Protecciòn Elèctrica

Ingeniería Mecánica

Elementos de Maniobra y Protección

Automatización

10 February 2009 Automatización 2

DefinicionesAparamenta Eléctrica

Conjunto de aparatos de maniobra, protección, medida, regulación y control (incluidos los accesorios de las canalizaciones eléctricas), utilizados en instalaciones eléctricas. El fabricante, los criterios de diseño y la normativa vigente definen cuales deben ser los valores nominales para las distintas magnitudes de cada aparato

Conjunto de aparatos de maniobra, protección, medida, regulación y control (incluidos los accesorios de las canalizaciones eléctricas), utilizados en instalaciones eléctricas. El fabricante, los criterios de diseño y la normativa vigente definen cuales deben ser los valores nominales para las distintas magnitudes de cada aparato

Tensión Nominal

Máxima tensión asignada por el fabricante para el material del que está construido el dispositivo. Suele estar ligada al aislamiento.

Máxima tensión asignada por el fabricante para el material del que está construido el dispositivo. Suele estar ligada al aislamiento.

Corriente Nominal Máxima corriente que se puede mantener de forma indefinida sin que supere la máxima temperatura establecida en las normas, ni se produzca ningún tipo de deterioro.

Máxima corriente que se puede mantener de forma indefinida sin que supere la máxima temperatura establecida en las normas, ni se produzca ningún tipo de deterioro.


DefinicionesMáxima Intensidad Térmica Máxima corriente que puede circular por un dispositivo durante un tiempo prolongado (especificado por el fabricante) sin producir calentamiento excesivo que genere daños.

Máxima corriente que puede circular por un dispositivo durante un tiempo prolongado (especificado por el fabricante) sin producir calentamiento excesivo que genere daños.

Máxima Corriente de Sobrecarga Valor máximo de la corriente que se puede soportar durante Valor máximo de la corriente que se puede soportar durante una sobrecarga. Este valor debe ir asociado al tiempo de una sobrecarga. Este valor debe ir asociado al tiempo de duración de la sobrecarga.duración de la sobrecarga.

Valor máximo de la corriente que se puede soportar durante Valor máximo de la corriente que se puede soportar durante una sobrecarga. Este valor debe ir asociado al tiempo de una sobrecarga. Este valor debe ir asociado al tiempo de duración de la sobrecarga.duración de la sobrecarga.

Nivel de Aislamiento Capacidad del aparato para soportar sobretensiones Capacidad del aparato para soportar sobretensiones temporales (defectos a tierra,…) o transitorias (maniobrastemporales (defectos a tierra,…) o transitorias (maniobras de interrupción, rayos cercanos,…)de interrupción, rayos cercanos,…)

Capacidad del aparato para soportar sobretensiones Capacidad del aparato para soportar sobretensiones temporales (defectos a tierra,…) o transitorias (maniobrastemporales (defectos a tierra,…) o transitorias (maniobras de interrupción, rayos cercanos,…)de interrupción, rayos cercanos,…)


Calentamiento: la aparamenta eléctrica está sometida al calentamiento derivado del efecto Joule y de las pérdidas causadas por efectos magnéticos (corrientes parásitas) y pérdidas en los aislantes (pérdidas dieléctricas).

Aislamiento: la aparamenta eléctrica padece los problemas derivados de la influencia del medio ambiente, las alteraciones producidas por el tiempo y las sobretensiones.

Esfuerzos mecánicos: el problema de los esfuerzos mecánicos tiene su origen en las fuerzas electrodinámicas que se manifiestan entre conductores próximos cuando son recorridos por corrientes eléctricas y en las dilataciones que experimentan al calentarse.

Definiciones


Definiciones

Poder de Cierre

Máximo valor de la intensidad sobre la que puede cerrar Máximo valor de la intensidad sobre la que puede cerrar correctamente un interruptor, contactor o relé.correctamente un interruptor, contactor o relé.

Máximo valor de la intensidad sobre la que puede cerrar Máximo valor de la intensidad sobre la que puede cerrar correctamente un interruptor, contactor o relé.correctamente un interruptor, contactor o relé.

Poder de Corte o Capacidad de Ruptura

Máximo valor de la intensidad que un interruptor, Máximo valor de la intensidad que un interruptor, contactor,contactor, relé o fusible es capaz de interrumpir sin sufrir daños.relé o fusible es capaz de interrumpir sin sufrir daños.

Máximo valor de la intensidad que un interruptor, Máximo valor de la intensidad que un interruptor, contactor,contactor, relé o fusible es capaz de interrumpir sin sufrir daños.relé o fusible es capaz de interrumpir sin sufrir daños.


Alimentación EléctricaAlimentación Eléctrica

DetecciónDetección

Mando deMando de

PotenciaPotencia

DIÁLOGO HUMANO-DIÁLOGO HUMANO-MÁQUINAMÁQUINA

Conductores que transmiten la Conductores que transmiten la energía eléctrica a los energía eléctrica a los receptoresreceptores

Receptores: elementos que Receptores: elementos que se alimentan con la se alimentan con la potencia de la red potencia de la red

(Maquina o instalación)(Maquina o instalación)

Elementos de maniobra que Elementos de maniobra que permiten conectar, desconectar y permiten conectar, desconectar y alterar el funcionamiento de los alterar el funcionamiento de los

receptoresreceptores

Elementos de Elementos de controlcontrol

ProtecciónProtección

Elementos de una instalación eléctrica


Aparatos de maniobra

Objetivo:Objetivo: establecer o interrumpir la corriente en establecer o interrumpir la corriente en uno o varios circuitos bajo las condiciones previstas uno o varios circuitos bajo las condiciones previstas de servicio sin daños para el dispositivo de de servicio sin daños para el dispositivo de maniobra y sin perturbar el funcionamiento de la maniobra y sin perturbar el funcionamiento de la instalación.instalación.

Aplicación:Aplicación: conexión y desconexión de conexión y desconexión de consumidores. Revisiones periódicas de la consumidores. Revisiones periódicas de la instalación y los elementos del sistema.instalación y los elementos del sistema.

