ct165_control mando y proteccion de motores at

8/6/2019 CT165_Control Mando y Proteccion de Motores At

1/30

Cuaderno Tcnico n 165

Control, mando y proteccin demotores AT

J. Y. Blanc


2/30

Cuaderno Tcnico Schneider n 165 / p. 2

La Biblioteca Tcnica constituye una coleccin de ttulos que recogen las novedadeselectrotcnicas y electrnicas. Estn destinados a Ingenieros y Tcnicos que precisen unainformacin especfica o ms amplia, que complemente la de los catlogos, guas de producto onoticias tcnicas.

Estos documentos ayudan a conocer mejor los fenmenos que se presentan en las instalaciones,los sistemas y equipos elctricos. Cada uno trata en profundidad un tema concreto del campo delas redes elctricas, protecciones, control y mando y de los automatismos industriales.

Puede accederse a estas publicaciones en Internet:

http://www.schneiderelectric.es

Igualmente pueden solicitarse ejemplares en cualquier delegacin comercial de Schneider ElectricEspaa S.A., o bien dirigirse a:

Centro de Formacin Schneider

C/ Miquel i Badia, 8 bajos

08024 Barcelona

Telf. (93) 285 35 80

Fax: (93) 219 64 40

e-mail: [email protected]

La coleccin de Cuadernos Tcnicos forma parte de la Biblioteca Tcnica del Grupo Schneider.

Advertencia

Los autores declinan toda responsabilidad derivada de la incorrecta utilizacin de las informaciones y esquemasreproducidos en la presente obra y no sern responsables de eventuales errores u omisiones, ni de las consecuenciasde la aplicacin de las informaciones o esquemas contenidos en la presente edicin.

La reproduccin total o parcial de este Cuaderno Tcnico est autorizada haciendo la mencin obligatoria:Reproduccin del Cuaderno Tcnico n 165 de Schneider Electric.


3/30

cuadernotcnico no 165

Control, mando yproteccin de losmotores AT

Por: J. Y. Blanc

Trad.: Dr. M. Cortes

Edicin francesa: diciembre 1 992

Versin espaola: mayo 1 996

J.Y. BLANC

Diplomado Ingeniero SUPELEC en1 979, entra en Merlin Gerin en 1 981,como Ingeniero de estudios sobredielctricos en MT.

Siempre en la divisin de MT, pasa a

ser jefe de proyecto de desarrollo deequipos y centros de transformacinprimarios de la gama FLUAIR ydespus de interruptoresautomticos de proteccin conbloques con SF.

Actualmente es responsable deldesarrollo de interruptoresautomticos y equipos primarios deMT.


4/30


1 Repaso sobre los diferentes Motores asncronos de jaula de p. 5

tipos de motores de ca ardillaMotores asncronos de rotor p. 7bobinado

Motores sncronos p. 7

Tolerancias de p. 8dimensionamiento

Tensiones toleradas y ensayos p. 8dielctricos

2 Procedimientos clsicos de Arranque estatrico directo p. 10arranque en AT a plena tensin

Arranque estatrico con tensin p. 10reducida

Arranque estatrico por p. 12condensadores

Arranque rotrico p. 12

Eleccin del modo de arranque p. 13

3 Aparamenta de control y mando Soluciones electromecnicas p. 16

Soluciones electrnicas p. 19

4 Proteccin de los motores AT Principales tipos de defectos p. 22

Principios de proteccin p. 22

Evolucin tecnolgica p. 26

Anexo 1: Determinacin del modo de Hiptesis de clculo p. 27arranque de un motor Mtodo general p. 27

Anexo 2: Coordinacin de las protecciones p. 30

En la industria y el gran sector

terciario, la potencia unitaria de lasmquinas rotativas excede a menudode los 100 kW; cuando se da estecaso y/o la longitud de la lnea dealimentacin es importante (cada detensin, prdidas) resultaconveniente utilizar motores de altatensin.

El objetivo de este Cuaderno Tcnicoes dar una informacin actualizadasobre estos motores, sus sistemasde arranque y las distintasprotecciones utilizables; todo ello conla finalidad de facilitar las tcnicas a

elegir.

Control, mando y proteccin de los motores AT

ndice


5/30


Los motores de corriente alterna,tanto de alta como de baja tensinofrecen una gran variedad decaractersticas elctricas, dinmicasy tecnolgicas. No obstante, dejandoaparte una pequea parte de motoresespeciales con aplicacionesespecficas, se puede establecer unaclasificacin en tres familias:

n motores asncronos de jaula deardilla,

n motores asncronos de rotorbobinado,

n motores sncronos.

Y se diferencian adems, entre otras,por:

n los valores del par y de la corrientede arranque,

n la variacin de la velocidad enmarcha normal,

n los valores del factor de potencia ydel rendimiento en funcin de lacarga.

Los motores de AT se alimentan conuna tensin que rara vez excede de7,2 kV; su potencia va de 100 kW ams de 10 MW, siendo 800 kW lapotencia media.

Motores asncronos dejaula de ardilla

Estos motores de AT son de dostipos principales segn laconstitucin del rotor que puede serde jaula sencilla o de doble jaula.

Esto permite elegir las caractersticas

del par y de la intensidad dearranque:

n los rotores de simple jaula deardilla tienen:

o un par de arranque relativamentedbil (0,6 a 1 Cn),

o un par mximo del orden de 2 a2,2 Cn,

o una intensidad de arranque quevara de 4,5 a 5,5 In,

(Cn: par nominal, In corrientenominal).

1 Repaso de los diferentes tipos de motores de ca

Fig. 1: Curvas C(N) e I(N) de un motor asncrono de jaula sencilla.

Fig. 2: Curvas C(N) e I(N) de un motor asncrono de doble jaula.

intensidad

par

0

1

2

C

Cn

I

I n

2

4

25 % 50 % 75 % 100 % (N/N )s

1

25

4

6

3

2

1

C

Cn

I

I n

Cn

I n

intensidad

par

0 25 % 50 % 75 % 100 % (N/N )

I d

s


6/30


n los rotores de doble jaula, o losrotores de ranuras profundas tienen:

o un par de arranque ligeramentems elevado (0,8 a 1,2 C

n),

o un par mximo del orden de 2 a2,2 Cn (un poco ms alto en el casode ranuras profundas),

o una intensidad de arranque quevara de 5 a 6,5 In.

Las figuras 1 y 2nos dan las curvasde par en funcin de la velocidad(N/Ns).

Hay que observar que:

n los motores de jaula simplepresentan un par mnimo (0,5 a 0,6Cn), en tanto que los motores de

doble jaula o de ranuras profundaspresentan una curva de par, enfuncin de la velocidad,continuamente creciente hasta el parmximo.

n el empleo de estos motores esmuy indicado para los usosintensivos y en atmsferaspeligrosas, como consecuencia de:

o la simplicidad del diseo de susrotores en cortocircuito, lo que lesconfiere una gran robustez mecnicay elctrica,

o de la ausencia de escobillas.

Estas dos particularidades conducena un mantenimiento de lo msreducido.

Las caractersticas de par de losmotores asncronos de jaula estnparticularmente bien adaptadas amquinas tales como: las bombascentrfugas, compresores, gruposconvertidores, mquinas-herramientas y ventiladores.

Sin embargo, un inconvenienteinherente a todos estos motores,reside en su factor de potencia,

relativamente bajo, del orden de 0,8 a0,9 a plena carga, y que disminuyecuando se trabaja a poca carga(figura 3).

Si la potencia instalada en motoresasncronos es importante, esnecesario instalar una compensacinde la energa reactiva con bateras decondensadores. Esta instalacinpuede ser: global, por grupo demotores o por motor (grandesunidades).

Fig. 3: Curvas rendimiento (P) y factor de potencia cos (P) de un motor asncrono dedoble jaula.

Fig. 4: Curva C(g) de un motor asncrono de rotor blindado.

cos

0 2/4 3/4 4/4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

cos

(P/P )n

CM

C

R r R' > Rr r R'' > R'r r

CnCd

C'd

C''d

1

0,50

0,5

1 2 g

funcionamiento

como generador

funcionamiento

como motor

funcionamiento

como freno a

contra corriente

zona de estabilidad

rotor en cortocircuito


7/30


Motores asncronos derotor bobinado

A causa de que estos motores tienenun arrollamiento rotrico conectado alos anillos rozantes, la resistencia deeste circuito puede ser modificadaintroduciendo resistencias externas.

En la zona de estabilidad del motor,que corresponde a la pendientepositiva de la curva C = f (g) (figura 4),el deslizamiento g es proporcionala la resistencia rotrica:

C.RA1

g r=

con g% = Ns - NNs

. 100

en el que:

Ns: velocidad de sincronismo,

N: velocidad de funcionamiento.

A = 3 V 2 .p M

L1= constante

siendo:

V: tensin de fase de alimentacin,

p: nmero de pares de polos,

: pulsacin de la corriente de

alimentacin ( = 2f),

M: inductancia mutua estator-rotor,

L1: autoinduccin total del estator (L1= M + Ls),

Rr: resistencia rotrica = resistenciapropia del rotor + resistencia exterior,

C: par motor.

