UNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
ELÉCTRICA
“MANUAL DE CONTROL PARA MOTORES
ELÉCTRICOS TRIFÁSICOS”
MONOGRAFÍA
Que para obtener el título de:
INGENIERO MECÁNICO ELECTRICISTA
PRESENTA:
IVAN ERICK LANDA DELGADO
DIRECTOR:
MTRO. JESÚS ANTONIO CAMARILLO MONTERO
Agradecimientos
A mis padres:
Sr. Miguel Ángel Landa Aponte y Sra. Rosario Delgado Huerta.
A quienes dedico este trabajo porque gracias a su apoyo y consejos he llegado a realizar una de mis metas, la cual representa la herencia más valiosa que pudiera recibir.
A mi hermana:
Sandra Mariel Landa Delgado.
Por su apoyo y carillo mostrado a lo largo de mi vida.
A mi novia:
Por su cariño, comprensión durante este tiempo junto a mí, así como su apoyo incondicional en los buenos y malos momentos.
A mi director de monografía: Mtro. Jesús Antonio Camarillo Montero.
ÍNDICE
INTRODUCCIÓN ... 6
1. GENERALIDADES DE LOS SISTEMAS DE CONTROL DE MOTORES... 7
1.1 Antecedentes ... 7
1.2 Conceptos básicos ... 11
1.2.1 Partes principales del motor ... 13
1.3 Motor de inducción trifásico ... 14
1.3.1 Placa de bornes ... 15
1.3.2 Principio de funcionamiento de los motores trifásicos ... 17
1.3.3 Clasificación de los motores de inducción trifásicos ... 20
1.3.4 Datos de placa ... 21
1.4 Arranque ... 22
1.4.1 Arrancadores manuales ... 23
A. Arrancador manual en motor tipo jaula de ardilla ... 24
B. Arrancador manual en motor de rotor bobinado ... 25
1.4.2 Arrancadores automáticos ... 26
1.4.3 Arrancadores en estado sólido ... 28
A. Arrancadores suaves ... 30
2. CONTROLES ELÉCTRICOS ... 32
2.1 Protección de motores de corriente alterna ... 32
2.1.1 Fallas comunes en los motores trifásicos ... 33
A. Fallas por causas internas ... 33
B. Fallas por causas externas ... 34
2.1.2 Protección contra cortocircuito... 37
2.1.3 Protección contra sobrecarga ... 38
A. Relevador térmico de sobrecarga de aleación fusible ... 40
B. Relevadores de sobrecarga bimetálicos ... 40
C. Relevador magnético de sobrecarga ... 41
2.1.4 Protección por pérdida de fase ... 42
2.2 Componentes de circuito de control ... 44
2.2.1 Arrancadores magnéticos para el voltaje de la línea ... 44
A. Electroimanes de arrancador ... 46
B. Envolventes de protección ... 47
2.3 Relevadores y contactores ... 47
2.3.1 Relevadores de control ... 47
2.3.2 Contactores ... 49
2.4 Relevadores de control de tiempo ... 50
2.4.1 Relevador de control de tiempo con fluido amortiguador ... 51
2.4.3 Controles de tiempo impulsados por motor ... 52
2.4.4 Relevador magnético de límite de tiempo ... 52
2.5 Dispositivo piloto para control... 52
2.5.1 Estación de botones para control ... 53
2.5.2 Interruptores ... 53
A. Interruptor de flotador ... 54
B. Interruptor de límite ... 55
C. Interruptores térmicos ... 56
D. Interruptores termomagnéticos ... 56
E. Interruptores de presión ... 57
3. ELABORACIÓN DEL CIRCUITO DE CONTROL ... 59
3.1 Simbología ... 59
3.2 Tipos de diagramas de control ... 60
3.2.1 Diagrama de alambrado ... 61
3.2.2 Diagrama de línea o escalera ... 62
3.3 Control de dos alambres ... 64
3.4 Control de tres alambres ... 65
3.4.1 Estación de botones múltiples ... 66
3.5 Control separado... 66
3.6 Control de secuencia ... 67
3.7 Control reversible... 68
3.7.1 Interconexión mecánica ... 69
3.7.2 Interconexión por botones ... 69
3.7.3 Interconexión por medio de contactos auxiliares ... 70
3.8 Tipos de arranque de motores trifásicos ... 71
3.8.1 Arranque directo ... 71
3.8.2 Arranque por resistencia primaria ... 73
3.8.3 Arranque por autotransformador ... 74
3.8.4 Arranque a rotor bobinado ... 76
3.8.5 Arranque por conexión estrella-delta ... 77
3.8.6 Arranque suave ... 79
3.8.7 Arranque por convertidor de frecuencia ... 82
3.9 Comparación entre métodos de arranque de un motor eléctrico . 83 EJERCICIOS PRÁCTICOS... 86
CONCLUSIÓN ... 92
REFERENCIAS ... 93
Iván E. Landa Delgado, 2013 6
INTRODUCCIÓN
Con el surgimiento del motor eléctrico en 1888, nadie imaginó que se hubiese
dado un gran salto en la evolución de la tecnología industrial. En la actualidad
el motor eléctrico de inducción es el más utilizado de la industria por su
capacidad para mover pequeñas y grandes cargas.
En un motor de inducción las corrientes que fluyen en el lado secundario
designado como rotor, se inducen por las corrientes que fluyen en el lado
primario designado como estator.
El control de motores se puede decir que es una necesidad desde el
surgimiento de los motores eléctricos, la gran gama de aplicaciones de estos
mismos dentro de distintos procesos industriales requieren de la
automatización de los procesos industriales, conforme avanza el tiempo se han
implementado diversos sistemas de control donde cada vez es más notoria la
electrónica de potencia.
En la actualidad dentro de la industria se utilizan tecnologías convencionales
combinadas en un mismo proceso, como pueden ser el control por relevadores
y colectores, arrancadores automáticos, o los de tipo estado sólido; con esto se
obtiene una mejor versatilidad, confiablidad, etc. El objetivo principal del control
de motores es gobernar las distintas etapas del motor como son: el paro, el
arranque, la velocidad y el par.
Para el operario o encargado de mantenimiento es de vital importancia tener un
conocimiento de estas tecnologías así como los elementos que influyen en el
Iván E. Landa Delgado, 2013 7
1. GENERALIDADES DE LOS SISTEMAS DE CONTROL
DE MOTORES
Cuando se menciona la frase control de motores se piensa principalmente en
los conceptos de velocidad, movimiento, potencia, entre otras; las cuales son
fundamentales en el control de motores. Una de las cosas importantes dentro
de este tema es la protección, la cual está ligada en todos los sistemas de
control eléctrico. La protección eléctrica es parte primordial del control, pues se
encarga de evitar daños dentro del circuito de control, así como en el mismo
motor o sus conductores, e incluso daños que pueden afectar a otros equipos y
al personal operario.
El control de motores es el proceso mediante el cual se manipula un motor.
Debido a la gran gama de variaciones dentro de la industria donde es
necesario utilizar un motor eléctrico, por ejemplo: para mover bandas, en la
industria petrolera, en el campo, para diferentes tareas en los que se requiere
controlar la velocidad, el arranque, el sentido de giro, el tiempo de trabajo de la
maquinaria, etc. Por esto y muchas cosas más es de gran importancia el
control de los motores.
