Control, mando y protección de motores AT · PDF fileCuaderno TØcnico Schneider...

Cuaderno Técnico nº 165

Control, mando y protección demotores AT

J. Y. Blanc

Cuaderno Técnico Schneider nº 165 / p. 2

La Biblioteca Técnica constituye una colección de títulos que recogen las novedadeselectrotécnicas y electrónicas. Están destinados a Ingenieros y Técnicos que precisen unainformación específica o más amplia, que complemente la de los catálogos, guías de producto onoticias técnicas.

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

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La reproducción total o parcial de este Cuaderno Técnico está autorizada haciendo la mención obligatoria:«Reproducción del Cuaderno Técnico nº 165 de Schneider Electric».

cuadernotécnico no 165

Control, mando yprotección de losmotores AT

Por: J. Y. Blanc

Trad.: Dr. M. Cortes

Edición francesa: diciembre 1 992

Versión española: mayo 1 996

J.Y. BLANC

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

Siempre en la división de MT, pasa aser jefe de proyecto de desarrollo deequipos y centros de transformaciónprimarios de la gama FLUAIR ydespués de interruptoresautomáticos de protección conbloques con SF.

Actualmente es responsable deldesarrollo de interruptoresautomáticos y equipos primarios deMT.


1 Repaso sobre los diferentes Motores asíncronos de jaula de p. 5tipos de motores de ca ardilla

Motores asíncronos de rotor p. 7bobinado

Motores síncronos p. 7

Tolerancias de p. 8dimensionamiento

Tensiones toleradas y ensayos p. 8dieléctricos

2 Procedimientos clásicos de Arranque estatórico directo p. 10arranque en AT a plena tensión

Arranque estatórico con tensión p. 10reducida

Arranque estatórico por p. 12condensadores

Arranque rotórico p. 12

Elección del modo de arranque p. 13

3 Aparamenta de control y mando Soluciones electromecánicas p. 16

Soluciones electrónicas p. 19

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

Principios de protección p. 22

Evolución tecnológica p. 26

Anexo 1: Determinación del modo de Hipótesis de cálculo p. 27arranque de un motor Método general p. 27

Anexo 2: Coordinación de las protecciones p. 30

En la industria y el gran sectorterciario, la potencia unitaria de lasmáquinas rotativas excede a menudode los 100 kW; cuando se da estecaso y/o la longitud de la línea dealimentación es importante (caída detensión, pérdidas) resultaconveniente utilizar motores de altatensión.

El objetivo de este Cuaderno Técnicoes dar una información actualizadasobre estos motores, sus sistemasde arranque y las distintasprotecciones utilizables; todo ello conla finalidad de facilitar las técnicas aelegir.

Control, mando y protección de los motores AT

Índice


Los motores de corriente alterna,tanto de alta como de baja tensiónofrecen una gran variedad decaracterísticas eléctricas, dinámicasy tecnológicas. No obstante, dejandoaparte una pequeña parte de motoresespeciales con aplicacionesespecíficas, se puede establecer unaclasificación en tres familias:

n motores asíncronos de jaula deardilla,

n motores asíncronos de rotorbobinado,

n motores síncronos.

Y se diferencian además, entre otras,por:

n los valores del par y de la corrientede arranque,

n la variación de la velocidad enmarcha normal,

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

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

Motores asíncronos dejaula de ardilla

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

Esto permite elegir las característicasdel par y de la intensidad dearranque:

n los rotores de simple jaula deardilla tienen:

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

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

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

(Cn: par nominal, In corrientenominal).

1 Repaso de los diferentes tipos de motores de ca

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

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

intensidad

par

0

1

2

CCn

II n

2

4

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

1

25

4

6

3

2

1

CCn

II n

Cn

I n

intensidad

par

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

I d

s


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

o un par de arranque ligeramentemás elevado (0,8 a 1,2 Cn),

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

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

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

Hay que observar que:

n los motores de jaula simplepresentan un par mínimo (0,5 a 0,6Cn), en tanto que los motores dedoble jaula o de ranuras profundaspresentan una curva de par, enfunción de la velocidad,continuamente creciente hasta el parmáximo.

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

o la simplicidad del diseño de susrotores en cortocircuito, lo que lesconfiere una gran robustez mecánicay eléctrica,

o de la ausencia de escobillas.

Estas dos particularidades conducena un mantenimiento de lo másreducido.

Las características de par de losmotores asíncronos de jaula estánparticularmente bien adaptadas amáquinas tales como: las bombascentrífugas, compresores, gruposconvertidores, máquinas-herramientas y ventiladores.

Sin embargo, un inconvenienteinherente a todos estos motores,reside en su factor de potencia,relativamente bajo, del orden de 0,8 a0,9 a plena carga, y que disminuyecuando se trabaja a poca carga(figura 3).

Si la potencia instalada en motoresasíncronos es importante, esnecesario instalar una compensaciónde la energía reactiva con baterías decondensadores. Esta instalaciónpuede ser: global, por grupo demotores o por motor (grandesunidades).

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

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

cos

0 2/4 3/4 4/4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

cos

(P/P )n

CM

C

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

CnCd

C'd

C''d

10,50

0,51 2 g

funcionamientocomo generador

funcionamientocomo motor

funcionamientocomo freno acontra corriente

zona de estabilidadrotor en cortocircuito


Motores asíncronos derotor bobinado

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

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

C.RA

1g r=

con g% = Ns - N

Ns . 100

en el que:

Ns: velocidad de sincronismo,

N: velocidad de funcionamiento.

A = 3 V 2 .p M

L1

= constante

siendo:

V: tensión de fase de alimentación,

p: número de pares de polos,

ω: pulsación de la corriente dealimentación (ω = 2πf),

M: inductancia mutua estator-rotor,

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

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

C: par motor.

Reduciendo la resistencia exterior enel curso del arranque se obtiene unatraslación de la característica C(g) yla adaptación del par de arranque alpar de la máquina arrastrada. Nóteseque el valor del par máximo esindependiente de la resistenciarotórica.

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

n

d

U

U siendo

L

M.VB

1=

La corriente estatórica sigue lamisma ley según la relación detransformación y la corrientemagnetizante.

En consecuencia, la elección de laresistencia rotórica de arranquepermite resolver prácticamente todoslos problemas importantes de par enel arranque o de corriente dearranque sobre la red y conciliarestos dos imperativos. Las diferentesposibilidades de utilización de losmotores asíncronos de rotorbobinado los hacen muy aptos parael accionamiento de máquinas deelevado par de arranque, tales comolas machacadoras, malaxadores,cintas de transporte, etc.

Además, las máquinas que requierenun fuerte frenado a contracorrienteutilizan igualmente este tipo demotores.