Reduciendo la resistencia exterior enel curso del arranque se obtiene unatraslacin de la caracterstica C(g) yla adaptacin del par de arranque alpar de la mquina arrastrada. Ntese

que el valor del par mximo esindependiente de la resistenciarotrica.

Por otra parte, para deslizamientosreducidos, la corriente rotrica esinversamente proporcional a laresistencia rotrica. Su mdulo vienedado por:

n

d

U

Usiendo

L

M.VB

1=

La corriente estatrica sigue lamisma ley segn la relacin detransformacin y la corrientemagnetizante.

En consecuencia, la eleccin de laresistencia rotrica de arranquepermite resolver prcticamente todoslos problemas importantes de par enel arranque o de corriente dearranque sobre la red y conciliarestos dos imperativos. Las diferentesposibilidades de utilizacin de losmotores asncronos de rotorbobinado los hacen muy aptos parael accionamiento de mquinas deelevado par de arranque, tales comolas machacadoras, malaxadores,cintas de transporte, etc.

Adems, las mquinas que requierenun fuerte frenado a contracorrienteutilizan igualmente este tipo demotores.

Al igual que los motores asncronosde jaula, el factor de potencia enmarcha normal es relativamente bajo;esta caracterstica y la presencia delos anillos rozantes y de lasresistencias rotricas hacen que suempleo tienda a desaparecer enbeneficio de los motores de doble jaula o de ranuras profundas.

La figura 4 representa las curvascaractersticas C(g), segn el valor dela resistencia rotrica as como laszonas de estabilidad. Estas curvasmuestran el inters de introducir unaresistencia importante en el circuitorotrico para obtener un frenadoeficaz a contracorriente.

Motores sncronos

Las principales diferencias entreestos motores y los asncronos son:

n velocidad constante (velocidad de

sincronismo),n el circuito rotrico se alimenta concorriente continua,

n el factor de potencia se puederegular con la corriente continua deexcitacin.

Tecnolgicamente estos motoresson idnticos a los alternadores.

Para obtener un par asncrono y evitarlas oscilaciones, los rotores estnprovistos de una jaula deamortiguacin: esta jaula permitearrancar los motores sncronos, con

un dbil par resistente, de una formaanloga a la de los motoresasncronos de simple jaula (puestiene sensiblemente las mismas

curvas caractersticas de par y decorriente de arranque). Durante elarranque, para evitar lassobretensiones en el circuito deexcitacin, a ste se le pone enparalelo una resistencia (shunt) cuyovalor se elige entre 5 y 10 veces laresistencia del circuito de excitacin,y despus se desconecta.

Dado que el par asncrono tiende acero cuando se aproxima a lavelocidad de sincronismo, lasincronizacin al final del arranquede estos motores con la red nopuede realizarse a la velocidad desincronismo como es el caso de losalternadores.

Esto se traduce siempre en unrgimen transitorio ms o menosimportante, segn la velocidadadquirida al fin del arranque y lapotencia del motor.

Para limitar este rgimen transitoriose puede utilizar:

n o bien un rel que controla eldeslizamiento por la medida de lafrecuencia de la corriente rotrica que

recorre la resistencia de arranque.Este rel cierra la alimentacin delcircuito de excitacin en el momentoen que el deslizamiento es mnimo.

Este dispositivo es prcticamenteindispensable cuando el motorsncrono representa una fraccinimportante de la potencia totalinstalada.

Fig. 5: Motor sncrono: curvas de Mordey.

0

(I) estator

plena carga1/2 de carga

1/4 de carga

cos AR cos AV

cos = 1

lmite

deestab

ilida

d

(i) excitacin


8/30


n o bien aplicar la corriente deexcitacin en dos tiempos, de formaautomtica o manual.

Las fuentes de excitacin puedenestar, o bien separadas:

n grupo motor-excitatriz,

n rectificador a tiristores,

o bien emplazadas en el extremo deleje del motor,

n generador invertido,

n alternador invertido con inducido yrectificador con disco giratorio dediodos.

Las tcnicas que ms se utilizan sonel rectificador a tiristores y losdiscos de diodos giratorios.

Este ltimo medio elimina lasescobillas, suprime el armario deexcitacin y adems tiene a menudoun dispositivo de sincronizacin y deresincronismo en caso de ruptura deste.

Estos motores son capaces desuministrar energa reactiva forzandola corriente de excitacin. Es estaparticularidad la que motiva suempleo, puesto que permitecompensar las cargas reactivas de lared.

Las curvas de la figura 5 muestran lavariacin de la corriente estatrica en

funcin de la corriente de excitacinpara una carga dada constante(curvas de Mordey). El empleo deeste tipo de motores para las

pequeas potencias est pocoextendido. Por el contrario, porencima de los 2 000 kW su empleoes frecuente debido a su buenrendimiento y a la posibilidad devariar su factor de potencia. Para losmovimientos muy regulares el motorsncrono se impone; sin embargo lasmquinas arrastradas deben tenerun par resistente relativamente dbildurante el arranque y eldimensionado de la jaula deamortiguacin limita la cadencia delos arranques.

Tolerancias en eldimensionamiento

Las caractersticas electromecnicasde los motores vienen definidas porla norma CEI 34-1. Para ciertasmagnitudes caractersticasasignadas, la norma define lastolerancias que debe respetar elconstructor. Es de mayor intersconocer estas tolerancias, porque,para ciertas caractersticas del motor,esas tolerancias tienen una

influencia directa en la eleccin de la

potencia del motor y de laaparamenta, as como sobre laregulacin de las protecciones.

La tabla de la figura 6 da las toleran-cias de las principales magnitudescaractersticas.

Tensiones toleradas yensayos dielctricos

Los motores, como los demscomponentes de las redes elctricas,estn sometidos a diversassobretensiones. Son particularmentesensibles a las sobretensiones defrente abrupto, de frecuenciaselevadas, porque quedan

bloqueadas por las primerasespiras de los devanadosestatricos.

Sobretensiones de maniobra

Son el resultado de fenmenostransitorios que aparecen a causa decambios de estado de la red dealimentacin.

Se deben de tomar en consideracinlos fenmenos que siguen, que sonespecficos de los circuitos inductivosy, por tanto, de los motores:

n eliminacin sbita de la corriente

al cortarla,

magnitud tolerancia

motores asncronos

corriente con rotor bloqueado y en cortocircuito + 20% de la corriente garantizada (no hay lmite inferior)

par con el rotor bloqueado de - 15% a + 25% del par garantizado

par mnimo durante el arranque - 15% del par garantizado para los motores de jaulaCd al tercio del par asignado y a la mitad del par con el rotorbloqueado, y ste a plena tensin

par mximo - 10% del par de reserva garantizado; despus de aplicar esatolerancia, el par se mantiene 1,6 veces del par asignado

motores sncronos

corriente con rotor bloqueado + 20% del valor garantizado

par con rotor bloqueado de - 15% a + 25% del valor garantizado

par de prdida de sincronismo - 10% del valor garantizado; despus de aplicar esa tolerancia el par queda 1,35 veces el par asignado (1,5 para los motores sncronos depolos salientes)

Fig. 6: Tolerancias de las principales magnitudes caractersticas segn la norma CEI 34-1.


9/30


n reencendidos mltiples en lainterrupcin y precebados en elestablecimiento de la corriente en elcaso en que el aparato de corte sea

capaz de abrir las corrientes de altasfrecuencias que corresponden aestos fenmenos.

Sobretensiones de frente abrupto

Aparecen como resultado de cadasdel rayo directas o indirectas; sepropagan a lo largo de la red ydeterminan unas tensionesdielctricas que, an acotadas por elempleo de limitadores desobretensiones, pueden serimportantes.

El estudio de las sobretensiones sedesarrolla en el Cuaderno Tcnico n151 Sobretensiones y coordinacindel aislamiento y la sensibilidadparticular de los motores en elCuaderno Tcnico n 143Interruptores automticos de SF6 yproteccin de motores AT.

Para verificar la tensin soportada (onivel de aislamiento) de los motoresa estas diferentes sobretensiones,stos se someten a ensayos de tipo,realizados segn la norma CEI 34-1.

La tensin de ensayo se aplica entreel devanado que se pone a prueba yla carcasa de la mquina a la cual seconectan los circuitos magnticos y

todos los dems devanadosestatricos y rotricos.

Las normas prescriben dos tipos deensayo: los ensayos a frecuenciaindustrial y los ensayos de choque.

Ensayos a frecuencia industrial

La tensin soportada a lassobretensiones de maniobra, deacuerdo con la norma CEI 71, severifica con el ensayo de tensinsoportada a frecuencia industrial. Elensayo se inicia con una tensininferior a U/2 y va aumentndoseprogresivamente hasta el valor 2U +1 000 V, nivel que se mantienedurante un minuto.

Para el estator, U es la tensinespecfica de alimentacin. Para elrotor, U es la tensin que aparece,con el circuito rotrico abierto, cuandola tensin de alimentacinespecificada del estator se aplicamientras el rotor est bloqueado paragirar. Si el motor es reversible(cambio del sentido de giro con el

motor lanzado), la tensin de ensayoaplicada al rotor ser 4U + 1 000 V.