Dispositivos de maniobra:Dispositivos de maniobra:Seccionador (maniobras en vacío)Seccionador (maniobras en vacío)

Interruptor (maniobras en carga)Interruptor (maniobras en carga)

Contactor (maniobras en carga)Contactor (maniobras en carga)


Aparatos de Maniobra

Contactores Con poder de corte Interruptores (Automáticos) Disyuntores Aparatos de Interruptores Maniobra Sin poder de corte Pulsadores

(Manuales) Seccionadores Contra Fusibles Aparatos Cortocircuito Relés Magnéticos de Protección Contra Relés térmicos Sobrecargas Relés termomagnéticos



Elementos empleados en Elementos empleados en controles y automatismoscontroles y automatismos


Aparatos de Maniobra:

•Dispositivo mecánico de conexión que garantiza, en posición abierto, una distancia de seccionamiento que satisface unas determinadas condiciones de aislamiento.

•El seccionador SÓLO es capaz de abrir o cerrar el circuito cuando la corriente es despreciable o no hay diferencia de potencial entre sus contactos.

•Las condiciones DE AISLAMIENTO que debe satisfacer se refieren a la capacidad de soportar determinados valores de las tensiones tipo rayo y de maniobra.

DefiniciónDefinición

CaracterísticasCaracterísticas

•NO TIENE PODER DE CIERRE NI DE CORTE: debe trabajar sin carga. Debe garantizar la desconexión de la instalación cuando se realizan trabajos sobre ella.

Seccionadores



• Tienen ÚNICAMENTE dos estados: abierto o cerrado.

• Están constituidos por un conjunto de cuchillas y de elementos aislantes.

Características (cont.)Características (cont.)

• Son dispositivos de seguridad que indican claramente la posición de sus contactos para mostrar si la instalación está o no conectada.

• Se accionan manualmente, y la velocidad de maniobra es la que le

imparte el operador. A veces vienen provistos de resortes.

• Si se operan bajo carga, pueden destruirse (excepto en equipos especiales diseñados para operar bajo carga).

Seccionadores


Seccionadores

Cuchillas

Muelle

Seccionador de cuchillas


Seccionadores

SIMBOLOGÍA

Simbología IEC

2

SeccionadorPorta Fusible

1


Seccionadores

Es un dispositivo de control de operación, generalmente manual, aunque en algunos casos se le puede añadir elementos para control local o remoto. Los seccionadores operan en vacío.

SIMBOLOGÍA

Tripolar Tripolar con Fusible

IEC



Seccionador de alta Seccionador de alta tensióntensión

Seccionadores debaja tensión

Seccionadores







Elementos empleados en Elementos empleados en controles y automatismoscontroles y automatismos



Aparato mecánico de conexión capaz de Aparato mecánico de conexión capaz de establecer, soportar e interrumpir la corriente del establecer, soportar e interrumpir la corriente del circuito en condiciones normales y en condiciones circuito en condiciones normales y en condiciones de falla automáticamente (cortocircuito).de falla automáticamente (cortocircuito).

Definición: interruptor , disyuntor o “Breaker”Definición: interruptor , disyuntor o “Breaker”

Interruptores



Interruptores de mando y parada de emergencia Interruptores de mando y parada de emergencia SON APARATOS DE MANIOBRA SIN PODER DE SON APARATOS DE MANIOBRA SIN PODER DE

CORTECORTE

Interruptores automáticoso disyuntores

SON APARATOS DEMANIOBRA CON PODER

DE CORTE

Interruptores



Simbología de un interruptor automático Simbología de un interruptor automático

InterruptorTripolar

1 3 5

IEC NEMA

2 4 6 T1 T2 T3

L1 L2 L3







Elementos empleados en Elementos empleados en Controles y automatismosControles y automatismos


EL Contactor

Es un interruptor accionado a distancia por medio de un electroimán.

Definición

Cuando la bobina del electroimán es alimentada,el contactor se cierra estableciéndose, por intermedio de sus polos, una conexión entre la red de alimentación y el dispositivo controlado (motor, máquina, etc.).


• Electromagnéticos:Electromagnéticos: la fuerza necesaria para cerrar el la fuerza necesaria para cerrar el

circuito proviene de un electroimán.circuito proviene de un electroimán.

• Neumáticos:Neumáticos: La fuerza para efectuar la conexión proviene La fuerza para efectuar la conexión proviene de un circuito de aire comprimido.de un circuito de aire comprimido.

• Electro neumáticos:Electro neumáticos: muy similar al anterior: el circuito de muy similar al anterior: el circuito de aire comprimido está gobernado por electroválvulas.aire comprimido está gobernado por electroválvulas.

• Contactor con retención:Contactor con retención: es aquel en el que dispone de un es aquel en el que dispone de un sistema de retención que impide que el contactor retorne a sistema de retención que impide que el contactor retorne a su posición de reposo cuando se deja de alimentar. su posición de reposo cuando se deja de alimentar.

La retención y liberación para recuperar la posición de La retención y liberación para recuperar la posición de reposo pueden ser mecánicas, magnéticas, eléctricas, reposo pueden ser mecánicas, magnéticas, eléctricas, neumáticas, etc.neumáticas, etc.

TIPOS DE CONTACTORESTIPOS DE CONTACTORES

EL Contactor


Arquitectura

CARCASABobina

Circuito EM NúcleoArmadura

CONTACTORPrincipales

ContactosAuxiliares (NO, NC)

EL Contactor


Bobina

ARMADURANÚCLEO

Contactos fijos

ContactosMóviles

Arquitectura

EL Contactor


Soporte fabricado de material aislante (baquelita, fibra de vidrio,…) sobre el que se fijan todos los componentes conductores del contactor.

La Carcasa

Circuito Electromagnético-A- Bobina

Arrollamiento de cobre para generar par electromagnético que venza al par mecánico de los resortes.

