Generalidades

Este manual tcnico de Proteccin de Motores es otra publicacin sobre eltema Control de Motores.

Con la ayuda de estos fundamentos, los cuales se publican a intervalosregulares, el usuario poseer unas bases de trabajo crecientes en lo concernienteal funcionamiento y manejo, necesarios en el diseo y aplicacin de losaccionamientos y su automatizacin.

Los temas tratados incluyen:

Arranque de Motores Seleccin y Operacin del Circuito de Control Comunicaciones.

En la actualidad ya se han publicado los siguientes manuales:

Motores Trifsicos de Induccin - informa sobre la estructura, modos,seleccin y dimensionado de motores Fundamentos de los Interruptores Automticos de Potencia - informacinadicional para la utilizacin prctica de los Interruptores Automticos dePotencia.

En cualquier proceso de la industria moderna podemos encontrar motoreselctricos.

La ptima utilizacin de los circuitos de accionamiento est acrecentando suimportancia a la hora de asegurar la rentabilidad de las operaciones. El Controlde Motores de Rockwell Automation le ayudar a:

optimizar el uso de sus sistemas reducir los costes de mantenimiento incrementar la seguridad de las operaciones.

Sera nuestra satisfaccin que nuestras publicaciones sean de ayuda para Ud. enla bsqueda de soluciones econmicas y eficaces para sus aplicaciones.

Copyright 1997, Rockwell Automation AGToda la informacin proporcionada representa el nivel actual de tecnologa disponible y no poseecarcter contractual.

Tabla de contenido

1 Necesidad de la proteccin de motores 1.12 Los requisitos de proteccin de un motor 2.1

2.1 Incremento de la Temperatura 2.12.1.1 Comportamiento operacional 2.12.1.2 Limitacin de la temperatura y clases de aislamientos 2.32.1.3 Envejecimiento del Aislamiento 2.42.1.4 Lmites de respuesta 2.52.1.5 Fallo fase 2.62.1.6 Asimetra en la red 2.82.1.7 Defectos a tierra 2.92.1.8 Cortocircuitos 2.9

3 Los requerimientos de proteccin del sistema 3.1

3.1 Bloqueos 3.13.2 Subcarga 3.13.3 Rotacin incorrecta 3.13.4 Motores en reas con riesgo de explosin 3.13.4.1 Tipo de proteccin contra ignicin y seguridad incrementada EEx e 3.13.4.2 Importancia del tiempo tE 3.2

4 Medidas de proteccin 4.1

5 Medidas de proteccin dependientes 5.1 de la temperatura

5.1 Problemas de aplicacin 5.15.1.1 Aplicaciones 5.15.1.2 Inercia trmica 5.15.2 Sensores bimetlicos en el bobinado 5.25.3 Sensores PTC 5.35.4 Sensores lineales de temperatura 5.4

6 Proteccin dependiente de la corriente 6.1

6.1 Funcin 6.16.2 Caractersticas del dispositivo 6.16.2.1 Funcionamiento a rgimen constante 6.16.2.2 Funcionamiento intermitente 6.26.3 Principio de proteccin bimetlica 6.36.3.1 Funcin 6.36.3.2 Resistencia de cortocircuito 6.56.3.3 Operacin monofsica 6.56.3.4 Fallo de fases 6.56.3.5 Tiempo de recuperacin 6.76.3.6 Ajuste de corriente 6.86.3.7 Disparo Libre 6.96.4 Proteccin de motores durante el arranque 6.9 en condiciones difciles6.5 Proteccin de motores en reas peligrosas 6.106.6 Proteccin electrnica de motores 6.106.6.1 Proteccin contra sobrecargas 6.116.6.1.1 Modelos de simulacin trmica 6.116.6.1.2 Ajuste de corriente 6.126.6.1.3 Ajuste de la temporizacin del disparo 6.136.6.2 Funciones especiales de proteccin de motores 6.146.6.2.1 Fallo de fases 6.146.6.2.2 Asimetra 6.146.6.2.3 Derivaciones a tierra 6.15 Derivaciones a tierra utilizando el mtodo Holmgreen 6.15 (redes crticas con tierra) Derivaciones a tierra utilizando transformadores 6.16 acumuladores de corriente Proteccin contra prdidas en redes de media tensin 6.166.6.2.4 Proteccin contra cortocircuitos en los motores de media tensin 6.216.6.3 Funciones de proteccin del sistema 6.226.6.3.1 Sobrecargas elevadas y bloqueos 6.226.6.3.2 Subcargas 6.236.6.3.3 Proteccin contra rotacin incorrecta 6.246.6.3.4 Control del tiempo de arranque 6.246.6.3.5 Bloqueos durante el arranque 6.256.6.4 Funciones de control 6.266.6.4.1 Pre-alarmas 6.266.6.4.2 Control de la carga 6.266.6.4.3 Seguro de rearranque 6.266.6.4.4 Conmutacin estrella tringulo 6.276.6.4.5 Arranque en caliente 6.286.6.4.6 Posibilidades de comunicacin 6.29

