Motores Eléctricos Protecciones, comando, conceptos básicos Contactos, interruptores, protecciones
Los símbolos explícitos en cada contacto, expresan el tipo de trabajo para el que está diseñado su empleo. Hay otros tipos de interruptores específicos, cuyo estudio está vinculado a su uso en particular y no se muestran ahora. Los interruptores indicados arriba, en general se indican unifilares, o sea como si fueran un solo hilo.
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Motores Eléctricos Protecciones, comando, conceptos básicos Esto se hace a los efectos simplificar los esquemas, y se en el cable con una simbología precisa si el circuito es monofásico, bifásico, trifásico o con neutro.
de indica
Otra forma de representar al NEUTRO, es con media línea cruzando el hilo de alimentación: Protección de motores
Los motores eléctricos deben estar protegidos siempre de la siguiente manera MONOFASICOS: Cortocircuito del motor, Sobrecarga del motor TRIFASICOS: Falta o asimetría de fases, Cortocircuito del motor, Sobrecarga del motor
Se debe tener en cuenta que los interruptores termomagnéticos comunes, están diseñados para proteger el cableado de una falla y no el equipo conectado cualquiera fuese este.Por eso es importante dimensionar un interruptor termomagnético de modo que el cable que alimenta pueda conducir en condiciones normales como mínimo la corriente de calibración del interruptor nombrado.
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Motores Eléctricos Protecciones, comando, conceptos básicos Los motores requieren protecciones específicas para cada una de las fallas antes descriptas, y se componen de las siguientes combinaciones: Fusible + relevo térmico: El fusible calibrado adecuadamente, protege a un motor de un bloqueo de eje que se comporta como si fuera un cortocircuito. También podría haber un cortocircuito en el sistema de arranque o la misma bornera d alimentación. El Relevo térmico es un dispositivo que sensa las corrientes de cada una de las tres fases de alimentación al motor, y produce el disparo de un contacto cuando detecta (a) sobrecorriente prolongada, (b) asimetría en las corrientes que consume el motor en cada fase, (c) en algunos casos detecta falta de fase y luego de un tiempo corta. El relevo térmico no corta la corriente en forma directa ante una falla, sino que da una señal para cortar por ejemplo un contactor. Guardamotor magnético+relevo térmico: Se debe utilizar un guardamotor magnético puro, que reemplaza a los fusibles con la ventaja que ante un disparo no es necesario reemplazar ninguna pieza. El relevo térmico es el mismo de la función anterior. Guardamotor magneto térmico: Este tipo de protección, muy normal, hace las funciones del guardamotor magnético y el relevo térmico, todo en uno. El guardamotor magneto térmico corta la tensión de alimentación del motor, en forma directa. La selección de uno u otro tipo de protección, requiere de la definición del tipo de arranque seleccionado y la máquina a la que va destinado. Para ello se definen distintos tipos de “coordinación” de protecciones y aplicación. En todos los casos se entiende queningún motor o maquina electromecánica puede ser arrancada o parada usando una ficha, enchufe o similar. Vemos que el uso de cables directos ni siquiera está considerado para decir que no. 3
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Motores Eléctricos Protecciones, comando, conceptos básicos Para el arranque de un motor, se requieren cuatro etapas ineludibles: (IEC947) El seccionamiento La protección contra cortocircuitos La protección contra sobrecargas La conmutación El conjunto de etapas deben estar en todos los casos, pero se admiten distintas categorías o Coordinaciones entre los elementos, según la función a realizar, costo a asumir, criticidad de la instalación. • • • •
Estas coordinaciones DESCARTAN el encendido directo de un motor, pues NO SE CUMPLEN las cuatro etapas de protección. Coordinación tipo 1 : En condición de cortocircuito,el material no debe
causar dañosa personas e instalaciones. No debe existirproyección de materialesencendidos fueradel arrancador. Son aceptados daños en el contactor y elrelé de sobrecarga; el arrancador puedequedarinoperativo. El relé de cortocircuito del interruptor deberá ser reseteado o,encaso de protecciónpor fusibles, todos ellosdeberán ser reemplazados.
