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       Protección de motores con Relé de Sobrecarga

 
 
Los relés de sobrecarga se emplean para proteger equipos como motores o transfor-madores de sobrecalentamientos inadmisibles. Un sistema clásico de protección es el de relés con Bimetales, donde un arrollamiento calefactor conectado en serie con el circuito, genera una temperatura que depende de la corriente, y esta temperatura a su vez defor-ma unas cintas bimetálicas que accionan el mecanismo de disparo. Es decir que el relé no mide la temperatura de los bobinados del equipo en forma directa, sino que lo hace a través del sensado de la corriente representando la temperatura que supuestamente tienen los bobinados, por ello estos relés se denominan de IMAGEN TÉRMICA.

 
 
FUNCIONAMIENTO BÁSICO

Los relés térmicos TR1 son bimetálicos y están diseñados para proteger a los motores en prácticamente todas las condiciones de funcionamiento. Sin embargo, para lograr la protección efectiva, se recomienda analizar detalladamente el punto Protección efectiva de motores (ver páginas 61 y 62). El mecanismo de disparo de los relés TR1, está compuesto principalmente por un juego de 3 bimetales que, al deformarse con la temperatura, provocan el disparo del relé. Los bimetales son láminas compuestas por 2 metales soldados entre si, como estos metales unidos tienen diferentes coeficientes de dilatación, al calentarse, el metal que más se deforma con la temperatura arrastra al otro provocando una deformación. La temperatura que deforma los bimetales, es generada por arrollamientos calefactores diseñados a tal fin, por los cuales circula la corriente del motor.


La deformación de los bimetales hacia la izquierda, desplaza todo el conjunto de peines hacia la izquierda, y por lo tanto la palanca de disparo hace girar proporcionalmente al gatillo de disparo. Cuando el gatillo de disparo gira lo suficiente para alcanzar el resorte de posición, se produce el disparo que conmuta la posición del contacto móvil desde NC a NA (el contacto 95-96 pasa de cerrado a abierto y el 97-98 pasa de abierto a cerrado). Si este contacto NC 95-96 estaba accionando la bobina de un contactor asociado en el momento del disparo, al conmutar esa posición la bobina dejará de recibir alimentación y el contactor abrirá el circuito. Es decir que el relé térmico no es capaz de interrumpir el circuito de potencia por sí mismo, si no que NECESITA de un contactor que cumpla esa función.


Una vez que el relé disparó, y las láminas bimetálicas se enfriaron en un determinado grado, con el pulsador de Reset podremos llevar el contacto nuevamente a su posición original. Si el pulsador de reset esta en posición automático, este retorno a la posición original se produce automáticamente, conectando nuevamente el contactor asociado, por lo que debe tenerse muy en cuenta el PELIGRO que esto implica, utilizando únicamente este modo en circuitos con pulsadores, donde se demande un nuevo pulsado para que el circuito arranque. En general se recomienda siempre utilizar el modo Manual. De fábrica todos los relés TR1 salen seteados en esa posición. El pulsador Test sirve para simular un disparo y verificar si todo el circuito funciona correctamente, en este caso, el contacto NC 95-96, conmutará a abierto y quedará en esa posición, por lo que para que retorne a la posición de trabajo, deberá presionarse el pulsador Reset. Los relés termicos TR1 cuentan con un indicador de disparo color verde que informa al usuario si el relé disparó o no.


 
 
FUNCIONAMIENTO DIFERENCIAL

Los relés TR1 son diferenciales para reducir los tiempos de respuesta ante la falta de fase y lograr una protección segura del motor.

En el caso de que falte una fase en un motor se producen 2 efectos:

1-Aumento de corriente en las otras 2 fases
2-Aumento de pérdidas en el hierro


Como se detalló anteriormente, el relé térmico, es capaz de detectar el aumento de corriente en las fases que están actuando, pero no el aumento de pérdidas en el hierro. Para solucionar este inconveniente, los térmicos TR1, están provistos de un sistema mecánico diferencial, que acelera el tiempo de repuesta en casos de falta de fase, cubriendo con TOTAL SEGURIDAD ambos efectos.