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

La figura 4 representa las curvascaracterísticas C(g), según el valor dela resistencia rotórica así como laszonas de estabilidad. Estas curvasmuestran el interés de introducir unaresistencia importante en el circuitorotórico para obtener un frenadoeficaz a contracorriente.

Motores síncronos

Las principales diferencias entreestos motores y los asíncronos son:

n velocidad constante (velocidad desincronismo),

n el circuito rotórico se alimenta concorriente continua,

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

Tecnológicamente estos motoresson idénticos a los alternadores.

Para obtener un par asíncrono y evitarlas oscilaciones, los rotores estánprovistos de una jaula deamortiguación: esta jaula permitearrancar los motores síncronos, con

un débil par resistente, de una formaanáloga a la de los motoresasíncronos de simple jaula (puestiene sensiblemente las mismascurvas características de par y decorriente de arranque). Durante elarranque, para evitar lassobretensiones en el circuito deexcitación, a éste se le pone enparalelo una resistencia (shunt) cuyovalor se elige entre 5 y 10 veces laresistencia del circuito de excitación,y después se desconecta.

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

Esto se traduce siempre en unrégimen transitorio más o menosimportante, según la velocidadadquirida al fin del arranque y lapotencia del motor.

Para limitar este régimen transitoriose puede utilizar:

n o bien un relé que controla eldeslizamiento por la medida de lafrecuencia de la corriente rotórica querecorre la resistencia de arranque.Este relé cierra la alimentación delcircuito de excitación en el momentoen que el deslizamiento es mínimo.

Este dispositivo es prácticamenteindispensable cuando el motorsíncrono representa una fracciónimportante de la potencia totalinstalada.

Fig. 5: Motor síncrono: curvas de Mordey.

0

(I) estator

plena carga1/2 de carga

1/4 de carga

cos AR cos AVcos = 1

límite

de

esta

bilida

d

(i) excitación


n o bien aplicar la corriente deexcitación en dos tiempos, de formaautomática o manual.

Las fuentes de excitación puedenestar, o bien separadas:

n grupo motor-excitatriz,

n rectificador a tiristores,

o bien emplazadas en el extremo deleje del motor,

n generador invertido,

n alternador invertido con «inducido yrectificador con disco giratorio dediodos».

Las técnicas que más se utilizan sonel rectificador a tiristores y los«discos de diodos giratorios».

Este último medio elimina lasescobillas, suprime el armario deexcitación y además tiene a menudoun dispositivo de sincronización y deresincronismo en caso de ruptura deéste.

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

Las curvas de la figura 5 muestran lavariación de la corriente estatórica en

función de la corriente de excitaciónpara una carga dada constante(curvas de Mordey). El empleo deeste tipo de motores para laspequeñas potencias está pocoextendido. Por el contrario, porencima de los 2 000 kW su empleoes frecuente debido a su buenrendimiento y a la posibilidad devariar su factor de potencia. Para losmovimientos muy regulares el motorsíncrono se impone; sin embargo lasmáquinas arrastradas deben tenerun par resistente relativamente débildurante el arranque y eldimensionado de la jaula deamortiguación limita la cadencia delos arranques.

Tolerancias en eldimensionamiento

Las características electromecánicasde los motores vienen definidas porla norma CEI 34-1. Para ciertasmagnitudes característicasasignadas, la norma define lastolerancias que debe respetar elconstructor. Es de mayor interésconocer estas tolerancias, porque,para ciertas características del motor,esas tolerancias tienen unainfluencia directa en la elección de la

potencia del motor y de laaparamenta, así como sobre laregulación de las protecciones.

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

Tensiones toleradas yensayos dieléctricos

Los motores, como los demáscomponentes de las redes eléctricas,están sometidos a diversassobretensiones. Son particularmentesensibles a las sobretensiones defrente abrupto, de frecuenciaselevadas, porque quedan«bloqueadas» por las primerasespiras de los devanadosestatóricos.

Sobretensiones de maniobra

Son el resultado de fenómenostransitorios que aparecen a causa decambios de estado de la red dealimentación.

Se deben de tomar en consideraciónlos fenómenos que siguen, que sonespecíficos de los circuitos inductivosy, por tanto, de los motores:

n eliminación súbita de la corrienteal cortarla,

magnitud tolerancia

motores asíncronos

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

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

par mínimo durante el arranque - 15% del par garantizado para los motores de jaulaCd ≥ al tercio del par asignado y ≤ a la mitad del par con el rotorbloqueado, y éste a plena tensión

par máximo - 10% del par de reserva garantizado; después de aplicar esatolerancia, el par se mantiene ≥ 1,6 veces del par asignado

motores síncronos

corriente con rotor bloqueado + 20% del valor garantizado

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

par de pérdida de sincronismo - 10% del valor garantizado; después de aplicar esa tolerancia el parqueda ≥ 1,35 veces el par asignado (1,5 para los motores síncronos depolos salientes)

Fig. 6: Tolerancias de las principales magnitudes características según la norma CEI 34-1.


n reencendidos múltiples en lainterrupción y precebados en elestablecimiento de la corriente en elcaso en que el aparato de corte seacapaz de abrir las corrientes de altasfrecuencias que corresponden aestos fenómenos.

Sobretensiones de frente abrupto

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

El estudio de las sobretensiones sedesarrolla en el Cuaderno Técnico nº151 «Sobretensiones y coordinacióndel aislamiento» y la sensibilidadparticular de los motores en elCuaderno Técnico nº 143«Interruptores automáticos de SF6 yprotección de motores AT».

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

La tensión de ensayo se aplica entreel devanado que se pone a prueba yla carcasa de la máquina a la cual seconectan los circuitos magnéticos ytodos los demás devanadosestatóricos y rotóricos.

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

Ensayos a frecuencia industrial

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

Para el estator, U es la tensiónespecífica de alimentación. Para elrotor, U es la tensión que aparece,con el circuito rotórico abierto, cuandola tensión de alimentaciónespecificada del estator se aplicamientras el rotor está bloqueado paragirar. Si el motor es reversible(cambio del sentido de giro con el

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

Ensayo de choque

Consiste en aplicar una onda detensión representativa del rayo:

n tiempo de frente: 1,2 µs,

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

n tensión de ensayo:

Ucresta = 4 U + 5 000 V

Los devanados se someten a variasondas de choque positivas ynegativas.

Los ensayos de choque no sonobligatorios en el estado actual de lanormalización; pueden, en efecto,contribuir a un envejecimientoprematuro del aislamiento de lascabezas de bobina. Lo más normales que los ensayos dieléctricos nodeban de repetirse; si se efectúa unsegundo ensayo, se llevará a cabocon el 80% de las tensionesindicadas anteriormente.


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

n arranque estatórico directo a plenatensión,

n arranque estatórico con tensiónreducida por acoplamiento estrella-triángulo, por reactancias o porautotransformador,

n arranque estatórico porcondensadores,

n arranque rotórico.