Ensayo de choque

Consiste en aplicar una onda detensin representativa del rayo:

n tiempo de frente: 1,2 s,

n tiempo de semiamplitud en la cola:Ucresta / 2 : 50 s,

n tensin de ensayo:

Ucresta = 4 U + 5 000 V

Los devanados se someten a variasondas de choque positivas ynegativas.

Los ensayos de choque no sonobligatorios en el estado actual de la

normalizacin; pueden, en efecto,contribuir a un envejecimientoprematuro del aislamiento de lascabezas de bobina. Lo ms normales que los ensayos dielctricos nodeban de repetirse; si se efecta unsegundo ensayo, se llevar a cabocon el 80% de las tensionesindicadas anteriormente.


10/30


Los principales procedimientos dearranque de los motores de AT sonlos siguientes:

n arranque estatrico directo a plenatensin,

n arranque estatrico con tensinreducida por acoplamiento estrella-tringulo, por reactancias o porautotransformador,

n arranque estatrico porcondensadores,

n arranque rotrico.

Arranque estatrico directoa plena tensin

Este mtodo de arranque se empleaen los motores asncronos con rotorde jaula y los motores sncronos.

La punta de corriente de arranque esdel orden de 4 a 7 In, segn lascaractersticas del motor, y suduracin puede variar de 1 a 10segundos, aproximadamente, en

funcin del momento de inercia total(motor + mquina), del par motor ydel par resistente.

La utilizacin de este modo dearranque exige, pues, que la redpueda soportar esta sobrecarga de lacorriente sin que resultenperturbados otros receptores y que lamquina arrastrada pueda soportarel choque mecnico debido al parmotor. La simplicidad del equipo ydel motor y lo econmico que resultahacen que este mtodo de arranquesea muy utilizado y an aconsejado

en la medida en que la cada detensin en la red, durante elarranque, sea aceptable. El factordeterminante es la relacin de lapotencia del motor a potencia decortocircuito.

Arranque estatrico contensin reducida

Arranque estrella-tringulo

Este mtodo de arranque permitereducir:

n la corriente en la relacin de 3_

,

n el par de arranque a 1/3.

Se utiliza en BT para potenciasreducidas, pero raramente en AT, enrazn de las importantes puntas decorriente cuando se pasa a laconexin tringulo. Se reemplaza porel arranque con reactancias.

Tensin reducida por resistencias

Muy empleada en BT, raras veces se

emplea en AT, por las calorasdisipadas y los problemas deaislamiento de las resistencias.

Tensin reducida por reactancias

Este modo de arranque (veresquema de potencia de la figura 7)es el modo ms simple de reducir lapunta de corriente en la red; el parmotor de arranque es pequeo y porello las mquinas arrastradas debentener un par resistente relativamentedbil durante la fase de lanzamiento:compresores, bombas centrfugas,

grupos convertidores, etc.En efecto, el par de un motorasncrono vara segn el cuadrado dela tensin de alimentacin, y lacorriente absorbida es proporcional aesta tensin.

2

n

ddd U

UC'C

=

siendo:

C'd: par de arranque a tensinreducida,

Cd: par de arranque con tensinnominal,

Ud: tensin de arranque,

Un: tensin nominal defuncionamiento.

n

ddd U

UI'I =

siendo:

I'd: corriente de arranque con tensinreducida,

Id: corriente de arranque con tensinnominal.

Estas relaciones se escribentambin en valores relativos en basea las caractersticas nominales:

n

d

n

d

n

d

U

U.

I

I

I

'I= .

Las curvas de la figura 7 dan lasvariaciones de las relaciones en

2 Procedimientos clsicos de arranque en AT

Fig. 7: Curvas de arranque bajo tensinreducida (por reactancia o estrella-tringulo).

funcin de la relacin en funcin de la

relacinn

d

U

U

La tensin en bornes del motor seaumenta progresivamente en elcurso del arranque: el lanzamientoobtenido es suave.

n funcionamiento y esquema deprincipio

o primer tiempo

marcha con tensin reducida por elcierre de CL: contactor de lnea,

o segundo tiempo

marcha nominal por el cierre de CC:contactor de cortocircuito.

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

0,2

0,4

0,6

0,8

1

I'dId

y C'dCd

UdUn

C'dCd

I'dId


11/30


n determinacin de la reactancia dearranque (figura 8).

La tensin de arranque vienedeterminada por la punta de corrientemxima I'd permitida por la red:

d

dnd I

'I.UU =

La cada de tensin compuesta en lareactancia tiene por valor:

ddn 'I..L.3.jUU w=-

El diagrama de la figura 9 muestraque esta relacin puede escribirsearitmticamente para un motorasncrono, porque el factor de

potencia, en el primer instante delarranque, corresponde sobre todo alde la reactancia de arranque, dedonde se deduce:

d

dn

'I.3

UU.L

-=w

Para dimensionar en potencia lareactancia es necesario conocer eltiempo de arranque y la cadencia demaniobras.

Tensin reducida porautotransformador

Este mtodo de arranque permite aveces conciliar la reduccin de lapunta de corriente sobre la red y elvalor del par motor. En efecto,presenta la ventaja de reducir lapunta de corriente de transformacin:

2

n

d

n

d

n

d

U

U.

I

I

I

'I

=

2

n

d

n

d

n

d

U

U.

C

C

C

'C

=

siendo:

I'd : corriente de arranque lado red atensin reducida.

Estas relaciones permiten determinarel valor de la tensin reducida enfuncin de la relacin I'd / Id permitidaen la red, y de la relacin C'd/Cnpermitida por la mquina arrastrada.

La curva de la figura 10 da lavariacin de Ud /Un en funcin deI'd/ Id, o de C'd/Cn .

n funcionamiento y esquema deprincipio (figura 11)

CL: contactor de lnea,

CC: contactor de cortocircuito,CPN: contactor de formacin del puntoneutro AT,

AT: autotransformador.

o primer tiempo

marcha a tensin reducida por elcierre de CPN, que provoca el cierrede C

L,

o segundo tiempo

marcha con la inductancia, por laapertura de CPN,

o tercer tiempo

marcha a tensin nominal por elcierre de CC.

Fig. 8: Esquema de potencia: arranque por reactancia.

Fig. 9: Diagrama vectorial para ladeterminacin de L.

Fig. 10: Curva de arranque bajo tensinreducida por autotransformador.

Fig. 11: Esquema de potencia: arranquepor autotransformador.

M

punto neutro

AT

3L

CL CC CPN

3LU

U

I'

n

d

d

d

J . L . . I'd . 3

C

CL

M

C

3L

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

0,2

0,4

0,6

0,8

1

I'dId

y C'dCd

UdUn


12/30


Notas:

n el segundo tiempo, en principio, escorto (del orden de un segundo),pues la mayor parte de las veces, esun tiempo de amortiguamiento.

El empleo de autotransformadorescon entrehierros reducenotablemente este defecto, peronecesita el conocimiento del valor dela corriente absorbida por el motor alfinal del primer tiempo,

n el paso a plena tensin se traducesiempre por un rgimen transitorioms o menos importante segn lavelocidad adquirida al fin del primertiempo y el valor de la corrienteabsorbida,

n la intensidad que llega al puntoneutro en el arranque es la diferenciaentre la corriente del motor y lacorriente de lnea o magnetizante enel autotransformador. Esto permitereducir el calibre del contactor depunto neutro CPN.

n existe una variante de esteesquema que suprime el contactorde punto neutro. Esta variante debeevitarse, pues el paso de la tensinreducida a la plena tensin obliga acortar la conexin motor-red.

Teniendo en cuenta el tiemporelativamente corto de conmutacin yde la tensin residual en los bornesdel motor, una punta de corrientesuperior a la corriente de arranque seproducir, en efecto, en el paso a lamarcha normal: condicininadmisible para la red y para elmotor con el riesgo de provocar ladesconexin por las protecciones.

Arranque estatrico porcondensadores

Este procedimiento permiteconservar las caractersticas delarranque a plena tensin del motor.Es particularmente utilizado paraconservar el par de arranque de losmotores sncronos, por ejemplo, enlas fbricas de cemento y en lasinstalaciones de trituracin.

Los condensadores en paralelo conel motor suministran una parte de laenerga reactiva durante la fase dearranque, el factor de potencia del

motor es entonces pequeo. Portanto, se reduce el consumo depotencia de la red (figura 12).

La puesta en servicio de esta tcnicaes delicada. Requiere un estudio delconjunto motor-condensadores paraevitar las resonancias y lassobretensiones por auto-excitacindel motor, y las oscilacionesmecnicas en el sistema detransmisin.

Por otra parte los equipamientos demando deben ser elegidosespecialmente para la conmutacinde los condensadores.

Arranque rotrico

Este mtodo de arranque resuelveprcticamente todos los problemasque pueden presentarse en elarranque, sea la:

n reduccin de la punta de corrientesobre la red con incremento del parmotor,

n adaptacin del par motor al parresistente,

n puesta en marcha larga yprogresiva (por ejemplo para unacarga de gran inercia).

Slo puede emplearse en losmotores asncronos de rotorbobinado, o en los motoresasncronos sincronizados (cada damenos utilizados en la industria).

Es sobre todo utilizado para losarranques en carga.

Ejemplo de un arranque rotrico den tiempos.