1.1 Antecedentes
Los motores eléctricos son el resultado de los principios básicos del
electromagnetismo. Los cuales nos podemos remontar a sus inicios en el siglo
XIX cuando se realizaron los primeros experimentos de este tipo por Faraday,
Henry, Lenz, Maxwell. Se puede decir que el punto de partida para todas las
máquinas eléctricas de hoy en día inicia con el estudio de Michael Faraday en
1831, con el principio de inducción electromagnética, también conocida como la
ley de inducción de Faraday.
La inducción electromagnética es el principio fundamental mediante el cual
trabajan las máquinas eléctricas actuales como son el trasformador, generador
Iván E. Landa Delgado, 2013 8
Las primeras máquinas eléctricas fueron las dinamoeléctricas, las cuales su
principio de funcionamiento estaba basado en la inducción de Faraday que
para estos tiempos las máquinas eléctricas solo se les podía definir como
convertidores de energía mecánica en energía eléctrica (generador) y como
convertidores de energía eléctrica en energía mecánica (motor).
En 1885, Galileo Ferraris fue el primero en descubrir el campo magnético
giratorio, el cual estaba basado en utilizar dos corrientes alternas
independientes de igual frecuencia pero diferente fase. Un año después Nikola
Tesla diseño y patento el primer motor eléctrico de corriente alterna.
En 1888 Tesla público un artículo que describía, tres tipos de motores estos
eran de tipo bifásico y con polos salientes en el estator, se alimentaban de dos
corrientes desfasadas 90º y sus devanados al igual que las corrientes se
encontraban desfasados 90º.
Primer motor: contaba con cuatro polos salientes y giraba a la velocidad de
sincronismo, pero no poseía la capacidad de autoarranque.
Segundo motor: De tipo asíncrono, poseía un rotor devanado que podía
arrancar; pero giraba a una velocidad por debajo del sincronismo.
Tercer motor: De tipo síncrono, utilizaba una corriente continua en el devanado
del rotor.
En 1892, La empresa Westinghouse fue la primera en desarrollar un motor
bifásico, contaba con devanados tanto en el estator como en el rotor, logrando
así el primer motor practicó. Éste era un motor bifásico de 304 HP, 12 polos a
220V, este motor se alimentaba de dos alternadores monofásicos de 507 HP,
60Hz. Los cuales se encontraban desplazados 90º eléctricos para generar la
tensión bifásica.
Para 1891, la compañía Thomson-Houston inicio la construcción de motores de
inducción trifásicos, formando una alianza con Westinghouse para fabricar
motores asíncronos trifásicos utilizando el invento de Charles F. Scott, el cual
Iván E. Landa Delgado, 2013 9
forma alimentaba este tipo de motores. A esto se le conoce como “Conexión de Scott -T”, se muestra en la Figura 1.1 que es básicamente la manera de
obtener dos fases, separadas 90° eléctricos en el espacio y en el tiempo, a
partir de una fuente de alimentación trifásica, cuyas fases se hallan separadas
120° eléctricos, o viceversa.
Deriv. 50% Deriv. 86.6% 1
2
3
N1 S2 S1
N2
Figura 1.1 Conexión de transformador Scott
En 1916 H.G. Reist y H. Maxwell patentan el primer motor de rotor jaula de
ardilla, construido mediante barras de aluminio por parte de la compañía
General Electric.
El motor de rotor devanado fue inventado por Tesla, éste empleaba dos
devanados con resistencias diferentes para lograr generar un alto par de
arranque, pero no fue sino hasta el año de 1925 basados en las ideas de Elihu
Thomson de utilizar condensadores especiales para arranque.
En cuanto al control de motores desde la misma invención del motor, surgió la
necesidad de poder manipular su arranque, paro y sobre todo su velocidad.
Conforme avanza la tecnología es más fácil y más adecuando este tipo de
control, hasta hace unos pocos años el control de motores estaba basado en
automatismos de relevadores y colectores.
Los primeros sistemas para intentar controlar la velocidad de los motores
fueron implementados para motores de corriente directa pese a que los
motores de corriente alterna de inducción no eran adecuados para las
Iván E. Landa Delgado, 2013 10
En 1891 aparece el control Ward Leonard que sirve para la variación de la
velocidad como se menciona anteriormente por la falta de tecnologías este tipo
de método solo era aplicado para motores de corriente continua.
El control Ward Leonard, consta de un motor trifásico de corriente alterna el
cual está accionado a dos generados de corriente continua uno de estos hará
la función de una excitatriz lo cual proporcionará tanto al motor como al
generador un control de campo con una corriente continua. El control de
velocidad depende de las pequeñas variaciones de potencia en el campo del
generador principal. Se utilizan conmutadores de inversión dentro del circuito
del inducido para de este modo abrir e invertir conexiones en el mismo, de esta
forma, poder parar e invertir el sentido de rotación del motor.
Para el año de 1911, aparece el control Kramer para el motor de rotor
devanado, este método consiste en la utilización de un trasformador variable
que se encuentra conectado a los anillos colectores del motor bobinado en vez
de directamente a la línea.
La frecuencia del rotor bobinado será también a la frecuencia del voltaje en el
conmutador, dependiendo de la posición de las fases en las escobillas se podrá
alterar el factor de potencia en el motor, y cuando se incremente el voltaje en el
rotor del convertidor se incrementa la velocidad. Además de que los
convertidores de frecuencia utilizada también actúan como un motor
convirtiendo la energía suministrada a través de un autotransformador de
potencia mecánica. Este sistema es muy útil en aplicaciones de control de
velocidad para grandes potencias.
Para los años de 1920 a 1930 comenzó, la aparición de los dispositivos
electrónicos. En 1923 se inventó el rectificador de selenio. Posteriormente en
1925 se desarrolló un rectificador de óxido de cobre, pero no fue hasta 1928
que Albert W. Hull de la compañía General Electric inventara el tiratrón y el
rectificador de vapor de mercurio controlado (ignitrón). Esto permitía regular la
c.c. que producían los rectificadores, y sustituyendo algunos sistemas de
Iván E. Landa Delgado, 2013 11
los principios de funcionamiento de los inversores (c.c.-c.a.).
En la década de 1930 a 1940 se establecen los principios de funcionamiento de
los inversores o convertidores estáticos de c.c. a c.a., y los cicloconvertidores.
En el año de 1947 en los laboratorios de la Bell Telephone Company, se
descubrió el primer transistor de unión, abriendo una puerta muy importante
dentro de la electrónica de potencia, la cual entra con gran fuerza a partir de la década de los 50’s donde aparecen los semiconductores en estado sólido
como son el diodo y el transistor.
La verdadera fecha de inicio de la revolución electrónica de potencia fue en
1956 con el descubrimiento del tiristor o SCR (Silicon Controlled Rectifier o
Rectificador Controlado de Silicio).
Otro aspecto clave en la evolución de control se da hasta la década de los 70’s
en donde se da el comienzo de la microelectrónica. Posteriormente en la década de los 80’s comienza a desenvolverse el microprocesador, que es la
tecnología en la que actualmente nos basamos en el control de las maquinas
eléctricas, cabe destacar la fecha de 1988 cuando la General Electric crea el
dispositivo llamado MCT (MOS-Controlled Thyristor o tiristor controlado por
MOS).
La electrónica de potencia se considera una ciencia muy cambiante debido a
que los avances son muy rápidos y las nuevas tecnologías pronto se vuelven
obsoletas.
