ESCUELA POLITÉNICA NACIONALFACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

CONTROL INDUSTRIAL

TEMA:

PROTECCIÓN DE MOTORES, ANÁLISIS COMPARATIVO ENTRE PROTECCIÓN DE RELÉ TÉRMINO MÁS FUSIBLE Y GUARDAMOTOR

RELIZADO POR:

Freddy Panchi

Gillermo Carpio

Juan Heredia

Objetivos

Comparar el método de fusible relé térmico y guardamotor, mediante un análisis comparativo basado en las características físicas y también por su costo.

Estudiar cómo funciona cada método para poder proteger al motor eléctrico.

Marco Teórico

FUSIBLES

Definición

Es un dispositivo, constituido por un soporte adecuado, un filamento o lámina de un metal o aleación de bajo punto de fusión que se intercala en un punto determinado de una instalación eléctrica para que se funda, por Efecto Joule, Cuando la intensidad de corriente supere, por un cortocircuito o un exceso de carga, un determinado valor que pudiera hacer peligrar la integridad de los conductores de la instalación con el consiguiente riesgo de incendio o destrucción de otros elementos.

Introducción

El uso de fusibles para la protección contra el cortocircuito y contra sobrecargas en los sistemas de baja tensión ha sido muy común por la simplicidad y el bajo costo que estos elementos representan, estas características hacen que también sean usadas en circuitos de media tensión.

El fusible está reservado para la interrupción automática del circuito que protege cuando se verifican condiciones anormales de funcionamiento que están normalmente asociadas con las sobrecorrientes, esta interrupción se obtiene de la fusión del elemento fusible que en sí representa la parte fundamental y que determina sus características.

La función del fusible es diferente de aquella que desempeñan los interruptores automáticos ya que un fusible no está diseñado para desarrollar operaciones de maniobra de apertura y

cierre de un circuito debido a que cada vez que opera se requiere de la sustitución de su elemento fusible.

La principal función del fusible la desarrolla el elemento fusible propiamente dicho al cual se le deja la función de soportar sin calentamiento excesivo la corriente nominal y de fundirse durante un tiempo determinado cuando la corriente supera al límite máximo de fusión previsto, este tiempo depende de la densidad de corriente del elemento fusible, y otras características como son resistividad, calor específico, etc.

Características principales que definen a un fusible

a).- Tensión nominal.

Es el valor de la tensión para la cual se designa la operación del fusible y que normalmente corresponde a la tensión máxima de diseño de fusible en correspondencia a la tensión máxima de operación del sistema en el que va a operar.

b).- Corriente nominal.

Es el valor de la corriente al cual el fusible no debe presentar calentamiento excesivo y a la que operará por tiempo indefinido.

En general este valor se asocia también a los valores máximos de no-fusión

gL Fusible de empleo general. Se utilizan en la protección de líneas, estando diseñada su curva de fusión “intensidad -tiempo” para una respuesta lenta en las sobrecargas y rápida frente a los cortocircuitos.

aM Fusible de acompañamiento de motor. Se utilizan para la protección de motorres, tienen una respuesta extremadamente lenta frente a las sobrecargas y rápida frente a los cortocircuitos. La intensidades de hasta diez veces la nominal (10 In) deben ser desconectadas por los dispositivos de protección propios de motor, mientras que las intensidades superiores debrán ser interrumpidas por los fusibles aM.

c).- Capacidad interruptiva.

Es el máximo valor de la corriente que el fusible está en posibilidad de interrumpir cuando el fusible está a su tensión nominal y en condiciones determinadas de tensión de restablecimiento y factor de potencia (o constante de tiempo). En el caso de los circuitos de corriente alterna se expresa como el valor máximo de la corriente de corto circuito simétrica.

TIPOS DE FUSIBLES

Los fusibles que se emplean en los circuitos de alta y media tensión se construye por lo general de los tipos siguientes.

De expulsión De ácido bórico

En el fusible tipo expulsión un tubo de material orgánico capaz de producir una cantidad notable de gas y soportar una alta temperaturas, une las dos terminales del fusible, este tubo también tiene un dispositivo de contacto de manera que cuando el fusible se funde los contactos se separan cayendo el tubo de tal forma que se pueda observar físicamente la operación. El funcionamiento del fusible produce mucho gas y ruido estos fusibles se pueden emplear en tensiones hasta 115 KV y con corrientes de corto circuito simétricas hasta de 20 KA.