Arranque estatórico directoa plena tensión

Este método de arranque se empleaen los motores asíncronos con rotorde jaula y los motores síncronos.

La punta de corriente de arranque esdel orden de 4 a 7 In, según lascaracterísticas del motor, y suduración puede variar de 1 a 10segundos, aproximadamente, enfunción del momento de inercia total(motor + máquina), del par motor ydel par resistente.

La utilización de este modo dearranque exige, pues, que la redpueda soportar esta sobrecarga de lacorriente sin que resultenperturbados otros receptores y que lamáquina arrastrada pueda soportarel choque mecánico debido al parmotor. La simplicidad del equipo ydel motor y lo económico que resultahacen que este método de arranquesea muy utilizado y aún aconsejadoen la medida en que la caída detensión en la red, durante elarranque, sea aceptable. El factordeterminante es la relación de lapotencia del motor a potencia decortocircuito.

Arranque estatórico contensión reducida

Arranque estrella-triángulo

Este método de arranque permitereducir:

n la corriente en la relación de √3_

,

n el par de arranque a 1/3.

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

Tensión reducida por resistencias

Muy empleada en BT, raras veces seemplea en AT, por las caloríasdisipadas y los problemas deaislamiento de las resistencias.

Tensión reducida por reactancias

Este modo de arranque (veresquema de potencia de la figura 7)es el modo más simple de reducir lapunta de corriente en la red; el parmotor de arranque es pequeño y porello las máquinas arrastradas debentener un par resistente relativamentedébil durante la fase de lanzamiento:compresores, bombas centrífugas,grupos convertidores, etc.

En efecto, el par de un motorasíncrono varía según el cuadrado dela tensión de alimentación, y lacorriente absorbida es proporcional aesta tensión.

2

n

ddd

U

UC'C ÷÷

ø

öççè

æ=

siendo:

C'd: par de arranque a tensiónreducida,

Cd: par de arranque con tensiónnominal,

Ud: tensión de arranque,

Un: tensión nominal defuncionamiento.

n

ddd U

UI'I =

siendo:

I'd: corriente de arranque con tensiónreducida,

Id: corriente de arranque con tensiónnominal.

Estas relaciones se escribentambién en valores relativos en basea las características nominales:

n

d

n

d

n

d

U

U.

I

I

I

'I= .

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

2 Procedimientos clásicos de arranque en AT

Fig. 7: Curvas de arranque bajo tensiónreducida (por reactancia o estrella-triángulo).

función de la relación en función de la

relación n

d

U

U

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

n funcionamiento y esquema deprincipio

o primer tiempo

marcha con tensión reducida por elcierre de CL: contactor de línea,

o segundo tiempo

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

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

0,2

0,4

0,6

0,8

1

I'dId

y C'dCd

UdUn

C'dCd

I'dId


n determinación de la reactancia dearranque (figura 8).

La tensión de arranque vienedeterminada por la punta de corrientemáxima I'd permitida por la red:

d

dnd I

'I.UU =

La caída de tensión compuesta en lareactancia tiene por valor:

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

El diagrama de la figura 9 muestraque esta relación puede escribirsearitméticamente para un motorasíncrono, porque el factor depotencia, en el primer instante delarranque, corresponde sobre todo alde la reactancia de arranque, dedonde se deduce:

d

dn

'I.3

UU.L

-=w

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

Tensión reducida porautotransformador

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

2

n

d

n

d

n

d

U

U.

I

I

I

'I÷÷ø

öççè

æ=

2

n

d

n

d

n

d

U

U.

C

C

C

'C÷÷ø

öççè

æ=

siendo:

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

Estas relaciones permiten determinarel valor de la tensión reducida enfunción de la relación I'd/ Id permitidaen la red, y de la relación C'd/Cnpermitida por la máquina arrastrada.

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

n funcionamiento y esquema deprincipio (figura 11)

CL: contactor de línea,

CC: contactor de cortocircuito,

CPN: contactor de formación del puntoneutro AT,

AT: autotransformador.

o primer tiempo

marcha a tensión reducida por elcierre de CPN, que provoca el cierrede CL,

o segundo tiempo

marcha con la inductancia, por laapertura de CPN,

o tercer tiempo

marcha a tensión nominal por elcierre de CC.

Fig. 8: Esquema de potencia: arranquepor reactancia.

Fig. 9: Diagrama vectorial para ladeterminación de L.

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

Fig. 11: Esquema de potencia: arranquepor autotransformador.

M

punto neutro

AT

3L

CL CC CPN

3LU

U

I'

n

d

d

d

J . L . . I'd . 3

C

CL

M

C

3L

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

0,2

0,4

0,6

0,8

1

I'dId

y C'dCd

UdUn


Notas:

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

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

n el paso a plena tensión se traducesiempre por un régimen transitoriomás o menos importante según lavelocidad adquirida al fin del primertiempo y el valor de la corrienteabsorbida,

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

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

Teniendo en cuenta el tiemporelativamente corto de conmutación yde la tensión residual en los bornesdel motor, una punta de corrientesuperior a la corriente de arranque seproducirá, en efecto, en el paso a lamarcha normal: condicióninadmisible para la red y para elmotor con el riesgo de provocar ladesconexión por las protecciones.

Arranque estatórico porcondensadores

Este procedimiento permiteconservar las características delarranque a plena tensión del motor.Es particularmente utilizado paraconservar el par de arranque de losmotores síncronos, por ejemplo, enlas fábricas de cemento y en lasinstalaciones de trituración.

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

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

La puesta en servicio de esta técnicaes delicada. Requiere un estudio delconjunto motor-condensadores paraevitar las resonancias y lassobretensiones por auto-excitacióndel motor, y las oscilacionesmecánicas en el sistema detransmisión.

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

Arranque rotórico

Este método de arranque resuelveprácticamente todos los problemasque pueden presentarse en elarranque, sea la:

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

n adaptación del par motor al parresistente,

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

Sólo puede emplearse en losmotores asíncronos de rotorbobinado, o en los motoresasíncronos sincronizados (cada díamenos utilizados en la industria).

Es sobre todo utilizado para losarranques en carga.

Ejemplo de un arranque rotórico den tiempos.

Este arranque es el que nos ilustranlas figuras 13 y 14. El par motor varíaentre dos valores en cada escalón. Elvalor inferior se toma igual al parnominal. En cada escalón, laresistencia rotórica cambia de valor yla característica par-velocidad vaevolucionando.

En el último tiempo, la resistenciarotórica se reduce a la resistenciainterna del rotor.

n primer tiempo

alimentación estatórica y arranquecon la totalidad de la resistenciarotórica por cierre de CL.

Fig. 12: Diagrama vectorial del arranquepor condensadores.

Fig. 13: Esquema de potencia: arranquerotórico.

