Control
de potencia de los motores
Funciones y
constitución de los arrancadores
Los
arrancadores reúnen los elementos necesariospara controlar y proteger los
motores eléctricos. De la elección de éstos depende el rendimiento de toda la
instalación: nivel de protección, funcionamiento con velocidad constante o
variable, etc.
El
arrancador garantiza las siguientes funciones:
–
seccionamiento,
–
protección contra cortocircuitos y sobrecargas,
– conmutación.
El seccionamiento
Para manipular las instalaciones o las máquinas y sus respectivos
equipos eléctricos con total seguridad, es necesario disponer de medios que
permitan aislar eléctricamente los circuitos de potencia y de control de la red
de alimentación general.
Esta función, llamada seccionamiento, corresponde a:
laparatos específicos:
seccionadores o interruptores seccionadores,
lfunciones de seccionamiento
integradas en aparatos con funciones múltiples.
Obsérvese que en los equipos con varios arrancadores no siempre es
necesario añadir un seccionador a cada arrancador. Sin embargo, conviene tener
siempre dispuesto un mando de aislamiento general que permita aislar todo el
equipo.
La
protección
Todos los
receptores pueden sufrir accidentes:
De origen
eléctrico:
–
sobretensión, caída de tensión, desequilibrio o ausencia de fases que provocan
un aumento de la corriente absorbida,
–
cortocircuitos cuya intensidad puede superar el poder de corte del contactor.
De origen
mecánico:
– calado
del rotor, sobrecarga momentánea o prolongada que provocan un aumento de la
corriente que absorbe el motor, haciendo que los bobinados se calienten
peligrosamente.
Con el fin
de que dichos accidentes no dañen los componentes ni perturben la red de
alimentación, todos los arrancadores deben incluir obligatoriamente:
lprotección contra los cortocircuitos, para
detectar y cortar lo antes posible las corrientes anómalas superiores a 10 In,
lprotección contra las sobrecargas, para
detectar los aumentos de corriente hasta 10 In y cortar el arranque antes de
que el recalentamiento del motor y de los conductores dañe los aislantes.
Si es
necesario, se pueden añadir protecciones complementarias como el control de
fallos de aislamiento, de inversión de fases, de temperatura de los bobinados,
etc.
La
protección corresponde a: l aparatos
específicos: seccionadores porta fusibles, disyuntores, relés de protección y
relés de medida,
lfunciones específicas integradas en los
aparatos de funciones múltiples.
La
conmutación
La
conmutación consiste en establecer, cortar y, en el caso de la variación de
velocidad, ajustar el valor de la corriente absorbida por un motor.
Según las
necesidades, esta función puede realizarse con aparatos, l electromecánicos: contactores, contactores
disyuntores y disyuntores motores, l electrónicos: relés y
contactores estáticos, arrancadores ralentizadores progresivos, variadores y
reguladores de velocidad.
Seccionamiento
Los equipos
eléctricos sólo se deben manipular cuando están desconectados.
El seccionamiento consiste
en aislar eléctricamente una instalación de su red de alimentación, según los
criterios de seguridad que establecen las normas.
El seccionamiento se
puede completar con una medida de protección adicional, el enclavamiento, un
dispositivo de condenación del seccionador en posición abierta que impide que
la instalación se vuelva a poner bajo tensión de forma imprevista, garantizando
así la seguridad de las personas y de los equipos.
La función de
seccionamiento se realiza con:
– seccionadores,
– interruptores
seccionadores,
– disyuntores y
contactores disyuntores, siempre que el fabricante certifique que son aptos
para dicha función.
En el apartado
“Aparatos de funciones múltiples” se describen los aparatos con la función
seccionamiento integrada, como los disyuntores o los contactores disyuntores.
El
seccionador
“El
seccionador es un aparato mecánico de conexión que en posición abierta cumple
las prescripciones especificadas para la función de seccionamiento” (norma IEC
947-3).
Sus
principales elementos son un bloque tripolar o tetrapolar, uno o dos contactos
auxiliares de precorte y un dispositivo de mando lateral o frontal que permite
cerrar y abrir los polos manualmente.
