PROTECCIONES PARA MOTORES TRIFÁSICOS

1. Protecciones para motores eléctricos

El objetivo de las protecciones para los motores eléctricos es protegerlos frente a problemas producidos por la red de suministro eléctrico, por el propio motor o por mecánicos del equipo al que están acoplados (por ejemplo cintas transportadores, bombas, máquinas elevadoras, etc.).

2. Condiciones de funcionamiento adversas que pueden afectar a los motores:

El suministro de energía eléctrica no es infalible y como todo sistema está sujeto a fluctuaciones o condiciones anormales que pueden afectar los motores eléctricos. Por esta razón, es necesario instalar dispositivos que los protejan frente a estas fluctuaciones, provocando la desconexión automática de la red de suministro de energía eléctrica, cuando se presenten condiciones anormales en el suministro de energía, que puedan dañarlos.

3. Anomalías de motores trifásicos que afectan a su seguridad

·     Baja tensión de alimentación: el motor responderá con un aumento de su corriente para intentar mantener el par motor demandado por la máquina arrastrada. Este aumento de corriente puede llegar a dañar el aislamiento de las bobinas quemando finalmente el motor si el problema no se corrige.

·    Desequilibrio en tensión de alimentación entre fases: se produciría un desequilibrio en el campo giratorio del motor provocando un aumento de la corriente y una elevada temperatura sus bobinas del motor que peude llegar a destruirlo.

·        Falta de una fase del circuito de alimentación: en este caso las dos fases restantes, tendrán que hacerse cargo del campo magnético, provocando una sobre-corriente en las dos bobinas bajo tensión. Si el problema sucede antes o durante el arranque, el motor se quemaría con relativa rapidez.

·        Inversión de fases (no prevista): puede ocasionar daños mecánicos en la máquina acoplada al motor, provocando el bloqueo del rotor del motor elevando la temperatura del devanado. En algunos equipos rotativos, como compresores y bombas la inversión de giro pueden producir daños irreversibles que provoquen la destrucción del equipo (cavitación, falta de engrase,  desequilibrios dinámicos, etc.)

·   Sobrecorrientes: provocadas por alguna de las razones anteriores o por problemas de aislamiento en las bobinas del estator (o del rotor en el caso de motores con rotor bobinado)

·        Sobrecargas: producidas por anomalías mecánicas en el motor o en la maquina asociada a él, que pueden bloquear el rotor aumentando la corriente y la temperatura en sus bobinas.

·        Motores monofásicos: En el caso de motores monofásicos se pueden presentar problemas en el arranque de estos motores por defectos o desconexión imprevista de la bobina de arranque o del condensador de arranque.

4. Cuadro de anomalías y sus protecciones correspondientes

5. Protecciones internas

Están basadas en la medida de la temperatura interna del motor, y están pensadas para una detección precoz de la anomalía, las más usadas son los siguientes:

Protección térmica bimetálica : se trata de un dispositivo situado en la carcasa del motor que cuando detecta temperatura muy alta para el motor.

Termistancias: son dispositivos capaces de modificar su resistencia interna con la variación de la temperatura, generalmente van instaladas en las bobinas del motor y están conectadas a circuitos de control externos capaces de desconectar el motor.

6. Protecciones externas:

Están basadas en la medida de los parámetros de funcionamiento de los motores en su línea de alimentación:

Relé térmico: Su objetivo es proteger al motor contra sobrecorrientes o defecto de fase. Es un dispositivo que mide la corriente que llega al motor mediante tres láminas bimetálicas (una por fase) que poseen un mecanismo que cuando alguna de ellas se calienta abre un contacto auxiliar que desconecta el motor eléctrico actuando sobre su circuito de mando. Los relés térmicos, tienen  dispositivos de rearme automático, rearme manual y prueba de disparo, y su corriente de protección  se debe ajustar a la corriente maxima del motor (corriente de placa).

Si un motor trifásico, pierde un fase, las otras dos fases se tienen que hacer cargo de toda la corriente del motor, y la corriente que pasa ellas, se elevara tanto que la temperatura producida por la elevación de corriente quemaría el motor y dañaría el circuito que lo alimenta. Por eso los relés térmicos están hechos de tal forma que en cuanto una de las láminas bimetálicas se calienta más que las otras, la protección abre sus contactos provocando la parada del motor, y protegiéndole contra defectos de fase. Es la protección más usada en los motores eléctricos, pero para que el motor y la línea eléctrica estén correctamente protegidos, deben ir acompañados de fusibles de protección o magneto-térmicos.