M

punto neutro

3L

CL

3L

C1

C2

Cn-1

potencia suministradapor la red

potencia activa

potenciasuministradapor loscondensadores

potenciaaparentedelmotor en elarranque

potenciareactivaespecífica


n segundo tiempo

cortocircuitado de la primera secciónde la resistencia rotórica por el cierrede C1.

n tercer tiempo

cortocircuitado de la segunda secciónde la resistencia rotórica por el cierrede C2.

n enésimo tiempo, o último tiempocortocircuitado de la n - 1 sección dela resistencia rotórica por el cierre deCn�1.

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

Este número n viene determinadoaproximadamente por la fórmula:

p

n

n

C

Clog

glogn =

o por esta otra:

nn

p

n gC

C=

en las cuales:

Cp: par de punta

gn: deslizamiento nominal.

Según los casos, Cp es conocido y nse deduce, o inversamente.

La determinación completa delequipamiento del arranque rotóriconecesita el conocimiento del servicio(cadencia horaria y duración delarranque). Debido a que los motoresde AT no están normalizados, estosequipos vienen determinados casopor caso, por especialistas.

Notas:

A veces es necesario disponer de unarranque lineal. Para esto serequiere acudir a la electrónica depotencia que permite el control de laenergía rotórica; por ejemplo con laayuda de un puente de Graëtz y de untroceador es posible conseguir unaresistencia continuamente variable(figura 15).

Fig. 14: Diagrama de arranque rotórico simétrico.

Fig. 15: Regulación de la velocidad por mediación de un triodo rotórico.

4º 3º 2º tiempo 1er tiempo

0 1 g

C

C

C

C

n

p

M

gn g4 g3 g2 g1

NI

I 0

R 1

I

N 0

R 2

H

L

- -

+ +N

M

3L

dinamo tacométrica

Elección del método dearranque

La elección del método de arranqueviene condicionada por la correctaadecuación entre el par motor y el parresistente de la carga.

Esto requiere conocer el parresistente (figura 16).

Condiciones de arranque

Teniendo en cuenta lascaracterísticas del arranque deseadoes necesario verificar, para losdiversos tipos de arranqueconsiderados, que el arranque puedeefectivamente producirse en buenascondiciones a nivel del par motor, dela punta de corriente y de la duracióndel arranque:


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

nnnnn la punta de corriente en la red y lacaída de tensión correspondiente sonadmisibles por la red,

nnnnn el tiempo de arranque escompatible con los materialesutilizados.

Cálculo aproximado de la duracióndel arranque

El funcionamiento del conjunto motor-máquina arrastrada, viene regido porla ecuación mecánica:

dt

d.JCC rm

w=-

siendo:

Cm: par motor,

Cr : par resistente,

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

dt

dw= aceleración angular.

Durante el tiempo total de arranque∆t, la velocidad angular pasa de 0 aωn. Por otra parte puede definirse unpar motor acelerador medio Ca, iguala la diferencia media entre Cm y Cr:

Esto implica que:

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

on

D

-w

de donde se deduce que:

a

n

C

.Jt

w=D

Sabiendo que el par motor real varíaen función del cuadrado de la tensiónde alimentación:

C'mCm

Ureal

Un( )=

2

el hecho de reducir la tensiónreducirá Ca y en consecuenciaaumentará el tiempo de arranque.

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

Tabla de elección del método dearranque

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

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

n arranque rotórico,

n arranque por autotransformador,

n arranque por impedanciasestatóricas,

n arranque directo.

La elección del método de arranquerequiere una buena comunicaciónentre la empresa suministradora dela energía eléctrica, el constructor delmotor y el de la máquina arrastrada.

Las características indispensablesen esta elección son:

n la potencia de la red dealimentación y la punta de corrientemáxima autorizada,

CCn

par

1,8

0,9

0velocidad

C

C'm

m

C'r

características ejemplos

par constante compresores de pistón

par parabólico bombas:_______ válvula abierta_ _ _ válvula cerrada

par importante machacadoraen el arranque

Fig. 17: Caso de no arranque.

C

C

3 3

C

C

3

C3 n

3 n

3 n

n

n

n el par y la intensidad del motor aplena tensión, en función de lavelocidad del motor,

n el par resistente de la máquinaarrastrada figura 16,

n el momento de inercia de lasmasas giratorias.

Si la relación entre la potencia de lared de alimentación y la potencia delmotor es inferior a 5, se deberá deprestar un cuidado particular a laelección del método de arranque, asícomo a la coordinación del conjuntode protecciones (anexos 1 y 2).


Necesidades Características Método de Mando por Ventajasde la aplicación de la aplicación arranque inconvenientes

proceso permanente máquinas que necesitan directo 1 ó 1 simplicidad,o casi permanente un fuerte par de inversión reducida.arranque ≤ 1/día arranque en el arranque:

n par importante,arranques motores de pequeña directo 1 n punta de corriente importante,frecuentes > 1/día punta de arranque o de n fuertes exigencias mecánicas.

pequeña potencia

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

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

el par necesario para (ajuste posible)el arranque

optimización de las arranque de rotórico generalmente débil punta de corriente decaracterísticas de mayor dificultad 3 arranque y gran par de arranquearranque confuerte par

Fig. 18: Tabla de elección del método de arranque en los casos más corrientes.


La aparamenta tiene tres funciones:

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

n desconectar el motor en caso dedefecto (protección),

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

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

n controlar el arranque(automatismo de la secuencia delproceso de arranque),

n actuar sobre la velocidad delmotor,

n suministrar información sobre elestado eléctrico del motor y tambiéncontribuir a su protección.

Para la función de control se recurresobre todo a la electrónica depotencia y de señal (tecnologíadigital); ésta se halla en plenodesarrollo. La protección de losmotores AT se verá en el capítulosiguiente.

Solucioneselectromecánicas

La elección entre los diferentesaparatos de maniobra (interruptor,interruptor automático, contactor)depende de:

n la cadencia de maniobras,

n la endurancia eléctrica,

n la potencia del motor.

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

Interruptores - fusibles

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

Además, ese limitado poder de cortehace que la elección de lasprotecciones sea delicada.

Interruptores automáticos

Los interruptores automáticos seemplean para motores de grandespotencias, más de 300 A, conpequeña cadencia de maniobra ypara tensiones de servicio superioresa 6,6 kV.

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

Contactores - fusibles

n cadencia de maniobras

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

Esta cadencia no puede soportarlaun interruptor automático, aunquesea especial, y menos aún uninterruptor.

Algunas instalaciones utilizancontactores con enclavamientomecánico para eliminar el consumopermanente del electroimán decierre, lo que puede reducir laendurancia mecánica por causa de lamayor complejidad de la cadenacinemática.

n potencia de cortocircuito de la red

Este factor interviene poco en unmontaje con contactores, gracias a lapresencia de los cortacircuitos-fusibles, situados inmediatamentedespués del seccionador de

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

Estos fusibles de alto poder deruptura limitan la corriente decortocircuito.

