Investigación:

Interruptores termo magnéticos y fusibles

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El interruptor termomagnético, llave térmica o breaker, es un dispositivo capaz de interrumpir la corriente eléctrica de un circuito cuando ésta sobrepasa ciertos valores

máximos.

La totalidad de los componentes internos quedan expuestos en su ubicación original:

Entre los que podemos identificar los principales: Dispositivo térmico, dispositivo magnético, cámara de extinción de arcos, palanca de accionamiento y borneras de conexión de conductores de entrada y salida.

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Funcionamiento

El funcionamiento de un interruptor termomagnético se basa en dos de los efectos producidos por la circulación de corriente eléctrica en un circuito: el magnético y el térmico (efecto Joule). El dispositivo consta, por tanto, de dos partes, un electroimán y una lámina bimetálica, conectadas en serie y por las que circula la corriente hacia la carga.

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Magnético

Al circular la corriente el electroimán crea una fuerza que, mediante un dispositivo mecánico adecuado, tiende a abrir un contacto, pero sólo podrá abrirlo si la intensidad I que circula por la carga sobrepasa el límite de intervención fijado. Este nivel de intervención suele estar comprendido entre 3 y 20 veces la intensidad nominal (la intensidad de diseño del interruptor termomagnético) y su actuación es de aproximadamente unas 25 milésimas de segundo, lo cual lo hace muy seguro por su velocidad de reacción. Esta es la parte destinada a la protección frente a los cortocircuitos, donde se produce un aumento muy rápido y elevado de corriente.

Térmico

La otra parte está constituida por una lámina bimetálica que, al calentarse por encima de un determinado límite por efecto de la corriente que circula por ella, sufre una deformación y pasa a una posición que activa el correspondiente dispositivo mecánico,

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provoca la apertura del contacto. Esta parte es la encargada de proteger de corrientes que, aunque son superiores a las permitidas por la instalación, no llegan al nivel de intervención del dispositivo magnético. Esta situación es típica de una sobrecarga, donde el consumo va aumentando conforme se eleva la corriente por conexión de aparatos o mal funcionamiento de los mismos.

 

Ambos dispositivos se complementan en su acción de protección, el magnético para los cortocircuitos y el térmico para las sobrecargas.

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Además de esta desconexión automática, el aparato está provisto de una palanca que permite la desconexión manual de la corriente y el rearme del dispositivo automático cuando se ha producido una desconexión. No obstante, este rearme no es posible si persisten las condiciones de sobrecarga o cortocircuito. Incluso volvería a saltar, aunque la palanca estuviese sujeta con el dedo, ya que utiliza un mecanismo independiente para desconectar la corriente y bajar la palanca

Los contactos disponen de una cámara apaga-chispas, que extingue arcos eléctricos durante el momento de apertura de estos por lo que reducen su deterioro.

Curvas de disparo

Una sobrecarga, caracterizada por un incremento paulatino de la corriente por encima de la In, puede deberse a una anomalía permanente que se empieza a manifestar (falla de aislación), también pueden ser transitorias (por ejemplo, corriente de arranque de

motores).

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Tanto cables como receptores están dimensionados para admitir una carga superior a la normal durante un tiempo determinado sin poner en riesgo sus características

aislantes.

Cuando la sobrecarga se manifiesta de manera violenta (varias veces la In) de manera instantánea estamos frente a un cortocircuito, el cual deberá aislarse rápidamente

para salvaguardar los bienes.

Un interruptor automático contiene dos protecciones independientes para garantizar:

1- Protección contra sobrecargas: Su característica de disparo es a tiempo dependiente o inverso, es decir que a mayor valor de corriente es menor el tiempo de actuación. 2- Protección contra cortocircuitos: Su característica de disparo es a tiempo independiente, es decir que a partir de cierto valor de corriente de falla la protección actúa, siempre en el mismo tiempo.

Las normas IEC 609 7- y 60898 fijan las características de disparo de las protecciones de los interruptores automáticos.

Curva B: Circuitos resistivos (para influencia de transitorios de arranque) o con gran longitud de cables hasta el receptor. Curva C: Cargas mixtas y motores normales en categoría AC (protección típica en el ámbito residencial). Curva D: Circuitos con transitorios fuertes, transformadores, capacitores, etc. Principales aplicaciones 

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Selección de un interruptor termomagnético

En la elección de un Interruptor Termomagnético debe tener presente, estas características:

Cierre rápido: Es la capacidad de los contactos del interruptor de cerrarse rápidamente, independiente de la velocidad de maniobra del operador. Evita el desgaste prematuro de los contactos.

