Generalidades para la coordinación de las protecciones
En ABB nos gusta compartir conocimiento con los profesionales del sector. Creemos que e sumamente enriquecedor para ambas partes y que nos ayuda eficazmente a trabajar mejor y a avanzar en la búsqueda de nuevas soluciones.
Por eso, desde hace años mantenemos un compromiso de interlocución con los profesionales, programando cursos y conferencias, colaborando con diversas escuelas y universidades, enviando documentación sobre normativas y otros temas de interés. En esta línea, nos complace anunciarle, que hemos iniciado una serie de tres artículos técnicos correlativos en referencia al motor asíncrono trifásico. La estructura de los artículos será la siguiente:
- Tipos y usos.
- Protección y maniobra del motor asíncrono.
- Principales modalidades de arranque de un motor asíncrono trifásico con rotor de jaula de ardilla.
2. Protección y maniobra del motor asíncrono
Un aspecto importante que se ha de tener en cuenta en la selección y la realización del sistema para el arranque y el control del motor es el relativo a la seguridad y a la fiabilidad de la solución realizada. Las principales causas de defecto en los motores se deben al cortocircuito que ocurre, por ejemplo, debido a la humedad, la grasa, el polvo entre los devanados o por una sobrecarga. Las sobreintensidades que resultan del defecto provocan sobretemperaturas que pueden dañar el motor de forma irreversible y pueden también originar incendios en el entorno.
El arranque constituye por tanto una fase particularmente crítica para el motor y para la instalación que lo alimenta, e incluso el funcionamiento nominal necesita ser monitorizado y protegido adecuadamente frente a posibles anomalías de funcionamiento.
Con este objetivo es necesario e importante dimensionar y escoger correctamente los aparatos eléctricos que realizan el arranque y la maniobra del motor. Empezamos a adentrarnos en este campo identificando la norma que compete a este tema, la IEC 60947-4-1 “Contactores y arrancadores electromecánicos”, que se aplica a los contactores de corriente alterna y de corriente continua y a los arrancadores cuyos contactos principales están destinados a conectarse a circuitos cuya tensión nominal no supere 1000 Vca o 1500 Vcc.
2.1 Principales definiciones normativas de caracter general
En referencia a la norma IEC 60947-4-1 citamos algunas definiciones de carácter general que ayudan a comprender el significado y la función de los principales componentes eléctricos utilizados para el control de un motor.
Arrancadores para motores de corriente alterna
Asociación de aparatos destinados a: arrancar y acelerar los motores hasta su velocidad de régimen, asegurar su funcionamiento continuo, desconectarlos de la red de alimentación y asegurar la protección de los propios motores y de los circuitos asociados a los mismos contra sobrecargas de funcionamiento. Los relés de sobrecarga para arrancadores, incluidos los basados en la tecnología del estado sólido, deben satisfacer las prescripciones de la presente norma. Arrancadores directos
Arrancadores que aplican la tensión de línea a los terminales del motor en una sola operación; están destinados a arrancar y acelerar motores hasta su velocidad de régimen. Deben asegurar las funciones de maniobra y protección como en la definición general.
Además, se introducen dos puntualizaciones adicionales basadas en la modalidad de maniobra admitida para el motor y, en particular, para la inversión del sentido de rotación.
Arrancador inversor
Arrancador destinado a provocar la inversión del sentido de rotación del motor, invirtiendo las conexiones primarias, incluso si el motor está en funcionamiento. Arrancador reversible
Arrancador destinado a provocar la inversión del sentido de rotación de un motor, invirtiendo las conexiones primarias, sólo cuando el motor está parado.
Arrancadores de corriente alterna con tensión reducida
Arrancadores de corriente alterna con tensión reducida destinados a arrancar y acelerar motores hasta su velocidad de régimen, conectando la tensión de línea a los terminales del motor a escalones sucesivos, o aumentando gradualmente la tensión aplicada a los terminales. Deben asegurar las funciones de maniobra y protección como en la definición general. Para controlar las maniobras sucesivas de un escalón al siguiente pueden utilizarse, por ejemplo, contactores, relés temporizados o productos similares.