Este arranque es el que nos ilustranlas figuras 13 y 14. El par motor varaentre dos valores en cada escaln. Elvalor inferior se toma igual al par

nominal. En cada escaln, laresistencia rotrica cambia de valor yla caracterstica par-velocidad vaevolucionando.

En el ltimo tiempo, la resistenciarotrica se reduce a la resistenciainterna del rotor.

n primer tiempo

alimentacin estatrica y arranquecon la totalidad de la resistenciarotrica por cierre de CL.

Fig. 12: Diagrama vectorial del arranque por condensadores.

Fig. 13: Esquema de potencia: arranquerotrico.

M

punto neutro

3L

CL

3L

C1

C2

Cn-1

potencia suministrada

por la red

potencia activa

potencia

suministrada

por los

condensadores

potencia

aparente

del

motor en el

arranque

potencia

reactivaespecfica


13/30


n segundo tiempo

cortocircuitado de la primera seccinde la resistencia rotrica por el cierrede C

1.

n tercer tiempo

cortocircuitado de la segunda seccinde la resistencia rotrica por el cierrede C2.

n ensimo tiempo, o ltimo tiempocortocircuitado de la n - 1 seccin dela resistencia rotrica por el cierre deCn1 .

El nmero de tiempos o deescalones, n, es siempre superior enuna unidad al nmero de secciones ocontactores.

Este nmero n viene determinadoaproximadamente por la frmula:

p

n

n

C

Clog

glogn =

o por esta otra:

nn

p

n gC

C=

en las cuales:

Cp: par de punta

gn: deslizamiento nominal.Segn los casos, Cp es conocido y nse deduce, o inversamente.

La determinacin completa delequipamiento del arranque rotriconecesita el conocimiento del servicio(cadencia horaria y duracin delarranque). Debido a que los motoresde AT no estn normalizados, estosequipos vienen determinados casopor caso, por especialistas.

Notas:

A veces es necesario disponer de un

arranque lineal. Para esto serequiere acudir a la electrnica depotencia que permite el control de laenerga rotrica; por ejemplo con laayuda de un puente de Gratz y de untroceador es posible conseguir unaresistencia continuamente variable(figura 15).

Fig. 14: Diagrama de arranque rotrico simtrico.

Fig. 15: Regulacin de la velocidad por mediacin de un triodo rotrico.

4 3 2 tiempo 1er tiempo

0 1 g

C

C

C

C

n

p

M

gn g4 g3 g2 g1

NI

I 0

R 1

I

N0

R 2

H

L

--

+ +N

M

3L

dinamo tacomtrica

Eleccin del mtodo dearranque

La eleccin del mtodo de arranqueviene condicionada por la correctaadecuacin entre el par motor y el parresistente de la carga.

Esto requiere conocer el parresistente (figura 16).

Condiciones de arranque

Teniendo en cuenta lascaractersticas del arranque deseado

es necesario verificar, para losdiversos tipos de arranqueconsiderados, que el arranque puedeefectivamente producirse en buenascondiciones a nivel del par motor, dela punta de corriente y de la duracindel arranque:


14/30


nnnnn el par motor es siempre superioral par resistente (figura 17),

nnnnn la punta de corriente en la red y lacada de tensin correspondiente sonadmisibles por la red,

nnnnn el tiempo de arranque escompatible con los materialesutilizados.

Clculo aproximado de la duracindel arranque

El funcionamiento del conjunto motor-mquina arrastrada, viene regido porla ecuacin mecnica:

dtd

.JCC rmw

=-

siendo:Cm: par motor,

Cr : par resistente,

J: momento de inercia de las masasgiratorias (motor y mquinaarrastrada),

dt

dw= aceleracin angular.

Durante el tiempo total de arranquet, la velocidad angular pasa de 0 an. Por otra parte puede definirse unpar motor acelerador medio Ca, iguala la diferencia media entre Cm y Cr:Esto implica que:

( )rma CCC -= medio = J.( )

t

onD

-w

de donde se deduce que:

a

n

C

.Jt

w=D

Sabiendo que el par motor real varaen funcin del cuadrado de la tensinde alimentacin:

C'm

Cm

Ureal

Un( )=

2

el hecho de reducir la tensinreducir Ca y en consecuenciaaumentar el tiempo de arranque.

Fig. 16: Distintas curvas del par resistente de las mquinas arrastradas (cargas).

Tabla de eleccin del mtodo dearranque

La tabla de la figura 18 resume lasventajas y los inconvenientes de losprincipales mtodos de arranquepara las distintas aplicaciones.

Para un par determinado, laintensidad absorbida de la redresponde al siguiente ordencreciente:

n arranque rotrico,

n arranque por autotransformador,

n arranque por impedanciasestatricas,

n arranque directo.

La eleccin del mtodo de arranquerequiere una buena comunicacinentre la empresa suministradora de

la energa elctrica, el constructor delmotor y el de la mquina arrastrada.

Las caractersticas indispensablesen esta eleccin son:

n la potencia de la red dealimentacin y la punta de corrientemxima autorizada,

C

Cn

par

1,8

0,9

0velocidad

C

C'm

m

C'r

caractersticas ejemplos

par constante compresores de pistn

par parablico bombas:_______ vlvula abierta _ _ _ vlvula cerrada

par importante machacadora

en el arranque

Fig. 17: Caso de no arranque.

C

C

3

3

C

C

3

C

3 n

3 n

3 n

n

n

n el par y la intensidad del motor aplena tensin, en funcin de lavelocidad del motor,

n el par resistente de la mquinaarrastrada figura 16,

n el momento de inercia de lasmasas giratorias.

Si la relacin entre la potencia de lared de alimentacin y la potencia delmotor es inferior a 5, se deber deprestar un cuidado particular a laeleccin del mtodo de arranque, ascomo a la coordinacin del conjuntode protecciones (anexos 1 y 2).


15/30


Necesidades Caractersticas Mtodo de Mando por Ventajasde la aplicacin de la aplicacin arranque inconvenientes

proceso permanente mquinas que necesitan directo 1 1 simplicidad,o casi permanente un fuerte par de inversin reducida.arranque 1/da arranque en el arranque:

n par importante,arranques motores de pequea directo 1 n punta de corriente importante,frecuentes > 1/da punta de arranque o de n fuertes exigencias mecnicas.

pequea potencia

bombas, mquinas que arrancan estatrico 2 reduccin del par y de laventiladores, con un reducido par por punta de corriente en elcompresores reactancia arranquecon arranques (posible ajuste)frecuentes

optimizacin de las cuando la intensidad estatrico 3 optimizacin del par (reducido)caractersticas de arranque debe ser por auto- y de la punta de corriente endel arranque reducida, conservando transformador el arranque

el par necesario para (ajuste posible)el arranque

optimizacin de las arranque de rotrico generalmente dbil punta de corriente decaractersticas de mayor dificultad 3 arranque y gran par de arranquearranque confuerte par

Fig. 18: Tabla de eleccin del mtodo de arranque en los casos ms corrientes.


16/30


La aparamenta tiene tres funciones:

n asegurar la puesta en tensin y laparada (mando),

n desconectar el motor en caso dedefecto (proteccin),

n asegurar un cierto control de lamarcha del motor (control).

Por control se sobreentiende que laaparamenta es capaz (o no) de:

n controlar el arranque

(automatismo de la secuencia delproceso de arranque),

n actuar sobre la velocidad delmotor,

n suministrar informacin sobre elestado elctrico del motor y tambincontribuir a su proteccin.

Para la funcin de control se recurresobre todo a la electrnica depotencia y de seal (tecnologadigital); sta se halla en plenodesarrollo. La proteccin de losmotores AT se ver en el captulosiguiente.

Solucioneselectromecnicas

La eleccin entre los diferentesaparatos de maniobra (interruptor,interruptor automtico, contactor)depende de:

n la cadencia de maniobras,

n la endurancia elctrica,

n la potencia del motor.

Las principales caractersticas de losaparatos de corte se resumen en lafigura 19.

Interruptores - fusibles

Los interruptores, por su propiodiseo, tienen un poder de corte, unaendurancia mecnica y elctricareducidas, lo que limita su empleo alas pequeas potencias (In = 50 A,aproximadamente, 5 500 V) y acadencias de dos a tres maniobrasdiarias.

Adems, ese limitado poder de cortehace que la eleccin de lasprotecciones sea delicada.

Interruptores automticos

Los interruptores automticos seemplean para motores de grandespotencias, ms de 300 A, conpequea cadencia de maniobra ypara tensiones de servicio superioresa 6,6 kV.

Se sobreentiende que su empleopuede extenderse a potenciasmenores, maniobrables porinterruptor o contactor.

Contactores - fusibles

n cadencia de maniobras

La mecnica de mando simple, larobustez y la simplicidad de suscontactos permiten al contactor unacadencia de funcionamiento elevada.

Esta cadencia no puede soportarlaun interruptor automtico, aunquesea especial, y menos an un

interruptor. Algunas instalaciones utilizancontactores con enclavamientomecnico para eliminar el consumopermanente del electroimn decierre, lo que puede reducir laendurancia mecnica por causa de lamayor complejidad de la cadenacinemtica.

n potencia de cortocircuito de la red

Este factor interviene poco en unmontaje con contactores, gracias a lapresencia de los cortacircuitos-

fusibles, situados inmediatamentedespus del seccionador de

aislamiento, o cerca de las pinzas deconexin, en el lado del juego debarras.