6.6.5 Aplicaciones de sobrecargas electrnicas de motores 6.296.6.5.1 Motores de baja inercia trmica 6.296.6.5.2 Motores de alta inercia trmica 6.306.6.5.3 Motores de rotor crtico 6.306.6.5.4 Motores de media tensin 6.306.6.5.5 Motores de anillos rozantes 6.316.6.5.6 Motores multi - etapa 6.316.6.5.7 Motores controlados por convertidor de frecuencia 6.326.6.5.8 Arranque suave o esttico 6.326.6.5.9 Motores con ventilacin remota 6.336.6.5.10 Temperatura ambiente incrementada 6.336.6.5.11 Motores en zonas peligrosas 6.336.6.5.12 Proteccin de motores compensados 6.347 Seleccin de la sobrecarga del 7.1 motor adecuada7.1 Seleccin dependiente de la aplicacin 7.27.2 Seleccin en funcin del motor y del dispositivo 7.37.3 Seleccin dependiendo de las condiciones ambientales 7.47.4 Seleccin de acuerdo con los criterios de control de motores 7.5

1 Necesidad de la proteccin de motoresEs asumible que los dispositivos motrices que han sido adecuadamenteplanificados, dimensionados, instalados, operados y mantenidos no han de sufriraveras. En la vida real, sin embargo, dichas condiciones rayan en lo ideal. Lafrecuencia de averas de los diferentes motores difiere, puesto que depende delas diferentes condiciones especficas de funcionamiento.Las estadsticas nos muestran que es de esperar unos intervalos de paradasanuales entre el 0,5...4%. La mayora de los problemas son debidos asobrecargas. Los fallos en el aislamiento de los conductores, defectos a tierra,cortocircuitos entre espiras o cortocircuitos en el bobinado, son debidos a unatensin excesiva, o tambin a la contaminacin por humedad, aceite, grasa,polvo o productos qumicos.

El porcentaje aproximado de cada una de estas causas individuales es de:

sobrecarga 30% daos del aislamiento 20% fallos de fases 14% daos en cojinetes 13% envejecimiento 10% daos en el rotor 5% otros 8%

Por lo tanto, se han de observar los siguientes puntos para garantizar un trabajolibre de averas por parte de un dispositivo motriz elctrico:

Diseo adecuado: se ha de seleccionar el motor adecuado a cada aplicacin. Operacin profesional: la instalacin profesional y el mantenimiento regular son condiciones previas para una operacin libre de averas. Adecuada proteccin del motor: sta ha de cubrir todas las posibles reas de problemas.- No se disparar antes de que el motor se encuentre en situacin de riesgo.- Cuando dicha situacin se d, el dispositivo de proteccin se activar antes de que se produzca cualquier tipo de dao.- Si el dao es imprevisible, el dispositivo de proteccin se activar rpidamente para restringir al mximo la extensin de los daos.

La Tabla 1.2.1 representa un sumario de las causas de avera ms frecuentes enmotores, su extensin y los posibles daos causados.

2 Requisitos de proteccin del motor

2.1 Incremento de la TemperaturaDe acuerdo con las normas aplicables, todos los fabricantes de motoresgarantizan que las partes crticas de la mquina permanecen dentro del rango detemperaturas permisibles durante la operacin en las condiciones especificadasy que las sobrecargas de corta duracin no daan el motor.El dispositivo de proteccin del motor, por un lado, ha de permitir la plenautilizacin de ste y, por tanto, el funcionamiento eficaz de dicho motor, y, porotro lado, ha de ser capaz de reaccionar lo suficientemente rpido en caso desobrecarga.

2.1.1 Comportamiento operacionalLos motores elctricos son transformadores de energa. Absorben energaelctrica y la transforman en energa mecnica. Dicho proceso produce prdidasde energa, que se manifiestan en forma de calor. Las prdidas totales de energase dividen en dos componentes:

Prdidas independientes de la corriente: son prcticamente constantes, lo que significa que tambin se dan cuando no hay carga.- prdidas del ncleo causadas por los cambios de polaridad y las corrientes de histresis- prdidas mecnicas a causa del rozamiento y de la friccin con el aire Prdidas dependientes de la corriente: se incrementan con la carga, p. ej. con la corriente incrementada.- prdidas I2R en el estator- prdidas I2R en el rotor

La prdida de potencia se incrementa aproximadamente en proporcin alcuadrado de la corriente. Esto ltimo es, al menos, proporcional aldeslizamiento del motor. De acuerdo con la Figura 2.2.1, para un rotor estticoo bloqueado, la mxima corriente de arranque en el estator es de 4...8 In. Toda lapotencia de entrada se transforma en calor. Si el rotor permanece bloqueado latemperatura de los bobinados de ambos, rotor y estator, se incrementaconsiderablemente, pues slo se disipa parte del calor por la carcasa y esto conretraso. Si el motor no se desconecta a tiempo, los bobinados del rotor y delestator se pueden quemar.