En los fusibles de ácido bórico la función del tubo de material orgánico se sustituye por un cuadro de este material de manera que el elemento fusible se coloca en el extremo abierto del tubo aislante y cuando interviene en el punto de contacto se alarga el arco hacia el espacio donde se pone el ácido bórico, este bajo la acción del calor se descompone desarrollando vapor de agua cuyo efecto de ionizante es más eficaz que la del gas en los fusibles de expulsión. Los fusibles de expulsión y de ácido bórico se aplican en el rango de tensiones y corrientes.

El uso de fusibles para la protección contra el corto circuito y contra sobrecargas en los sistemas de baja tensión ha sido muy común por la simplicidad y el bajo costo que estos elementos representan, estas características hacen que también sean usadas en circuitos de media tensión.

CLASIFICACION DE LOS FUSIBLES

Sí un fusible fuese seleccionado sobre la base de la corriente nominal del motor, se fundiría durante cada arranque toda vez que en este acto el motor demanda una corriente alta. Sí por el contrario se seleccionará con base en la corriente de arranque, no protegería al motor contra pequeñas sobrecargas; por esta razón la función básica de los fusibles es la de proporcionar protección contra cortocircuito. A los circuitos eléctricos; hay fusibles de diferentes tipos, tamaños y rangos. Los estándares NEMA y la UL, los han clasificado atendiendo a los siguientes renglones:

Fusibles de un solo uso. Fusibles renovables. Fusibles con elemento retardador de tiempo. Fusibles limitadores de corriente. Fusibles de alta capacidad interruptiva.

A).- Fusible estandar.-

Los fusibles de un solo uso y los renovables, también se les conoce como fusibles estándar o tipo NEC y tanto nema como UL los han clasificado como tipo H. Estos elementos se clasifican como de 10,000 amperes de capacidad interruptiva.

B).- Fusibles limitadores de corriente de alta capacidad interruptiva.-

A los fusibles con rango de capacidad interruptiva mayor que 10,000 amperes simétricos, la UL los ha clasificado como clase j, k, l y g y son de alta capacidad interruptiva limitadores de corriente.

Un fusible limitador de corriente es aquel que protege interrumpiendo todas las corrientes dentro de su rango de interrupción y limita los valores I²xt para un arreglo determinado la UL establece que el concepto limitador de corriente implica que el fusible al ser probado en un circuito de determinada corriente de cortocircuito a voltaje nominal, empezará a fundirse dentro de los siguientes 90 grados eléctricos e interrumpirá el circuito dentro de los 180 grados eléctricos (½ ciclo) posteriores.

VENTAJAS:

1) Son seguros. Los fusibles modernos tienen una alta capacidad de interrupción y pueden operar con altas corrientes sin ruptura.

2) Utilizados adecuadamente, previenen apagones: solamente el fusible más cercano a la falla se abre sin que los fusibles anteriores resulten afectados (garantizan coordinación selectiva).

3) Los fusibles garantizan una protección óptima de componentes, manteniendo, las corrientes de falla a un valor bajo (los fusibles limitadores de corriente).

4) No requieren mantenimiento, ajustes o pruebas como los interruptores.

5) Costo. En protección contra altas corrientes de corto circuito y bajo las mismas características de diseño, un equipo fusible tiene un costo más bajo que los interruptores.

6) En caso de una falla o daño, es más barato cambiar fusibles que interruptores.

DESVENTAJAS:

1) En caso de una falla dentro de los valores permisibles, el interruptor se necesita solamente reestablecer y el fusible necesita cambio.

2) Al momento de realizar un cambio de fusible, puede que el técnico instale uno que no sea el adecuado, y esto podría provocar accidentes.

3) Para proteger motores contra pérdida de fase, el fusible deberá estar bien diseñado para que abran los otros dos fusibles por sobrecorriente, y el motor trabajando a su corriente nominal.

CURVA DE OPERACIÓN

RELÉ TÉRMICO

Introducción

Los relés térmicos son elementos que protegen al motor contra sobrecargas y deben ser utilizados en motores que superen cierta potencia, estos incorporan generalmente un contacto auxiliar normalmente abierto y un contacto auxiliar normalmente cerrado que se accionan cuando existe dicha sobrecarga.

Principio de funcionamiento.

Este relé tiene su principio de funcionamiento basado en la deformación de un bimetal debido al calentamiento de este, cuando este bimetal se calienta por sobre una temperatura determinada este se deforma y accionan el sistema de contactos del relé, lo que permite realizar alguna maniobra en circuito de control.

El bimetal está formado por dos metales con diferente coeficiente de dilatación soldados entre sí. El calor necesario para deformar la lámina de bimetal es proporcionado por medio de unas resistencias arrolladas a la lámina, a través de las cuales circula la corriente que llega al motor.