El tipo de arrancador con tensión reducida más común es el arrancador en estrella-triángulo definido a continuación. Arrancadores en estrella-triángulo
Arrancadores destinados a arrancar un motor trifásico con los devanados del estátor conectados en estrella y a asegurar el funcionamiento continuo con los devanados del estátor conectados en triángulo. Deben asegurar las funciones de maniobra y protección como en la definición general. Los arrancadores en estrella-triángulo, tratados en la presente norma, no están destinados a la inversión rápida de los motores y, por lo tanto, no se aplica la categoría de utilización AC-4.
La norma también contempla otros tipos de arrancadores (arrancadores con autotransformador, arrancadores reostáticos estatóricos) para cuya definición se recomienda consultar la propia norma. Los arrancadores de los que trata la norma no están previstos generalmente para la interrupción de las corrientes de cortocircuito. Por lo tanto, debe preverse una protección adecuada contra los cortocircuitos en la instalación.
Una vez definido el arrancador en lo que a sus funciones y sus componentes se refiere, la norma proporciona una clasificación y una categorización adicionales a partir de la asociación del arrancador con un dispositivo de protección contra cortocircuitos, haciendo referencia a sus modalidades de montaje y de cableado con el propio arrancador, como se indica a continuación.
Comenzaremos definiendo, conforme a la norma IEC 60947-2 “Aparamenta de baja tensión Parte 2: Interruptores automáticos”, el dispositivo de protección utilizado normalmente, o sea, el interruptor, como: Aparato mecánico de maniobra capaz de establecer, soportar e interrumpir corrientes en condiciones normales del circuito, así como de establecer, soportar durante un tiempo especificado e interrumpir corrientes en condiciones anómalas del circuito, como por ejemplo las de cortocircuito.
A continuación pasamos a definir y diferenciar el conjunto de los aparatos de maniobra y protección con las siguientes definiciones:
Arrancador combinado
Aparamenta que consiste en un arrancador y un dispositivo de protección contra cortocircuitos, montada y cableada en una envolvente específica. El dispositivo de maniobra y protección contra cortocircuitos puede ser una unidad combinada con fusibles, un seccionador con fusibles o un interruptor automático con o sin funciones de seccionamiento.
Arrancador protegido
Aparamenta que consiste en un arrancador y un dispositivo de protección contra cortocircuitos, descubierta o en envolvente, montada y cableada siguiendo las instrucciones del fabricante del arrancador. El dispositivo de maniobra controlado manualmente y el dispositivo de protección contra cortocircuitos pueden estar constituidos por un único dispositivo y pueden tener incorporada también la protección contra sobrecargas.
En la definición del arrancador se habla de aparato de maniobra que se puede identificar en un contactor y de un aparato para la protección contra sobrecargas de funcionamiento identificable en un relé térmico. Veamos ahora cómo define la norma IEC 60947-4-1 estos dos componentes del arrancador.
Contactor (mecánico)
Aparato mecánico de maniobra con una sola posición de reposo, de accionamiento no manual, capaz de establecer, soportar e interrumpir corrientes en condiciones normales del circuito, incluidas las condiciones de sobrecarga de maniobra.
Relé de protección de sobrecarga
Relé multipolar de protección de sobrecarga térmico que interviene en caso de sobrecorrientes de carácter moderado (sobrecargas) sobre el circuito que alimenta el motor. Para la aplicación a menudo se requiere de un aparato que intervenga incluso en el caso de falta de fase, según las prescripciones especificadas, de manera que se asegure la protección del motor que estuviera funcionando en condiciones anómalas.
La norma especifica diversos campos de aplicación para los contactores y los arrancadores introduciendo el concepto de categorías de utilización o empleo.
Categoría de utilización
Se identifican diversas categorías de utilización caracterizadas por las aplicaciones resumidas en la tabla 1. Cada categoría de utilización identifica prestaciones mínimas bien definidas para el contactor (por ejemplo, campo de aplicación o capacidad nominal de interrupción) según valores de corriente, tensión, factor de potencia o constante de tiempo y condiciones de prueba especificadas en la norma.