Las prdidas por calor generado se reducen con el incremento de la velocidad.Despus del arranque la temperatura se incrementa siguiendo una leyexponencial, segn se muestra en la Figura 2.2.2, hasta alcanzar el nivel detemperatura final. Para cargas ms elevadas, la temperatura final sercorrespondientemente ms elevada.

Fig. 2.2.2 Incremento de la Temperatura en el bobinado del motor Debido a la elevada corriente de arranque IA, la temperatura del bobinado se incrementa durante el intervalo de arranque tA muy rpidamente. Despus del arranque, la temperatura cae temporalmente, puesto que el calor es transferido al cuerpo del motor. Si el rotor permanece bloqueado, los bobinados alcanzarn su lmite de temperatura muy rpidamente.

Los motores elctricos son sistemas no homogneos, trmicamente hablando.Los bobinados, el hierro del estator y del rotor poseen una capacidad y unaconductividad trmicas diferentes. Una vez arrancado y durante las variacionesde carga, se lleva a cabo una compensacin de la temperatura entre lasdiferentes partes de la mquina. El calor fluye desde el bobinado caliente haciael hierro ms fro, hasta que se logra el equilibrio de temperatura.

2.1.2 Limitacin de temperatura y tipos de aislamientoLas temperaturas limitadas del bobinado y, por tanto, la carga permisible delmotor vienen determinadas, ante todo, por el aislamiento del bobinado. Lasrecomendaciones IEC para mquinas elctricas (IEC 34-1 e IEC 85), as comola Regulacin VDE 0530 Parte 1, aparecen listadas en la Tabla 2.3.1. Existe unadiferencia entre:

Temperatura mxima del refrigerante: el motor puede entregar su potencia nominal a dicha temperatura. Temperatura lmite en K es el valor medio de las mediciones de resistencia. La temperatura del bobinado es la suma de la temperatura del refrigerante y del calentamiento del bobinado. Si la temperatura del refrigerante est por debajo de 40 C, se puede incrementar la carga del motor. Si pasa de 40 C, la carga se deber reducir. Temperatura mxima permanente permisible en C para el punto ms clido del bobinado.

La Temperatura mxima constante permisible de los materiales de aislamientoindividuales se compone de la temperatura del refrigerante, la temperatura porencima del lmite y la tolerancia en el calentamiento. Este ltimo es un factor deseguridad, debido a que la medicin de temperatura por medio de resistenciahmica no establece el punto ms clido del bobinado.

Los motores con aislamiento especialmente resistente al calor se fabrican paratemperaturas ambientales elevadas. Estas mquinas tambin pueden lograrentregar su potencia nominal con elevadas temperaturas del refrigerante.

Con mucho, el tipo de refrigeracin mas ampliamente distribuido es laautoventilacin, utilizando el aire ambiental. Utilizando un ventilador montadoen el propio eje, los motores autorefrigerados hacen circular una corriente deaire a travs del motor. Esto significa que el refrigerante - aire - posee la mismatemperatura que el rea inmediatamente alrededor del motor. La capacidad deenfriamiento depende de la velocidad del motor.

Debido a su sencilla estructura (sin aislamiento), los rotores normales de jaulade ardilla no poseen una temperatura crtica. Por ello, es permisible quealcancen temperaturas superiores de forma constante.

Pueden existir problemas durante el arranque de motores de media tensin y detamaos mayores de baja tensin, puesto que el valor de las prdidas puedelimitar el intervalo de arranque. Dicho intervalo, junto con el intervalo debloqueo permisible, estn, por todo ello, limitados por la capacidad decalentamiento del rotor. Estos motores se denominan de rotor crtico. Elincremento elevado de la temperatura puede dar lugar a tensiones mecnicas yprovocar el desoldado de los elementos cilndricos que componen el rotor.

Para los motores con tipo de proteccin proteccin incrementada - EEx e, elincremento de temperatura puede causar una ignicin.

2.1.3 Envejecimiento del aislamiento

Si el lmite de temperatura es conforme al del aislamiento, el periodo de vida delbobinado para todos los tipos de aislamiento se puede estimar en 100.000 h. Estevalor corresponde, aproximadamente, a 12 aos de operacin continua a lapotencia nominal. El envejecimiento del aislamiento es un proceso qumico, elcual es altamente dependiente de la temperatura, como se muestra en la Fig. 2.4.1.Debido al calentamiento, parte del material aislante se evapora, lo que se traduceen un incremento de la porosidad y, como resultado final, una reduccin de laresistencia a la tensin. Se puede aplicar la siguiente regla: si la temperatura detrabajo es superior a la mxima temperatura permisible en un valor de 10K elperiodo de vida se reduce a la mitad. Las temperaturas excesivamente elevadasdurante intervalos cortos no producen un impacto considerable en el periodo devida del motor. La temperatura de trabajo continua, sin embargo, no ha de excederel mximo valor permisible.

http://www.infoplc.net/files/documentacion/motion_control/infoplc_net_icg_wp001_es_p.pdf