Estos fusibles de alto poder deruptura limitan la corriente decortocircuito.

Esta particularidad permite, si seaumenta la potencia de la red,conservar las celdas de salida motor;los soportes del juego de barraspueden eventualmente reforzarse.

Fusibles

El calibre de los fusibles vienedeterminado en funcin de:

n la intensidad nominal In,

n la relacin Id/In (Id = corriente dearranque),

n la duracin del arranquedeterminada con ayuda del baco dela figura 20.

Para mayor precisin en la eleccindel fusible, el(la) lector(a) puedeacudir al Cuaderno Tcnico n 107.

Conviene por ltimo recordar que losfusibles protegen al motor contra lassobreintensidades superiores a unascinco veces la corriente nominal delmotor y que deben estar asociados aprotecciones complementarias (relstrmicos, segn se ve en el captulode protecciones).

Transformadores de corriente

La utilizacin, cada vez msfrecuente, de protecciones digitaleshace posible el empleo decaptadores de corriente no

convencionales (por ejemplo lostoros de Rogowkski).

3 Aparamenta de control y mando

Fig. 19: Dominio de empleo de la aparamenta de corte.

aparato cadencia media endurancia potencia admisiblen maniobras del motor

interruptor-fusibles baja: 2 - 3 veces / da 2 000 pequea 50 A

interruptor baja 10 veces / da 10 000 elevadaautomtico 7,2 kVA

> 300 A

contactor-fusible elevada > 10 / hora > 100 000 media 300 A


17/30


Fig. 20: baco para la determinacin de los fusibles.

0.01

0.05

0.04

0.03

0.02

0.1

0.5

1

5

10

50

100

t (segundos)

100

80

60

50

40

30

20

10

150

200

In Amp.

motor

ejemplo:

In motor = 100 AId = 6.In

td = 5 scalibre fusible = 200 A

Id=4In

Id=5In

In=6In

Id=7In

100A 125A 160A 200A 250A

calibre de los fusibles 7,2 kV


18/30


La ventaja de estos captadores esque son lineales y por tantosuministran una seal precisa entoda la gama de corriente utilizada.

No presentan problemas a nivel desaturacin, ni en el plano trmico,como puede ser el caso de lostransformadores de corrienteclsicos (ver Cuaderno Tcnico n112).

Particularidades debidas al empleode fusibles o de interruptoresautomticos

n funcionamiento en monofsicodebido a la fusin de un fusible y nofuncionamiento del percutor.

El nivel de fiabilidad de lospercutores hoy en da es tal que esteriesgo es pequeo.

El nivel de seguridad puede anaumentarse con el empleo de unaproteccin suplementaria (rels defalta de tensin o de desequilibro).

n selectividad con la aparamentaaguas arriba.

Puede ser delicada de realizarcuando simultneamente:

o los fusibles utilizados son deelevado calibre (200 A 250 A),

o la salida protegida por estosfusibles representa una fraccinimportante de la potenciasuministrada por el interruptorgeneral (figuras 21 y 22).

Sin embargo, el elevado poder decorte de los contactores Rollarc,asociado a estos fusibles, permite lautilizacin de rels de intensidadmxima con poca temporizacin y elreencuentro de la selectividad. Laselectividad es ms fcil de conseguirsi la salida motor est protegida porinterruptores automticos, pero, bajo

fuertes corrientes de cortocircuito, alno estar limitada la corriente, se tieneun incremento de los esfuerzostrmicos.

n sobretensiones

Ciertos tipos de aparatos de ruptura yparticularmente los de corte al vaco,provocan sobretensiones en laconexin o desconexin del motor (acausa de su aptitud para cortar lascorrientes de alta frecuencia, queresultan por ejemplo, del fenmenode supresin de la corriente - verCuaderno Tcnico n 143).

A fin de evitar que estas sobretensio-nes vayan degradando, poco a poco,el nivel de aislamiento del motor, losfabricantes colocan en la

aparamenta, si es necesario,limitadores de sobretensiones, deltipo ZnO.

En conclusin, parece que lassoluciones electromagnticas sonhoy en da fiables, robustas yeconmicas y en consecuencia son

perfectamente vlidas en la granmayora de los casos.

Fig. 21: Esquema de proteccin de una salida motor de fuerte intensidad.

Fig. 22: Diagrama de selectividad en el caso de una salida motor de fuerte intensidad.

M

rel de

mxima

intensidad

contactor

cortacircuitos

interruptor automtico

general

rel de

mxima

intensidad

,

t

I

tiempo de

cortedel contactor

rel de mxima

intensidad del

contactor

poder de

corte delcontactor

curva de fusin

del cortacircuito

rel de mxima

intensidad del

interruptor aut.

general

prdida de

selectividad


19/30


Soluciones electrnicas

Al utilizarlas aportan posibilidades yventajas suplementarias tales como:

n velocidad variable,

n posibilidades de regulacin de lavelocidad,

n elevadas cadencias de maniobra,n ahorro de energa.

Rara vez se usa la solucinelectrnica slo para realizar elarranque.

Antes de abordar los casos tpicos dedispositivos electrnicos, esnecesario recordar que su utilizacinrequiere un determinado nmero deprecauciones constructivas a niveldel motor:

n un cierto margen de seguridad ensu calentamiento a causa de los

armnicos: un margen del 15% en lacorriente generalmente es suficiente,

n se recomienda ventilacin forzada(los motores pueden funcionar a bajavelocidad),

n refuerzo del aislamiento entreespiras, a causa de los importantesgradientes de tensin generados porla conmutacin de los tiristores (quepueden alcanzar el orden demagnitud de los ensayos de choque).

Los dispositivos que presentamosson los ms utilizados en mediatensin. Se exponen slo losprincipios generales.

La tabla de la figura 23 permite teneruna indicacin sobre lacorrespondencia entre el tipo devariador, el tipo de motor y la cargaarrastrada.

Rectificadores - onduladoresautnomos

Son capaces de suministrar unatensin y una frecuencia variables, loque permite un perfecto dominio de lavelocidad y del par del motor.

Recordemos que en los motoresasncronos:

motor cargas variacin de potencia rendimiento tipo dede velocidad global variacin

asncrono bombas, 0% a ms de 100% desde 10 kW a 0,85 a 0,90 rectificador/ondulador o sncrono ventiladores, cientos de kW autnomo

compresores,extrusores

asncronos dem 60% a 100% * algunos 100 kW 0,90 a 0,95 cascadade anillos a algunos MW hiposncrona

sncrono dem 0% 100 kW 0,90 a 0,95 rectificador/ondulador centrifugadoras a varias veces 100% a algunos 10 MW autopilotadobogies TGV-A(gran velocidad)

asncronos machacadoras, 0% a 33% 100 kW 0,85 a 0,90 ciclo convertidor o sncronos laminadores, a algunos 10 MW

hornos de cemento

(pequea velocidad)

* : 100% corresponde a la velocidad relativa a 50 Hz.

Fig. 23: Dominio de aplicacin de los variadores electrnicos para motores de corriente alterna.

Fig. 24: Generacin de tensiones y frecuencias variables con los variadores conmodulacin de ancho de impulso (PWM).

U

U

0

0

t

t


20/30


n el par es proporcional a U2, si f y Nson constantes,

n el par es inversamenteproporcional a f para una tensin yvelocidad dadas.

Existen tres tipos de rectificadores--onduladores autnomos.

n rectificador-ondulador de tensin

o el rectificador a tiristores regula latensin,

o el ondulador a tiristores suministrauna tensin alterna de frecuenciavariable.

Este esquema se utiliza tambin enlos Sistemas de AlimentacinIninterrumpida (SAI), utilizados en BT

para alimentar los ordenadores; lanica diferencia es que, en stos, lafrecuencia y la tensin son fijas.

n rectificador-ondulador PWM o sea,con Modulacin de Ancho de Impulso.

o el rectificador a diodos alimenta elondulador,

o el ondulador genera impulsos detensin que permiten reconstruir unasenoide de periodo y amplitudvariables (figura 24).

n rectificador-ondulador de corriente(conmutador)

o el rectificador a tiristores asociadoa una autoinduccin de alisado secomporta como un generador decorriente continua,

o el ondulador conmuta la corrientesucesivamente en los devanados delmotor con la ayuda decondensadores.

La frecuencia y por tanto la velocidaddel motor dependen de la velocidadde conmutacin.

Algunos elementos de comparacinentre estos tres tipos de

rectificadores-onduladoresn el ondulador de tensin

o es conveniente para los motoresde grandes reactancias,

o necesita a menudo un filtro entreondulador y motor,

o permite el frenado porrecuperacin, si el rectificador esreversible.

n el ondulador de modulacin deancho de impulso (PWM)

o permite una amplia gama develocidad,

o la velocidad mxima quedalimitada por la frecuencia deconmutacin mxima que soportanlos tiristores del ondulador. Lautilizacin de transistores de potencia(IGBT) permite trabajar a frecuenciasmucho ms elevadas, pero parapotencias menores,

o es posible el funcionamientoreversible (dos sentidos de rotacin).

n el conmutador de corriente

o es adecuado para motores depequeas reactancias,

o permite el funcionamiento en loscuatro cuadrantes.