Inconvenientes y ventajas de los relés térmicos:

Disyuntores-motor: Son interruptores automáticos de motor que utilizan el mismo principio de protección que los interruptores magneto-térmicos, y están concebidos para desarrollar 4 funciones de protección y control:

a)      Protección contra sobrecorriente mediante su dispositivo térmico bimetálico .

b)      Protección contra cortocircuitos, mediante su dispositivo magnético.

c)      Apertura en carga del circuito trifásico por cortocircuito o sobre-corriente.

d)      Maniobras manuales de cierre y apertura de contactos de potencia.

Inconvenientes y ventajas de los disyuntores:

Inconvenientes

• Son más caros.
• La mayor parte de los fabricantes no incluyen los bolques contactos normalmente abiertos y normalmente cerrado para desconexión de la maniobra y para señalización.

Ventajas:

• Protegen al motor de forma mucho mas eficiente. 
• Ahorran espacio el el cuadro.
• Son ideales para la protección de motores accionados por variadores o de frecuencia.
• Permiten seccionar la alimentación del contactor para operaciones de mantenimiento, sin quitar tensión del cuadro.

En general, este tipo de protecciones, constituyen una buena solución para la protección de los motores, sin necesidad de fusibles o magneto-térmicos de protección.

La intensidad del disparo de la función térmica es regulable dentro del rango de actuación del disyuntor. La función magnética (protección contra cortocircuito), consiste en un electro-imán por cuyo arrollamiento circula la corriente del motor y cuando esta alcanza un valor determinado se acciona bruscamente un núcleo que libera la retención del mecanismo de disparo, provocando  la apertura de contactos de potencia de forma muy rápida (del orden de milisegundos). El nivel de disparo de la función de la magnética normalmente está comprendida entre 10 a 20 veces la Intensidad de ajuste del disparo térmico.

Protecciones electrónicas: Son protecciones que basan su funcionamiento en la medida de la caída de tensión en la línea de alimentación o midiendo la tensión inducida provocada por el campo magnético generado alrededor del conductor de alimentación del motor. Estos dispositivos se llaman transformadores de intensidad y van conectados a un circuito electrónico. Tambien pueden recibir información de un sensor de temperatura interna del motor.

Las protecciones más avanzadas reúnen en un solo equipo todas las funciones necesarias para la protección integral de los motores trifásicos:

·        Sobrecorriente.

·        Defecto de fase.

·        Cortocircuito.

·        Subtensión.

·        Sobretensión.

·        Sobretemperatura interna del motor.

·        Desequilibrio entre fases.

·        Ect.

Circuitos típicos de protección para motores eléctricos:

 Protección de motor con magenotérmico y térmico

 protección de motor con fusibles y térmico

 circuito de potencia con disyuntos motor

esquema protección electrónica

EL ARRANQUE DE LOS MOTORES ASINCRONOS TRIFASICOS

ARRANQUE DE LOS MOTORES TRIFÁSICOS

Introducción

Los motores eléctricos en general tienen una elevada corriente de arranque, especialmente cuando lo hacen a carga plena. Esta elevada corriente en motores muy potentes, puede dañar el  motor y la línea de alimentación. Como consecuencia de ello, aparecen fenómenos indeseables tales como el sobre-calentamiento de los conductores de alimentación o la caída de tensión que pueden provocar daños en otros equipos alimentados desde el mismo cuadro.

Para evitar estos daños, se recurre a arrancar estos motores a tensiones inferiores a la de su tensión de servicio. Para ello se usan varios procedimientos diferentes:

Arranque mediante resistencias:

Este sistema consiste en arrancar el motor a tensión reducida, intercalando en el circuito de alimentación  una resistencia en cada fase, que se eliminan progresivamente o de una sola vez. La corriente absorbida es máxima en el momento del arranque del motor y disminuye gradualmente a medida que el motor acelera, así se la caída de tensión exterior disminuye y la tensión en bornes del motor aumenta progresivamente. Este sistema de arranque presenta una ventaja importante sobre el arranque estrella-triángulo (citado más adelante) de transición abierta, que es la continuidad de la alimentación del motor. 