1.2 Conceptos básicos
Los motores eléctricos se pueden clasificar en dos tipos: los de corriente
continua y los de corriente alterna, en estos últimos se destaca la rama de los
motores de inducción, los cuales son los más utilizados en la industria debido a
que son sencillos, resistentes y requieren de poco mantenimiento.
En el control de motores, es necesario conocer ciertos aspectos fundamentales
Iván E. Landa Delgado, 2013 12
hará más fácil y sencilla la comprensión del mismo.
Motor eléctrico.- Es un dispositivo capaz de trasformar la energía eléctrica en
energía mecánica mediante la interacción de sus campos magnéticos.
Potencia.- Es la razón de cambio del trabajo por unidad de tiempo. Dado que
en los motores eléctricos se encargan de trasformar la energía o en este caso
trabajo eléctrico en trabajo mecánico se puede decir que trasforma potencia
eléctrica en potencia mecánica.
Los motores eléctricos utilizan una potencia eléctrica dada por un voltaje y una
corriente, la potencia eléctrica que se suministra al motor puede ser de
diferentes tipos como:
Potencia de corriente directa.
(1.1)
Potencia de corriente alterna (MONOFÁSICA)
(1.2)
Potencia de corriente alterna (TRIFÁSICA)
(1.3)
√ (1.4)
La potencia en los motores eléctricos (convencionales) es dada por el par y la
velocidad angular dados en una flecha para así transferir la energía. La unidad
de potencia eléctrica es el Watt, mientras que la potencia mecánica se puede
medir en caballos de fuerza (HP). La conversión o equivalencia es la siguiente:
La potencia mecánica en los motores eléctricos se encuentra aplicada en el eje
del motor y se describe con la siguiente ecuación:
Iván E. Landa Delgado, 2013 13
Como el trabajo en un sistema rotatorio es la aplicación de un par a través de
un ángulo se establece que:
(1.6)
Así mismo, si el par es constante en el movimiento rotatorio, la potencia está
dada por:
( ) (
)
(1.7)
Dónde:
( )
( )
( )
( )
Motor trifásico.- este tipo de motor es similar al motor monofásico, su principal
diferencia es que se alimenta de tres líneas o fases de alimentación. Este
motor trasforma la energía eléctrica trifásica en energía mecánica. Este tipo de
motores se fabrican para diferentes potencias desde muy pequeñas como una
fracción de un HP hasta miles de HP.
El motor trifásico cuenta con tres fases de devanado separadas cada una de la
otra a 120º entre el número de pares de polos. Para generar un campo giratorio
es necesario conectar una tensión trifásica desplazada 120º. Figura 1.2.
1.2.1 Partes principales del motor
Estator.- es la parte estática del motor que opera como base, en esta se
encuentran los devanados que producen el campo giratorio. Se puede decir
Iván E. Landa Delgado, 2013 14
mecánicamente, pero si magnéticamente.
Rotor.- es la parte móvil del motor y recibe los efectos del campo giratorio. Se
compone de un eje donde se encuentran colocados los juegos de bobinas.
Figura 1.2 Desfasamiento entre fases del devanado del motor.
Armadura.- es el conjunto de elementos que incluye el embobinado del motor,
en este se inducen las fuerzas electromotrices y circulan las corrientes de la
potencia de entrada. En la armadura se induce uno de los campos magnéticos.
Piezas polares (polos).- para que un motor funcione es necesario por lo menos
que tenga un polo norte y un polo sur. Una parte de estos se encuentra unida a
la coraza o flecha dependiendo si es un motor de CD o uno de CA y la otra
parte queda libre. Su función está dada por el principio del electroimán y
producen el campo inductor.
1.3 Motor de inducción trifásico
Este motor es llamado así puesto que la corriente alimenta directamente el
devanado del estator y al devanado del rotor por inducción, esta máquina es la
más resistente y la más utilizada en la industria, además de que puede operar
como motor o generador.
Iván E. Landa Delgado, 2013 15
1. Rotor devanado
2. Rotor jaula de ardilla
El rotor devanado tiene tres grupos de devanados aislados con conexiones
llevadas al exterior a tres anillos rozantes montados sobre el eje, las
conexiones externas a la parte rotatoria se hacen a través de escobillas
montadas sobre los anillos rozantes, por lo que este tipo de motor se le llama
con frecuencia motor de anillos rozantes. En la Figura 1.3 se muestra un rotor
de anillos rozantes.
Figura 1.3 Rotor con anillos.
El rotor jaula de ardilla comprende un grupo de barras de cobre o aluminio
instaladas dentro de las ranuras, las cuales están conectadas a un anillo en los
extremos del rotor. La construcción de los devanados del rotor asemeja a una “jaula de ardilla”. En la Figura 1.4 se muestra un rotor de tipo jaula de ardilla.
Figura 1.4 Rotor tipo jaula de ardilla.
1.3.1 Placa de bornes
Los motores asíncronos cuentan con terminales del devanado del estator, a
Iván E. Landa Delgado, 2013 16
terminaciones de los bobinados están unidas a esta. Por norma las placas de
bornes deben utilizar las letras U1, V1, W1 para designar el lado principal y el
lado secundario utiliza las letras U2, V2, W2.
En la Figura 1.5, se muestra una placa de bornes y sus distintas formas de
conexión (delta o en estrella). Cabe señalar que las terminales de fases iguales
no se encuentran una enfrente de la otra como se observa en la Figura 1.5a,
esto es debido a que es más fácil realizar la interconexión de las mismas
utilizando placas.
Figura 1.5 Placa de bornes. Forma de conexión.
Un dato importante es que la conexión en estrella se utiliza cuando el motor se
conecta a la tensión más elevada en sus datos de placa, en cuanto a la
conexión en delta o triángulo se usa para la tensión más baja. Por ejemplo; si
tenemos un motor de corriente alterna con las siguientes características: 7.5
HP, 220/440 V, 20/10 A, 1722 Rpm Es decir; que la potencia es de 7.5 HP, y
estando a plena carga gira a la velocidad de 1722 Rpm, y se conecta en
triangulo a 220 V y absorbe una corriente de línea de 20 A; pero se puede
alimentar con 440 V a lo cual su corriente de línea será la de 10 A pero de esta
forma debe ser conectado en estrella.
La placa de bornes también es muy útil en las conexiones cuando se requiere
un sentido de giro especifico puesto que esto se logra fácilmente
intercambiando dos líneas cualesquiera en la Figura 1.6, se muestra la forma
correcta de las conexiones de la placa de bornes para obtener el sentido de
Iván E. Landa Delgado, 2013 17
Figura 1.6 Placa de bornes y conexiones para sentido de rotación.
1.3.2 Principio de funcionamiento de los motores trifásicos
Los motores de corriente alterna trifásicos se pueden clasificar en dos grandes
grupos los considerados síncronos y los de tipo de inducción. El motor de
corriente alterna basa su funcionamiento en la acción que ejerce el campo
magnético giratorio generado en el estator sobre las corrientes que circulan por
los conductores situados sobre el rotor.
Cuando se contacta una alimentación trifásica de corriente alterna a las
terminales del estator, las tres corrientes circulan por su devanado primario y
se induce una corriente en sentido opuesto al devanado secundario, siempre
que el devanado secundario este en cortocircuitado por una impedancia
exterior. Debido a las fuerzas electromagnéticas se produce el movimiento
entre el lado primario y el secundario para generar la potencia.