El tiempo de respuesta de los relés térmicos es inversamente proporcional a la corriente absorbida por el motor, es decir que mientras mayor sea la corriente, menor será el tiempo de respuesta. Una vez que se ha accionado el relé este se puede reestablecer de dos maneras: rearme automático o rearme manual.

- Rearme Automático, regresa a los contactos del relé a su posición original al momento en el que ha disminuido el calor del bimetal.

- Reame Manual, este evita que el relé vuelva a su posición automáticamente, evitando así que se pueda accionar el motor por sí solo una vez que haya pasado el calentamiento.

Partes básicas de un relé térmico

Además de los tres contactos principales, un relé térmico cuanta con dos contactos auxiliares un normalmente abierto y un normalmente cerrado, cuya alimentación se encuentra de hasta 660Vdc para frecuencias de 50/60Hz.

Además, aún si no actúa directamente con el sistema de potencia, está conectado a este a través de sus tres contactos principales, los cuales lo unen con la alimentación.

Así también el relé cuanta con un selector de intensidad de protección, con el cual podremos seleccionar el rango de funcionamiento del relé.

También incorpora un botón de prueba y un botón de reset.

Los elementos antes mencionados se pueden apreciar en la siguiente imagen:

Selección y regulación de un relé térmico

Para seleccionar el relé que mejor se adapte a nuestras necesidades se debe tener en cuenta los siguientes parámetros:

- Tiempo máximo que deberá soportar una sobretensión (tiempo de respuesta)

- Asegurarnos de que el margen de intensidad que necesitemos esté dentro del rango de regulación del relé.

- Una vez instalado el relé, se deberá regular la intensidad del relé a la intensidad nominal de motor, la cual se encuentra localizada en la placa de características de este.

Causas que accionarán el térmico

- Cuando la corriente que demande el motor sea muy alta debido a una sobrecarga mecánica en su eje.

- Cuando la corriente del motor sea muy alta, debido a una caída apreciable en la tensión de alimentación con el motor a plena carga.

- Cuando haya un arranque seguido de un bloqueo del rotor.

Como hemos visto, el relé, al ser un elemento que acciona contactos auxiliarles está destinado a motores que tienen un sistema de encendido basado en contactores, ya que no sería de mucha utilidad e sistemas manuales (por ejemplo, en aquellos que usen interruptores de cuchillas).

CURVA DE OPERACIÓN

OPERACIÓN CONJUNTA RELE TERMICO – FUSIBLE

O Se debe permitir el arranque del motor, pero si el arranque se demora o el motor queda calado debe operar el relé térmico.

O Para corrientes de falla mayores que la capacidad de ruptura del contactor, debe actuar primero la protección fusible que el relé térmico, puesto que de lo contrario, el contactor no estaría en condiciones de abrir la corriente indicada por el relé térmico.

O Para corrientes superiores a 25In, la recta de I 2t del relé térmico debe estar siempre por encima de la correspondiente del dispositivo que lo protege contra cortocircuitos, fusible

O La corriente de arranque con un factor de seguridad 2 en tiempo, durante el tiempo de arranque, no debe alcanzar la curva característica de la protección contra cortocircuito, para así tener en cuenta el estado de precarga y los arranques sucesivos.

A continuación se presenta un esquema básico de la operación de un relé térmico:

GUARDAMOTORES

El guardamotor (también llamado disyuntor magnetotérmico o protector de motor) es un dispositivo de protección contra los cortocircuitos, dentro de los límites de su poder de corte a través de disparadores magnéticos (un disparador por fase).

DISPOSITIVOS MAGNETOTÉRMICOS

Es un dispositivo capaz de interrumpir la corriente eléctrica de un circuito cuando ésta sobrepasa ciertos valores máximos. Su funcionamiento se basa en dos de los efectos producidos por la circulación de corriente eléctrica en un circuito: el magnético y el térmico (efecto Joule). El dispositivo consta, por tanto, de dos partes, un electroimán y una lámina bimetálica, conectadas en serie y por las que circula la corriente que va hacia la carga.

Funcionamiento

Al circular la corriente por el electroimán, crea una fuerza que, mediante un dispositivo mecánico adecuado (M), tiende a abrir el contacto NC, pero sólo podrá abrirlo si la intensidad I que circula por la carga sobrepasa el límite de intervención fijado.

Este nivel de intervención suele estar comprendido entre 3 y 13 veces la intensidad nominal (la intensidad de diseño del interruptor magnetotérmico) y su actuación es de aproximadamente unas 25 milésimas de segundo, lo cual lo hace muy seguro por su velocidad de reacción.

Esta es la parte destinada a la protección frente a los cortocircuitos, donde se produce un aumento muy rápido y elevado de corriente.