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

Fusibles

El calibre de los fusibles vienedeterminado en función de:

n la intensidad nominal In,

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

n la duración del arranquedeterminada con ayuda del ábaco dela figura 20.

Para mayor precisión en la eleccióndel fusible, el(la) lector(a) puedeacudir al Cuaderno Técnico nº 107.

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

Transformadores de corriente

La utilización, cada vez másfrecuente, de protecciones digitaleshace posible el empleo decaptadores de corriente noconvencionales (por ejemplo lostoros de Rogowkski).

3 Aparamenta de control y mando

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

aparato cadencia media endurancia potencia admisiblenº maniobras del motor

interruptor-fusibles baja: 2 - 3 veces / día 2 000 pequeña ≤ 50 A

interruptor baja 10 veces / día 10 000 elevadaautomático ≥ 7,2 kVA

> 300 A

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


Fig. 20: Ábaco para la determinación de los fusibles.

0.01

0.050.04

0.03

0.02

0.1

0.5

1

5

10

50

100

t (segundos)

10080

605040

30

20

10

150

200

In Amp.motor

ejemplo:In motor = 100 AId = 6.Intd = 5 scalibre fusible = 200 A

Id =

4 In

Id =

5 In

In = 6

In

Id =

7 In

100A 125A 160A 200A 250Acalibre de los fusibles 7,2 kV


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

No presentan problemas a nivel desaturación, ni en el plano térmico,como puede ser el caso de lostransformadores de corrienteclásicos (ver Cuaderno Técnico nº112).

Particularidades debidas al empleode fusibles o de interruptoresautomáticos

n funcionamiento en monofásicodebido a la fusión de un fusible y nofuncionamiento del percutor.

El nivel de fiabilidad de lospercutores hoy en día es tal que esteriesgo es pequeño.

El nivel de seguridad puede aúnaumentarse con el empleo de unaprotección suplementaria (relés defalta de tensión o de desequilibro).

n selectividad con la aparamentaaguas arriba.

Puede ser delicada de realizarcuando simultáneamente:

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

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

Sin embargo, el elevado poder decorte de los contactores Rollarc,asociado a estos fusibles, permite lautilización de relés de intensidadmáxima con poca temporización y elreencuentro de la selectividad. Laselectividad es más fácil de conseguirsi la salida motor está protegida porinterruptores automáticos, pero, bajofuertes corrientes de cortocircuito, alno estar limitada la corriente, se tieneun incremento de los esfuerzostérmicos.

n sobretensiones

Ciertos tipos de aparatos de ruptura yparticularmente los de corte al vacío,provocan sobretensiones en laconexión o desconexión del motor (acausa de su aptitud para cortar lascorrientes de alta frecuencia, queresultan por ejemplo, del fenómenode supresión de la corriente - verCuaderno Técnico nº 143).

A fin de evitar que estas sobretensio-nes vayan degradando, poco a poco,el nivel de aislamiento del motor, losfabricantes colocan en laaparamenta, si es necesario,limitadores de sobretensiones, deltipo ZnO.

En conclusión, parece que lassoluciones electromagnéticas sonhoy en día fiables, robustas yeconómicas y en consecuencia sonperfectamente válidas en la granmayoría de los casos.

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

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

M

relé demáximaintensidad

contactorcortacircuitos

interruptor automático general

relé demáximaintensidad

��

t

I

tiempo decortedel contactor

relé de máximaintensidad delcontactor

poder decorte delcontactor

curva de fusióndel cortacircuito

relé de máximaintensidad delinterruptor aut.general

pérdida deselectividad


Soluciones electrónicas

Al utilizarlas aportan posibilidades yventajas suplementarias tales como:

n velocidad variable,

n posibilidades de regulación de lavelocidad,

n elevadas cadencias de maniobra,

n ahorro de energía.

Rara vez se usa la soluciónelectrónica sólo para realizar elarranque.

Antes de abordar los casos típicos dedispositivos electrónicos, esnecesario recordar que su utilizaciónrequiere un determinado número deprecauciones constructivas a niveldel motor:

n un cierto margen de seguridad ensu calentamiento a causa de losarmónicos: un margen del 15% en lacorriente generalmente es suficiente,

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

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

Los dispositivos que presentamosson los más utilizados en mediatensión. Se exponen sólo losprincipios generales.

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

Rectificadores - onduladoresautónomos

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

Recordemos que en los motoresasíncronos:

motor cargas variación de potencia rendimiento tipo dede velocidad global variación

asíncrono bombas, 0% a más de 100% desde 10 kW a 0,85 a 0,90 rectificador/onduladoro síncrono ventiladores, cientos de kW autónomo

compresores,extrusores

asíncronos ídem 60% a 100% * algunos 100 kW 0,90 a 0,95 cascadade anillos a algunos MW hiposíncrona

síncrono ídem 0% 100 kW 0,90 a 0,95 rectificador/onduladorcentrifugadoras a varias veces 100% a algunos 10 MW autopilotadobogies TGV-A(gran velocidad)

asíncronos machacadoras, 0% a ± 33% 100 kW 0,85 a 0,90 ciclo convertidoro síncronos laminadores, a algunos 10 MW

hornos de cemento(pequeña velocidad)

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

Fig. 23: Dominio de aplicación de los variadores electrónicos para motores de corriente alterna.

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

U

U

0

0

t

t


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

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

Existen tres tipos de rectificadores--onduladores autónomos.

n rectificador-ondulador de tensión

o el rectificador a tiristores regula latensión,

o el ondulador a tiristores suministrauna tensión alterna de frecuenciavariable.

Este esquema se utiliza también enlos Sistemas de AlimentaciónIninterrumpida (SAI), utilizados en BTpara alimentar los ordenadores; laúnica diferencia es que, en éstos, lafrecuencia y la tensión son fijas.

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

o el rectificador a diodos alimenta elondulador,

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

n rectificador-ondulador de corriente(conmutador)

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

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

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

Algunos elementos de comparaciónentre estos tres tipos derectificadores-onduladores

n el ondulador de tensión

o es conveniente para los motoresde grandes reactancias,

o necesita a menudo un filtro entreondulador y motor,

o permite el frenado porrecuperación, si el rectificador esreversible.

n el ondulador de modulación deancho de impulso (PWM)

o permite una amplia gama develocidad,

o la velocidad máxima quedalimitada por la frecuencia deconmutación máxima que soportanlos tiristores del ondulador. Lautilización de transistores de potencia(IGBT) permite trabajar a frecuenciasmucho más elevadas, pero parapotencias menores,

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

n el conmutador de corriente

o es adecuado para motores depequeñas reactancias,

o permite el funcionamiento en loscuatro cuadrantes.