Cascada hiposncrona

El motor asncrono de rotor bobinadose alimenta, por lo general, por la redde distribucin.

Para actuar sobre su velocidad essuficiente actuar sobre la corrienterotrica; esto se lleva a cabomediante el conjunto rectificador-

M

P

Pr

3L

3L

3L

Fig. 25: Esquema de potencia de la cascada hiposncrona.


21/30


ondulador. El rectificador toma laenerga del circuito rotrico lo queaumenta el deslizamiento. Estaabsorcin de energa depende de la

regulacin de conduccin de lostiristores del ondulador quereinyectan la energa a la red (figura25). La cascada hiposncrona permiteuna variacin continua de lavelocidad con un deslizamientomximo del orden del 40%.

El conjunto del convertidor tiene unapotencia pequea con relacin a lapotencia del motor y la recuperacinde energa permite obtener unexcelente rendimiento global.

Hay que subrayar que el convertidor

slo entra en funcionamientodespus de haber arrancado el motorpor resistencias rotricas.

Este montaje puede funcionar porencima de la velocidad desincronismo (hipersncrono) en elcaso de cargas que pasen a actuarcomo motores.

Rectificador-ondulador autopilotado

Al igual que el rectificador-onduladorautnomo por conmutacin de

corriente, las fases del estator delmotor (aqu sncrono) estnalimentadas secuencialmente, unadespus de la otra.

La conmutacin de una fase delestator a la siguiente es autopilotadapor la velocidad del motor gracias aun captor, disco con ranuras.

Se tiene as una correspondenciaentre el flujo de excitacin y el flujodel inducido, como en las mquinasde corriente continua, y el peligro dedesenganche es nulo.

En el arranque y a pequeavelocidad, la conmutacin presentaproblemas y es necesario modificarel sistema de mando de losconvertidores.

Esta solucin se adapta muy bien alos motores sncronos.

Ciclo convertidor

Cada fase del motor se alimentadesde un doble puente trifsico.

El primer puente sirve para la tomade la corriente durante la alternanciapositiva, y esto sucesivamente sobreuna u otra de las fases de la red dealimentacin segn la frecuenciadeseada.

El segundo puente sirve para elretorno de la corriente durante laalternancia negativa, y esto hacia unau otra de las fases.

El ciclo convertidor genera as unapseudo-red trifsica que necesita unfiltrado y cuya frecuencia puedeevolucionar entre 0% y el tercio de lafrecuencia de la red.


22/30


Un conjunto de proteccin delmotor reagrupa los dispositivos quepermiten evitar averas importantesinherentes a las condicionesanormales de funcionamiento a nivelde la alimentacin, motor o proceso.

La eleccin de las protecciones ainstalar se hace en funcin:

n de las condiciones de explotacin,

n de la importancia del servicio queasegura el motor,

n del grado de seguridad deseado,n del coste relativo de la proteccinrespecto al motor,

n de la probabilidad de que semanifiesten los defectosconsiderados.

Pero tambin:

n del tipo de carga arrastrada,

n de las perturbaciones que puedenaparecer en la red,

n del tipo de motor protegido.

As, los defectos que se enumeran a

continuacin pueden ser objeto deuna proteccin.

Principales tipos dedefectos

Motores asncronos

n sobrecargas,

n cortocircuitos,

n ruptura, inversin y desequilibriosde fases,

n defecto de aislamiento entre

espiras,n masa estator,

n tensin mnima y mxima,

n arranque incompleto.

Motores sncronos

n ruptura de sincronismo,

n prdida de la excitacin,

n masa rotor,

n marcha prolongada en asncronoen el arranque,

n sobrecarga y cortocircuitos en elarrollamiento de excitacin,

n retorno de potencia (marcha comoalternador).

Otros defectos ligados al proceso oa la carga

n arranques demasiado frecuentes,

n bloqueo del motor,

n mnimo de potencia o de corriente.

En los prrafos siguientes seestudian los procesos de deteccin--proteccin que se refieren a losprincipales tipos de defecto.

Principios de proteccin

Sobrecargas

La sobrecarga puede detectarse porrels de mxima intensidad a tiempoinverso, por rels a imagen trmica otambin por sondas trmicas.

Los rels tratan la informacincorriente absorbida por el motor,que generalmente se capta contransformadores de corriente.

Las sondas trmicas se colocan enlas partes activas del motor.

n rels de mxima intensidad atiempo inverso.

Su empleo necesita:

o o una curva de funcionamiento I(t)que permita el arranque, o undispositivo de bloqueo del reldurante el arranque,

o un umbral de funcionamiento Io,

prximo a la corriente nominal In delmotor

Io 1,10 InEstos rels no memorizan lassobrecargas.

n rels a imagen trmica

Estos rels son, ciertamente, losmejor adaptados, pues permitenutilizar al mximo las posibilidadesde sobrecarga del motor sin implicardeterioros.

La curva de funcionamiento, I(t), delrel debe permitir el paso de la

corriente de arranque sindesconexin y recibir la conformidaddel constructor del motor.

n sondas trmicas

Son resistencias cuyo valor hmicovara mucho con la temperatura.

En principio estos dispositivos no seutilizan solos, sino que se aadenlos rels que utilizan la corrienteabsorbida como medio de medida.

La sobrecarga debida alcalentamiento de un cojinete es, enprincipio, insuficiente para que ladetecten los rels de sobrecarga.

La proteccin de los cojinetes debede asegurarse con termostatos o consondas trmicas.

Cortocircuitos

En los equipamientos con interruptorautomtico, los cortocircuitos losdetectan los rels de mximaintensidad, de funcionamientoinstantneo, ajustados por encima de

la corriente de arranque.En los equipos con contactor yfusibles, son los fusibles los queeliminan los cortocircuitos.

Con todo, una solucin interesanteconsiste en asociar a los fusibles,rels de mxima intensidadligeramente temporizados. Estadisposicin permite la utilizacin delcontactor hasta su poder de corte.

Rupturas, inversin y desequilibriode fases

Estos defectos son detectados

gracias a un filtro que pone enevidencia las componentes inversas.

La vigilancia de la falta de una fase ode un desequilibrio es importante,pues estos defectos provocan:

n en el estator un aumento de lacorriente,

n en el rotor un calentamientosuplementario por efecto Jouledebido al hecho de que tododesequilibrio se traduce por laaparicin de corrientes inversas que

4 Proteccin de los motores de AT


23/30


circulan por el rotor a una frecuenciadoble de la alimentacin.

La inversin de las fases se detectao por las corrientes o por lastensiones:

n por las corrientes: la inversin sepone de manifiesto despus delcierre del contactor, la mquinaarrastrada gira al revs y puede sufrirdesperfectos,

n por las tensiones: esta deteccinpermite impedir eventualmente elcierre del contactor, si la red nopresenta su orden normal desucesin de fases.

Defecto de aislamiento en elbobinado

Los arrollamientos estatricospueden presentar defectos deaislamiento entre espiras de unamisma fase o entre devanados defases diferentes.

Segn la situacin elctrica en la quese produce el defecto, puede que laproteccin de sobrecarga no actecon la suficiente rapidez y se originendesperfectos importantes.

La deteccin de estos defectos sehace, generalmente, porcomparacin de corrientes.

n proteccin diferencial longitudinal

Protege contra los defectos entredevanados de fases diferentes.

Para su realizacin, el motor debe detener accesibles los extremos decada uno de sus arrollamientos en ellado del neutro.

Los defectos se detectancomparando las corrientes deentrada y de salida de cada una desus fases (figura 26).

Cuando no hay defecto, estas

corrientes son idnticas y el rel deproteccin no se excita.

ste acta y da orden de disparocuando la diferencia entre estascorrientes alcanza un valor fijado porla regulacin del rel.

n proteccin diferencial transversal

Protege contra los defectos entreespiras de una misma fase. Slopuede aplicarse a las mquinas confases divididas, es decir, con dosdevanados en paralelo por fase.

Fig. 26: Esquema de una proteccin diferencial longitudinal.

Fig. 27: Esquema de una proteccin diferencial transveral.

Fig. 28: Esquema de una proteccin homopolar masa en el estator, con un captortoroidal o con transformadores de corriente, en una red con neutro a tierra o impedante.

NM

rel de

proteccin

M N

rel deproteccin

rel de

corriente

homopolar

toro

TC

rel de

corriente

homopolar

toro eventual


24/30


El principio de funcionamiento esidntico al anterior, a base decomparar las corrientes de cada unode los devanados de fase (figura 27).

Masa en el estator

Esta proteccin es indispensablecomo proteccin contra las personas.Su eleccin deber hacerse enfuncin del rgimen de neutro de lared que alimenta el motor.

n proteccin de un motor alimentadopor una red con neutro a tierra oneutro impedante.

La deteccin del defecto se realizapor la medida de la corrientehomopolar que se establece entre la

fase con defecto y la masa de la red.Esta medida se lleva a cabo por relsde mxima intensidad de umbralbajo.

La corriente homopolar lasuministran tres transformadores deintensidad en paralelo, uno por fase;o mejor, por un toroide que envuelvelos tres conductores de fase (figura28).

El toroide suprime la aparicin deuna falsa componente homopolardebida a la saturacin desigual delos transformadores de corriente en

el arranque del motor y permite unumbral de funcionamientorelativamente bajo.