Resistencia a los choques eléctricos: Es la aptitud de mantener la rigidez dieléctrica de sus contactos abiertos evitando la circulación de corriente hacia la carga provocada por sobretensiones transitorias (según onda 8/20us) que crean arcos eléctricos de corta duración y peligrosos. La variable medible es la tensión de impulso, se mide en kV y la norma IEC 60947-2 exige 4 kV.

Cámara de extinción de arco con limitación de la corriente de C.C. clase 3 según norma EN60898 (recomendado por el nuevo reglamento AEA en su ANEXO E) que permite el menor deterioro de la instalación sufrida por el shock calórico durante un cortocircuito.

Resistencia a los choques mecánicos: Su envolvente termoplástica flexible permite evitar quiebres y roturas del interruptor debido a condiciones severas de manipulación, hasta 30G (G: aceleración de gravedad). Por ejemplo, caída accidental del embalaje o el interruptor suelto mientras se está montando.

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La selectividad también puede ser:

- Cronométrica: esto es que al mismo valor de cortocircuito la apertura es más rápida en el IA más cercano al CC (corto circuito) y más lento en los instalados por arriba del mismo. Las curvas de disparo no deben superponerse en ningún punto.

- Amperimétrica: se realiza con las curvas de disparo teniendo en cuenta la capacidad de ruptura de los IA.

- Lógica: este sistema se aplica disponiendo de información entre relés.

Los Interruptores termomagnéticos vienen definidos por alguna (o todas) de las siguientes características:

- Intensidad nominal: corresponde a la intensidad en condiciones normales de funcionamiento y que además se utiliza para clasificarlos en el mercado. La norma UNE-60898 define la In hasta 125 A; 6,10,13,20,25,32,40,50,63,100 y 125 A, aunque dependiendo de las casas comerciales podemos encontrar por debajo de 6 A y superiores a 125 A, la consulta de catálogos es una de las mejores opciones para salir de dudas.

- Poder de corte (Icu): se llama poder de cortocircuito último y representa la corriente de cortocircuito que un IA puede verse precisado cortar. En cualquier instalación se debe cumplir: Icu tiene que ser mayor o igual a Icc (intensidad de corto circuito) trifásico de la red.

- Categoría de empleo: define la capacidad para obtener una selectividad mediante un retardo intencionado, existen dos tipos; el A que son los NO temporizados a la apertura y los B que sí lo están.

- Tensión nominal: se corresponde con el valor de tensión para el que ha sido previsto, que puede ser un valor concreto, por ejemplo 400 voltios o un margen de tensiones por ejemplo 200 a 690 voltios. Se debe, no obstante, hacer un apunte que existen IA que solamente pueden funcionar para CA (corriente alterna o CC (corriente continua) y existen otros que pueden funcionar para ambas clases de corriente y en caso que sean de CC hay que fijarse porque se debe tener en cuenta la polaridad.

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Fusible

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

El principio de funcionamiento del fusible es muy simple: se basa en intercalar un elemento más débil en el circuito, de manera tal que cuando la corriente alcance niveles que podrían dañar a los componentes del mismo, el fusible se funda e interrumpa la circulación de la corriente. Que el elemento fusible o eslabón débil del circuito alcance la fusión no implica necesariamente que se interrumpa la corriente, siendo esta diferencia la clave para entender la tecnología involucrada en el aparentemente simple fusible..

1−Borne 2 Arandela 3 Tubo auxiliar extinción de arco 4 Hilo fusible 5 Hilo filtro 6 Casquillo 7 Cable decobre estaño flexible 8 Aislador 9 Cerámira 10 Bobina 11 Juntura

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Están divididos en dos grandes grupos:1.- fusibles de baja tensión (600 V o menos) 2.- fusibles de alta tensión (mas de 600 V ) .

Hay tres tipos de fusibles. a) El tipo de cartucho o contacto de casquillo, es útil para las tensiones nominales

entre 250 y 600 , existen los de tipo fijo y recambiable. El tipo fijo mostradoen el esquema contiene polvo aislante ( talco o un adecuado aislante orgánico) redondeando el elemento fusible.

En caso de cortocircuito, el polvo tiene como misión:(1) enfriar el metal vaporizado, (2) absorber el vapor metálico condensado, y (3) extinguir el arco que pueda mantenerse en el vapor metálico conductor.