La
velocidad de cierre y de apertura depende de la rapidez de accionamiento del operario
(maniobra manual dependiente). Por tanto, el seccionador es un aparato de
“ruptura lenta” que nunca debe utilizarse con carga. La corriente del circuito
debe cortarse previamente con un aparato de conmutación previsto a tal efecto
(normalmente un contactor).
El
interruptor y el interruptor seccionador
“El interruptor es un
aparato mecánico de conexión capaz de establecer, tolerar e interrumpir
corrientes en un circuito en condiciones normales, incluidas las condiciones
especificadas de sobrecarga durante el servicio, y tolerar durante un tiempo
determinado corrientes dentro de un circuito en las condiciones anómalas
especificadas, como en caso de un cortocircuito”
El mecanismo vinculado
al dispositivo de mando manual garantiza la apertura y el cierre brusco de los
contactos, independientemente de la velocidad de accionamiento del operario.
Por lo tanto, el interruptor está diseñado para ser manejado con carga con
total seguridad. Sus características se basan en las categorías de empleo normativas
utilizadas para clasificar los circuitos cuya alimentación resulta más o menos
difícil de establecer o interrumpir en función del tipo de receptores
utilizados.
Los interruptores que
cumplan las condiciones de aislamiento especificadas en las normas para los
seccionadores soninterruptores seccionadores, aptitud que el fabricante
debecertificar marcando el aparato con un símbolo (1).
Al igual que los
seccionadores, los interruptores y los interruptores seccionadores se pueden
completar con un dispositivo de enclavamiento para el enclavamiento y, según el
caso, con fusibles
El
interruptor seccionador modular
Esta nueva
generación de interruptores seccionadores se caracteriza por la posibilidad de
completar y modificar la composición de los aparatos básicos, para adaptarlos
con la mayor precisión a nuevas necesidades, utilizando los siguientes módulos
adicionales:
– polos de
potencia,
– polos
neutro de cierre anticipado y de apertura retardada,
– barretas
de tierra,
– contactos
auxiliares de cierre y de apertura,
– bloques
de conexión reversibles que permiten cablear desde la parte frontal o
posterior.
Los
interruptores seccionadores de mando giratorio ampliables con módulos pueden
realizar las funciones de interruptor principal, de paro de emergencia o de
control manual de los motores.
Protección contra los
cortocircuitos
Un cortocircuito es
el contacto directo de dos puntos con potenciales eléctricos distintos:
– en corriente
alterna: contacto entre fases, entre fase y neutro o entre fases y masa
conductora,
– en corriente
continua: contacto entre los dos polos o entre la masa y el polo aislado.
Las causas pueden ser
varias: cables rotos, flojos o pelados, presencia de cuerpos metálicos extraños,
depósitos conductores (polvo, humedad, etc.), filtraciones de agua o de otros
líquidos conductores, deterioro del receptor o error de cableado durante la
puesta en marcha o durante una manipulación.
El cortocircuito
desencadena un brutal aumento de corriente que en milésimas de segundo puede
alcanzar un valor cien veces superior al valor de la corriente de empleo. Dicha
corriente genera efectos electrodinámicos y térmicos que pueden dañar
gravemente el equipo, los cables y los juegos de barras situados aguas arriba
del punto de cortocircuito.
Por lo tanto, es
preciso que los dispositivos de protección detecten el fallo e interrumpan el
circuito rápidamente, a ser posible antes de que la corriente alcance su valor
máximo.
Dichos dispositivos
pueden ser:
– fusibles, que
interrumpen el circuito al fundirse, por lo que deben ser sustituidos,
– disyuntores, que
interrumpen el circuito abriendo los polos y que con un simple rearme se pueden
volver a poner en servicio.
Los
fusibles
Los fusibles
proporcionan una protección fase a fase, con un poder de corte muy elevado y un
volumen reducido. Se pueden montar de dos maneras:
– en unos soportes
específicos llamados porta fusibles,
– en los
seccionadores, en lugar de los casquillos o las barretas.
Los disyuntores magnéticos
Protegen los circuitos
contra los cortocircuitos, dentro de los límites de su poder de corte a través
de disparadores magnéticos (un disparador por fase). También protegen contra
los contactos indirectos, siguiendo las normas sobreregímenes de neutro, para
los esquemas TN o IT.