Al alimentarse la bobina con AC tenemos una corriente elevada denominada corriente de llamada corriente de llamada y al juntarse núcleo y armadura se obtiene una corriente de corriente de mantenimientomantenimiento que es de 6 a 10 menor que la corriente de llamada.

Cuando se energiza la bobina en DC la corriente de llamada es igual a la corriente de mantenimientoBobinas comerciales:

- AC: 24 VAC a 600 VAC- DC: 12 VDC a 600 VDC

EL Contactor


Circuito Electromagnético (cont.)Símbolo de la bobina

-B- Núcleo Es una parte metálica de material ferromagnético (en forma de E ) que va fija en la carcasa.

Es un amplificador del flujo magnético de la bobina.

Se construye de láminas de acero delgadas, aisladas, para disminuir las corrientes parásitas (Foucault) y con Acero de grano orientado y un % de Silicio para disminuir las perdidas por histéresis.

En servicio AC se dispone de Espiras de Fraga o de sombra para evitar que la fuerza magnética en cada ciclo pase por cero.

B M

IEC NEMAA1

A2

KM1

ó

EL Contactor


Circuito Electromagnético (cont.)

-C- Armadura

Es un elemento móvil, similar al núcleo, pero sin espiras de sombra.

En estado de reposo se mantiene separado del núcleo por unos resortes. Al energizarse la bobina, la armadura es atraída hacia el núcleo, cerrándose así el circuito magnético.

El espacio entre el núcleo y la armadura se llama ENTREHIERRO.

El movimiento de la armadura se aprovecha para el cierre o apertura de los contactos principales (Potencia) y contactos auxiliares (control).

El NúcleoEspiras de sombra

Chapas metálicas

EL Contactor


Los Contactos

-A- Contactos principales Son contactos instantáneos cuya función es conmutar la corriente de la red a la carga. Son generalmente abiertos.

Pueden manejar desde 9 hasta más de 1500 A.

Son los elementos conductores que establecen o interrumpen el paso de corriente en el circuito de potencia o en el de mando.

Se componen de dos partes: una fija (en la carcasa) y una móvil colocada en la armadura.

Están hechos de bronce fosforado recubierto de una aleación de plata y óxido de cadmio o níquel para resistir el arco + oxidación.

NUNCA DEBEN LIMARSE, LIJARSE NI ENGRASARSE

EL Contactor


Los Contactos (cont.)

Al desenergizarse el contactor bajo carga se produce una chispa o arco entre los contactos fijos y los móviles, ya que el aire circundante al calentarse se ioniza y se vuelve conductor Por ello los contactos se colocan siempre en un recinto llamadoCÁMARA APAGACHISPAS, construida con materiales muy resistentes al calor (5000 a 8000 ºC), capaces de extinguir rápidamente la chispa.

Sistemas para reducir y apagar las chispas

- Soplado por auto ventilación- Soplado magnético- Baño de aceite- Cámara desionizadora- Fraccionamiento del arco

EL Contactor


Los Contactos (cont.)

-B- Contactos auxiliares Su función es principalmente señalización, control o retención.

Por lo general están dimensionados en el orden de mA o de pocos Amperios.

Los contactos auxiliares son instantáneos y pueden ser normalmente abiertos (NA) o normalmente cerrados (NC).

Un contactor puede tener varios contactos auxiliares NA y/o NC, pero por lo menos siempre uno NA. También pueden instalarse bloques de contactos auxiliares adicionales.

EL Contactor


CONTACTOR TRIFÁSICO CON CONTACTOS AUXILIARES

Circuito de Control

Circuito de Potencia

R S T

Contactos principales

Contactos auxiliares

Resorte

Bobina de alimentación

Flujo magnético

Armadura fija

Armadura móvil

EL Contactor


Contactoauxiliar NC

13

14

21

22

Contactoauxiliar NA

KM1

1

2

3

4

5

6


A1

KM1

A2

Bobina

Simbología de los contactos (IEC)

EL Contactor

Cerrado = 1 y 2Abierto = 3 y 4

Contactos de potencia un Digito

Contactos de Control dos Digitos


Simbología de los contactos (norma NEMA)Simbología de los contactos (norma NEMA)

L1 L2 L3

T1 T2 T3

Contactos principales (Trazo grueso)

M

Bobina

ContactoAuxiliar o de Control NA

ContactoAuxiliar o de Control NC

EL Contactor

(Trazo fino)


Sólo tiene una Sólo tiene una posición de posición de

trabajo trabajo estableestable

CONTACTOR TRIFÁSICO CON CONTACTOR TRIFÁSICO CON CONTACTOS AUXILIARESCONTACTOS AUXILIARES

Sólo permanece Sólo permanece en la posición en la posición

activa mientras activa mientras recibe energíarecibe energía

Soporta un Soporta un elevado nº de elevado nº de

ciclos de cierre y ciclos de cierre y aperturaapertura

R S T


Contactos auxiliares

Resorte

Bobina de alimentación

Flujo magnético

Armadura fija

Armadura móvil

EL Contactor


Circuito de arranque y parada de un motor Circuito de arranque y parada de un motor trifásico mediante contactor con retención por trifásico mediante contactor con retención por

medio de un contacto auxiliar o de controlmedio de un contacto auxiliar o de control

EL Contactor

móvil

R S T Contacto auxiliar

Resorte

M

N

Pulsador de paro

Pulsador de

marcha


El tipo de corriente Bobina (AC, DC)

Características del circuito de potencia:- Capacidad HP o kW- Tensión de operación (valor nominal)- Frecuencia- Número de polos o contactos de potencia

Características del circuito de control:- Tensión y frecuencia nominal de la bobina- Número de contactos de control o auxiliares NA y NC

Tipo de maniobra a realizar:- Tipo de arranque- Inversión del sentido de giro- Frenado por contra-corriente- Apertura con el motor arrancando

La frecuencia de maniobras (robustez eléctrica y mecánica)

Categoría de Empleo

EL Contactor: Criterios de Seleccion


Categorías de empleo: IEC 60947-4

Es un indicador del valor de la corriente que el contactor debe establecer o cortar durante la maniobra de carga.

