A continuacin se presenta un cuadro con los distintos dispositivos de proteccin ycomando y las funciones que cumplen los mismos:

Seccionamiento Comando Proteccincontracortocircuitos

Proteccincontrasobrecargas

Contactor SIRel trmico SIGuardamotormagntico

SI SI

Seccionadorporta fusibles(c/fusibles)

SI SI

Guardamotormagnetotrmico

SI SI SI

Luego de definidas las 4 funciones principales que debe cumplir toda salida a motor yde estudiados los distintos aparatos que se utilizan para cumplir con las mismas se llegaa que existen distintas opciones para una salida a motor:

1) Salida a 3 aparatos: CONTACTOR + RELE TERMICO + GUARDAMOTORMAGNETICO o CONTACTOR + RELE TERMICO + SECCIONADOR PORTAFUSIBLE

2) Salida a 2 aparatos: CONTACTOR + GUARDAMOTOR MAGNETOTERMICO

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3) Salida a 1 aparato: algunos fabricantes han comenzado a ofrecer un rel electrnicomultifuncin que cumple con todas las funciones requeridas.

2.- COORDINACION DE LAS PROTECCIONES DE UNA SALIDA A MOTOR

La norma IEC 947-4-1 establece los requisitos a cumplir por la combinacin deelementos que constituyen una salida a motor y especifica 3 tipos de coordinacin:

Coordinacin tipo 1(IEC 947-4-1): Este tipo de coordinacin permite, ante una falta,dao a todos o a algn elemento componente del arranque motor, pero el citadodeterioro debe ser contenido dentro del gabinete. No deben existir riesgos ni para lainstalacin ni para el personal involucrado. Para continuar con el servicio se requerir lareparacin o el reemplazo de partes componentes.

Coordinacin tipo 2 (IEC 947-4-1) : Los nicos daos permitidos ante una falta paraeste tipo de coordinacin son la soldadura leve de los contactos, sin riesgo para elpersonal e instalacin, debiendo poder continuar con el servicio sin necesidad de ningnrecambio o reparacin.

Coordinacin tipo 3 o total (IEC 947-6-2) en la cual no se permite dao alguno aningn componente del arranque motor, impidiendo incluso la soldadura de loscontactos del contactor o arrancador.

El estudio de la coordinacin entre los distintos dispositivos se efecta en forma grfica.Para poder realizar el mismo se deben tener los siguientes datos:

- Curva corriente tiempo del rel trmico - Curva corriente tiempo del fusible de respaldo o guardamotor magntico- Curva de corriente de arranque del motor - Capacidad de ruptura del contactor - Capacidad de sobrecarga y resistencia al cortocircuito del cable de alimentacin

Las condiciones que se deben cumplir con la coordinacin son las siguientes:

- Se debe permitir el arranque del motor, pero si el arranque se demora o el motorqueda calado debe operar el rel trmico.

- Para corrientes de falla mayores que la capacidad de ruptura del contactor, debeactuar primero la proteccin magntica (fusible o guardamotor magntico) queel rel trmico, puesto que de lo contrario, el contactor no estara en condicionesde abrir la corriente indicada por el rel trmico.

- Para corrientes superiores a 25In, la recta de I2t del rel trmico debe estarsiempre por encima de la correspondiente del dispositivo que lo protege contracortocircuitos (fusible o guardamotor magntico)

- La corriente de arranque con un factor de seguridad 2 en tiempo, durante eltiempo de arranque, no debe alcanzar la curva caracterstica de la proteccincontra cortocircuito, para as tener en cuenta el estado de precarga y losarranques sucesivos.

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A continuacin, veremos grficamente, la coordinacin para distinto tipo de salidas:

Solucin 3 productos: contactor + rel trmico + seccionador portafusibles

Solucin 3 productos: contactor + rel trmico + guardamotor magntico

Solucin 2 productos: contactor +guardamotor magnetotrmico

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7.- CONEXIN DE LOS DISTINTOS ELEMENTOS DE UNA SALIDA AMOTOR (Diagramas de comando)

Existen muchas formas de comandar uno o varios motores, dependiendo de loselementos que se utilicen para su arranque y proteccin as como del funcionamientoprevisto del motor (un sentido de marcha, dos sentidos de marcha, comando porbotoneras, comando remoto, etc.)

A continuacin se presenta un esquema de comando estandar para arranque directo yotro para arranque estrella tringulo.

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Arranque directo:

Siendo:F1F y F3F: Fusibles de proteccin contra cortocircuito del circuito de potencia y delcircuito de comando respectivamenteK1M: contactor de comandoF2F: rel trmico, c / un contacto NC S1Q: Pulsador NA de arranque S0Q: Pulsador NC de parada

Explicacin del funcionamiento del diagrama de comando:

Inicialmente, el contactor K1M se encuentra abierto.