Características principales
Poder de corte
Es el valor máximo
estimado de corriente de cortocircuito que puede interrumpir un disyuntor con
una tensión y en unas condiciones determinadas. Se expresa en kiloamperios
eficaces simétricos.
Poder de cierre
Es el valor máximo de
corriente que puede establecer un disyuntor con su tensión nominal en
condiciones determinadas. En corriente alterna, se expresa con el valor de
cresta de la corriente.
Autoprotección
Es la aptitud que
posee un aparato para limitar la corriente de cortocircuito con un valor
inferior a su propio poder de corte, gracias a su impedancia interna.
Poder de limitación
Un disyuntor es además
limitador cuando el valor de la corriente que realmente se interrumpe en caso
de fallo es muy inferior al de la corriente de cortocircuito estimado.
La limitación de la
corriente de cortocircuito depende de la velocidad de apertura del aparato y de
su capacidad para generar una tensión de arco superior a la tensión de la red.
Permite atenuar los
efectos térmicos y electrodinámicos, proporcionando así una mejor protección a
los cables.
Protección contra las
sobrecargas
Los fallos más
habituales en las máquinas son las sobrecargas, que se manifiestan a través de
un aumento de la corriente absorbida por el motor y de ciertos efectos
térmicos. El calentamiento normal de un motor eléctrico con una temperatura
ambiente de 40 °C depende del tipo de aislamiento que utilice. Cada vez
que se sobrepasa la temperatura límite de funcionamiento, los aislantes se
desgastan prematuramente, acortando su vida útil.
Por lo tanto, no
conlleva necesariamente la parada del motor, sin embargo, es importante
recuperar rápidamente las condiciones de funcionamiento normales.
De todo lo expuesto
se deduce que la correcta protección contra las sobrecargas resulta
imprescindible para:
– optimizar la
durabilidad de los motores, impidiendo que funcionen en condiciones de
calentamiento anómalas,
– garantizar la
continuidad de explotación de las máquinas o las instalaciones evitando paradas
imprevistas,
– volver a arrancar
después de un disparo con la mayor rapidez y las mejores condiciones de
seguridad posibles para los equipos y las personas.
El sistema de
protección contra las sobrecargas debe elegirse en función del nivel de
protección deseado:
– relés térmicos de
biláminas,
– relés de sondas
para termistancias PTC,
– relés de máxima
corriente,
– relés electrónicos
con sistemas de protección complementarios.
Los relés
térmicos de biláminas
Los relés térmicos de
biláminas son los aparatos más utilizados para proteger los motores contra las
sobrecargas débiles y prolongadas. Se pueden utilizar en corriente alterna o
continua. Sus características más habituales son:
– tripolares,
– compensados, es
decir, insensibles a los cambios de latemperatura ambiente,
– sensibles a una
pérdida de fase (1), por lo que evitan el funcionamiento monofásico del motor,
– rearme automático o
manual,
– graduación en
“amperios motor”: visualización directa en el relé de la corriente indicada en
la placa de características del motor.
Principio de
funcionamiento de los relés térmicos tripolares
Los relés térmicos
tripolares poseen tres biláminas compuestas cada una por dos metales con
coeficientes de dilatación muy diferentes unidos mediante laminación y rodeadas
de un bobinado de calentamiento.
Cada bobinado de
calentamiento está conectado en serie a una fase del motor. La corriente
absorbida por el motor calienta los bobinados, haciendo que las biláminas se
deformen en mayor o menor grado según la intensidad de dicha corriente. La
deformación de las biláminas provoca a su vez el movimiento giratorio de una
leva o de un árbol unido al dispositivo de disparo.
Si la corriente
absorbida por el receptor supera el valor de reglaje del relé, las biláminas se
deformarán lo bastante como para que la pieza a la que están unidas las partes
móviles de los contactos se libere del tope de sujeción. Este movimiento causa
la apertura brusca del contacto del relé intercalado en el circuito de la
bobina del contactor y el cierre del contacto de señalización. El rearme no
será posible hasta que se enfríen las biláminas.