Cascada hiposíncrona

El motor asíncrono de rotor bobinadose alimenta, por lo general, por la redde distribución.

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

M

P

Pr

3L

3L

3L

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


ondulador. El rectificador toma laenergía del circuito rotórico lo queaumenta el deslizamiento. Estaabsorción de energía depende de laregulación de conducción de lostiristores del ondulador quereinyectan la energía a la red (figura25). La cascada hiposíncrona permiteuna variación continua de lavelocidad con un deslizamientomáximo del orden del 40%.

El conjunto del convertidor tiene unapotencia pequeña con relación a lapotencia del motor y la recuperaciónde energía permite obtener unexcelente rendimiento global.

Hay que subrayar que el convertidorsólo entra en funcionamientodespués de haber arrancado el motorpor resistencias rotóricas.

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

Rectificador-ondulador autopilotado

Al igual que el rectificador-onduladorautónomo por conmutación decorriente, las fases del estator delmotor (aquí síncrono) estánalimentadas secuencialmente, unadespués de la otra.

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

Se tiene así una correspondenciaentre el flujo de excitación y el flujodel inducido, como en las máquinasde corriente continua, y el peligro dedesenganche es nulo.

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

Esta solución se adapta muy bien alos motores síncronos.

Ciclo convertidor

Cada fase del motor se «alimenta»desde un doble puente trifásico.

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

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

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


Un «conjunto de protección delmotor» reagrupa los dispositivos quepermiten evitar averías importantesinherentes a las condicionesanormales de funcionamiento a nivelde la alimentación, motor o proceso.

La elección de las protecciones ainstalar se hace en función:

n de las condiciones de explotación,

n de la importancia del servicio queasegura el motor,

n del grado de seguridad deseado,

n del coste relativo de la protecciónrespecto al motor,

n de la probabilidad de que semanifiesten los defectosconsiderados.

Pero también:

n del tipo de carga arrastrada,

n de las perturbaciones que puedenaparecer en la red,

n del tipo de motor protegido.

Así, los defectos que se enumeran acontinuación pueden ser objeto deuna protección.

Principales tipos dedefectos

Motores asíncronos

n sobrecargas,

n cortocircuitos,

n ruptura, inversión y desequilibriosde fases,

n defecto de aislamiento entreespiras,

n masa estator,

n tensión mínima y máxima,

n arranque incompleto.

Motores síncronos

n ruptura de sincronismo,

n pérdida de la excitación,

n masa rotor,

n marcha prolongada en asíncronoen el arranque,

n sobrecarga y cortocircuitos en elarrollamiento de excitación,

n retorno de potencia (marcha comoalternador).

Otros defectos ligados al proceso oa la carga

n arranques demasiado frecuentes,

n bloqueo del motor,

n mínimo de potencia o de corriente.

En los párrafos siguientes seestudian los procesos de detección--protección que se refieren a losprincipales tipos de defecto.

Principios de protección

Sobrecargas

La sobrecarga puede detectarse porrelés de máxima intensidad a tiempoinverso, por relés a imagen térmica otambién por sondas térmicas.

Los relés tratan la información«corriente absorbida por el motor»,que generalmente se capta contransformadores de corriente.

Las sondas térmicas se colocan enlas partes activas del motor.

n relés de máxima intensidad atiempo inverso.

Su empleo necesita:

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

o un umbral de funcionamiento Io,próximo a la corriente nominal In delmotor

Io ≈ 1,10 InEstos relés no memorizan lassobrecargas.

n relés a imagen térmica

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

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

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

n sondas térmicas

Son resistencias cuyo valor óhmicovaría mucho con la temperatura.

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

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

La protección de los cojinetes debede asegurarse con termostatos o consondas térmicas.

Cortocircuitos

En los equipamientos con interruptorautomático, los cortocircuitos losdetectan los relés de máximaintensidad, de funcionamientoinstantáneo, ajustados por encima dela corriente de arranque.

En los equipos con contactor yfusibles, son los fusibles los queeliminan los cortocircuitos.

Con todo, una solución interesanteconsiste en asociar a los fusibles,relés de máxima intensidadligeramente temporizados. Estadisposición permite la utilización delcontactor hasta su poder de corte.

Rupturas, inversión y desequilibriode fases

Estos defectos son detectadosgracias a un filtro que pone enevidencia las componentes inversas.

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

n en el estator un aumento de lacorriente,

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

4 Protección de los motores de AT


circulan por el rotor a una frecuenciadoble de la alimentación.

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

n por las corrientes: la inversión sepone de manifiesto después delcierre del contactor, la máquinaarrastrada gira al revés y puede sufrirdesperfectos,

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

Defecto de aislamiento en elbobinado

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

Según la situación eléctrica en la quese produce el defecto, puede que laprotección de sobrecarga no actúecon la suficiente rapidez y se originendesperfectos importantes.

La detección de estos defectos sehace, generalmente, porcomparación de corrientes.

n protección diferencial longitudinal

Protege contra los defectos entredevanados de fases diferentes.

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

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

Cuando no hay defecto, estascorrientes son idénticas y el relé deprotección no se excita.

Éste actúa y da orden de disparocuando la diferencia entre estascorrientes alcanza un valor fijado porla regulación del relé.

n protección diferencial transversal

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

Fig. 26: Esquema de una protección diferencial longitudinal.

Fig. 27: Esquema de una protección diferencial transveral.

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

NM

relé deprotección

M N

relé deprotección

relé decorrientehomopolar

toro

TC

relé decorrientehomopolar

toro eventual


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

Masa en el estator

Esta protección es indispensablecomo protección contra las personas.Su elección deberá hacerse enfunción del régimen de neutro de lared que alimenta el motor.

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

La detección del defecto se realizapor la medida de la corrientehomopolar que se establece entre lafase con defecto y la masa de la red.Esta medida se lleva a cabo por relésde máxima intensidad de umbralbajo.

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

El toroide suprime la aparición deuna falsa componente homopolardebida a la saturación desigual delos transformadores de corriente enel arranque del motor y permite unumbral de funcionamientorelativamente bajo.

Estos relés deben funcionar para unvalor de la corriente de defecto tal queel potencial de las masas conrelación a tierra no sea en ningúncaso superior a 24 V en un medioconductor, con las masasinterconectadas, o a 50 V en losdemás casos de instalación.

La determinación de este punto deregulación necesita, por tanto, elconocimiento del valor de las tomasde tierra y del esquema deinterconexión de las masas.

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

TMF R

V50ó24l £

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

Nótese que cuanto más bajo sea elumbral, más precisa será ladetección y menor será el riesgo dedeterioro de los circuitos magnéticos.

n neutro aislado

La detección del defecto se realizapor la medida permanente delaislamiento global de la red conrelación a tierra mediantedispositivos a inyección de corrientecontinua, como los controladorespermanentes de aislamiento(esquema 1 de la figura 29) o porrelés de tensión máxima homopolar,suministrada por trestransformadores de tensión con sussecundarios en triángulo abierto(esquema 2 de la figura 29).