La característica principal de los motores de inducción es que trabajan
induciendo tensiones y corrientes en su rotor, al igual que en un trasformador,
el primario (estator) induce un voltaje en el secundario (rotor), en cambio, en
los motores síncronos se suministra por una excitatriz o alguna fuente externa
En los motores de tipo rotor devanado cuentan con anillos rozantes, los cuales
su función es para la interconexión de las resistencias de arranque, que son
Iván E. Landa Delgado, 2013 18
gradual y la corriente de línea no sea tan elevada como para dañar los
aislamientos de los devanados o el mismo motor.
La operación de los motores de inducción es igual a la de los devanados de
amortiguamiento en los motores síncronos.
Los motores síncronos se denominan de esta manera pues su velocidad de
rotaciones es igual a la velocidad de sincronismo esto es debido a la excitación
separada. En cambio, los motores de inducción no cumplen con el sincronismo
pero este es de suma importancia para el desarrollo de los siguientes
conceptos.
La velocidad de rotación debe estar en sincronismo con la frecuencia del
sistema, a esto se le conoce como velocidad de sincronismo.
(1.8)
Dónde:
.
Por ejemplo en el caso más sencillo es de un motor de dos polos en el cual
utilizaremos una frecuencia ( ) de 60 Hz o 60 ciclos por segundo, debido a que
la frecuencia de corriente alterna en América está dada a 60 Hz.
Sustituyendo
( )
Tenemos que la velocidad síncrona del motor es de 3,600 revoluciones por
minuto.
Iván E. Landa Delgado, 2013 19
su velocidad relativa. Se utilizan dos términos para definir el movimiento
relativo entre el rotor y los campos magnéticos los cuales son:
Velocidad de deslizamiento
Deslizamiento
La velocidad de deslizamiento se puede definir como la diferencia que existe
entre la velocidad síncrona y la velocidad del rotor.
(1.9)
Dónde:
( )
El deslizamiento lo podemos definir como la velocidad relativa expresada sobre
una base, expresada en porcentaje.
( ) (1.10)
(1.11)
Dónde:
Si el rotor está en reposo se dice que el deslizamiento es 1 y cuando el motor
se encuentra sin carga S0, dado esto se puede determinar la velocidad del
rotor como:
( ) (1.12)
La mayoría de los motores de inducción tienen un deslizamiento menor al 5%.
Iván E. Landa Delgado, 2013 20
velocidad angular radianes por segundo.
(1.13)
( ) (1.14)
1.3.3 Clasificación de los motores de inducción trifásicos
La National Electrical Manufacturers Association (NEMA) estableció cierta
clasificación para los motores de inducción basándose en sus características
de par intensidad y velocidad. La Tabla 1.1 muestra las distintas clasificaciones
de los motores de inducción trifásicos.
Tabla 1.1 Clasificación NEMA para motores de inducción trifásicos.
DESIGNACIÓN
NEMA DESCRIPCIÓN
A
Para motores diseñados con un par de arranque normal
aproximadamente 15 % del de régimen su corriente de
arranque es de 5 a 7 veces la nominal y el deslizamiento a
plena carga es menor al 5 % y en el caso de los motores
grandes es menor a 2%.
B
Motor con un par de arranque normal y baja corriente de
arranque entre 4 a 5 veces su corriente nominal.
Deslizamiento a plena carga entre 1.5 % y 3 %, en motores de
más de 200 HP menor a 1%.
C Motor con alto par de arranque, baja corriente de arranque y
deslizamiento bajo a plena carga.
D Motor con alto par de arranque, baja corriente de arranque y
un alto deslizamiento.
E Motor de bajo par de arranque, 130% del nominal y un bajo
deslizamiento cercano al 2%.
F Motor de bajo par de arranque y bajo corriente de arranque
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1.3.4 Datos de placa
En la industria son de vital importancia conocer las especificaciones del motor
dadas por el fabricante, esto en el caso de los motores se coloca en una placa
la cual proporciona una gran cantidad de información cuando se requiera hacer
una instalación o mantenimiento.
Dentro de la publicación NEMA MG1, 10.40 publicada en 1998, dice que para
los motores monofásicos y trifásicos se deben incluir los siguientes datos
gravados en la placa de identificación:
Motores jaula de ardilla
a. Razón social de fabricante
b. Potencia de salida en HP
c. Tiempo de operación
d. Temperatura
e. Aislamiento
f. Velocidad en RPM
g. Frecuencia en Hz
h. Número de fases
i. Corriente de carga nominal
j. Voltaje nominal
k. Letra clave de diseño
l. Clave KVA con rotor bloqueado
m. Factor de servicio
n. Factor de servicio mayor a 1.15
o. Protección térmica
Motores rotor devanado
a. Razón social de fabricante
b. Potencia de salida en HP
c. Tiempo de operación
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e. Aislamiento
f. Velocidad en RPM
g. Frecuencia en Hz
h. Numero de fases
i. Corriente nominal
j. Voltaje nominal
k. Corriente a pleno lado secundario
l. Tensión secundaria
En la Figura 1.7 se ilustra un ejemplo de una placa característica de un motor
de inducción trifásico.
Figura 1.7 Placa de características de un motor trifásico de C.A.
1.4 Arranque
El arranque de un motor trifásico es el proceso por el cual se pone en marcha
una maquina eléctrica. La principal característica para que el arranque de un
motor pueda llevarse a cabo es que el par de arranque debe ser superior al par
Iván E. Landa Delgado, 2013 23
Durante el proceso de arranque se da una elevación de corriente lo que puede
llegar a ocasionar baja en las líneas de suministro de energía las cuales
pueden ser notorias en la iluminación, así como afectar a otros equipos que se
encuentren conectados en las mismas líneas de suministro.
Desde un punto de vista teórico se puede justificar la elevación de la corriente
mediante el circuito equivalente del sistema puesto que la resistencia de carga
es nula en el instante inicial y el deslizamiento sería igual a la unidad, por esto
el motor ofrecerá una impedancia muy baja y se considera prácticamente en
cortocircuito.
Debido a la gran elevación de corriente, se han implementado diferentes
arrancadores que se encargan de manipular el arranque y paro de los motores.
Cabe señalar que motores pequeños de bajas capacidades pueden conectarse
directamente a la línea de alimentación, pero en los motores grandes es
necesario utilizar arrancadores para evitar las subidas de corriente durante el
arranque. Los arrancadores pueden ser de tipo manual, automático y los más
nuevos de estado sólido o arrancadores suaves.
1.4.1 Arrancadores manuales
Los arrancadores manuales son dispositivos que se definen como reguladores,
cuya función primordial es la de manipular la puesta en marcha y la aceleración
del motor eléctrico.
Los arrancadores manuales de tipo sencillo, pueden ser: a plena tensión o a
tensión reducida. La implementación de cada uno de estos sistemas depende
del trabajo que realizara, así como del motor adecuado para dicho trabajo.
Las ventajas que se obtienen al utilizar arrancadores de tipo manual son:
El operador puede variar el tiempo para que la secuencia de operación
se lleve a cabo.
Los arrancadores de tipo manual son muy sencillos tanto en su
Iván E. Landa Delgado, 2013 24
Existen menores averías, puesto que no se emplean relés ni
acoplamientos eléctricos.
Cuando se carece de espacio en la instalación los arrancadores
manuales son prácticos pues son de menor tamaño.
Los costos son mucho más bajos a diferencia de los arrancadores
automáticos.
Mantenimiento sencillo.