Existen cuatro categorías de empleo (en AC) que consideran el tipo de carga controlada (resistiva, inductiva, factor de potencia cosΦ) y las condiciones en las cuales se efectúan los cortes de corriente (motor en marcha, inversión de giro, frenado por corriente, etc.).

CATEGORÍA AC1CATEGORÍA AC1

Cargas resistivas o con un factor de potencia ≥ 0.95. (Calefacción, luminarias, distribución).


Rige el arranque y frenado por cortacorriente de los motores de rotor devanado o de anillos. Al cerrar, el contactor debe poder establecer la corriente de arranque (~ 2.5xIn).Al abrir, el contactor debe poder interrumpir la corriente de arranque bajo una tensión <= tensión de la red. El corte es severo.

EL Contactor




Motores jaula de ardilla. Al cerrar, el contactor debe poder establecer la corriente de arranque del motor, (~ 6 a 8 In).

Al abrir, el contactor debe poder cortar la corriente nominal del motor. El corte es fácil. Ejemplo: ascensores, escaleras, cintas transportadoras, compresores.


Rige el arranque, inversión de marcha y frenado por contracorriente de motores jaula de ardilla. Al cerrar, el contactor debe poder establecer la corriente de arranque del motor, (~ 6 a 8 In). Al abrir, debe poder cortar esta misma intensidad de corriente bajo una tensión inversamente proporcional a la velocidad del motor, la cual puede alcanzar el valor de la tensión de la red. El corte es severo. Ejemplo: máquinas de operación intermitente, etc.

EL Contactor



AC1:AC1:

AC2, AC4:AC2, AC4:AC3:AC3:

Corte

CorteCorte

Corriente

Corriente Corriente

ArranqueArranqueArranqueArranque

EL Contactor



APLICACIONESAPLICACIONES CATEGORÍASCATEGORÍAS CIERRECIERRE CORTECORTE

In V cosΦ In V cosΦ

RESISTENCIA (Cargas no inductivas) AC1 In Vn ≥0.95 In Vn ≥0.95

MOTOR DE ROTOR DEVANADO

CORTE EN ARRANQUE

CORTE A PLENA MARCHAAC2

AC’2

2.5 In Vn ≥0.45

2.5 In Vn ≥0.45

2.5 In 0.4Vn ≥0.85

In 0.4Vn ≥0.45

MOTOR JAULA DE ARDILLA

CORTE EN MARCHA CORTE EN ARRANQUE

AC3AC4

6 In Vn ≥0.35

6 In Vn ≥0.35

In Vn ≥0.85

6 In Vn ≥0.35

EL Contactor


ELECCIÓN DEL CONTACTOR EN FUNCIÓN DE LA DURABILIDAD ELÉCTRICACategoría de empleo AC1, Ue ≤ 440 V.

Mando de circuito resistivo (cos φ ≥ 0.95)La corriente cortada en AC1 es igual a la corriente normalmente absorbida por la carga.


ELECCIÓN DE LOS CONTACTORES TRIPOLARES EN FUNCIÓN DE LA DURABILIDAD ELÉCTRICA

Categoría de empleo AC2-AC4 (Ue ≤ 440 V).Mando de motores trifásicos asíncronos de jaula, con corte motor lanzado.

La corriente Ic cortada en AC4 es igual a 6 Ie. (Ie = corriente nominal del motor)


Durabilidad eléctrica en categoría de empleo AC2-AC4 440V ≤ Ue ≤ 690V.Mando de motores trifásicos asíncronos de jaula, con corte motor calado.

La corriente en AC4 es igual a 6 Ie. (Ie = corriente nominal del motor)


Categoría de empleo AC3 (Ue≤440V)Mando de motores trifásicos asíncronos de jaula, con corte motor lanzado.

La corriente Ie cortada en AC3 es igual a la corriente nominal absorbida por el motor.

ELECCIÓN DE CONTACTORES TRIPOLAR EN FUNCIÓN DE LA DURABILIDAD ELÉCTRICA


TamañoTamaño

NEMANEMACorriente Corriente

Nominal [A]Nominal [A]HPHP

230 VAC230 VACHPHP

460 VAC460 VAC

00 9 1 2

0 18 3 5

1 27 5 10

2 45 15 25

3 90 30 50

4 135 50 100

5 270 100 200

6 540 200 400

7 810 300 600

8 1215 450 900

9 2250 800 1600

Elección de un contactor según categoría NEMAElección de un contactor según categoría NEMATamaños: 00 a 9

EL Contactor

Nota: Solo aplica a Categoría AC3


Contactor AC 250 Contactor AC 250 VV

Combinación de Combinación de contactores paracontactores para inversión sentido inversión sentido

giro 300 Agiro 300 A

Combinación de Combinación de contactactores para contactactores para

inversión sentido inversión sentido giro 200 kWgiro 200 kW

Contactor Contactor trifásico motor trifásico motor

450 kW450 kW

Contactor Contactor trifásico motor trifásico motor

45 kW45 kW

Contactor Contactor trifásico trifásico

motor 5 kWmotor 5 kW

EL Contactor


Contactores más usados

9 - 95 A

AC: LC1-D09 a LC1-D95 DC: LP1-D09 a- LP1-D80

115 - 780 A

AC: LC1-D115 a LC1-D150 LC1-F185 a LC1-F800

Bloques de contactos auxiliares

Instantáneos LA1-DNTemporizados LA2-DT ; LA3-DRDe retención mecánica LA6-DK

Bobinas

AC: LX1-D; LX1-FDC: LX4-D; LX4-F


Ejercicio

Uso de catálogos para determinar las características de un contactor. Suponer que se desea controlar un motor de 15 HP en 440 VAC trifásico, en una aplicación en categoría AC3.

Para usar los catálogos es conveniente primero disponer de la potencia del motor

en kW. 15 HP = 11 kW.

