Protección del motor eléctrico

Protección de motores eléctricos

Se lleva a cabo a través de dispositivos que aseguran la desconexión oportuna de los motores eléctricos de la red en caso de alteraciones en el régimen normal de trabajo, con el fin de evitar el deterioro del aislamiento del motor, devanados y conexiones eléctricas.

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Operación del motor eléctrico

Durante el funcionamiento de los motores eléctricos, pueden producirse diversas alteraciones del régimen normal. Las causas más frecuentes de velocidades anormales del motor son sobrecargas, cortocircuitos, disminución o desaparición de voltaje. La sobrecarga se denomina aumento de la corriente del motor por encima de la magnitud nominal. Las sobrecargas pueden ser pequeñas y de corta duración. Estos no son peligrosos para el motor y no deben ser objeto de atención en lo que respecta a la protección. Pero, si son excesivos y prolongados, son peligrosos para los devanados del motor, debido a la gran cantidad de calor que se genera  puede dañar el aislamiento y  los devanados. Los cortocircuitos en las bobinas también son peligrosos para el motor. La protección de motores contra sobrecargas y cortocircuitos se denomina protección contra sobrecorriente. La máxima protección se realiza mediante fusibles, relés de corriente y relés térmicos. La selección del tipo de dispositivo de protección depende de la potencia, el tipo y uso del motor, las condiciones de arranque y la naturaleza de la sobrecarga.

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Requisitos para la protección de motores eléctricos.

En cada circuito derivado del motor debe haber algunos requisitos mínimos para la protección de motores de baja tensión:

• Seccionamiento. Es provisto por un dispositivo que es capaz de abrir el circuito con indicación visual de ENCENDIDO - APAGADO. El propósito es garantizar la apertura del circuito derivado de forma segura, para proteger a los usuarios y operadores.
• Cortocircuito de protección automática. Es un dispositivo de acción instantánea (magnética o electrónica) capaz de detectar y cortar cualquier corriente superior a la corriente de arranque del motor, que puede ser varias veces la corriente nominal, dependiendo de la Letra Código del motor. Puede ser un fusible, una bobina magnética o un relé de protección electrónico acoplado a un transformador de corriente.
• El dispositivo de maniobra. Por lo general, los contactores electromagnéticos se utilizan como arrancadores o arranques suaves electrónicos. No es realmente una protección, aunque puede soportar corrientes de arranque. Si bien es para controlar el arranque y parada del motor, de hecho es el dispositivo que abre y cierra el circuito derivado del motor tanto en funcionamiento normal como en sobrecarga.
• Protección de sobrecarga. Este dispositivo está diseñado para detectar corrientes de sobrecarga compuestas por encima de la corriente nominal; pero inferior a las corrientes de cortocircuito. Aunque también detecta las corrientes más altas, su actuación se retrasa y no actúa lo suficientemente rápido para despejarlas. Esto debe hacerse mediante la protección contra cortocircuitos. En este caso, se utilizan relés bimetálicos, fusibles de retardo de tiempo y relés electrónicos.
  

Relés o dispositivos electrónicos multifunción

Se han desarrollado dispositivos que son capaces de cumplir todos los requisitos de la norma juntos. Son los denominados protectores integrales o ahorradores de motor. Los relés o dispositivos electrónicos multifunción se fabrican para la protección de motores. Los más modernos incorporan puertos de comunicación serie para transmitir digitalmente todos los datos del circuito del motor donde están instalados. Los datos se envían a un microprocesador o computadora para producir las señales de alarma necesarias y las acciones correctivas. Con este tipo de relés se pueden detectar las siguientes condiciones de falla:

Temperatura máxima. El aislamiento es la parte más vulnerable de los motores. Se afirma que la vida útil de un motor está en relación directa con la vida útil de su sistema de aislamiento. Si no se supera la temperatura máxima que puede soportar, el motor podría funcionar durante muchos años.

CLASE DE AISLAMIENTO

Dado que el calor es la principal causa de que se queme un motor, parece lógico que la protección más eficaz sea precisamente algún dispositivo que permita detectar un aumento de temperatura alrededor del devanado. El sobrecalentamiento eventual y el sobrecalentamiento aún más permanente disminuyen la vida útil de un motor. Los relés térmicos bimetálicos constituyen el sistema de protección térmica más sencillo y conocido por control indirecto, es decir, calentando el motor a través de su consumo.