Marcha: Al presionar el pulsador S1 y no haber falla trmica en el motor, el contactoF2F del rel trmico est cerrado; como el pulsador S0Q es NC y no est presionado elcontacto S0Q est cerrado y al cerrarse el contacto S1Q se energiza la bobina delcontactor K1M cerrndose entonces sus contactos principales.Al cerrarse el contactor K1M, se cierran sus contactos auxiliares, entonces,independientemente que se deje de presionar S1Q, la bobina se mantiene alimentada atravs del contacto auxiliar de K1M en paralelo con S1Q y el contactor permanececerrado. A este contacto de K1M en paralelo con el pulsador de marcha se le denominausualmente contacto de autoretencin.

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Parada: Al presionar el pulsador S0Q, como es un contacto NC, el contacto S0Q queaparece en el diagrama de comando se abre, dejando sin alimentacin a la bobina delcontactor K1M. K1M, con su bobina desenergizada, se abre.

Parada por disparo del rel trmico: En caso de detectarse una sobrecarga, el contactoNC de F2F que figura en el diagrama de comando se abre, dejando sin alimentacin ala bobina del contactor K1M. K1M, con su bobina desenergizada, se abre.

Observar que en caso de desear comandar el contactor desde ms de un punto, alcanzarcon poner contactos NA de los comandos de apertura adicionales que se desee enparalelo con el contacto de S1Q y contactos NC de los comandos de cierre adicionalesque se desee en serie con el contacto de S0Q.

Arranque estrella - tringulo:

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Siendo:F1F y F3F: Fusibles de proteccin contra cortocircuito del circuito de potencia y delcircuito de comando respectivamenteK1M, K2M: contactores de comando c/ 2NA+1NC c/no K3M: contactor de comando c/ 1NC F2F: rel trmico, c / un contacto NC S1A: Pulsador NA de arranque, 1NA S0A: Pulsador NC de parada, 1NC K4A: temporizador c/retardo a la conexin, 1NC

Explicacin del funcionamiento del diagrama de comando:

La conexin en estrella de los bobinados del motor se logra cerrando el contactor K2My la conexin en tringulo cerrando el contactor K3M.

Inicialmente, los tres contactores estn abiertos.

Marcha: Al pulsar S1A, como el NC del rel trmico F2F est cerrado puesto que nohay falla por sobrecarga, el NC de S0A est cerrado puesto que no est presionado elpulsador de parada, los contactos NC de K1M y K3M estn cerrados puesto que amboscontactores estn abiertos y el contacto NC del temporizador K4A est cerrado puestoque el temporizador no est funcionando, se energiza la bobina del contactor K2M,cerrndose el contactor K2M y se activa el temporizador. En este momento se haconectado los bobinados del motor en estrella.

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Al energizarse K2M, se cierran sus contactos auxiliares NA y se energiza entonces labobina de K1M, cerrndose el contactor K1M y entregando tensin al motor.

Tanto K1M como K2M permanecen cerrados, an luego de mantener S1A pulsado, atravs de los contactos de autoretencin de K2M. Al estar K2M cerrado, su contacto NC est abierto y la bobina de K3M no est alimentada, por lo que K3M est abierto.

Cuando el temporizador lleg a su valor de seteo el contacto NC de K4A se abre,desenergizando la bobina de K2M, lo que provoca la apertura de K2M.

K1M permanece cerrado, entonces su contacto NA est cerrado y como K2M abri, sucontacto NC se cerr, por lo que se energiza la bobina de K3M, provocando el cierre deK3M y la conexin de los bobinados del motor en tringulo, lo que implica el fin delarranque.

Parada: Al presionar el pulsador S0A, como es un contacto NC, el contacto S0A queaparece en el diagrama de comando se abre, dejando sin alimentacin a las bobinasque estuvieran activadas (sean K1M, K2M y K4A o solamente K1M). K1M y K2M,con su bobina desenergizada, se abren. Al abrir K1M, su contacto NA se abre por lo quese desenergiza la bobina de K3M.

Parada por disparo del rel trmico: En caso de detectarse una sobrecarga, el contactoNC de F2F que figura en el diagrama de comando se abre, dejando sin alimentacin alas bobinas que estuvieran activadas (sean K1M, K2M y K4A o solamente K1M). K1M y K2M, con su bobina desenergizada, se abren. Al abrir K1M, su contacto NA se abrepor lo que se desenergiza la bobina de K3M.