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

Fig. 30: Esquema de la protecciónmínima y máxima de tensión. Lo másfrecuente es que dos TU suministren lastensiones compuestas del relé.

reléde tensión

M

relé detensiónhomopolar

controlador deaislamiento porinyección de C.C.

limitadordesobretensión

C

R = resistencia de carga

R R R

esquema 1

esquema 2


Tensión máxima y mínima(figura 30)

n tensión mínima

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

La información «tensión» viene dadapor un transformador de tensión ytratada por un dispositivo de umbral ytemporizable.

n tensión máxima

Esta protección debe preversecuando se producen fuertesvariaciones de tensión en la red dealimentación.

Evita el tener que esperar laactuación de los relés de sobrecarga,pues un máximo de tensión setraduce por una sobreintensidad delmotor y un aumento del par motorque puede ser nefasto para lamáquina arrastrada.

La detección la realizan los relés demedida de tensión máximatemporizados.

Arranque incompleto oexcesivamente prolongado

Esta protección se justifica en losarranques en varios tiempos.

Se realiza con un relé temporizadoque se pone en servicio al empezar elarranque y se desconecta al finalizar.La magnitud controlada puede ser lavelocidad, o la corriente.

Así se evita la utilización prolongadadel sistema de arranque, calculadopara funcionar durante un tiempodado.

Ruptura del sincronismo

Se trata de una protección importanteen los motores síncronos.

En efecto, la jaula deamortiguamiento de un motorsíncrono es relativamente débil conrelación a la corriente: si el motor

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

Esta pérdida del sincronismo sepuede producir como consecuenciade una sobrecarga mecánica, de unmínimo de tensión, o de una pérdidao reducción de la excitación.

La detección de este defecto serealiza con relés de mínimaimpedancia, o de factor de potencia,alimentados por transformadores detensión y por transformadores decorriente (figura 31).

Pérdida de la excitación

Esta pérdida, debida por ejemplo auna ruptura del devanado rotórico,provoca la parada del motor.

Puede detectarse:

n o por la protección «ruptura delsincronismo» antes descrita,

n o por un relé a mínima tensión o amínima corriente de la excitación.

Masa en el rotor de un motorsíncrono

Esta protección debe determinarseen función del esquema dealimentación y del modo deproducción de la corriente continua.

Si el conjunto del circuito deexcitación de corriente continua estáaislado de la masa, un primer defectode aislamiento no afecta alfuncionamiento del motor.

Pero si se produce un segundodefecto se puede provocar unasobrecarga o un cortocircuito contodas sus consecuencias. Los relésde detección de este defecto son, engeneral, aparatos a inyección decorriente alterna de baja frecuencia,10 ó 20 Hz (figura 32).

Fig. 31: Protección contra la ruptura delsincronismo.

Fig. 32: Protección del rotor en elarranque y en funcionamiento de motoressíncronos.

relés demínimaimpedanciao de cos

M

a. devanado de excitación b. protección térmica: marcha prolongada en asincronismo c. resistencia de arranqued. contactor de excitación e. protección masa rotor f. protección a máxima intensidad de excitacióng. protección a mínima tensión de excitación h. hacia la desconexión del contactor s. fuente de corriente continua

ab

c

d

e

f

g

h

s

�@�À�@�À�@�À�@�À�@�À�@�ÀZ <

I >

U <

I >


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

Marcha prolongada en asíncrono enel arranque

En los motores síncronos, unaduración excesiva del arranqueprovoca un calentamiento exageradode la jaula de amortiguamiento.

Se utiliza la protección «arranqueincompleto» descrita anteriormente, oun dispositivo térmico adaptado a laconstante de tiempo térmica del rotor,en serie con la inductancia durante elarranque (figura 32, elemento b).

Sobrecarga y cortocircuito en eldevanado de excitación

Estas protecciones evitan eldeterioro, por calentamiento, deldevanado de excitación y de sualimentación. La detección se realizacon un relé a máxima corriente deexcitación.

Además se emplea, generalmente,un relé de tensión mínima deexcitación que funciona ante unabajada de tensión provocada, porejemplo, por un cortocircuito.

En el arranque, este relé se utilizapara detectar la presencia de tensiónde excitación y permitir el cierre delcontactor de excitación al final delarranque en asíncrono (figura 32,elemento g).

Retorno de potencia

Esta protección se aplicaespecialmente a los motoressíncronos.

Al desconectar el interruptorautomático de alimentación se evitala devolución de energía eléctrica alas cargas conectadas sobre elmismo juego de barras.

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

La protección debe detectar unainversión del sentido de la corriente ode la potencia.

Se efectúa, pues, con relésdireccionales de potencia (figura 33).

Fig. 33: Protección contra el retorno depotencia.

Arranques frecuentes

Un excesivo número de arranques enun tiempo determinado puedeconducir a un deterioro del motor siéste no ha sido dimensionado paratal servicio.

Esta protección se realiza por un reléque controla las funciones de númerode arranques y de temporización ylimita automáticamente:

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

n o el espaciado en el tiempo deestos arranques.

Bloqueo del rotor

El bloqueo de un motor por unacausa mecánica provoca unasobreintensidad sensiblemente iguala la corriente de arranque. Elcalentamiento que de ello resulta esmucho más importante, pues laspérdidas en el rotor se mantienen ensu valor máximo durante todo elbloqueo y la ventilación cesa si éstaestá ligada al giro del rotor. Enconsecuencia, cuando existe elriesgo de que pueda producirse estedefecto mecánico es necesarioutilizar la protección de «bloqueo delrotor», pues los relés de sobrecargaa veces responden al cabo de untiempo demasiado largo.

La detección de este defecto serealiza con un relé amperimétrico,regulado a un valor inferior a lacorriente de arranque, que esvalidado después de una«temporización arranque» a la puestaen tensión del motor; estatemporización se ajusta a un valorsuperior o igual a la duración normaldel arranque.

Mínimo de intensidad o de potencia

Una bomba, si se desceba, puededeteriorarse. Cuando se produceesta situación, se tiene unadisminución de la potencia activaabsorbida por el motor. Un relé decorriente mínima protege contra estedefecto.

Evolución tecnológica

En la descripción de las distintasprotecciones que acabamos de hacerse ha utilizado a menudo el término«relé». Se trata de un hábito delenguaje (relé = tipo de protección)que corresponde a la época en la queproteger un motor requería el empleode «relés» separados dedicados auna sola función de protección.

Durante la década de los 70, losconstructores, con el deseo deflexibilizar la adaptación a lasnecesidades, han comercializado losRACKS, capaces de contenermúltiples protecciones distintas.