EL Contactor







Elementos empleados Elementos empleados en controles y automatismosen controles y automatismos


Los aparatos de protección contra sobre intensidades protegen contra:Los aparatos de protección contra sobre intensidades protegen contra:

- Sobrecargas- Sobrecargas- CortocircuitosCortocircuitos- Bajas de tensiónBajas de tensión

Sobrecargas:Sobrecargas:

Son corrientes mayores que la nominal que se mantienen Son corrientes mayores que la nominal que se mantienen durante largo tiempo. Provienen de un mal dimensionado durante largo tiempo. Provienen de un mal dimensionado de la instalación. Producen aumento de las pérdidas y de la de la instalación. Producen aumento de las pérdidas y de la temperatura.temperatura.

Cortocircuitos:Cortocircuitos:

Son corrientes muy elevadas debidas a fallos de Son corrientes muy elevadas debidas a fallos de aislamiento, rotura de conductores, averías en equipos, aislamiento, rotura de conductores, averías en equipos, errores humanos, etc. Deben eliminarse rápidamente.errores humanos, etc. Deben eliminarse rápidamente.

Bajas de tensión:Bajas de tensión:

Son cambios y desbalances en las tensiones. Por ejemplo:Son cambios y desbalances en las tensiones. Por ejemplo:

falla de fase.falla de fase.

Fallas en Equipos electricos


Aparatos de Protección (fallas eléctricas)

CortocircuitosCortocircuitos

Es la falla eléctrica más común y más importante

Efecto térmico: La energía de un cortocircuito se convierte en calor y produce daños que van desde la fusión de los componentes hasta la provocación de un incendio.

La cantidad de calor generada en un cortocircuito es:

Q = cantidad de calor en caloríasK = 0.24 cal/JR = resistencia en I = valor eficaz de la corriente en At = tiempo de falla en segundos

)(*** 2 caloriastRIKQ


Aparatos de Protección (fallas eléctricas)

SobrecargasSobrecargas

La sobrecarga ocurre cuando se excede el nivel del par de un motor, obligándolo a soportar una carga superior a la corriente a plena carga.

En al caso de los motores de inducción de Jaula de Ardilla, existecuando la corriente del motor a plena carga alcanza valores superiores al 10% de la corriente nominal.

Corrientes excesivas causadas por una condición de sobrecarga producen un aumento de temperatura en el motorocasionando daños en su aislamiento y lubricación. Este daño puede producir cortocircuito.


¿ Qué es una Sobrecarga?La sobrecarga ocurre cuando una carga excede el nivel de torque del motor, obligando al motor a soportar una carga superior a la corriente a plena carga (FLC).

Las cargas normales no son un problema...

Condición de sobrecarga:: Corriente por encima de 10% del valor nominal


¿ Cómo se daña un motor por sobrecarga?

Corrientes excesivas causadas por una condición de sobrecarga produce un aumento de temperatura en el motor lo que ocasiona daños en el aislamiento y lubricación del Motor.

Cargas pesadas ocasionan problemas...


Aparatos de Protección : Fusibles

FUSIBLES

Permiten desconectar Permiten desconectar corrientes muy elevadascorrientes muy elevadas en un espacio mínimo.en un espacio mínimo.

Constan de un elemento fusible y de un medio de Constan de un elemento fusible y de un medio de extinción del arco (arena de cuarzo).extinción del arco (arena de cuarzo).

Cuanto mayor sea la corriente de defecto, más Cuanto mayor sea la corriente de defecto, más pronto funde el elemento fusible.pronto funde el elemento fusible.

Sólo se pueden utilizar una vez.Sólo se pueden utilizar una vez.

Se caracterizan por su elevada capacidad de Se caracterizan por su elevada capacidad de ruptura.ruptura.


Fusibles

Los fusibles aseguran una protección por fase contra corrientes de cortocircuito y a veces también de sobrecarga.

Básicamente existen dos categorías de fusibles según la norma europea:

Contra cortocircuitos y sobrecargasen sistemas que no presentan importantespicos de corriente (luminarias, distribución)

Sólo contra cortocircuitos en dispositivosque presentan picos de corriente, comomotores. La protección contra sobrecargase suministra aparte.

aMgl


Cortacircuitos fusibles Permiten desconectar Permiten desconectar corrientes muy corrientes muy elevadaselevadas en un en un espacio mínimo.espacio mínimo.

Constan de un Constan de un elemento fusible y de elemento fusible y de un medio de un medio de extinción del arco extinción del arco (are-na de cuarzo).(are-na de cuarzo).

Cuanto mayor sea la Cuanto mayor sea la co-rriente de defecto co-rriente de defecto antes se funde el antes se funde el elemento fusible.elemento fusible.

Sólo se pueden Sólo se pueden utilizar una vez.utilizar una vez.

Se caracterizan por Se caracterizan por su elevada capacidad su elevada capacidad de ruptura.de ruptura.

Carcasa de Carcasa de material material aislanteaislante

Asidero Asidero aisladoaislado

Indicador Indicador de fusiónde fusión

Cuchilla Cuchilla de de

conexiónconexión

Elemento Elemento fusiblefusible


U: tensión que soporta el U: tensión que soporta el fu-sible en condiciones fu-sible en condiciones normalesnormales

UB: tensión durante la UB: tensión durante la forma-ción del arco de forma-ción del arco de fusión del ele-mento fusión del ele-mento fusible.fusible.