Arranque mediante transformador

Es el  mejor procedimiento de arranque  de un motor de rotor en cortocircuito  y, por tanto, el sistema de arranque más racional, porque presenta la particularidad de poder modificar el par de arranque inicial según la toma del transformador que se elija, lo que no ocurre en el arrancador estrella-triángulo, en el cual el par inicial es siempre 1/3 del par de arranque del motor. Con respecto al arrancador mediante resistencias presenta la ventaja de no ocasionar  pérdidas exteriores de potencias durante el arranque. La tensión de arranque puede elegirse fácilmente al poner en servicio la máquina accionada. Para ello puede preverse una serie de tomas que permitan fijar el par de arranque adecuado para la máquina accionada; estas tomas suelen ser el 55, 65 y 80% de la tensión de línea.

Arranque en estrella triángulo.

Este tipo de arranque consiste en conectar el motor en estrella y suministrarle la tensión correspondiente al triángulo, y una vez alcanzada la velocidad nominal se conecta el motor en triángulo. Para que el arranque en estrella/triángulo sea posible, es necesario que la tensión correspondiente a la conexión en triángulo, coincida con la tensión de la red. Por ejemplo para poder arrancar un motor en estrella/triángulo con una red de 400 voltios (entre fases), es necesario que el motor sea 400/660 V., un motor 230/400 V., no se podría arrancar en estas condiciones, para su arranque sería necesario que usar otro procedimiento.

En el momento del arranque el interruptor estrella, y el interruptor de línea deben de estar cerrados. Una vez alcanzada la velocidad nominal y la corriente nominal, se abre el interruptor estrella y se cierra el interruptor triángulo, manteniendo el de línea cerrado.

6.4 Arranque mediante sistema “part-winding”:

El arranque part-winding, es un tipo de arranque que requiere motores con doble devanado (doble estrella o doble triángulo).

El procedimiento consiste en arrancar el motor con un solo devanado obteniéndose el 50% de intensidad en el campo corriente giratorio (fuerza magnética), trabajando con una intensidad de corriente eléctrica  en torno al 50% de la corriente nominal. Cuando se ha alcanzado la velocidad y el par  motor nominal, se conecta la segunda bobina.

Este sistema se utiliza mucho en motores eléctricos que tengan que  arrancar con un par motor muy elevado. En este tipo de arranque lo que disminuye no es su tensión, sino la intensidad de campo magnético giratorio generado en el estator.

6.5 Arranques electrónicos:

6.5.1. Generalidades:

Los arrancadores electrónicos, son equipos electrónicos capaces de hacer que el motor arranque lentamente, incrementando paulatinamente la velocidad en el rotor. Para conseguirlo se usan dos tipos de equipos: los arrancadores suaves (llamados también arrancadores electrónicos o soft-star) y los variadores de frecuencia.

6.5.2. Arrancadores suaves:

Son equipos capaces de enviar al motor una tensión creciente durante el periodo de arranque al motor. Esta tensión suele variar desde el 40% de la tensión nominal (inicio del arranque), hasta el 100% (velocidad nominal).

Estos equipos usan tiristores que son un tipo de semiconductores de potencia capaces de funcionar como interruptores estáticos. La apertura y el cierre de los tiristores se controlan mediante el envío de un impulso eléctrico a un electrodo de control denominado puerta.

En función de cómo sean los impulsos recibidos la tensión que llega al motor  a través de los tiristores es mayor o menor. Por lo tanto controlando estas señales de impulsos es posible variar la tensión enviada al motor. Los arrancadores suaves mandan impulsos a la puerta de los tiristores de forma tal, que la tensión de salida del equipo sea progresiva en función del tiempo y de la corriente de arranque. El resultado es un arranque suave controlado.

Los arrancadores suaves son capaces también de controlar la parada de los motores.

El problema de la parada de los motores eléctricos: En algunos procesos industriales es necesario parar los motores eléctricos de forma controlada, de acuerdo con esto, un motor eléctrico se pueden parar de tres formas diferentes:

Parada por desalimentación: es una parada en la que se retira tensión del circuito de potencia, y se deja que este se pare libremente por inercia, en este caso el tiempo de parada dependerá de las características de la máquina acoplada al motor. Un ventilador por ejemplo, tiene un tiempo de parada por desalimentación superior al de un compresor. En un compresor el movimiento de los pistones en el seno de los cilindros representa un freno natural hace que el motor se pare con rapidez.

Parada instantánea con frenado: es una parada en la que se desea que el motor alcance 0 RPM en el menor tiempo posible, (frenado) esto se consigue usando frenos externos acoplados al eje del motor, o mediante procedimientos puramente eléctricos. Por ejemplo se puede inyectar corriente continua en las bobinas del motor o frenar el motor por contrarrotación (inversión instantánea del sentido de rotación invirtiendo las fases). Un ejemplo de este tipo de frenado seria  la parada de un puente grúa cuando se encuentra al límite de su recorrido.