La otra parte está constituida por una lámina bimetálica que, al calentarse por encima de un determinado límite, sufre una deformación lo que, mediante el correspondiente dispositivo mecánico (M), provoca la apertura del contacto NC.

Esta parte es la encargada de proteger de corrientes que, aunque son superiores a las permitidas por la instalación, no llegan al nivel de intervención del dispositivo magnético. Esta situación es típica de una sobrecarga, donde el consumo va aumentando conforme se van conectando aparatos.

Ambos dispositivos se complementan en su acción de protección, el magnético para los cortocircuitos y el térmico para las sobrecargas. Además de esta desconexión automática, el aparato está provisto de una palanca que permite la desconexión manual de la corriente y el rearme del dispositivo automático cuando se ha producido una desconexión. No obstante, este rearme no es posible si persisten las condiciones de sobrecarga o cortocircuito.

Incluso volvería a saltar, aunque la palanca estuviese sujeta con el dedo, ya que utiliza un mecanismo independiente para desconectar la corriente y bajar la palanca.

Características

Protección contra sobrecarga y cortocircuito de motores eléctricos

Disparador de cortocircuito ajustado en el valor de 13 veces la corriente nominal del guardamotor.

Sensible a falta de fase de acuerdo con norma IEC/EN 60947-4-1 y DIN VDE 0660 T.102

Utilización como interruptor general

Ventajas

Cuando la corriente de cortocircuito (Icc) no es muy elevada, los guardamotores funcionan a mayor velocidad que los fusibles

Diseño compacto para montar en paneles de distribución.

Tienen la ventaja frente a los fusibles de que no hay que reponerlos. Cuando desconectan el circuito debido a una sobrecarga o un cortocircuito, se rearman de nuevo y siguen funcionando.

CURVA DE FUNCIONAMIENTO

O Se debe permitir el arranque del motor, pero si el arranque se demora o el motor queda calado debe operar el disparador térmico

O Para corrientes de falla mayores que la capacidad de ruptura del contactor, debe actuar primero la protección magnética que la protección térmica.

O Para corrientes superiores a 25In, la recta de I 2t de la parte térmica debe estar siempre por encima de la correspondiente del dispositivo que lo protege contra cortocircuitos (guardamotor magnético)

O La corriente de arranque con un factor de seguridad 2 en tiempo, durante el tiempo de arranque, no debe alcanzar la curva característica de la protección contra cortocircuito, para así tener en cuenta el estado de precarga y los arranques sucesivos.

COMPARACION ENTRE LOS DOS METODOS

Fusible Relé Térmico Guardamotor

Regular sus rangos de operación

El relé térmico es regulable Instrumentos Regulables

Protección contra cortocircuitos

A través vez del fusible.

Cada vez que se acciona necesita ser cambiado.

A través del disparo instantáneo de origen magnético, tipo n

Cuando la corriente de cortocircuito (Icc) no es muy elevada, funcionan a mayor velocidad que los fusibles

Protección contra sobrecargas

A través del relé térmico. A través del disparador tipo térmico, para la protección sobre sobrecargas, tipo a.

Seccionamiento A través del fusible en el El circuito se desconecta

caso de los cortocircuitos automáticamente, cuando exista una anomalía.

Precios

OPCIONES GUARDAMOTORES RELÉ TÉRMICO

FUSIBLE

GUARDAMOTOR 60,82

FUSIBLE 39,55

RELÉ TERMICO 39,30

TOTAL 60,82 78,85

CONCLUSIONES

Analizar las causas de que un fusible se haya fundido antes de reemplazarlo es fundamental, revisando el cableado, examinando la corriente demandada por dicho fusible, para encontrar la razón por la cual el fusible se fundió o esto se sigue repitiendo, de igual forma cuando el guardamotor se active.

Un relé térmico ofrece protección para sobrecarga, falla de una fase o un calentamiento excesivo, sin embargo este sistema es útil cuando se utiliza un sistema de control para el encendido o apagado del motor ya que los contactos auxiliares se utilizan en el sistema de control.

Siempre que usemos un relé térmico se debe complementar el sistema de protección con el uso de fusibles, para que la protección sea para cortocircuito, sobrecalentamiento y sobrecarga, así se tendrá una protección completa.

El principio de funcionamiento de un relé térmico es sencillo. Cuanta más corriente pasa, más se doblan los bimetales por efecto del calor. Cuando se doblan más de la cuenta (Intensidad prefijada) cambian de estado los contactos de maniobra que contiene.

El guardamotor es un sistema que trata de un sistema que cumple con las funciones básicas del relé térmico y del fusible; pero que permite que en un cortociurcuito que no se necesite cambiar ningún material.

BIBLIOGRAFIA

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