Is: Corriente de Is: Corriente de cortocircuitocortocircuito

ID: Corriente de ID: Corriente de cortocircuito limitadacortocircuito limitada

ts: Tiempo de fusiónts: Tiempo de fusión

tL: Tiempo de extinción del tL: Tiempo de extinción del arcoarco

Cortacircuitos fusibles

UUUU

IIII IISSIISS

IIDDIIDD

UUBBUUBB

ttssttss ttLLttLL

UUUU

tt

tt

El fusible funde antes El fusible funde antes de que se alcance el de que se alcance el

valor máximo de valor máximo de IISS

El fusible funde antes El fusible funde antes de que se alcance el de que se alcance el

valor máximo de valor máximo de IISS

Corriente de Corriente de corto limitadacorto limitadaCorriente de Corriente de

corto limitadacorto limitada


10-2

10-1

100

101

102

103

104

2 2 2101 102 1035 5

Tiempo de fusión ts (s)

Corriente (A)1045

Característicade fusión

Banda detolerancia

Corriente míni-ma de fusión

Cortacircuitos fusibles

Aunque la curva acaba en Aunque la curva acaba en 2*102*103 3 el fusible es capaz de el fusible es capaz de

cortar corrientes mayores. Su cortar corrientes mayores. Su poder de corte lo suministra poder de corte lo suministra

el fabricanteel fabricante

Aunque la curva acaba en Aunque la curva acaba en 2*102*103 3 el fusible es capaz de el fusible es capaz de

cortar corrientes mayores. Su cortar corrientes mayores. Su poder de corte lo suministra poder de corte lo suministra

el fabricanteel fabricante

Curvas Curvas característicascaracterísticas


Aparatos de Protección: Fusibles

Simbología

NEMA

IEC


FunciónLos relés tripolares de protección contra sobrecaga están diseñados para proteger circuitos y motores de corriente alterna contra sobrecargas pequeñas pero prolongadas, cortes de fase, arranques demasiado largos o calados de un motor.

ClasificaciónClasificación

Tripolares: de utilización trifásica, aunque también pueden usarse para proteger cargas monofásicas o bifásicas.

Compensados: insensibles a variaciones de temperatura ambiente.

Diferenciales: detectan desequilibrios entre fases o cortes de fase.

Condición de sobrecarga: Cuando la corriente del motor es 10% mayor que la corriente nominal.

Origen de la sobrecarga: eléctrica o mecánica

Relés de protección térmica


Relés térmicos

Tecla de Tecla de liberacióliberació

nn

Tecla de Tecla de liberacióliberació

nn

CorrederCorrederaa

CorrederCorrederaa

PalancPalanca a

disparodisparo

PalancPalanca a

disparodisparo

BimetaBimetall

BimetaBimetall

Pto. Pto. muertomuerto

Pto. Pto. muertomuerto

Tornillo Tornillo autobloqueoautobloqueo

Tornillo Tornillo autobloqueoautobloqueo

BobinaBobinass

BobinaBobinass

Tira Tira compen-compen-sación Tªsación Tª

Tira Tira compen-compen-sación Tªsación Tª

Relé térmico bimetálicoRelé térmico bimetálico

La corriente de la instalación circula por la bobina de calentamiento.

Si la corriente sufre un incremento debido a una sobrecarga las tiras bimetálicas se calientan proporcionalmente a ella.

Las tiras bimetálicas al calentarse se deforman produciendo el desplazamiento de la corredera que abre los contactos.

El posicionamiento inicial de la palanca de disparo determina la corriente necesaria para la apertura.

La temperatura ambiente no afecta porque la palanca de disparo también es bimétalica y se deforma con Tª exterior.


Principio de funcionamientoPrincipio de funcionamiento

1- Deformación de un par bimetálico bajo la acción del calor. El bimetal está formado por metales de diferente coeficiente de dilatación térmica (por ejemplo Hierro –Níquel). Una resistencia arrollada alrededor del bimetal y cubierta de una capa aislante (por ejemplo asbesto) lleva la corriente nominal del motor o una corriente transformada equivalente.

2- Si se produce una sobrecarga (sobre corriente), la resistencia se calienta, el bimetal se dobla y acciona un mecanismo de disparo mecánico de los contactos auxiliares del relé.

3- Esos contactos a su vez abren el circuito de mando, por lo general la bobina de un contactor, interrumpiendo así el circuito.

Acción de Disparo Térmico


Principio de funcionamiento (cont.)Principio de funcionamiento (cont.)

4- El tiempo de desconexión depende de la intensidad que circule por las resistencias. El rearme del relé, una vez disparado, puede ser:

Manual: por razones de seguridad para evitar la reconexión automática del relé.

Automático: con un pulsador de maniobra a distancia, o a a través de un PLC.

5- Los relés térmicos disponen de un selector que permite regular la corriente que será considerada como nominal (Ir).

6- Existen también relés de protección de sobrecarga de otro tipo (p.e. “Melting Alloy”, estado sólido o electrónicos) cuyo principio de funcionamiento es diferente.




Contactos

linealineaCarga Carga

Elemento Bimetalico

Barra de la unidad de Disparo


Relés térmicos

1

10

103

104

105

1 4 7 0,5 3 6 2 5

Tiempo de fusión de disparo (s)

Múltiplos de la corriente regulada (A)

9 8

102

10 11 12 13

Curva de disparo

I=Ir

Curvas característicasCurvas características • La corriente regulada La corriente regulada es aquella para la es aquella para la que se ha ajustado el que se ha ajustado el disparo del relé disparo del relé

térmico térmico IrIr..

• Para valores de la co-Para valores de la co-rriente menores que rriente menores que

IrIr el relé no dispara. el relé no dispara.

• Para corrientes Para corrientes mucho mayores que mucho mayores que

IrIr el tiem-po el tiem-po necesario para el dis-necesario para el dis-paro es cada vez paro es cada vez menor.menor.