Parada controlada: se usa cuando una parada por desalimentación puede provocar daños en el propio motor, en la máquina accionada o el proceso sobre el que actúa. Ejemplo: parada controlada de un ascensor al llegar a la planta donde debe detenerse, para evitar una parada brusca. Los arrancadores suaves son capaces hacer los tres tipos de paradas: parada por desalimentación, parada controlada y parada instantánea.

Ventajas de los arrancadores suaves:

§ Permiten un control del arranque en función del tiempo, de la corriente o del par de arranque.

§ Alargan la vida de los motores  al no existir transición brusca en el arranque.

§ Permiten la parada controlada de los motores, e incluso parada instantánea.

§ Pueden corregir el cos j de los motores detectando funcionamiento en vacío, o bajo par motor.

§ Solo necesitan tres cables de conexión frente a los seis necesarios para arranque estrella/triangulo.

Inconvenientes:

§ Muy sensibles al calor, necesitan cuadros bien refrigerados.

§ Elevado precio.

§ No permiten errores de conexión del circuito de potencia, si se alimentan por su salida se destruyen los tiristores.

Variadores de frecuencia:

Los variadores de frecuencia modifican la frecuencia del motor desde 0 Hz hasta la frecuencia nominal del motor. Estos equipos aunque fueron concebidos para trabajar como controladores de velocidad de los motores de con rotor en jaula de ardilla, entre sus funciones más importantes están la posibilidad de modificar de frecuencia en el arranque, lo que los convierte en arrancadores suaves de excelentes prestaciones, aunque muy caros.

El principio de funcionamiento de los variadores de frecuencia está basado en las características de funcionamiento de los motores asíncronos. En estos motores, el número de pares de polos, la tensión de alimentación y la frecuencia, determinan la velocidad y el par entregado por el motor a la máquina acoplada. Los polos magnéticos no se pueden modificar, porque tienen que ver con las características constructivas de motor, por tanto para modificar la velocidad, el par motor o ambos a la vez será necesario tener la posibilidad de modificar la tensión y la frecuencia.

Los variadores trabajan convirtiendo la corriente alterna en corriente continua (para poder controlar la tensión), y en la etapa final convierten la corriente continua en alterna a la frecuencia deseada. Dependiendo de los valores de la tensión y de la frecuencia, el par motor y la velocidad podrán ser variados a voluntad.

IMPORTANCIA DE LOS MOTORES ELECTRICOS

El uso de la energía eléctrica en la actualidad  es imprescindible y difícilmente puede concebirse nuestra sociedad sin ella. Su aplicación, se inició tímidamente en el siglo XVIII, conociendo ya un elevado desarrollo en el siglo XIX, y en siglo XX, ya estaba implantada en amplios sectores de sociedad. 

Científicos tan importantes como Ampère, Volta, Faraday, Oersted o Tesla (por citar algunos) forman parte indiscutible del gran acerbo tecnológico del mundo y junto con otros hombres de ciencia propiciaron el desarrollo de la tecnología eléctrica tal y como la conocemos hoy.

Todos estos descubrimientos e investigaciones han puesto al servicio de la sociedad equipos y dispositivos eléctricos que han mejorado y modernizado nuestra vida. Una parte muy importante de esta modernización tiene que ver con las  máquinas eléctricas y especialmente con los motores, hasta el punto de que se puede afirmar que la aparición de los motores eléctricos marcó un antes y un después en la historia reciente del mundo.

Aún sin darnos cuenta, todos los días convivimos con los motores eléctricos ya que están presentes en los aparatos que usamos cotidianamente: lavadoras, refrigeradores, licuadoras, equipos de aire acondicionado, ordenadores, etc. También forman parte de las instalaciones y equipos de todos los sectores productivos y están presentes en el mundo que nos rodea, por ejemplo, en todos los medios de transporte (automóviles, barcos, trenes y aviones).

Actualmente es muy importante que los motores eléctricos sean capaces de funcionar por periodos prolongados, con un elevado índice eficacia y con el menor gasto energético posible. Para conseguir estos objetivos es imprescindible conocer bien su funcionamiento y sus características, especialmente cuando es  necesario  ponerlos en servicio y mantenerlos funcionando el mayor tiempo posible para que su rentabilidad sea los más elevada posible.