La presencia de este polvo es la que confiere al fusible su alto poder de ruptura en el caso de cortocircuitos bruscos.

b) El tipo tapón fusible, el cual funciona a la tensión nominal de 125 V, estando disponible en el comercio para bajas corrientes nominales de hasta 30 A. Estos fusibles poseen una base roscada y están proyectados para ser utilizados en arrancadores reducidos o en cajas de interruptores de seguridad a 125 V, en motores de pequeña corriente. Por regla general, los fusibles protegen contra los cortocircuitos mas bien que contra las sobrecargas

Se han efectuado ensayos para mejorar las características del fusible en las aplicaciones a los motores de forma que, con valores nominales inferiores, permitan protecciones contra sobrecargas y de cortocircuitos. Un tipo de fusible llamado fusible temporizado, que existe en los tipos de cuchillas, cartucho y tapón, proporciona un gran retardo en el caso de sobrecargas momentáneas o sostenidas antes de desconectar el circuito.

Estos fusibles contienen dos elementos en serie ( o paralelo ):(1) un elemento fusible estándar para la protección de cortocircuitos ( 25 a 50 veces la corriente normal) y(2) una disposición contra sobrecarga, o interruptor térmico de hasta cinco veces la corriente nominal que proporciona una característica de retardo de tiempo inverso.

La cualidad de tiempo inverso significa que, por ejemplo el circuito será conectado por este ultimo elemento en unos 3 minutos( a 5 veces la corriente nominal), hasta aproximadamente 10 segundos ( a unas 20 veces la corriente nominal), ya que el efecto térmico varia con el cuadrado de corriente.

Por tanto un fusible de valor nominal relativamente pequeño puede ser empleado para procurar la protección contra sobrecargas y sin llegar a desconectar el circuito durante los periodos de elevación transitoria de la corriente en el arranque o en el frenado. En el caso de cortocircuito, el elemento fusible estándar de acción instantánea interrumpeinmediatamente el circuito para evitar desperfectos.

Otro tipo aparte de fusible que ha sido fabricado, intenta mejorar la capacidad de limitación de corriente de estos dispositivos antes de que la corriente de cortocircuito alcance su máximo o un valor de régimen permanente.

Los fusibles de cartucho comunes poseen cierta capacidad de limitación de la corriente ya que interrumpen el circuito casi instantáneamente antes de que el cortocircuito

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tenga la oportunidad de existir y fundir o unir los contactos de los disyuntores o relés de máxima.

El fusible de potencia limitador de la corriente contiene elementos fusibles de aleación de plata rodeados por cuarzo en polvo. Por encima de 600V se emplean fusibles especiales de alta tensión que incluyen varios órganos para extinguir el arco que se podría mantener, particularmente a alta tensión, cuando el elemento fusible se vaporiza a causa de la corriente excesiva.

Los tipos de fusibles de alta tensión más comunes son:1.- el fusible de deionización con ácido bórico liquido.2.− el fusible de expulsión,3.− el fusible de material sólido

Combinación del fusible y del relé de sobrecargas

Aunque los propios fusibles presentan, naturalmente, la protección de cortocircuitos o de corriente máxima de ruptura, su protección contra sobrecargas esta algo limitada por las razones anteriormente citadas. Los relés de máxima están proyectados para funcionar desde el 110 al 250 por ciento de sobrecarga con corrientes máximas de ruptura de hasta 10 veces la corriente nominal. El tiempo de operación del relé de máxima varia inversamente con la corriente de sobrecarga.

FUSIBLES DE EXPULSIÓN

Hay varios tipos de fusibles, según sus características constructivas y los valores nominales y de falla que manejan:

Fusibles tipo K son llamados fusibles con elemento rápido. Tienen relación de velocidad* que varía de 6 para regímenes de 6 amperios y 8 para los de 200 amperios; Fusibles tipo T son fusibles con elemento lento. Su relación de velocidad es, para los mismos regímenes, 10 y 13, respectivamente; Fusibles tipo H son llamados fusibles de elemento extra rápido. Las relaciones de velocidad son 4 y 6.

Fusibles tipo DUAL son fusibles extra lentos, cuya relación de velocidad es de 13 y 20 (para 0.4 y 21 amperios, respectivamente).· *relación de velocidad es la relación entre la corriente de fusión a 0.1 segundos y la de 300 segundos. (Para fusibles de capacidad mayor a 100 amperios, se toma el valor de 600 segundos.)