Equilibrio de fase. Cuando el voltaje del sistema que alimenta un motor está desequilibrado, se forman campos magnéticos de secuencia positiva y de secuencia negativa en el estator que determinan pares opuestos en el rotor. En esta condición la máquina pierde eficiencia y la energía perdida se transforma en una mayor cantidad de calor. Esta eventualidad podría preverse mediante dispositivos que impidan el funcionamiento del motor cuando las tensiones de fase se encuentran fuera del rango preestablecido.

Monofásico. Una condición extrema de desequilibrio de fase ocurre cuando falta alguna de las fases del sistema trifásico. Luego, el motor se conecta en una sola fase pero no puede generar el par necesario para superar la carga mecánica o para arrancar. Luego, en la máquina de inducción, el punto de funcionamiento se desplaza hacia la zona de sobrecarga y al mismo punto de rotura, deteniendo el rotor y quedando en funcionamiento en la condición de rotor bloqueado; que, como sabemos, quedarse ahí es la condición más cercana a un cortocircuito.

Para esta condición se podría utilizar un dispositivo que permita detectar la presencia de las tres fases e interrumpir el funcionamiento cuando falta una de ellas.

Rotación del eje. Si el motor está energizado pero el eje no gira, obviamente estará tomando la corriente de arranque (LRA) de la red, que como sabemos puede ser varias veces la corriente nominal. La instalación de un dispositivo que pueda detectar el movimiento del eje, será una protección conveniente.

Velocidad de rotación. Un caso complementario de la protección anterior es la condición de velocidad de rotación. Ya sea que el eje no gire oa una velocidad por debajo de la velocidad nominal de carga completa, el punto de operación se desplaza hacia la zona de sobrecarga y puede moverse peligrosamente hacia la zona de rotura y se bloquea repentinamente. Incluso girando a baja velocidad, el enfriamiento del ventilador se vuelve ineficaz y la temperatura del devanado aumentará drásticamente.

Vibraciones Las vibraciones mecánicas se traducen en cargas en el eje que desplazan el punto de funcionamiento nominal del motor, con el consiguiente aumento de temperatura. Un sistema que permita detectar vibraciones e inhiba el funcionamiento del motor en estas condiciones sería la protección más recomendada.

Nunero de arranques y paradas. Los arranques y paradas continuos aumentan el calor acumulado en el devanado. Existen dispositivos de conteo que pueden evitar que el motor arranque cuando se ha igualado un número predeterminado de arranques en un período de tiempo determinado.

Humedad en el aislamiento. Uno de los factores contaminantes del aislamiento es la humedad. En efecto, la acumulación de humedad facilita las corrientes de fuga a través del material aislante, exponiendo el motor a una condición de falla a tierra, entre fases o al cortocircuito según sea el caso.

Cuando un motor está inactivo, su sistema de aislamiento acumula humedad; por lo que la resistencia de aislamiento podría llegar a valores muy bajos. En algunos casos bastaría con mantener una ligera corriente continua que alimente el devanado durante los periodos no operativos; Esto mantendría el devanado ligeramente caliente, evitando la acumulación de humedad.

Existen relés que permiten la incorporación de un sistema de monitoreo continuo de la resistencia de aislamiento del motor cuando está desenergizado.

Falla a tierra. La falla a tierra es la condición más frecuente que ocurre debido a la pérdida de aislamiento en los motores. La vibración, el efecto joule, la fricción, la contaminación y el calor son la causa próxima en casi todos los casos de fallas a tierra de los devanados. Un relé de falla a tierra puede ser la solución más adecuada.

Fallos de aislamiento. Las fallas de aislamiento degeneran en cortocircuitos entre espiras de una misma fase, a tierra, entre fases y trifásicas. Este último es el más sangriento y destructivo de todos.

Tiempo máximo de rotor bloqueado. Cuando se energiza el motor, el rotor comienza desde la condición de parada hasta la condición de rotación. Este proceso debería llevar un tiempo relativamente corto hasta que el rotor alcance la velocidad nominal, alrededor del 90% al 95% de la velocidad síncrona. Se puede utilizar un dispositivo que mida el tiempo de inicio y apague el sistema en caso de que se exceda el tiempo de inicio preestablecido. Esta condición también debe eliminarse mediante protección contra cortocircuitos; solo que se ajusta por encima del valor RLA, dejando el motor desprotegido en un cierto rango.