En el grafico se visualiza el efecto que se produce ante la falta de fase, en este caso la fase 3. Al no circular corriente por esa fase, el bimetal se enfría y se desplaza hacia la derecha, empujando el peine inferior hacia ese lado. El peine hace girar la palanca de disparo aumentando a su vez el giro en el gatillo de disparo. El efecto diferencial SUMA el desplazamiento por sobrecorriente en las fases 1 y 2 + el desplazamiento por falta de fase en la fase 3, acelerando la respuesta con una reducción de tiempo de disparo 50% menos que en el caso de falla trifásica simétrica.


 
 
TIEMPO DE REPOSICIÓN


Para poder resetear un térmico que disparó, debe esperarse un tiempo determinado para que los bimetales se enfríen, este tiempo se llama de reposición.
El tiempo de reposición depende de la corriente que produjo el disparo y está graficado en la figura 1.
Por ejemplo, para un relé TR1-6,3A (de 4 a 6,3 A) que estaba seteado en 5 Amperes, si la corriente de corte fue de 15A, es decir 3 veces la corriente seteada, debe entrarse al gráfico con el valor 3 en el eje X, y donde corta a la curva se obtiene en el eje Y el valor 30 segundos.
El tiempo de reposición origina una pausa inevitable en el servicio, que da tiempo a enfriarse a los bimetales, pero también le da tiempo al motor a enfriarse.
Sin embargo, esta pausa no siempre es suficiente para que el motor alcance nuevamente una temperatura segura de funcionamiento, por lo que siempre se recomienda ESPERAR MÁS.
Las altas temperaturas son altamente nocivas para los motores, y aunque no se visualize ningún daño, la historia del motor queda afectada irremediablemente.

PROTECCIÓN EFECTIVA DE MOTORES


En general, para protección de motores, se utilizan relés bimetálicos. Los relevos térmicos TR1, funcionan bajo este principio, y como su funcionamiento depende únicamente de la corriente que circula por el mismo, que a su vez es la misma corriente que está consumiendo el motor, es útil analizar cuales son las causas que producen sobrecorriente en un motor, estas son :

Una sobrecarga en su eje.
Bloqueo total de su eje.
Asimetría de la red de alimentación.
Falta de una fase de la red de alimentación.
Pérdida de aislamiento del bobinado por sobrecalentamientos anteriores.
Envejecimiento natural del bobinado.

En todos estos casos, el motor consumirá una corriente superior a la de diseño, y los relés térmicos TR1 son capaces de detectarla y cortar el funcionamiento en el tiempo adecuado para proteger los bobinados del motor. Sin embargo, ningún relé bimetálico, de ningún fabricante, es capaz de detectar sobretemperatura en bobinados que no provenga de un aumento de la corriente, por ejemplo, en la obstrucción del aire de ventilación propia del motor, falta de agua en bombas sumergibles o por sobretemperaturas que provienen de fuentes de calor externas cercanas al motor como sala de calderas, hornos, etc. En estos casos, para realizar una protección adecuada debe recurrirse a la utilización de PTC, capaces de medir en forma directa y efectiva la temperatura real de los bobinados del motor.

 
 
Curva de disparo de relés térmicos clase 10 clase 5

Las curvas características de los relevos térmicos TR1, indican la dependencia entre el tiempo de disparo y la corriente de disparo como múltiplo de la intensidad de la corriente ajustada. Estas curvas deben seguir lo más cerca posible las variaciones de temperatura del motor, cuanto más alta es la corriente, mas rápida es la actuación del relé, por ello esta característica se denomina de tiempo inverso. Estas curvas se grafican para una carga SIMÉTRICA TRIPOLAR a partir del estado frío. La norma internacional correspondiente, EN 60947-4-1, especifica las clases de disparo de la siguiente forma:

CLASE 10 aplicable a arranques normales.
Tiempo de disparo entre 4 y 10 segundos para una corriente 7,2 veces la corriente regulada partiendo del estado frío , o sea el primer arranque del motor (apartado 5.7.3).
Tiempo de disparo máximo 4 minutos para una corriente 1,5 veces la corriente regulada partiendo del equilibrio térmico, o sea, considerando que el motor estaba funcionando con la corriente regulada y por algún defecto de funcionamiento elevó su corriente un 50% (apartado 8.2.1.5.1).