Los tipos K y T han sido preferidos por el sector eléctrico durante más de 20 años debido a su intercambiabilidad mecánica y eléctrica. Sin embargo, esta longevidad ha sido contrastada con la introducción de los fusibles tipo DUAL SLOW−RAPID ®, los cuales reportan grandes beneficios no sólo a la protección de la red sino también en el máximo provecho de la capacidad de los transformadores de distribución donde son instalados. Los fusibles tipo K y T son normalizados según las normas ANSIC 3742 y los fusibles tipo DUAL y tipo H bajo la norma NEMA SG2 − 1986.

Fusible convencional versus fusible Dual

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Las conclusiones que se pueden sacar del análisis de las características de transformadores y de fusibles convencionales** son sorprendentes: para la protección completa del sistema se requieren 2 fusibles: uno para el transformador y otro para el sistema.

La solución es un fusible tipo DUAL, llamado así porque en el mismo elemento se encuentran reunidas la protección contra cortos y sobrecargas, con la ventaja de no subutilizar la capacidad del transformador. El eslabón fusible DUAL presenta la mejor característica tiempo−corriente de todos los fusibles desarrollados hasta hoy. Además de permitir el uso máximo del transformador en su capacidad de sobrecarga, la construcción del fusible DUAL asegura la remoción inmediata del circuito en caso de falla del transformador o un daño esporádico. Por eso se recomienda el uso de los fusibles duales con el fin de obtener la mejor protección, evitar salidas innecesarias y poder sobrecargar el transformador a su máxima capacidad.

Fusibles de retardo de tiempo

The time-delay, or "slow blow", fuses were developed for situations where acceptable momentary overloads are encountered, such as starting a motor. Estos fusibles fueron

desarrollados para situaciones en las que aceptable sobrecargas momentáneas, las cuales se encuentran, como el inicio de un motor. As the name implies, this type of fuse will carry an overload several times the normal load for a short period of time without blowing. Como su nombre lo indica, este tipo de fusible lleva a una sobrecarga de varias veces la carga normal durante un período corto de tiempo sin romperse.

The time-delay fuse has two elements.

El fusible de retraso de tiempo tiene dos elementos. In addition to the "burn out" link of the ordinary fuse, there is a short connector with a spring attached. Además del "burn out" vínculo de la mecha ordinaria, existe un conector de corto con un resorte unido. The connector is held in place by low melting point solder. El conector está en su lugar por la soldadura de bajo punto de fusión. With momentary overloads of 100 to 200 percent of the fuse rating, neither element is affected. Con sobrecarga momentánea de 100 a 200 por ciento de la capacidad de los fusibles, ni el elemento se ve afectado.

But with a continuous overload, heat builds up in the fuse to a point where the solder melts, releasing the spring which opens the contact.Pero con una sobrecarga continua, el calor se acumula en el fusible a un punto en que la soldadura se derrite, la liberación que se abre el contacto. If there is a short circuit, the "burn out link" melts just as in an ordinary fuse. Si hay un corto circuito, el "agotamiento" del vínculo se derrite al igual que en un fusible de corriente.

Fusibles sin retardo de tiempo.

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Fusibles de acción rápida : Los fusibles de acción rápida (en algunos casos llamados de operación normal) no tienen intencionalmente demora en su acción. El tiempo de apertura típica de estos fusibles es de 500% el valor de operación normal de corriente en un rango de periodo de tiempo entre 0.05 Y 2 segundos.

Los fusibles de acción rápida son de aplicación en cargas no inductivas, tales como la iluminación incandescente y alimentadores de uso general en cargas resistivas o en circuitos principales con pequeñas cargas no inductivas.

Cuando debamos utilizar este tipo de fusibles en la aplicación de protección de motores se deberá elevar de un 200 a 300 % el valor de la corriente de operación normal, para prevenir que el fusible se abra en corrientes de. En este caso los fusibles solo prevén protección de cortocircuito solamente. Para protección de sobrecargas debemos utilizar los dispositivos apropiados.

Fusibles de acción extremadamente rápidos: El principal uso de estos fusibles es en al protección de componentes electrónicos de estado solido, tales como : semiconductores (diodos, tiristores, semipacks, etc.) su especial característica, es de responder en forma rápida a problemas de sobrecarga, con muy bajo pico de corriente, corriente de pico y trasientes de voltaje proveen protección de los componentes que no pueden aislar voltaje de línea, bajos valores de sobrecarga y corrientes de corto circuito.

Fuentes:

www.afinidadelectrica.com

www.wikipedia.com

 

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