Estos rels deben funcionar para unvalor de la corriente de defecto tal queel potencial de las masas conrelacin a tierra no sea en ningncaso superior a 24 V en un medioconductor, con las masasinterconectadas, o a 50 V en losdems casos de instalacin.

La determinacin de este punto deregulacin necesita, por tanto, elconocimiento del valor de las tomasde tierra y del esquema deinterconexin de las masas.

Si las masas no estninterconectadas, el valor del umbralde funcionamiento viene dado por:

TMF R

V5024l

siendo RTM el valor de la resistenciade tierra de la masa considerada.

Ntese que cuanto ms bajo sea elumbral, ms precisa ser ladeteccin y menor ser el riesgo dedeterioro de los circuitos magnticos.

n neutro aislado

La deteccin del defecto se realizapor la medida permanente del

aislamiento global de la red conrelacin a tierra mediantedispositivos a inyeccin de corrientecontinua, como los controladorespermanentes de aislamiento(esquema 1 de la figura 29) o porrels de tensin mxima homopolar,suministrada por trestransformadores de tensin con sussecundarios en tringulo abierto(esquema 2 de la figura 29).

Fig. 29: Esquemas de control de defectos de aislamiento con controlador permanente deaislamiento con rels de tensin homopolar-neutro aislado.

Fig. 30: Esquema de la proteccinmnima y mxima de tensin. Lo msfrecuente es que dos TU suministren lastensiones compuestas del rel.

rel

de tensin

M

rel de

tensinhomopolar

controlador de

aislamiento por

inyeccin de C.C.limitador

de

sobretensinC

R = resistencia de carga

R R R

esquema 1

esquema 2


25/30


Tensin mxima y mnima(figura 30)

n tensin mnima

Esta proteccin es relativamentefrecuente: evita el que un motor tengaque trabajar con sobrecarga yesperar a que la desconexin seproduzca por la proteccin desobrecarga. Por otra parte, si labobina del contactor se alimenta conuna fuente auxiliar de BT, que noproceda de la red, la proteccin detensin mnima o la falta de tensin ala conexin se hace indispensablepara evitar una puesta en marcha nocontrolada al retorno de la tensin.

La informacin tensin viene dada

por un transformador de tensin ytratada por un dispositivo de umbral ytemporizable.

n tensin mxima

Esta proteccin debe preversecuando se producen fuertesvariaciones de tensin en la red dealimentacin.

Evita el tener que esperar laactuacin de los rels de sobrecarga,pues un mximo de tensin setraduce por una sobreintensidad delmotor y un aumento del par motor

que puede ser nefasto para lamquina arrastrada.

La deteccin la realizan los rels demedida de tensin mximatemporizados.

Arranque incompleto oexcesivamente prolongado

Esta proteccin se justifica en losarranques en varios tiempos.

Se realiza con un rel temporizadoque se pone en servicio al empezar elarranque y se desconecta al finalizar.La magnitud controlada puede ser la

velocidad, o la corriente.As se evita la utilizacin prolongadadel sistema de arranque, calculadopara funcionar durante un tiempodado.

Ruptura del sincronismo

Se trata de una proteccin importanteen los motores sncronos.

En efecto, la jaula deamortiguamiento de un motorsncrono es relativamente dbil conrelacin a la corriente: si el motor

pierde el sincronismo, sta jaulasoporta fuertes corrientes inducidasque pueden destruirla si no sedesconecta el motor.

Esta prdida del sincronismo sepuede producir como consecuenciade una sobrecarga mecnica, de unmnimo de tensin, o de una prdidao reduccin de la excitacin.

La deteccin de este defecto serealiza con rels de mnimaimpedancia, o de factor de potencia,alimentados por transformadores detensin y por transformadores decorriente (figura 31).

Prdida de la excitacin

Esta prdida, debida por ejemplo auna ruptura del devanado rotrico,provoca la parada del motor.

Puede detectarse:

n o por la proteccin ruptura delsincronismo antes descrita,

n o por un rel a mnima tensin o amnima corriente de la excitacin.

Masa en el rotor de un motorsncrono

Esta proteccin debe determinarseen funcin del esquema dealimentacin y del modo deproduccin de la corriente continua.

Si el conjunto del circuito deexcitacin de corriente continua estaislado de la masa, un primer defectode aislamiento no afecta al

funcionamiento del motor.Pero si se produce un segundodefecto se puede provocar unasobrecarga o un cortocircuito contodas sus consecuencias. Los relsde deteccin de este defecto son, engeneral, aparatos a inyeccin decorriente alterna de baja frecuencia,10 20 Hz (figura 32).

Fig. 31: Proteccin contra la ruptura delsincronismo.

Fig. 32: Proteccin del rotor en elarranque y en funcionamiento de motoressncronos.

rels demnima

impedancia

o de cos

M

a. devanado de excitacin

b. proteccin trmica: marcha prolongadaen asincronismo

c. resistencia de arranque

d. contactor de excitacine. proteccin masa rotor

f. proteccin a mxima intensidad de

excitacin

g. proteccin a mnima tensin de

excitacin

h. hacia la desconexin del contactor

s. fuente de corriente continua

ab

c

d

e

f

g

h

s

,@P,@P,@P,@P,@P,@P

Z

U


26/30


Tambin se emplea la frecuencia de50 Hz, pero impone no tenercomponentes de 50 Hz en la corrientede excitacin.

Marcha prolongada en asncrono enel arranque

En los motores sncronos, unaduracin excesiva del arranqueprovoca un calentamiento exageradode la jaula de amortiguamiento.

Se utiliza la proteccin arranqueincompleto descrita anteriormente, oun dispositivo trmico adaptado a laconstante de tiempo trmica del rotor,en serie con la inductancia durante elarranque (figura 32, elemento b).

Sobrecarga y cortocircuito en eldevanado de excitacin

Estas protecciones evitan eldeterioro, por calentamiento, deldevanado de excitacin y de sualimentacin. La deteccin se realizacon un rel a mxima corriente deexcitacin.

Adems se emplea, generalmente,un rel de tensin mnima deexcitacin que funciona ante unabajada de tensin provocada, porejemplo, por un cortocircuito.

En el arranque, este rel se utilizapara detectar la presencia de tensinde excitacin y permitir el cierre delcontactor de excitacin al final delarranque en asncrono (figura 32,elemento g).

Retorno de potencia

Esta proteccin se aplicaespecialmente a los motoressncronos.

Al desconectar el interruptorautomtico de alimentacin se evitala devolucin de energa elctrica a

las cargas conectadas sobre elmismo juego de barras.

Impide igualmente que el motoralimente un defecto sobre este juegode barras.

La proteccin debe detectar unainversin del sentido de la corriente ode la potencia.

Se efecta, pues, con relsdireccionales de potencia (figura 33).

Fig. 33: Proteccin contra el retorno depotencia.

Arranques frecuentes

Un excesivo nmero de arranques enun tiempo determinado puede

conducir a un deterioro del motor siste no ha sido dimensionado paratal servicio.

Esta proteccin se realiza por un relque controla las funciones de nmerode arranques y de temporizacin ylimita automticamente:

n o el nmero de arranques en unintervalo de tiempo dado,

n o el espaciado en el tiempo deestos arranques.

Bloqueo del rotor

El bloqueo de un motor por unacausa mecnica provoca unasobreintensidad sensiblemente iguala la corriente de arranque. Elcalentamiento que de ello resulta esmucho ms importante, pues lasprdidas en el rotor se mantienen ensu valor mximo durante todo elbloqueo y la ventilacin cesa si staest ligada al giro del rotor. Enconsecuencia, cuando existe elriesgo de que pueda producirse estedefecto mecnico es necesarioutilizar la proteccin de bloqueo delrotor, pues los rels de sobrecargaa veces responden al cabo de untiempo demasiado largo.

La deteccin de este defecto serealiza con un rel amperimtrico,regulado a un valor inferior a lacorriente de arranque, que esvalidado despus de unatemporizacin arranque a la puestaen tensin del motor; estatemporizacin se ajusta a un valorsuperior o igual a la duracin normaldel arranque.

Mnimo de intensidad o de potencia

Una bomba, si se desceba, puededeteriorarse. Cuando se produceesta situacin, se tiene unadisminucin de la potencia activaabsorbida por el motor. Un rel decorriente mnima protege contra estedefecto.

Evolucin tecnolgica

En la descripcin de las distintasprotecciones que acabamos de hacer

se ha utilizado a menudo el trminorel. Se trata de un hbito delenguaje (rel = tipo de proteccin)que corresponde a la poca en la queproteger un motor requera el empleode rels separados dedicados auna sola funcin de proteccin.

Durante la dcada de los 70, losconstructores, con el deseo deflexibilizar la adaptacin a lasnecesidades, han comercializado losRACKS, capaces de contenermltiples protecciones distintas.

Despus, en los aos 80, latecnologa digital ha incrementadolas posibilidades de adaptacin; asun solo y nico dispositivoprogramable permite realizar lasdiversas funciones de proteccin ycontrol-mando que requiere cadacaso particular.

rel direccional

de potencia

M


27/30


La finalidad del ejemplo siguiente noes resolver completamente unproblema, sino ilustrar, de formaconcreta, una sistemtica de clculoque conduzca a la eleccin de unmodo de arranque.