Coordinación tipo 1: Ejemplo
Ejemplo una bomba de aguaque posee dos arranques completos, uno en marcha y otro de reserva. En caso de fallo del sistema se cambiaal de reserva que tiene los fusibles sanos. Luego se repara sin mayor apuro. Coordinación tipo 2 : En condición de
cortocircuito el material no deberá ocasionardaños a las personas e instalaciones. 4
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Motores Eléctricos Protecciones, comando, conceptos básicos No debe existir proyección de materiales encendidos fuera del arrancador.El relé de sobrecarga no deberá sufrir ningúndaño. Los contactos del contactor podrán sufriralguna pequeña soldadura fácilmenteseparable, en cuyo caso no se reemplazancomponentes, salvo fusibles. Ejemplo una bomba de agua de servicio continuo que no tiene instalado un sistema de respaldo. En caso de fallo se realizará alguna maniobra de reposición como por ejemplo reponer el guardamotor, despegar el contactor, etc, y la máquina continuará funcionando sin novedad. . Coordinación TOTAL : La norma prevé que en condición
decortocircuito el material no deberá ocasionar daños a las personas e instalaciones. No debe existir proyección de materiales encendidos fuera del arrancador. El relé de sobrecarga no deberá sufrir ningún sufrir ningún daño. Los contactos del contactor NO podrán sufrir soldadura
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Motores Eléctricos Protecciones, comando, conceptos básicos Ejemplos de montaje
Dos componentes
Tres componentes
Tres componentes
Guardamotor + contactor
Guardamotor + contactor + relevo térmico
Fusibles + contactor + relevo térmico
Los distintos métodos de montaje indicados arriba, se definen de acuerdo a las necesidades de la máquina a accionar, no afectando al tipo de Coordinación predefinida. El sistema denominado DOS COMPONENTES, incluye un guardamotor magneto térmico que cumple con las condiciones de seccionamiento, protección por cortocircuito, protección por sobrecarga y un contactor que hace la función de conmutación (Abierto/Cerrado). Es la solución más sencilla, cumple con todas las protecciones necesarias, ocupa el mínimo de espacio. Visualmente o en forma remota con un contacto auxiliar en el guardamotor se puede identificarlos siguientes estados como: 6
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Motores Eléctricos Protecciones, comando, conceptos básicos Cerrado Abierto Disparado (trip) Las desventajas del sistema DOS COMPONENTES son a) No se discrimina la causa de la falla (indicada por un solo contacto), si esta corresponde a un cortocircuito o a una sobrecarga y b) no se admite la reposición automática o remota, requiriendo de un operador para esa maniobra. El sistema denominado TRES COMPONENTES, tenemos un aparato que cumple con seccionamiento y protección contra cortocircuitos (Guardamotor magnético puro o portafusibles), un aparato de conmutación (contactor) y uno de protección por sobrecarga (relevo térmico). Si bien el sistema total es más voluminoso y posiblemente más caro, la principal ventaja es la separación de la protección de cortocircuito y la de sobrecarga. EL relevo térmico es posible ponerlo en función “automático”, esto implica que una vez enfriado de la sobrecarga este se puede reponer solo, o sea sin participación de un operario. También en algunas marcas y modelos es posible la reposición remota, desde algún puesto de comando. La protección por cortocircuito NO DEBE ser repuesta sin verificar la causa de la falla. Es por eso que no admite la reposición automática y tampoco lo puede hacer el guardamotor magneto/térmico. La principal ventaja del Guardamotor Magnético es lo compacto de su diseño y que durante el fallo se cortan las tres fases en forma simultánea, y al reponer este los valores de calibración de la protección son siempre los mismos que los de diseño. La ventaja de los fusibles es su menor costo. Como contraparte tenemos un mayor tamaño, el equipo de mantenimiento debe tener repuestos de TODOS los valores de fusibles, se deberían cambiar los tres fusibles, incluso el o los no disparados (ya se recalentaron y por lo tanto descalibraron) en el momento de la falla. • • •
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Motores Eléctricos Protecciones, comando, conceptos básicos Motores y Generadores.