A. Arrancador manual en motor tipo jaula de ardilla
Para el arranque de motores grandes o medianos dependiendo de sus distintas
capacidades se suelen utilizar disyuntores o los llamados reguladores de
tambor. Estos reguladores de tambor son de tipo rotativo, consta de un
conjunto de gruesos conductores circulares hechos de cobre laminares
giratorios, cada uno de estos aislado del otro, los contactos en el interruptor de
tambor se hacen girar por una manivela en la parte superior del elemento.
Si se observa la Figura 1.8, muestra cómo se encuentran repartidos los
contactos en el interior del interruptor de tambor dispersados en 360º, así como
las cuatro posiciones que conlleva, iniciando en la posición de arranque y
terminando con la puesta en marcha.
Los interruptores de tambor son muy utilizados para el arranque de los motores
en serie, así como para la regulación de velocidad, siempre y cuando la
resistencia que se coloque en serie con el inducido sea de variación y no
intermitente.
Las principales ventajas de los reguladores de tambor son:
Bajo costo.
Requieren de poco espacio en su instalación puesto que las resistencias
de arranque se colocan externas.
El tambor se encuentra totalmente protegido y se fabrican para
Iván E. Landa Delgado, 2013 25
explosiones, etc.
Figura 1.8 Segmentos de contacto del tambor rotatorio (Desarrollado en 360º).
B. Arrancador manual en motor de rotor bobinado
En cuanto a los motores de tipo de rotor bobinado se suelen utilizar los
llamados arrancadores manuales planos, claro está en los motores pequeños o
de bajas capacidades y para los motores grandes utilizando reguladores de
tambor.
Figura 1.9 Arrancador manual plano por resistencia del secundario
En la Figura 1.9, se muestra un arrancador manual plano, en este observamos
cómo se encuentra alimentado el estator así como su protección, en este caso
Iván E. Landa Delgado, 2013 26
arrancador manual, este operara cuando la resistencia del lado secundario se
gire desde su posición (Fuera) a la posición máxima resistencia del rotor.
Este tipo de arrancador puede utilizarse para el control de velocidad si se
desea, solo se deben normalizar las resistencias para un servicio continuo de la
corriente del rotor a cualquier valor de deslizamiento. Es importante recordar
que este tipo de arrancadores serán adecuados para los motores pequeños.
Cuando se requiere arrancar motores grandes se utilizan interruptores como
pueden ser los de tambor o los de levas. En la Figura 1.10 se muestra un
diagrama de arranque por interruptor de tambor y la secuencia de tiempos.
Cabe señalar que solo se muestra el circuito del rotor.
Figura 1.10 Arranque por interruptor de tambor.
En el circuito del rotor podemos observar que el arrancador utiliza varias resistencias las cuales se cortocircuitaran por medio de los contactos “S” con
una determinada secuencia.
1.4.2 Arrancadores automáticos
Los arrancadores automáticos están directamente relacionados con principios
de los arrancadores manuales, están diseñados para controlar indirectamente
mediante pulsadores de contacto momentáneo.
Los arrancadores automáticos se pueden decir que son mejores que los de tipo
manual puesto que pueden ser fácilmente operados por un operario inexperto,
sin tener complicaciones y evitara que pueda producirse algún daño a la
maquinaria. Así como se limita el riesgo de que pueda existir algún error
Iván E. Landa Delgado, 2013 27
Cuando se realiza una selección entre los arrancadores de tipo automático y de
tipo manual se deben considerar los siguientes factores, así como las ventajas
de los arrancadores manuales anteriormente mencionadas.
Los arrancadores automáticos evitan el cansancio del operario en ciclos
frecuentes de arranque y parada.
Se puede controlar a distancia, es decir, que los contactos pueden estar
a gran distancia del arrancador y de esta forma proteger al mismo
operario de algún accidente.
Se pueden situar los pulsadores en espacios confinados y debido a sus
pequeñas dimensiones se pueden colocar varias para operar diferentes
equipos.
Limitación de errores humanos por falta de conocimientos durante la
puesta en marcha (este último punto aplicado completamente con
referencia a los arrancadores manuales que por las limitaciones entre el
arranque de motor y el tiempo)
Los dispositivos automáticos empleados se clasifican en dos tipos según su
funcionamiento: los de bucle abierto y los de bucle cerrado, el de bucle abierto
gobierna la potencia de un motor de forma prefijada, independientemente del
funcionamiento del motor. En cuantos los de bucle cerrado dependerá en parte
del funcionamiento del motor.
Para analizar los arrancadores de motores de inducción polifásicos se deben
considerar las distintas clases de los motores de jaula. (Ver anexo 1) Los
arrancadores automáticos pueden ser tres tipos: los de arranque a plena
tensión, arranque a tensión reducida y arranque por devanado parcial.
En el arranque a plena tensión generalmente se utiliza una tensión de control,
para los arrancadores de este tipo se pueden encontrar en las graduaciones
normalizadas por NEMA, en estas se establece desde el tamaño 00 hasta 9 e
incluso puede haber mayores que se consideran de características especiales.
Los valores nominales de arrancadores a plena tensión se muestran en la tabla
Iván E. Landa Delgado, 2013 28
rápido se debe tomar el valor inmediato superior. Esto es porque el motor está
sometido con mucha frecuencia a cambios, como pueden ser arranque, paro,
inversión, etc. y se dice que un motor que esté sometido a más de cinco
cambios por minuto se considera de servicio rápido.
Los arrancadores de tiempo fijo son muy útiles para los motores de inducción
de tipo jaula de ardilla, este tipo de arrancadores es adecuado cuando se
implementan motores muy grandes, pero cuando se tiene un flujo de corriente
durante el arranque puede llegar a afectar a otros equipos, por lo cual
requieren de algún método de arranque a tensión reducida los cuales se
describirán más profundamente durante el capítulo 3.
1.4.3 Arrancadores en estado sólido
Desde que surgió el deseo de controlar un motor eléctrico se han
implementado diferentes métodos, así como el seguir nuevas tecnologías. El
desarrollo de los aparatos encargados del control de los motores ha
evolucionado hasta llegar a este tipo de arrancadores, los cuales mediante la
electrónica de potencia logran manipular de una manera óptima y más eficaz a
diferencia de los anteriores.
Los arrancadores de estado sólido son los más modernos utilizados en el
arranque de motores de corriente alterna. Existen ciertas diferencias entre los
de tipo convencional y estos de nueva generación, alguna de estas son:
No utilizan algún tipo de enlace mecánico para realizar cambios de baja
a alta potencia.
No es necesario implementar resistores inductores o algún
autotransformador.
El sistema de control de conexiones tanto para arranque y paro está
dado en un circuito de control de baja potencia.
Mantenimiento mínimo, puesto que no utiliza contactos.
Los arrancadores en estado sólido tanto para c.a. como para c.c utilizan los
Iván E. Landa Delgado, 2013 29
arrancadores de estado sólido operan durante el arranque del motor.
Los arrancadores de estado sólido se enfocan en que la corriente del motor
dependerá del voltaje y la velocidad; mientras que el par mecánico del motor
será proporcional al cuadrado del voltaje.
El voltaje en los arrancadores de estado sólido depende del ángulo de disparo
en el SCR el cual aparece a continuación en la Figura 1.11.