• Ajuste de la Ir (según Ajuste de la Ir (según CEN) CEN)

Ir = (1 a 1.15)xInIr = (1 a 1.15)xIn


Curva de disparo de un relé térmico

F2

95 97

96 98

R S T

U V W

OL

OL

OL OL

OL

IEC

NEMA

1

10

103

104

105

1 4 7 0,5 3 6 2 5

Tiempo de fusión de disparo (s)

Múltiplos de la corriente regulada (A)

9 8

102

10 11 12 13

Curva de disparo

I=Ir


Aparatos de Protección Sobrecarga

Clases de disparo según IEC 60947-4Clases de disparo según IEC 60947-4

Clase Duración del disparo a 7.2 Ir

5 3 .. 5 segundos

10 A 2 .. 10 segundos

10 4 .. 10 segundos

20 6 .. 20 segundos

30 9 .. 30 segundos


Clases de Disparo para los reles de sobrecarga térmica

Relés térmicos


Ejemplo: Relé Térmico Bimetálico

Selector de Reset Manual/Automático

Botón STOP

Indicador de Posicióny función TEST

Tornillo de calibraciónde corriente Ir

- Incluye un contacto NC y otro NA.- Presionando STOP momentáneamente, se abre el contacto NC sin afectar el NA.- La función TEST simula el funcionamiento del relé bajo sobrecarga.

Relés térmicos


Relés de Sobrecarga NEMA

1. Melting Alloy1. Melting Alloy

2. Bimetálico2. Bimetálico

3. Estado Sólido3. Estado Sólido


NEMA: Relé de Sobrecarga Bimetallic

Hay dos modelos de relé de sobrecarga Bimetallic disponibles:

– Ambiente compensado (botón rojo al frente): Cuando el motor está sometido a constantes temperaturas ambiente y el controlador está ubicado separadamente en cambiantes temperaturas ambiente. Su punto de disparo no es afectado por temperatura.

– No compensado (botón negro al frente)


NEMA: Relé de Sobrecarga Melting Alloy

¿Cómo trabaja el relé Melting Alloy?

La corriente del motor pasa a través de un Heater o Unidad Térmica.

Cuando ocurre una sobrecarga:1. El calor hace que la

soldadura en la Unidad Térmica se funda...

2. Permite a la espiral girar libremente...3. Abre el contacto de sobrecarga en el circuito de control (el relé da la orden de disparo).4. Para resetear, la soldadura debe solidificarse y proceder a oprimir la barra de “Reset”


Tres clases de Unidades Térmicas:

Clase 10 (disparo rápido) - Disparo en 10 segundos

Clase 20 (disparo estándar) - Disparo en 20 segundos

Clase 30 (disparo lento) - Disparo en 30 segundos

Nota: El tiempo de disparo es determinado por: Nivel de Corriente, Clase de Disparo, Memoria Térmica

Beneficios al usuario:

• El Contacto de sobrecarga puede ser reemplazado fácilmente por su diseño modular. El Contacto de Alarma puede ser agregado en campo o en fábrica.

• Alta capacidad para soportar corto-circuitos• Los elementos térmicos intercambiables permiten que un

bloque de sobrecarga cubra todos los rangos para el control del motor.

NEMA: Relé de Sobrecarga Melting Alloy

Solder Pot

Heating Winding


NEMA: Relé de Sobrecarga Estado Sólido

Operación

La corriente es supervisada por Ct’s internos.

El contacto de sobrecarga abre cuando el punto de disparo es alcanzado (25% del punto fijado)

El reseteo se logra oprimiendo la barra de reset.


NEMA: Relé de Sobrecarga Estado Sólido MOTOR LOGIC - Unidad Básica

Auto energizado Power-on LED Indicador visible de disparo Protecciones:

Sobrecarga Desbalance de Fase Pérdida de Fase

Previsión para candado o sello Insensible a harmónicas Insensible al ambiente (temp.) Disparo Clase 10 o 20 Sensor de corriente Memoria térmica Mecanismo de disparo

El Relé de Sobrecarga en El Relé de Sobrecarga en Estado Sólido no necesita Estado Sólido no necesita Unidades TérmicasUnidades Térmicas

Unidad Básica


NEMA: Relé de Sobrecarga Estado Sólido MOTOR LOGIC - Unidad Especial

Mismos beneficios de la UnidadBásica, adicionalmente:

Selección Clase de Disparo

Protección Falla a Tierra

Módulo opcional de Reset Remoto:Accionamiento a distancia (150ft)Operado por pulsador N.O.

Módulo de Comunicación:Proporciona señal de salida de 4 - 20 mA


NEMA: Relé de Sobrecarga NEMA: Relé de Sobrecarga MOTOR LOGIC PLUS®MOTOR LOGIC PLUS®

- Ajuste de la corriente 4.5 : 1- Comunicación RS232 y 485- Almacena las 4 últimas fallas- Medición de las fasesProtecciones:Protecciones:- Sobrecorriente / Baja corriente- Sobretensión / Baja tensión- Desbalance de fase- Pérdida de fase- Rotor bloqueado- Inversíón de giro- Falla a tierra.


Aparatos de Protección: comparación

TIPO Características

Bimetálico Tecnología de rearme manual o automático Versiones compensado y no compensado

“Melting Alloy” Simple Tecnología común

Estado Sólido No requiere de unidades térmicas Insensible a temperatura ambiente No tiene rearme automático Capacidad de almacenaje de fallas Capacidad para comunicación


Comparación entre Relés de Sobrecarga

Motor Logic vs. Melting Alloy

- Sensor electrónico de corriente vs. Sensor térmico

- No requiere heaters

- Respuesta rápida

- Insensible a temperaturas ambiente hasta 70°C

- Capacidad para comunicar

Motor Logic vs. Bimetallic- Insensibilidad al ambiente vs. Ambiente Compensado y No Compensado

- No tiene Reset Automático


La Acción de Disparo Magnético

Elemento Magnético

Pestillo

línea

Contactos

Cargalínea

Carga

Electroimán actúa en un cortocircuito abriendo los contactos


Curva de Trabajo rele magnetico

10-2

10-1

100

101

102

103

104

15 1005 502 25

Tiempo de disparo (s)

Corriente (A)

500200

Im1


Simbolos

10-2

10-1

100

101

102

103

104

15 1005 502 25


Corriente (A)500200

Im1

OL

IEC

NEMA

Ajuste a la corriente de disparo : Im = (7~13)xIn


Aparatos de Protección: Termo magnéticos

Función

Proteger las instalaciones eléctricas contra:

- Sobrecargas- Cortocircuitos- Subtensiones

•Constan de un dispositivo térmico y otro magnético que miden la corriente y la tensión de la instalación para detectar las situaciones anómalas y desconectar así los circuitos.