Hiptesis de clculo

Motor asncrono de:

n potencia nominal Pn = 1 500 kW,

n tensin nominal Un = 5 500 V,n rendimiento x factor de potencia:

x cos = 0,84,

n relacin del par de arranque al parnominal a tensin nominal:

Cd

Cn= 0,8

n relacin corriente de arranque acorriente nominal a tensin nominal:

Id

In= 5

n par de puesta en marcha de lamquina arrastrada:

0,2 Cnn potencia del transformadorprincipal de alimentacin:

Pt = 3 MVA

n potencia aparente mxima depunta soportada por la red deltransformador:

St = 6 MVA.

Otros datos necesarios para elclculo:

n caracterstica par - velocidad C (N)del motor,

n caracterstica par resistente -velocidad Cr (N) de la mquinaarrastrada,

n suministro del transformador aotros consumos, aparte del motor:1 200 kVA bajo un cos ' = 0,87.

Mtodo general

La pretensin del proyectista es la debuscar la mejor eleccin tcnico-

econmica. Para ello convieneensayar, de entrada, si la solucinms simple y econmica es vlida; ysi sta no conviene, ensayar otrassoluciones siguiendo el orden de latabla de la figura 34.

Arranque directo

Potencia aparente del motor alprincipio del arranque:

Sm =Id

In

Pn

. cos . =

=1 500

0,84. 5 = 8 925 kVA

con un factor de potencia al arranque:

cos d = 0,5, o sea, d = 81.

Esta potencia se sumavectorialmente a la que cede eltransformador a las restantes salidas(figura 35).

Grficamente se deduce el valor totalde la potencia aparente solicitada al

transformador:S 9 580 kVA.

Siendo la mxima potencia de puntapermitida de 6 000 kVA, no es posibleel arranque directo.

Arranque por reactancia

La introduccin de una reactanciapermite reducir la potencia aparenteabsorbida por el motor.

La potencia disponible para elarranque se determina grficamente(figura 35).

Al arrancar el motor, la presencia dela reactancia hace que el factor depotencia est prximo a cero, o sea,d 90.

OA

= 1 200 kVA: potencia deltransformador utilizada para las otrassalidas.

OB

= St = 6 000 kVA: potenciaaparente mxima autorizada.

La potencia aparente disponible parael arranque (motor + reactancia) sededuce grficamente:

AB

= Sd = 5 300 kVA

Reduccin de la potencia que debeobtenerse con la reactancia:

Sd

Sm=

5 300

8 9250,6

Si I'd es el nuevo valor de la corrientede arranque.

Sd = Un . I'd . 3

Sm = Un . Id . 3

o sea : I'd = 0,6 . IdPor otra parte:

I'd

Id

Ud

Un= = 0,6

La tensin en bornes del motor tieneun valor Ud = 0,6 Un. El problemaqueda resuelto desde el punto devista elctrico, slo resta verificar siesta solucin es vlida desde elpunto de vista mecnico.

Anexo 1: Determinacin del tipo de arranque de un motor

Fig. 34: Criterios determinantes del modo de arranque de un motor.

soluciones de arranque criterios de aceptacin

directo punta de potencia compatible con la red

reactancia n par de arranque superior al parresistentede puesta en marchan punta de corriente (al aplicar la plenatensin al motor) aceptable para la red

autotransformador dem


28/30


Fig. 35: Diagrama de potencias de arranque.

Para el arranque directo, el par dearranque es:

Cd = 8 Cn (figura 36).

Para el arranque por reactancia, elpar de arranque C'd es igual a:

C'd = 0,8 Cn = 0,288 CnUd

Un( )2

Este valor es compatible con el parde puesta en marcha de la mquinaarrastrada.

Queda por controlar un ltimo detalle:si el punto de equilibrio mecnico Cm= Cr est situado a una velocidad muybaja, el paso a la plena tensin correel riesgo de efectuarse con una punta

de corriente excesiva. Si sta es muyelevada para la red, debemos dereconsiderar el modo de arranque y aelegir, por ejemplo, el arranque porautotransformador (figura 36).

Nota 1

Supongamos que el par de puesta enmarcha de la mquina arrastradatenga el valor 0,35 Cn en lugar de0,2 Cn. El arranque por reactancia sehace incompatible con el par depuesta en marcha.

En este caso es necesario

considerar la solucin del arranquepor autotransformador.

La potencia aparente disponiblesigue siendo Sd = 5 300 kVA.

De este valor debe deducirse lapotencia magnetizante delautotransformador Smg que, en elprimer instante del arranque se sumaaritmticamente a la potenciaaparente del motor. Smg es del ordende 0,2 a 0,4 veces la potencianominal aparente del motor.

Consideremos el coeficiente 0,4:

Smg = 0,4 ( )Pn. cosSmg = 0,4 = 720 kVA

1 500

0,84

El coeficiente de la reduccin depotencia pasa en este caso a ser:

=Sd - Smg

Sm

5 300 - 720

8 9250,513

S = 9 580 kVA

B

A

= 81o

' = 29,5 o

1 200 kVA

d

tS = 6 000 kVA

dS = 5 300 kVA

mS = 8 925 kVA

potencia activa


29/30


A tensin constante Un, la punta decorriente lado red es, pues: 0,513 Id.

Determinacin de la tensin reducidade arranque U

d.

La igualdad de potencias primaria ysecundaria del autotransformadorpermite escribir:

0,513 . Id . Un = I''d . UdI''d corriente de arranque a la tensinreducida lado motor:

Ud

Un0,513 . Id . Un = Id . . Ud

de donde se deduce que:

= 0,513

Ud

Un( )

2

o sea Ud = 0,718 Un.

Nuevo par de arranque

0,8 Cn . = 0,41 CnUd

Un( )2

Valor suficiente para permitir quepueda efectuarse el arranque.

Nota 2

En este motor, para un par de puestaen marcha superior a 0,41 Cn, no esposible el arranque estatrico. Sernecesario utilizar o bien un motor arotor bobinado con arranque rotrico,o bien un motor de jaula de ardillaespecialmente adaptado que poseaun fuerte par de arranque. Fig. 36: Curvas de par e intensidad para arranque por reactancia.

(a)

(c)

(d)

(b)

(e)

0 0,1 0,2 0,5 0,8 1

0,2

0,8

51

1

II nCn

C

Cn

I n

punto de

equilibrio

con tensin

reducida

punta de

corriente al

pasar a plena

tensin

a: curva C (N) a plena tensin

b: curva C (N) a tensin reducida (0,6 Un)

c: curva I (N) a plena tensin

d: curva I (N) a tensin reducida (0,6 Un)

e: curva Cr (N)

(N/N )s


30/30

Cuando se ha realizado la eleccinde las protecciones en funcin de lasexigencias de la explotacin, esnecesario asegurar su coordinacinpara aprovechar al mximo susposibilidades. Debe buscarse unequilibrio entre una desconexinintempestiva y un retardo en laeliminacin de un defecto. El estudiode las curvas t(I) del rel, del fusible ydel poder de ruptura del contactorresuelve el problema de la

coordinacin de las protecciones.Las caractersticas del motorconsiderado en el ejemplo son lassiguientes:

n Pn = 550 kW,

n Un = 3 150 V,

n In = 130 A,

n Id = 5 In.

El contactor es del tipo: Rollarc -fusible.

Naturaleza de las protecciones

n

rel trmico de desconexinindirecto, regulado a In = 130 A paralas sobrecargas,

n rel de componente directa,regulado a 6 In, temporizado a 0,05 s,para los defectos equilibrados,

n rel de mxima de componenteinversa regulado a 0,3 0,4 In,temporizado a 0,6 s.

En el caso de una red condesequilibrios casi permanentes seutiliza un rel con dos umbrales:

n un umbral bajo temporizado,regulado justo por encima de la tasade componente inversa admitidapermanentemente,

n un umbral alto instantneo contrael corte de una fase.

La desconexin instantnea por elrel de componente directa permiteutilizar el contactor en las mejorescondiciones de su poder de corte yevita la fusin del cortacircuitos-fusible.

El anlisis de las curvas de la figura37 muestra que el motor y la redquedan protegidos contra:

n los desequilibrios de 0,3 In a 10 In,aproximadamente,

n los defectos equilibrados de 6 In a28 In.

Los fusibles intervienen nicamenteal sobrepasar de 15 In para los

Anexo 2: Coordinacin de las protecciones

defectos desequilibrados y de 25 Inpara los defectos equilibrados.

La corriente mxima que el contactorpuede llegar a cortar tiene por valor :

28 In = 3 640 A.

Este valor queda muy por debajo desu poder de corte de 10 kA.

Fig. 37.

1 2 5 10 20 50 100

130 260 650 1 300 2 600 6 500

0,01

0,03

0,05

0,1

1

5

10

20

40

1

2

34

68

10

20

30

40

60

frio

caliente

fusible

rel de

componente

inversa

directa

tiempo de

corte del

contactor

minutos

segundos

poder de ruptura del

contactor Rollarc

zona de funcionamiento

del rel trmico

3 640 A

k . I

I (A)n

n

ct165_control mando y proteccion de motores at

Documents