Figura 1.11 Ángulo de disparo del SCR y salida del voltaje
Dentro de este tipo de arrancadores en estado sólido se encuentran el
Iván E. Landa Delgado, 2013 30
requiere un mayor tiempo durante el cual se demanda corriente reducida y
proporciona un par reducido, algunos de los arrancadores en estado sólido
utilizan un transformador conectado a las líneas de alimentación para
monitorear y limitar la corriente de arranque mediante el envío de una señal a
los circuitos de control de tiempo del SCR. Es decir, si la corriente del motor
alcanza su límite (previamente ajustado) se aumenta el ángulo de disparo del
SCR, de esta forma, se reduce el voltaje de salida y la corriente.
A. Arrancadores suaves
Este tipo de arrancadores son el equipo más moderno en la actualidad en el
control de motores eléctricos, se encargan de disminuir los picos de corriente
durante el arranque de motores eléctricos y el par mecánico de arranque. En la
Figura 1.12 se muestra la diferencia existente entre el arranque directo de un
motor y el arranque suave.
Se utiliza un control de fase para reducir el voltaje y éste se incrementará
suavemente hasta el voltaje de línea, claro está que se debe predeterminar un
tiempo en el cual debe alcanzarse el voltaje a plenitud mediante el uso de
arranque y frenado de esta forma se hace un menor esfuerzo de la maquinaria
y se alarga su vida útil.
Figura 1.12 Gráfica de relación entre el arranque directo y el arranque suave en los motores eléctricos.
Este tipo de arrancadores son ideales cuando se requiere un arranque suave y
Iván E. Landa Delgado, 2013 31
control para ir aumentando gradualmente el voltaje como se mencionó
anteriormente esto se realiza mediante el ángulo de disparo.
En la Figura 1.13, se muestra como mediante elementos semiconductores
conectados a las líneas de alimentación se controla el voltaje y a medida que
aumenta el tiempo va aumentando el voltaje efectivo aplicado en el motor para
lograr el arranque gradual del mismo.
Figura 1.13 Control de fase mediante arrancadores suaves
Algunas ventajas del uso de los arrancadores suaves pueden ser:
Evitar paros bruscos (en el caso de bandas transportadoras o en un
elevador).
Menor consumo de energía de las líneas de distribución, puesto que
reducen los picos elevados de corriente.
Mayor vida útil de los elementos mecánicos como pueden ser el eje o
los acoples del motor.
Menos esfuerzo en los reductores de velocidad de tipo mecánico,
dando una mayor vida útil en cuanto a engranes, gusanos y
Iván E. Landa Delgado, 2013 32
2. CONTROLES ELÉCTRICOS
2.1 Protección de motores de corriente alterna
Todas las instalaciones eléctricas tienen un límite térmico, el cual está asociado
a los tipos de materiales aislantes utilizados.
En todo elemento que se utiliza para conducir o manipular la corriente eléctrica
se produce el efecto Joule (RI²), también llamadas perdidas resistivas, que se
presentan en forma de calor. Por ejemplo, un conductor con una resistencia R y
una corriente I, el calentamiento producido en este conductor será proporcional
a RI² así mismo si aumentamos la corriente al doble, el calor proporcional en el
nuevo conductor será dado por RI² se puede escribir de la siguiente manera.
( ) (2.1)
Al desarrollarlo se obtiene que la cantidad de calor se incrementa 4 veces. Esto
quiere decir que al aumentar la corriente en un conductor se aumenta también
el calor, debido a que crece con el cuadrado de la corriente.
El calentamiento en los conductores causa que el aislamiento de los mismos se
deteriore rápidamente provocando un cortocircuito de la línea, entre líneas o de
línea a tierra.
También están las fallas provocadas por sobrevoltajes que se pueden dar por
exceder los niveles del aislamiento ocasionando cortocircuitos.
Una corriente de cortocircuito puede ser tan grande como para provocar una
explosión, dañar completamente el equipo o incidentes al personal operador.
Cuando se da una sobrecarga en un motor se eleva la temperatura en su
devanado y si no se utiliza una protección adecuada para este fenómeno se
puede llegar a dañar el aislamiento en el devanado e incluso puede llegar a
quemarse.
Por estas y algunas causas más se deben proteger a los motores para evitar
Iván E. Landa Delgado, 2013 33
de proteger al motor, enfocándonos en la protección contra cortocircuito,
protección contra sobrecarga, protección contra sobrecorriente y protección
contra perdida de fase.
2.1.1 Fallas comunes en los motores trifásicos
Las fallas en los motores se pueden clasificar en dos categorías: las fallas
debido a causas internas y las fallas debido a causas externas.
Fallas por causas internas
Cortocircuito fase-tierra.
Cortocircuito entre dos fases.
Cortocircuito en los devanados.
Problemas en los devanados (sobrecalentamiento).
Fallas por causas externas
Fallos en la red de alimentación.
Condiciones indebidas de funcionamiento del motor.
Condiciones de instalación del motor.
*Las fallas debido a causas externas se localizan fuera del motor eléctrico, pero
estas pueden dañar al mismo.
A. Fallas por causas internas
La falla más común en el devanado de un motor es causada por el
sobrecalentamiento. Esto se debe a un aumento de temperatura, ocasionado
por una sobrecarga que termina en un pico de corriente que recorre los
devanados.
El devanado del estator en el motor está integrada de conductores de cobre
Iván E. Landa Delgado, 2013 34
diferentes tipos de aislantes, generalmente se utiliza un barniz. Si una parte del
aislamiento se encuentra dañado o no está cubierto completamente, el
conductor puede provocar un cortocircuito entre una fase y tierra, entre dos o
tres fases o simplemente entre devanados de la misma fase.
Las causas pueden ser eléctricas (descargas superficiales o subida de
tensión), térmicas (calentamiento o sobrecalentamiento) o mecánicas
(vibración).
B. Fallas por causas externas
Subida de tensión
Hablando de fallos en la red de alimentación o simplemente la alimentación del
motor, el más común de estos será una subida de tensión para cualquier
equipo o dispositivo, al cual entre una tensión con un valor pico que exceda los
límites de su especificación se considera como una subida de tensión.
Un exceso de tensión temporal o permanente se puede dar por diferentes
factores, entre ellos los atmosféricos, las descargas electrostáticas, etc.
Otra causa puede ser la tensión de la red y estas ocurren por dos factores:
Modo regular entre los conductores a tierra.
Modo diferencial entre los conductores activos.
Fases desequilibradas
Un sistema trifásico se dice que está equilibrado cuando sus fases tienen una
amplitud de 120º entre cada una de ellas. Cuando la amplitud entre sus fases
es diferente de 120º se dice que está desequilibrado.
El desequilibrio se puede deber a la apertura de las fases, a la presencia de
cargas monofásicas próximas al motor o a la red de la misma.
Iván E. Landa Delgado, 2013 35
( ) ( ) [(
)] [(
)] (2.2)
Dónde:
El desequilibrio en las fases de alimentación genera una componente inversa
que crea fuertes corrientes rotóricas que calientan el rotor y acaban
provocando el sobrecalentamiento del motor.
Caída de tensión
Una caída de tensión es una pérdida de tensión en un punto de la red de
alimentación. Un corte de corta duración sucede cuando la tensión disminuye
por debajo del 90 % de la nominal por menos de 3 minutos; un corte de larga
duración sucede cuando se excede a los 3 minutos. En cuanto un microcorte
dura aproximadamente 1milisegundo.
Las caídas de tensión están generalmente causadas por factores externos (un
fallo en la alimentación, un cortocircuito, etc.) o factores relacionados con la
instalación en su misma conexión de cargas pesadas como grandes motores o
trasformadores pueden tener un efecto radical en el motor.