CLASE 5 aplicable a motores de arranque rápido y muy sensibles a los cambios térmicos.
Este es el caso típico de bombas sumergibles donde un relé térmico estándar de Clase 10 no llega a proteger los bobinados del mismo, produciéndose daños irreversibles. Por ello antes de instalar un relevo térmico para protección de un motor, es vital relevar los datos del mismo y la protección necesaria. En general, los motores que necesitan protección CLASE 5 deben contar con esa especificación en los datos de chapa o el manual de instalación. La clase 5 establece un tiempo de disparo máximo de 5 segundos para una corriente 7,2 veces la corriente regulada partiendo del estado frío.
Arranques pesados: Un arranque se considera pesado cuando los dispositivos estándar para protección de motores en servicio normal, disparan en el arranque, es decir que el motor tiene un período de arranque muy largo (en general se toma un arranque pesado cuando el motor necesita más de 10 segundos para llegar a su velocidad nominal). Este es el caso de centrífugas y ventiladores de gran diámetro, masas de rotación importantes con elevada velocidad, molinos o cintas transportadoras que arrancan con carga, etc. En este caso, deben utilizarse relés especiales CLASE 20 o CLASE 30 dependiendo del caso, o como una solución mas sencilla y dependiendo del caso, puede utilizarse un circuito que puentee el relé térmico en el arranque y lo conecte cuando el motor ya tomo el régimen de velocidad nominal.

La curva representada se refiere a carga simétrica tripolar, partiendo del estado frío, es decir en el primer arranque del motor.

Partiendo del equilibrio térmico, es decir con el relé térmico ya estabilizado térmicamente con la corriente de calibración, los tiempos se reducen a 30% del valor del gráfico.

Para falta de fase los valores de tiempo se reducen en un 50%.


 -Para que los relevos térmicos respondan correctamente a todas las especificaciones de diseño que incluyen la curva característica, la compensación de temperatura, el aceleramiento de respuesta diferencial por falta de fase, etc., es fundamental que la calibración del relé con el motor, se realice en forma precisa. No deben tomarse los datos de chapa del motor, sino medir con un instrumento adecuado y con el motor a plena carga el valor real de la corriente. Una vez obtenido este valor, debe regularse el mismo en el dial de calibración

- Por el funcionamiento diferencial, que acelera la respuesta del relé ante falta de fase, es fundamental que los 3 polos del relé estén conectados. En caso de motores monofásicos también debe aplicarse este criterio (observar circuitos de arranque y parada monofásicos y trifásicos en el Índice), si se conectan solo 2 fases, el relé interpretara falta de fase y reducirá los tiempos de respuesta 50% en forma errónea.


-Es indispensable la utilización de fusibles adecuados. En los circuitos que incluyen contactor y térmico, es vital la incorporación de fusibles particulares para el conjunto. En estos casos el calibre del fusible siempre está determinado por el modelo del relé térmico. La etiqueta de los relés TR1 indica cuál es el fusible adecuado de protección para cada modelo.

Lamentablemente en la práctica se encuentra una gran cantidad de casos donde el conjunto contactor+térmico se instala sin fusibles particulares, en estos casos, si ocurriera un cortocircuito, los alambres calefactores del relé actuarán como fusibles fundiéndose inevitablemente, dañando el relé térmico en forma irreversible. Este caso está fuera de garantía por instalación inadecuada. La siguiente tabla especifica los fusibles adecuados para protección de cada modelo de relé térmico TR1. La relación fusible-relé térmico no tiene que ver con el tamaño sino con el rango de regulación del relé.