Después, en los años 80, latecnología digital ha incrementadolas posibilidades de adaptación; asíun solo y único dispositivoprogramable permite realizar lasdiversas funciones de protección ycontrol-mando que requiere cadacaso particular.

relé direccionalde potencia

M


La finalidad del ejemplo siguiente noes resolver completamente unproblema, sino ilustrar, de formaconcreta, una sistemática de cálculoque conduzca a la elección de unmodo de arranque.

Hipótesis de cálculo

Motor asíncrono de:

n potencia nominal Pn = 1 500 kW,

n tensión nominal Un = 5 500 V,

n rendimiento x factor de potencia:

η x cos ϕ = 0,84,

n relación del par de arranque al parnominal a tensión nominal:

Cd

Cn= 0,8

n relación corriente de arranque acorriente nominal a tensión nominal:

IdIn

= 5

n par de puesta en marcha de lamáquina arrastrada:

0,2 Cn

n potencia del transformadorprincipal de alimentación:

Pt = 3 MVA

n potencia aparente máxima depunta soportada por la red deltransformador:

St = 6 MVA.

Otros datos necesarios para elcálculo:

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

n característica par resistente -velocidad Cr (N) de la máquinaarrastrada,

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

Método general

La pretensión del proyectista es la debuscar la mejor elección técnico-

económica. Para ello convieneensayar, de entrada, si la soluciónmás simple y económica es válida; ysi ésta no conviene, ensayar otrassoluciones siguiendo el orden de latabla de la figura 34.

Arranque directo

Potencia aparente del motor alprincipio del arranque:

Sm =IdIn

Pn

. cos . =

=1 500

0,84. 5 = 8 925 kVA

con un factor de potencia al arranque:

cos ϕd = 0,5, o sea, ϕd = 81°.

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

Gráficamente se deduce el valor totalde la potencia aparente solicitada altransformador:

S ≈ 9 580 kVA.

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

Arranque por reactancia

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

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

Al arrancar el motor, la presencia dela reactancia hace que el factor depotencia esté próximo a cero, o sea,ϕd ≈ 90°.

OA→

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

OB→

= St = 6 000 kVA: potenciaaparente máxima autorizada.

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

AB→

= Sd = 5 300 kVA

Reducción de la potencia que debeobtenerse con la reactancia:

Sd

Sm=

5 300

8 9250,6

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

Sd = Un . I'd . 3

Sm = Un . Id . 3

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

I'dId

Ud

Un= = 0,6

La tensión en bornes del motor tieneun valor Ud = 0,6 Un. El problemaqueda resuelto desde el punto devista eléctrico, sólo resta verificar siesta solución es válida desde elpunto de vista mecánico.

Anexo 1: Determinación del tipo de arranque de un motor

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

soluciones de arranque criterios de aceptación

directo punta de potencia compatible con la red

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

autotransformador ídem


Fig. 35: Diagrama de potencias de arranque.

Para el arranque directo, el par dearranque es:

Cd = 8 Cn (figura 36).

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

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

Un( )2

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

Queda por controlar un último detalle:si el punto de equilibrio mecánico Cm= Cr está situado a una velocidad muybaja, el paso a la plena tensión correel riesgo de efectuarse con una puntade corriente excesiva. Si ésta es muyelevada para la red, debemos dereconsiderar el modo de arranque y aelegir, por ejemplo, el arranque porautotransformador (figura 36).

Nota 1

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

En este caso es necesarioconsiderar la solución del arranquepor autotransformador.

La potencia aparente disponiblesigue siendo Sd = 5 300 kVA.

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

Consideremos el coeficiente 0,4:

Smg = 0,4 ( )Pn

. cos

Smg = 0,4 = 720 kVA 1 500

0,84

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

=Sd - Smg

Sm

5 300 - 720

8 9250,513

S = 9 580 kVA

B

A

= 81o

' = 29,5 o1 200 kVA

d

tS = 6 000 kVA

dS = 5 300 kVA

mS = 8 925 kVA

potencia activa


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

Determinación de la tensión reducidade arranque Ud.

La igualdad de potencias primaria ysecundaria del autotransformadorpermite escribir:

0,513 . Id . Un = I''d . Ud

I''d corriente de arranque a la tensiónreducida lado motor:

Ud

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

de donde se deduce que:

= 0,513Ud

Un( )2

o sea Ud = 0,718 Un.

Nuevo par de arranque

0,8 Cn . = 0,41 CnUd

Un( )2

Valor suficiente para permitir quepueda efectuarse el arranque.

Nota 2

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

(a)

(c)

(d)

(b)

(e)

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

0,2

0,8

51

1

II nCn

C

Cn

I n

punto deequilibriocon tensiónreducida

punta decorriente alpasar a plenatensión

a: curva C (N) a plena tensiónb: curva C (N) a tensión reducida (0,6 Un)c: curva I (N) a plena tensiónd: curva I (N) a tensión reducida (0,6 Un)e: curva Cr (N)

(N/N )s


Cuando se ha realizado la elecciónde las protecciones en función de lasexigencias de la explotación, esnecesario asegurar su coordinaciónpara aprovechar al máximo susposibilidades. Debe buscarse unequilibrio entre una desconexiónintempestiva y un retardo en laeliminación de un defecto. El estudiode las curvas t(I) del relé, del fusible ydel poder de ruptura del contactorresuelve el problema de lacoordinación de las protecciones.Las características del motorconsiderado en el ejemplo son lassiguientes:

n Pn = 550 kW,

n Un = 3 150 V,

n In = 130 A,

n Id = 5 In.

El contactor es del tipo: Rollarc -fusible.

Naturaleza de las protecciones

n relé térmico de desconexiónindirecto, regulado a In = 130 A paralas sobrecargas,

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

n relé de máxima de componenteinversa regulado a 0,3 ó 0,4 In,temporizado a 0,6 s.

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

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

n un umbral alto instantáneo contrael corte de una fase.

La desconexión instantánea por elrelé de componente directa permiteutilizar el contactor en las mejorescondiciones de su poder de corte yevita la fusión del cortacircuitos-fusible.

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

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

n los defectos equilibrados de 6 In a28 In.

Los fusibles intervienen únicamenteal sobrepasar de 15 In para los

Anexo 2: Coordinación de las protecciones

defectos desequilibrados y de 25 Inpara los defectos equilibrados.

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

28 In = 3 640 A.

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

Fig. 37.

1 2 5 10 20 50 100

130 260 650 1 300 2 600 6 500

0,01

0,03

0,05

0,1

1

5

10

20

40

1

2

34

6810

20

3040

60

frio

caliente

fusible

relé decomponenteinversadirecta

tiempo decorte delcontactor

minutos

segundos

poder de ruptura delcontactor Rollarc

zona de funcionamientodel relé térmico

3 640 A

k . II (A)

n

n

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