Los relés
con sondas de termistancias PTC
Este sistema de
protección controla la temperatura real del elemento protegido. Se compone de:
– una o varias sondas
de termistancias con coeficiente de temperatura positivo (PTC). La resistencia
de estos componentes estáticos aumenta bruscamente cuando la temperatura
alcanza el umbral llamado Temperatura Nominal de Funcionamiento
(TNF),
– un dispositivo
electrónico, alimentado en corriente alterna o continua, que mide
permanentemente la resistencia de las sondas asociadas. Un circuito detecta el
fuerte aumento del valor de la resistencia que se produce cuando se alcanza la
TNF y ordena el cambio
de estado de los contactos de salida.
En función del tipo de
sondas, este modo de protección puede activar una alarma sin detener la máquina
(TNF de las sondas inferior a la temperatura máxima especificada para el elemento
protegido), o detener la máquina (la TNF coincide con la temperatura máxima
especificada).
El disparo se activa
con los siguientes fallos:
– se ha superado la
TNF,
– corte de las sondas
o de la línea sondas-relés,
– cortocircuito de las
sondas o de la línea sondas-relés,
– ausencia de la
tensión de alimentación del relé.
Las sondas miden la
temperatura con absoluta precisión, ya que, debido a su reducido tamaño, tienen
una inercia térmica muy pequeña que garantiza un tiempo de respuesta muy corto.
Los relés
electromagnéticos de máxima corriente
Los relés
electromagnéticos de máxima corriente se utilizan para proteger las
instalaciones sometidas a picos de corriente frecuentes (por ejemplo, arranque
de motores de anillos en aparatos de elevación) contra las sobrecargas
importantes en los casos en los que, a causa de arranques demasiado frecuentes,
variaciones bruscas del par o riesgos de calado, resulte imposible utilizar
relés térmicos de biláminas.
Principio de
funcionamiento
Los principales
elementos de los relés son:
– un circuito
magnético, formado por una parte fija, una armadura móvil y una bobina,
– un mecanismo de
disparo accionado a través de la armadura móvil y que actúa sobre contactos
auxiliares NC + NA.
La corriente que se
desea controlar atraviesa la bobina, conectada en serie a una de las fases del
receptor. Cuando dicha corriente rebasa el valor de reglaje, el campo magnético
que genera la bobina es suficiente para atraer la armadura móvil y cambiar el
estado de los contactos.
El contacto de
apertura se encuentra en el circuito de labobina del contactor principal, por
lo que éste se abre.
Relés de
control y de medida
Aunque los
arrancadores siempre incluyen una protección contra los cortocircuitos y las
sobrecargas, puede que algunas aplicaciones requieran un sistema de protección
adicional (control de la tensión, de la resistencia de aislamiento, etc.), sin
que por ello sea necesario instalar relés multifunción. Los relés de control y
de medida específicos constituyen una solución que se adapta exactamente a la
necesidad concreta:
© Controlar
la tensión de alimentación
Para que
todos los componentes de un equipo de automatismo funcionen correctamente, la
tensión de alimentación de éste debe mantenerse dentro de un determinado rango,
que varía según los aparatos. En caso de cambio de tensión, y concretamente en
caso de subtensión, aunque sea transitoria, los relés de mínima tensión
permiten activar una alarma o interrumpir la alimentación de la instalación.
© Controlar
la alimentación de las 3 fases
Un corte
de fase en el circuito de un receptor puede llegar a afectar a un sector o al
conjunto de la instalación, provocando perturbaciones en algunos circuitos. Por
lo tanto, conviene detectar este tipo de cortes en cuanto aparecen.
© Controlar
el orden de las fases
La
inversión de las fases puede provocar graves desperfectos mecánicos en la
máquina arrastrada. Los accidentes de este tipo se producen, por ejemplo,
después de una intervención por motivos de mantenimiento o de reparación.
© Controlar la resistencia de aislamiento
Los fallos
de aislamiento pueden resultar peligrosos para el funcionamiento, el material y
el personal.
© Controlar
la evolución de una variable
La
ejecución de determinadas operaciones puede estar condicionada por la evolución
de una tensión o una corriente.
Los relés
permiten controlar los umbrales regulables.
© Controlar
el nivel de los líquidos
Este tipo
de relés se puede utilizar, por ejemplo, para evitar el descebado de una bomba.
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