• El cierre suele ser manual y la apertura automática.

• Su capacidad nominal de ruptura o poder de corte debe ser mayor que la corriente inicial simétrica de cortocircuito (corriente de cortocircuito que se establece en los primeros ciclos a continuación de producirse el fallo).


La Acción Termomagnetica

Elemento Magnético

línea

Contactos

Carga

Elemento bimetalico

Barra de Disparo


Esquema funcional de un relé deProtección Termo magnético

Térmico

Magnético

El disparo magnético tiene lugaren fracciones de segundo porefecto de una corriente del ordende 10 ó más veces la nominal.

El campo magnético creado en labobina atrae a la lámina metálicainterrumpiendo el flujo decorriente.

El disparo térmico se produce poruna corriente de sobrecarga queprovoca la deflexión del bimetálicoen un tiempo del orden del algunossegundos, tanto más rápido, cuantomayor sea esa corriente.

Interruptores Termo magnéticos


Salida deaire caliente

Bimetal(Térmico)

Bobina(Magnético)

CámaraApaga chispa

Entrada deaire frío

Contacto móvil(aquí: abierto)

Contacto fijo

Interruptor(aquí: abierto)

Interruptores Termo magnéticos


10-2

10-1

100

101

102

103

104

102 103 1045 5 52 2


Corriente (A)

52

Im

Característicade disparo

Banda detolerancia

Ir

Ir: Corriente de reacción de disparo por sobrecarga

Im: Corriente de reacción de disparo por cortocircuito

Ir: Corriente de reacción de disparo por sobrecarga

Im: Corriente de reacción de disparo por cortocircuito

Capacidad nominal de

ruptura

Capacidad nominal de

ruptura

Interruptores magneto térmicos

Existen Existen interruptores con interruptores con

IImm ajustable ajustable

ZonaTérmica

ZonaMagnética


Interruptores Magnetotérmicos

Interruptores automáticos para la Interruptores automáticos para la protección de circuitos con elevadas protección de circuitos con elevadas

corriente de cortocorriente de corto

1 Polo 1 Polo 36000 A36000 A

2 Polos 2 Polos 70000 A70000 A

3 Polos 3 Polos 70000 A70000 A

4 Polos4 Polos36000 A36000 A

Interruptores Interruptores automáticos automáticos para la para la protección de protección de motores contra motores contra cortocircuitoscortocircuitos3 Polos 3 Polos

50000 A50000 A2 Polos2 Polos

50000 A50000 A

Catálogos comercialesCatálogos comerciales


Simbología (IEC) Simbología (NEMA)

Interruptor

ProtecciónMagnética

ProtecciónTérmica

Aparatos de Protección: Termomagnéticos


Comparativa entre la protección mediante fusibles e interruptores de potencia

• Zona CZona C: en la proximidad del : en la proximidad del disparo magnético del disparo magnético del interruptor su protección es más interruptor su protección es más rápida.rápida.

• Zona AZona A: mejor protección del in-: mejor protección del in-terruptor magneto térmico: terruptor magneto térmico: corriente de disparo por corriente de disparo por sobrecarga menor, posibilidad sobrecarga menor, posibilidad de ajuste.de ajuste.• Zona BZona B: tiempo de disparo más : tiempo de disparo más bajo para el fusible.bajo para el fusible.

• Zona DZona D: a partir de la zona C, el : a partir de la zona C, el tiempo de fusión del fusible es tiempo de fusión del fusible es más corto que el de actuación más corto que el de actuación del interruptor, además su poder del interruptor, además su poder de corte es mayor con lo que de corte es mayor con lo que hasta CNRhasta CNRFUSFUS la protección más la protección más eficaz la proporciona le fusible.eficaz la proporciona le fusible.

C

A

BD

Tiempo

CorrienteImIrFUSIrINT

CNRFUSCNRINT

FUSIBLE

Termomagnético


Termistores

-100 0 100 200 300 400 10-6

10-4

10-2

100

102

104

106

108

Platino

Material termistor tipo A de Fenwal Electronics (NTC)

Material termistor tipo B de Fenwal Electronics (NTC)

-100 0 100 200 300 400 10-6

10-4

10-2

100

102

104

106

108

Platino

Material termistor tipo A de Fenwal Electronics (NTC)

Material termistor tipo B de Fenwal Electronics (NTC)

Temperatura ºCTemperatura ºC

Resistencia específica Resistencia específica /Cm/Cm Termistores NTC y Termistores NTC y PTC:PTC: semiconductores semiconductores con com-portamiento con com-portamiento

equivalente a equivalente a resistencias de alto resistencias de alto coefi-ciente térmico coefi-ciente térmico (negativo/positivo)(negativo/positivo)

Su resistencia eléctrica Su resistencia eléctrica decrece muy decrece muy

bruscamente con la bruscamente con la subida de Tªsubida de Tª

Esta variación permite Esta variación permite de-tectar la evolución de-tectar la evolución

térmica del equipo que térmica del equipo que protegenprotegen

Se conectan al circuito Se conectan al circuito de mando y partir de de mando y partir de

una cierta Tª una cierta Tª (resistencia) realizan la (resistencia) realizan la

desconexióndesconexión


TEMPERATURA: sensores de contacto

TERMISTORES: curva típica NTC

Temperatura [ºC]

Resis

ten

cia

[Ω

]


TEMPERATURA: sensores de contacto

COMPARACIÓN: Termocupla – RTD - Termistor

Temperatura

Resis

ten

cia

Termistor NTC

Termoresistencia RTD

Termopar

Termocupla ALTA VERSATILIDADSonda RTD ALTA ESTABILIDADTermistor ALTA SENSIBILIDAD

Regla:

RTD: para T < 120ºC

TC: para T > 500ºC

Protecciòn Elèctrica

Documents

Transcript of Protecciòn Elèctrica