Bloqueo del rotor en funcionamiento. Ésta es una condición especial: el rotor estaba girando normalmente y se detiene rápidamente. Un problema similar podría deberse a una sobrecarga mecánica repentina. En este caso, sería necesario detectar la rotación del rotor y desconectar el suministro en caso de una parada intempestiva.

Funcionamiento inactivo. El ralentí se manifiesta por exceso de velocidad. Esto ocurre debido a una pérdida repentina o repentina de carga mecánica. Esta condición es crítica en los motores de CC de tipo serie, ya que sin carga, el motor falla y puede destruirse.

Por otro lado, un motor de inducción que gira a una velocidad muy próxima a la del sincronismo, queda fuera del punto de funcionamiento nominal, siendo menos eficiente y por tanto, libera energía en forma de calor.

Para ambos casos, sería conveniente detectar la velocidad de rotación e indicar la condición de sobrevelocidad o pérdida de carga.

Inversión del sentido de giro. El sentido de giro en los motores trifásicos está determinado por la secuencia de las fases y en los motores monofásicos por el sentido de la corriente en el devanado de arranque en oposición al de marcha. Algunos motores y sus cargas pueden diseñarse para esta condición de inversión del sentido de rotación; otros no lo hacen.

El sentido de rotación también se invierte cuando la carga ejerce un par de arrastre mucho mayor que el par reactivo del motor. En este caso, el rotor se arrastra hasta que gire hacia atrás, lo que sería una condición extrema con respecto a la corriente que extrae el motor de la red.

Selección y ajuste de dispositivos de protección.

Las siguientes recomendaciones están destinadas a orientar a los usuarios en la selección de los dispositivos de protección más adecuados para cada caso. Los ajustes son los ajustes máximos permitidos por los estándares. Está claro que cada caso es un problema particular que debe resolverse con un estudio más detallado que debe ser realizado por un profesional en la materia.

Fusibles

Aplicación: Protección contra cortocircuitos. Muy recomendable en protección de transformadores y también como protecciones de respaldo para otros dispositivos de protección. En los motores, se puede utilizar un fusible de doble elemento para proporcionar un rango de protección que incluye el rango de sobrecarga. Selección: Basado en la corriente nominal y también teniendo en cuenta la Capacidad de Interrupción. Ajuste: no encajan. El valor máximo permitido por las normas es el 300% de la corriente nominal. Existen diferentes tipos según su uso y el tiempo de funcionamiento esperado, pudiendo ser lentos, rápidos y ultrarrápidos entre otros.

Relés bimetálicos

Aplicación: Ampliamente utilizado en protección contra sobrecargas (también llamado sobrecorriente) en motores de bajo voltaje. Selección: Se seleccionan de acuerdo con la corriente nominal del motor a la tensión de trabajo. Ajuste: Pueden ajustarse entre el 80% y el 125% de la corriente nominal del motor. El valor de ajuste máximo es el 125% de la corriente nominal del motor. La recomendación es ajustarlo a un valor más bajo, permitiendo que se inicie normalmente. Capacidad de interrupción. Es la corriente máxima de cortocircuito que el dispositivo puede interrumpir de forma segura, sin explotar.

Interruptores magnéticos

Aplicación: Recomendado para protección contra cortocircuitos, especialmente en motores. Selección: Basado en el valor de la corriente de cortocircuito y la curva de daño del aislamiento. Normalmente se selecciona en función del valor máximo esperado de la corriente de arranque. Ajuste: no todos encajan. En caso de tenerlo, la recomendación es ajustarlo al mínimo posible, siempre que se permita el arranque del motor. El ajuste máximo permitido por las normas es el 700% de la corriente nominal, dependiendo de la Letra de Código (*) y el Factor de Servicio (**) del motor.

Interruptores termomagnéticos.

Aplicación: Ampliamente utilizado en protecciones de baja tensión. Son útiles para proteger cargas generales de iluminación, hornos, enchufes eléctricos, etc. No son tan eficientes para proteger motores debido al rango de corrientes de arranque y sobrecarga. Selección: Teniendo en cuenta la corriente nominal de la carga y la capacidad de interrupción de cortocircuito. Ajuste: no todos encajan. Algunos de mayor precio, permiten ajustes instantáneos de disparo para protección en el rango de corrientes de cortocircuito; más propiamente, en el rango de las corrientes de arranque. Versiones más modernas y sofisticadas, permiten ajustes de ambas gamas. El valor máximo de la configuración de disparo por cortocircuito permitido por las normas es el 700% de la corriente nominal y la configuración de sobrecarga es el 250% de la corriente nominal.