Reconocemos en los motores eléctricos, dos partes fundamentales: EL ROTOR que es la parte que gira y es donde está colocado el eje de salida de fuerza, y el ESTATOR que es la parte fija y es de donde se sostiene mecánicamente el motor. En la vida diaria encontraremos fundamentalmente dos tipos de motores: los que tienen el ROTOR bobinado y carbones ó escobillas para alimentarlo, y los que tienen un ROTOR cerrado de aluminio. Los motores con rotor bobinado y escobillas , son los que funcionan con Corriente Continua o los de gran potencia con poco tamaño y peso. Ejemplo de motor de Corriente continua: un motor de taladro a pila, un motor de limpia parabrisas, ejemplo de motor con rotor bobinado y alimentación con Corriente Alterna: Taladro eléctrico común, motor de lustra aspiradora, etc. En todos los casos los motores funcionan con el mismo principio. El bobinado del ESTATOR genera un campo magnético en un sentido, el bobinado del ROTOR genera un campo magnético en el mismo sentido. Por lo tanto las dos bobinas tienden a separarse y provocan el movimiento del eje. De inmediato las escobillas ó carbones cambian la bobina del ROTOR, y esta vuelve a quedar en el mismo sentido, nuevamente se separa girando. En algunos casos, el bobinado del ESTATOR está reemplazado con un IMAN permanente de gran potencia. La ventaja de este tipo de motores, es una importante potencia para 8
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Motores Eléctricos Protecciones, comando, conceptos básicos arrancar, capacidad de variar en forma sencilla el número de revoluciones y mejor relación peso/potencia. Motores sin escobillas . En estos casos se reconoce el ROTOR como
un núcleo de aluminio.
Este núcleo en realidad está constituido por dos tapas y alambres o planchuelas de aluminio que conforman el cuerpo del rotor. Este cuerpo se denomina Jaula de Ardilla. En forma genérica, podemos decir que la Jaula de Ardilla es el equivalente a un rotor bobinado, pero con las espiras en cortocircuito. Al alimentarse el ESTATOR, el ROTOR, la Jaula de Ardilla se magnetiza en forma tal que intenta apartarse del campo magnético exterior. Ese juego se repite indefinidamente y el eje del motor queda girando. Para que inicie el giro, debe haber una fuerza asimétrica que determine un sentido de giro inicial. En el caso de los motores trifásicos, la conjugación de tres juegos de bobinas ubicadas en forma circular alrededor de la jaula, crean un campo magnético giratorio que pone en marcha al motor.
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Motores Eléctricos Protecciones, comando, conceptos básicos
En el caso de los motores MONOFASICOS, la alimentación de la llamada BOBINA de ARRNQUE por intermedio de un capacitor, simula la tercera fase que requerimos para generar el campo magnético giratorio.
En algunos motores, cuando el eje ya está girando normalmente se corta la corriente al capacitor para disminuir el consumo, por ejemplo en heladeras y lavarropas. En otros casos, como ventiladores o extractores, el circuito queda conectado.
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Motores Eléctricos Protecciones, comando, conceptos básicos Los alternadores o generadores
Los generadores de corriente continua o alterna son muy similares a un motor eléctrico, con la diferencia que se aplica fuerza en su eje y por el bobinado se extrae corriente producto de la interacción de los campos eléctricos y magnéticos del estator y el rotor. Cuando se requiere corriente continua, por ejemplo para la carga de la batería de un auto, esta se puede obtener rectificando con diodos la corriente de un alternador, o sea convirtiéndola en continua. Conexión de los motores trifásicos.
Dependiendo de las potencias y tensiones de alimentación de los motores trifásicos, hay distintas formas de conectarlos para que su funcionamiento sea correcto y eficiente: Conexión tipo ARRANQUE DIRECTO Conexión en ESTRELLA/TRIÁNGULO Conexión a través de un ARRANCADOR SUAVE Conexión a través de un VARIADOR DE VELOCIDAD.
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Motores Eléctricos Protecciones, comando, conceptos básicos ARRANQUE DIRECTO
Es la más común y sencilla de las conexiones. En esta los bornes del motor se conectan directamente a la alimentación de energía. Según el diseño del motor, en la placa de los mismos puede indicar los valores de alimentación como 220/380V o 400/660V Estos datos indican para el caso de arranque directo, la forma de conectar los bornes de acceso a las bobinas del motor. En general las bobinas de todos los motores trifásicos están conectadas de la siguiente manera en las borneras: Vemos que las bobinas están conectadas en forma cruzada entre los bornes de su CAJA DE CONEXIÓN. Un motor trifásico debe estar conectado de modo que coincida su tensión de alimentación con la existente en la línea. La tensión que requiere está expresada en la placa de características y puede ser (en nuestro país) para 3x220 VCA o para 3x380/3x400 VCA Las formas de conexión son las siguientes
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Al estar las bobinas conectadas en forma cruzada, co o vemos en el dibujo anterior, el solo cambio de la posición de las ch pitas cambia la tensión de alimentación del motores diseñados para 2 0V o 380 V a la tensión de alimentación de línea (3x380V en Argentina . Hay que tener cuidado con estas conexiones, pues si son erradas se corre peligro de quemar el motor por falta o exceso de ensión. Para lograr un arranque controlado con motores grand s, se suele usar el método de iniciar el movimiento del motor en ESTRELLA (mínima corriente) y luego pasarlo a TRIANGULO (máxima potencia). Este método de conexión sirve para disminuir el pico de corriente de arranque, y es válido para arranques sin carga o con mínima carga. Los motores deben ser para 380/660 V, dato que figura en la placa de referencia del motor. En este tipo de conexión no se coloca 13
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Motores Eléctricos Protecciones, comando, conceptos básicos ninguna de las chapitas de puente de la caja de conexiones, y los bornes pasan a indicarse de la siguiente manera: En la secuencia de arranque, durante la primera fase el bobinado en serie recibe solo parte de la tensión de línea como indica el dibujo: Esto tiene por objeto que la corriente inicial del arranque no supere las 3 veces la corriente nominal de marcha del motor. Al ser un arranque a tensión reducida, no se puede obtener de este motor su potencia nominal.