Rango del Relé (A) Fusible de
protección (A)
Rango del Relé (A) Fusible de
protección (A)
Rango del Relé (A) Fusible de
protección (A)
0,63 a 1 2 8 a 12,5 25 32 a 50 100
1 a 1,6 4 10 a 16 35 50 a 63 100
1,6 a 2,5 6 12,5 a 20 50 63 a 80 125
2,5 a 4 10 16 a 25 50 70 a 88 150
4 a 6,3 16 20 a 32 63 63 a 90 150
6,3 a 10 20 32 a 40 80 80 a 110 / 90 a 120 200


COMPENSACIÓN DE ELEVADA TEMPERATURA AMBIENTE

La sobretemperatura ambiente por encima de las del diseño afectan a los relés térmicos bimetálicos. Los relevos térmicos TR1 tienen en su mecanismo, una cinta bimetálica adicional, para compensar las variaciones de temperatura ambiente, y que éstas no modifiquen la curva de respuesta del aparato. Esta compensación permite que aún con variaciones de temperatura ambiente entre -20ºC y +55ºC, la corriente límite permanezca entre 1,05 y 1,2 veces la corriente ajustada, que es lo exigido para 20ºC, es decir que entre estos valores NO se necesita compensación alguna. Sin embargo, cuando los valores de temperatura en el interior de los tableros donde están aplicados los relés térmicos, supera ese valor, deben aplicarse los siguientes factores de corrección:

Temperatura del
entorno del Relé
Factor de
Reducción
+55ºC 1
+60ºC 0,97
+65ºC 0,92
+70ºC 0,84
+75ºC 0,78
+80ºC 0,7

Los valores de reducción, deben aplicarse a la escala del dial de calibración que está en el frente del aparato.
Ejemplo: Un relevo térmico TR1-T1 6,3A (regulación de 4 a 6,3 A) regulado en 6,3A, sensando corriente del motor de 6,3A no producirá disparo con temperaturas de hasta 55ºC en el tablero de la instalación. Sin embargo, el mismo conjunto funcionando con una temperatura de 80 ºC, no responderá de la misma forma. En este caso, debemos aplicar el factor de corrección 0,7, donde la regulación máxima pasará de 6,3A a 4,4A , por lo que si la corriente real del motor sigue siendo de 6,3A, se producirá indefectiblemente el disparo del relé, NO por la corriente del motor, si no por el aumento de la temperatura externa. En este caso, deberá seleccionarse un relé térmico TR1-T1 10A (Regulación 6,3 a 10A) que con el factor de corrección 0,7 pasara a una calibración virtual máxima de 7A.


 
 
PROTECCIÓN DE MOTORES TRIFÁSICOS CON ELEVADA FRECUENCIA DE MANIOBRAS/HORA

Cálculo de cantidad de maniobras/hora aplicables a Térmicos TR1 y Guardamotores MG1

Este cálculo debe aplicarse a los conjuntos contactor+térmico, o contactor+guardamotor, que comandan motores trifásicos que operan con elevada frecuencia de maniobra por hora.

Desarrollo:
Para poder realizar el análisis se requieren los siguientes valores:

N = Cantidad de veces la corriente nominal que el motor toma en el arranque, por ejemplo 6 veces o 5,5 veces, NO EL VALOR ABSOLUTO EN AMPERES, solo debe utilizarse el coeficiente.

Ie = Corriente nominal del motor.

ta = Tiempo de arranque en segundos, es decir el valor en segundos que permanece la corriente de arranque. Este valor puede medirse con osciloscopio o con una pinza amperométrica adecuada.

tfn = Tiempo de funcionamiento nominal, es decir el valor en segundos que, después del arranque, el motor consume la corriente nominal hasta que se produce la parada del mismo.

ts = Tiempo del ciclo completo.

El cálculo se basa en el análisis térmico del sistema de calefacción de los relevos TR1 y Guardamotores MG1, aplicando la ley de Joule I2t.
Conceptualmente en el gráfico I2 (corriente al cuadrado en el eje Y) y t (tiempo en el eje X), debe calcularse un área equivalente a la del aparato de protección funcionando normalmente con la corriente nominal Ie durante 1 hora.


Como el objetivo es encontrar la cantidad de veces K que podemos repetir ese ciclo sin superar el
funcionamiento normal del térmico debemos plantear:




 
 
 
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