Fallos de funcionamiento
Arranque demasiado largo del motor
La fase de arranque del motor es el tiempo requerido por el mismo para
alcanzar la velocidad nominal de rotación. El tiempo de arranque en el motor
está en función del par de resistente y del par del motor.
Iván E. Landa Delgado, 2013 36
Dónde:
Debido a estas características un motor solo puede soportar un número
limitado de arranques por hora (especificaciones del fabricante) y se tiene un
cierto tiempo de arranque en función de la corriente de arranque.
Sobrecarga
Una sobrecarga en el motor es causada por un incremento del par resistente o
por una caída de tensión de alimentación 10% mayor a la tensión nominal. Por
el aumento en la corriente consumida por el motor trae consigo un incremento
en la temperatura o calentamiento, lo cual reducirá en gran medida la vida útil
del motor.
Bloqueo del rotor
El bloqueo en el rotor es una causa mecánica produce una sobrecorriente casi
igual a la de arranque. Durante el bloqueo el motor se sobrecalienta y las
pérdidas en el rotor se elevan al máximo, cuando esto sucede la refrigeración
se paraliza, dado que los motores funcionan con la rotación del motor.
Desalineación del motor
Esta es una falla del tipo mecánica, pero es causada por una mala instalación,
por ejemplo; el ensamblado impreciso de los componentes, la posición relativa
de los componentes sea altera después del montaje, etc.
En la Tabla 2.1 se clasifican las fallas más comunes que se pueden presentar
Iván E. Landa Delgado, 2013 37
Tabla 2.1 Clasificación de fallas.
2.1.2 Protección contra cortocircuito
La función primordial de un dispositivo de protección contra cortocircuito es la
de resguardar a los conductores, a los circuitos derivados del motor, los
Falla Causa Efecto Consecuencia
Cortocircuito Entre fases.
Fase-Neutro
Fase-Fase
Pico de corriente
Fatiga electrodinámica en
los conductores
Destrucción de los devanados Pico de tensión Descarga atmosférica Desconexión de carga
Destrucción del aislante en los
conductores
Destrucción de los devanados por perdida
de aislamiento
Desequilibrio de tensión
Apertura de fases
Carga monofásica
Incremento perdidas
Reducción del par disponible
Sobrecalentamiento
Caídas de tensión
Inestabilidad de red de alimentación
Reducción de par disponible
Incremento a perdidas
Sobrecalentamiento
Arranque de motor
Par resistente muy elevado
Caída de tensión
Incremento del tiempo arranque
Sobrecalentamiento
Bloqueo Problema
mecánico Sobrecorriente
Sobrecalentamiento
Sobrecarga
Caída de tensión
Incremento del par resistente
Mayor consumo de corriente
Sobrecalentamiento
Desalineación Problema mecánico
Mala instalación de equipo
Iván E. Landa Delgado, 2013 38
aparatos de control y al motor. Para esto se utilizan interruptores automáticos y
fusibles que se pueden colocar individuales o combinados.
Los fusibles son un dispositivo muy eficaz en cuanto a la protección debido a
que actúan con rapidez, limitando la energía disipada en cortocircuito.
Generalmente la protección se instala en la misma envolvente donde está el
medio de desconexión del motor.
Los interruptores termomagnéticos se componen de un elemento térmico y un
elemento magnético, el elemento térmico está formado por la unión de dos
elementos metálicos de diferente coeficiente de dilatación, el cual se calienta
con el paso de la corriente y se deforma, lo cual crea un cambio de posición
que sirve para disparar el interruptor de protección.
El elemento magnético está formado por una bobina cuyo núcleo es movible, el
cual dispara el mecanismo del interruptor. Dicho circuito se abre de manera
instantánea cuando ocurre un cortocircuito.
El elemento térmico opera cuando ocurre una sobrecarga, mientras que el
elemento magnético opera en el caso de un cortocircuito.
La mejor protección se obtiene con un dispositivo doble, fusible-interruptor. El
fusible protege contra cortocircuitos de gran intensidad, y el interruptor protege
contra sobrecargas y cortocircuitos con intensidad de valor moderado.
La capacidad de los fusibles e interruptores magnéticos se pueden seleccionar
de valores estandarizados que viene en la Tabla del anexo 4. “Es necesario
conocer la letra de código del motor”.
2.1.3 Protección contra sobrecarga
Las fallas más habituales en las maquinas son las sobrecargas, que se
manifiestan como una elevación de temperatura en el devanado del motor,
cuanto más alta sea la sobrecarga, más se incrementa la temperatura que
puede llegar a dañar los aislantes y el sistema de lubricación.
Iván E. Landa Delgado, 2013 39
sobrepasa el límite de funcionamiento, los aislantes se desgastan
prematuramente y se acorta su vida útil. Una correcta protección contra
sobrecargas es indispensable para: Optimizar la durabilidad de los motores,
impidiendo que trabajen en condiciones de calentamiento excesivo.
La protección contra sobrecargas se obtiene en los controladores conectando
elementos térmicos bimetálicos o elementos térmicos de aleación fusible en
serie con dos conductores del motor por lo menos hablando de los motores
trifásicos. Estos elementos al calentarse debido a la intensidad, actúan sobre
contactos que abren el circuito de la bobina excitadora de un contacto
electromagnético.
Éste tipo de dispositivo de protección contra sobrecargas son sensibles al
porcentaje de falla, es decir; una falla pequeña tardará un tiempo en disparar el
relevador mientras que una falla grande disparará instantáneamente el
relevador. Este sistema de protección no cubre al motor contra una posible falla
por cortocircuito, si esto sucede el relevador podría mantenerse atraído durante
el tiempo suficiente como para dañar el equipo o motor.
Para una correcta selección de dispositivos contra sobrecargas, es necesario
considerar la corriente nominal de funcionamiento y el factor de servicio
indicado por el fabricante (datos de placa del motor). En el caso de que los
dispositivos de protección del motor se disparen reiteradamente debe
verificarse la corriente que absorbe, a fin de determinar si el defecto se
encuentra en el dispositivo de protección o es el propio motor absorbe una
corriente excesiva.
Los relevadores de sobrecarga se pueden clasificar en térmicos y magnéticos,
los relevadores de sobrecarga magnética reaccionan únicamente a los excesos
de corriente y no son afectados por la temperatura. En cuanto los relevadores
de sobrecarga térmica operan por la elevación de temperatura causada por una
sobrecarga. Estos se pueden clasificar en relevadores de aleación fusible y
Iván E. Landa Delgado, 2013 40
A. Relevador térmico de sobrecarga de aleación fusible
En los relevadores térmicos de sobrecarga o relevadores de crisol soldadura, la
corriente del motor pasa por un pequeño devanado calefactor. Bajo
condiciones de sobrecarga, la temperatura aumenta causando que una
soldadura especial se funda y permita que la rueda de trinquete gire y abra los
contactos. En la Figura 2.1 se muestra a grandes rasgos como se encuentra
diseñado un relevador térmico de sobrecarga de aleación fusible.
Para obtener diversos valores de corriente de disparo a diferentes corrientes de
carga plena se dispone de un rango bastante amplio de diferentes unidades
térmicas. El elemento calefactor y el crisol de soldadura se encuentran
combinados en una sola pieza, formando una unidad inalterable. La
característica de transferencia de calor y la exactitud de la unidad no pueden
ser accidentalmente cambiadas, como puede ser posible cuando el calefactor
es un elemento separado los relevadores térmicos de aleación fusible se
restablecen manualmente.