Una vez que el motor se movió junto al el equipo arrastrado, la corriente de arranque disminuye rápidamente. En ese momento se puede pasar a alimentar con 380V cada una de las bobinas como muestra el esquema, y tener potencia plena.
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Motores Eléctricos Protecciones, comando, conceptos básicos Secuencia de arranque de un motor con arranque Estrella/Triángulo
La conexión se hace mediante tres contactores (K1, K y K3) comandados con un sistema automático. Durante el pro eso de arranque, prim ro se cierra el contactor K3, que prepara el motor en cone ión ESTRELLA; lu go se alimenta cerrando el co tactor K1 principal de lín a, por último y en un período iempre menor a 10 segundos se abre el contactor K3 y se cierra el K2, quedando entonces el motor en conexión tri ngulo a plena potencia. El cableado de potencia es el indicado en la figura d la izquierda. Como el contactor K3 se conecta SIN tensión de alime tación al sistema, o sea el contactor de línea K1 ABIERTO, este puede ser normalmente de una medida menor a los otros dos. Esta licencia es permitida en arranques relativamente hicos y por sobre todo de tiempos menores a 10 segundos.
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Motores Eléctricos Protecciones, comando, conceptos básicos Esquemas de comando de arranque DIRECTO y ESTRELLA TRIANGULO
El arranque DIRECTO solo tiene una operación: conec ar un contactor, alimentar los bornes del motor.
El arranque ESTRELLA TRIANGULO tiene una secue cia definida de maniobras. Esta secuencia se inicia al presionar el bot n de arranque y continúa automáticamente con el temporizador que f rma parte del esquema eléctrico.
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Motores Eléctricos Protecciones, comando, conceptos básicos Secuencia de arranque simple
Estando habilitado el fusible de comando, estando habilitada la protección térmica, estando liberado el botón PARAR (NC), se pulsa el botón ARRANCAR (NA) y este conecta el contactor. Acto seguido el contacto auxiliar KM1.1 del contactor retiene la maniobra del pulsador ARRANCAR y el contactor queda auto enclavado. Al pulsar PARAR, fallar la protección térmica o el fusible, la maniobra de autoenclavamiento cae y el circuito se abre.
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Motores Eléctricos Protecciones, comando, conceptos básicos Secuencia de arranque estrella triángulo
Este circuito requiere de tres pasos, dos de ellos automáticos. Para esta secuencia en automático se usa un temporizador que, luego de iniciada maniobra de arranque, establece los tiempos para las siguientes etapas. La idea básica es que el contactor Nº3, generalmente de una medida menor a los dos primeros, cierre sin carga juntando en un centro de estrella las bobinas del motor. De esta manera la primera etapa será un arranque en que cada bobina estará sometida a una tensión reducida y por lo tanto su consumo será menor. Luego se cierra el contactor Nº1 (línea), alimentando por fin el circuito. Pasado un tiempo determinado por el temporizador, se abre el contactor Nº3 (centro de estrella) y cierra el contactor Nº2 (conexión en triángulo). El motor toma toda su potencia pues sus bobinas se alimentan a plena tensión. Para que esta maniobra sea posible, debe estar alimentado el fusible de comando y cerrada la protección térmica. El pulsador de PARE (NC) liberado, se pulsa el botón ARRANQUE (NA), Los contactos auxiliares de cada contacto, evitan durante las maniobras que se produzcan fallas inesperadas, por superposición de los contactores.
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