Figura 2.1 Relevador térmico de sobrecarga de aleación fusible
B. Relevadores de sobrecarga bimetálicos
Los relevadores térmicos de sobrecarga bimetálicos se llaman así porque
emplean una tira bimetálica en forma de U, asociado con un elemento
Iván E. Landa Delgado, 2013 41
metálicas soldadas, de distinto coeficiente de dilatación. Dicha cinta se
encuentra fija a un extremo y con el otro libre de acción, mantiene normalmente
cerrados los contactos del circuito que alimenta la bobina del arrancador. La
mayoría de los relevadores pueden ajustarse entre un rango del 85 % y el
115% del valor nominal del calefactor.
Cuando circula corriente por el elemento calefactor, la cinta se calienta y por
sus características térmicas de sus dos laminas se curva por su extremo libre,
esto hace que se separen los circuitos auxiliares y el circuito de excitación de la
bobina queda interrumpido, los contactos principales se abren y hacen que el
motor se detenga.
Los relevadores de sobrecarga bimetálicos en el campo son convertibles,
pueden ser de reposición manual, automático o viceversa. En la reposición
automática después de haberse disparado el relevador, el dispositivo volverá a
cerrarse cuando se haya enfriado. Esto se utiliza comúnmente cuando los
relevadores se encuentran instalados en lugares de difícil acceso o incluso
inaccesible.
El restablecimiento automático no debería usarse con el control de dos hilos, ya
que cuando los relevadores de sobrecarga cierran los contactos después de un
disparo el motor puede volver a arrancar y en caso de que la sobrecarga aún
no se haya eliminado el relevador de carga se dispara nuevamente,
eventualmente este ciclo se estará repitiendo causando que el motor se queme
debido al calor acumulado.
C. Relevador magnético de sobrecarga
Un relevador magnético de sobrecarga tiene un núcleo móvil dentro de una
bobina, el relevador se conecta en serie con el motor. El flujo magnético de la
bobina empuja al núcleo hacia arriba, cuando el núcleo se eleva lo suficiente
(movimiento que es determinado por la corriente y la posición del núcleo) esto
opera unos contactos en la parte superior del relevador. El movimiento del
núcleo es detenido lentamente por un pistón que trabaja en un cilindro
Iván E. Landa Delgado, 2013 42
produce una característica de inversión de tiempo. El valor efectivo de la
corriente se ajusta moviendo el núcleo en una varilla roscada. El tiempo de
disparo varía dejando de cubrir los agujeros de derivación en el pistón.
El relevador de sobrecarga magnético se utiliza algunas veces para proteger a
los motores que tengan largos periodos de aceleración o ciclos de trabajo no
usuales.
2.1.4 Protección por pérdida de fase
Un motor eléctrico trifásico tiene una corriente muy similar en cada una de sus
fases, lo ideal sería que la corriente en cada una de estas fuese la misma pero
siempre se dan pequeñas perdidas que se pueden despreciar.
Una pérdida de fase se puede generar por las siguientes causas:
Pérdida en la red de subministro eléctrico.
Quemadura de un fusible.
Daño en el contactor del motor.
Apertura de uno de los conductores de alimentación del motor.
Cuando se sufre una pérdida de fase, el motor sigue funcionando, esta vez
como un sistema bifásico esto hará que pierda capacidad de potencia de
entrega y que las dos fases que continúan trabajando incrementen hasta un
75% la corriente y la potencia entregada por el motor disminuirá alrededor del
50 %, lo que puede producir un exceso de vibración, ruido fuera de lo normal, y
el factor más importante que es el incremento en la temperatura del motor.
Un motor se debe proteger adecuadamente contra las pérdidas de fase para
evitar daños en sus enrollamientos y en sus conductores ya que entre más
tiempo permanezca trabajando con una pérdida de fase más calor generara y
el motor corre el riesgo de quemarse.
En la mayoría de los casos, la sobrecorriente hará que se disparen las
unidades de sobrecarga, desconectando el motor de la línea y así evitando que
Iván E. Landa Delgado, 2013 43
trabajar con dos fases, sin que lleguen a actuar los dispositivos térmicos y se
quemen sus devanados por esto aunque se tenga un dispositivo doble siempre
se considera un tercer dispositivo para proteger al motor por una pérdida de
fase.
Para proteger al motor se utilizan relés de sobrecargas o disparador por
sobrecargas estos pueden ser de mínima tensión que se basan en si se pierde
una fase la tensión en esta será igual a cero y los de asimetría de las fases que
calculan la diferencia de potencia entre la línea de mayor y la de menor tensión.
Relevador de mínima tensión
Mide la diferencia de tensión entre las fases cuando existe una diferencia de
potencial entre alguna de ellas, se produce el disparo estos relés son
adecuados para la protección de las redes de distribución.
Relevador de asimetría de fases
Comparan las tensiones de las tres líneas, estás deben mantenerse en un
rango cuando alguna supera este valor se produce el disparo. De esta manera
es posible mejorar la protección del motor si existe una pérdida de fase.
Monitor de voltaje trifásico
En la actualidad se utilizan este tipo de dispositivos, puesto que ofrece las
siguientes funciones, supervisar las redes trifásicas en cuanto a la secuencia
de fase, falla de fase, desequilibrio de la fase y subtensión.
Este dispositivo trabaja bajo el principio de un circuito cerrado y pose una
fuente de poder interna, los rangos de ajustes manejados por Siemens en este
tipo de dispositivos son: 160-690, 110-115, 220 y 240. Y se ajustan mediante
Iván E. Landa Delgado, 2013 44
2.2 Componentes de circuito de control
2.2.1 Arrancadores magnéticos para el voltaje de la línea
En el control magnético se emplea energía electromagnética para cerrar sus
interruptores. Los arrancadores magnéticos para voltaje son dispositivos
electromecánicos y son un medio eficaz en el arranque y paro de motores.
Estos dispositivos se conectan directamente a la línea con el motor, pese a que
un motor conectado de esta forma alcanza al arranca una corriente elevada y
un par máximo. Se utiliza un arrancador debido a que un par alto de arranque
puede dañar las diferentes piezas del motor (engranes, coples, etc.)
Los arrancadores son muy utilizados en la industria, ya que son seguros y
económicos, pero su característica principal es que se pueden operar desde
puntos remotos. Generalmente se utilizan cuando se puede aplicar con
seguridad un torque de arranque a pleno voltaje a la maquina impulsada y
cuando no hay objeción a la oleada de corriente resultante del arranque a
través de la línea.
Los arrancadores magnéticos son controlados por medio de dispositivos pilotos
como pueden ser las estaciones de botones (local y remota), relevadores de
control de tiempo o interruptores de tipo flotador.
Los arrancadores magnéticos deben tener la capacidad de interrumpir el
circuito del motor, existen gran variedad de motores de diferentes capacidades
por ende los arrancadores magnéticos se fabrican en diferentes tamaños, cada
uno con determinada capacidad en caballos de fuerza. La tabla de tamaños de
controladores se muestra en el Anexo 5.
Los arrancadores de tres polos son para aplicaciones con motores que operan
para los sistemas trifásicos de corriente alterna. Los arrancadores de dos polos
se utilizan para motores monofásicos.
Para proteger a un motor contra sobrecalentamiento, se emplean relevadores
