Protección de Motores: Tipos Fallos y Dispositivos
Un sistema de protección de motores es un conjunto de dispositivos y métodos que protegen un motor eléctrico de diversos fallos y daños. Un motor eléctrico es un componente crucial en muchas aplicaciones industriales y domésticas, desde electrodomésticos pequeños hasta máquinas grandes. Por lo tanto, es importante asegurar el correcto funcionamiento y la seguridad del motor y su circuito.
En este artículo, discutiremos los tipos de fallos de motores, los tipos de dispositivos de protección de motores y cómo seleccionarlos según el Código Eléctrico Nacional (NEC) y las características del motor.
¿Qué es un fallo de motor?
Un fallo de motor es una condición que hace que el motor opere anormalmente o falle. Los fallos de motor se pueden clasificar en dos categorías principales:
Fallos externos: Estos son fallos que se originan en la red de suministro de energía o en la carga conectada al motor. Algunos ejemplos de fallos externos son:
Voltajes desequilibrados: Esto ocurre cuando los voltajes trifásicos no son iguales en magnitud o ángulo de fase. Esto puede causar corrientes de secuencia negativa en el motor, que producen pérdidas adicionales, calentamiento y pulsaciones de par.
Bajo voltaje: Esto ocurre cuando el voltaje de suministro cae por debajo del valor nominal del motor. Esto puede causar un par reducido, un aumento de corriente y sobrecalentamiento del motor.
Secuencia inversa de fases: Esto ocurre cuando el orden de las fases de suministro se invierte. Esto puede causar la rotación inversa del motor, lo que puede dañar la carga o el motor mismo.
Pérdida de sincronismo: Esto ocurre cuando un motor síncrono pierde su bloqueo magnético con la frecuencia de suministro. Esto puede causar un deslizamiento excesivo, caza y estabilidad inestable del motor.
Fallos internos: Estos son fallos que se originan en el motor o en la planta accionada. Algunos ejemplos de fallos internos son:
Fallo de rodamientos: Esto ocurre cuando los rodamientos que soportan el eje del motor se desgastan o se atascan debido a la fricción, problemas de lubricación o estrés mecánico. Esto puede causar ruido, vibración, desalineación del eje y detención del motor.
Sobrecalentamiento: Esto ocurre cuando la temperatura del motor supera su límite térmico debido a sobrecarga, enfriamiento insuficiente, condiciones ambientales o ruptura de aislamiento. Esto puede causar deterioro del aislamiento, daño en los devanados y reducción de la eficiencia del motor.
Fallo de devanado: Esto ocurre cuando los devanados del motor están cortocircuitados o en circuito abierto debido a la ruptura del aislamiento, estrés mecánico o fallos externos. Esto puede causar chispas, humo, fuego y pérdida de par en el motor.
Fallo a tierra: Esto ocurre cuando un conductor de fase del motor entra en contacto con una parte a tierra del circuito o equipo. Esto puede causar corrientes de fallo altas, daño al aislamiento y al equipo, y potenciales riesgos de choque.
Los fallos de motor pueden tener consecuencias graves para el rendimiento, la seguridad y la vida útil del motor y su circuito. Por lo tanto, es esencial detectarlos y protegerse contra ellos utilizando dispositivos y métodos apropiados.
¿Qué es un dispositivo de protección de motor?
Un dispositivo de protección de motor es un dispositivo que monitorea y controla uno o más parámetros del motor o su circuito, como corriente, voltaje, temperatura, velocidad o par. El propósito de un dispositivo de protección de motor es prevenir o minimizar daños al motor y su circuito en caso de un fallo o condición anormal.
Existen diferentes tipos de dispositivos de protección de motores dependiendo de su función, principio y aplicación. Algunos tipos comunes son:
Fusibles: Estos son dispositivos que interrumpen el circuito cuando fluye una corriente alta a través de ellos debido a un cortocircuito o sobrecarga. Consisten en una tira o hilo metálico que se derrite cuando se calienta por la corriente de fallo. Los fusibles son simples, baratos y confiables, proporcionando una protección rápida contra cortocircuitos. Sin embargo, tienen algunas desventajas, como:
No son reutilizables y necesitan ser reemplazados después de cada operación.
No proporcionan protección contra sobrecargas o bajos voltajes.
No proporcionan indicación o aislamiento de la ubicación del fallo.
Interruptores automáticos: Estos son dispositivos que interrumpen el circuito cuando fluye una corriente alta a través de ellos debido a un cortocircuito o sobrecarga. Consisten en un par de contactos que se abren o cierran por un mecanismo electromecánico activado por un elemento de detección. Los interruptores automáticos son más avanzados que los fusibles, ya que proporcionan lo siguiente:
Reutilización y restablecimiento después de cada operación.
Protección contra sobrecargas y bajos voltajes ajustando sus configuraciones de disparo.
Indicación y aislamiento de la ubicación del fallo mediante operación manual o automática.
Relés de sobrecarga: Estos son dispositivos que interrumpen el circuito cuando fluye una corriente alta a través de ellos debido a una sobrecarga. Consisten en un elemento de detección que mide la corriente y un contacto que se abre o cierra por un mecanismo electromecánico o electrónico. Los relés de sobrecarga están diseñados para proteger los motores del sobrecalentamiento y el daño al aislamiento debido a sobrecargas prolongadas o voltajes desequilibrados. Hay dos tipos principales de relés de sobrecarga:
Respuesta más rápida y mejor protección contra corrientes de cortocircuito o fallos a tierra.
Inmunidad a la temperatura ambiente y sin necesidad de ajuste.
Mayor precisión y repetibilidad debido al procesamiento digital.
Características adicionales como detección de falta de fase, detección de rotación inversa, comunicación y diagnósticos.
Son lentos para responder y pueden no proteger contra corrientes de cortocircuito o fallos a tierra.
Se ven afectados por la temperatura ambiente y pueden necesitar ajustes en consecuencia.
Tienen precisión y repetibilidad limitadas debido al desgaste mecánico.
Relés térmicos de sobrecarga: Estos son dispositivos que utilizan una tira bimetálica o un elemento de calefacción para detectar el aumento de temperatura de la corriente del motor. Cuando la corriente excede el valor preestablecido, el elemento térmico se dobla o se derrite, haciendo que el contacto se abra o cierre. Los relés térmicos de sobrecarga son simples, baratos y confiables, proporcionando protección de tiempo inverso, lo que significa que se disparan más rápido para sobrecargas más altas. Sin embargo, tienen algunas desventajas, como:
Relés de sobrecarga electrónicos o digitales: Estos son dispositivos que utilizan un transformador de corriente o una resistencia de derivación para medir la corriente del motor y un microprocesador o un circuito de estado sólido para controlar el contacto. Cuando la corriente excede el valor preestablecido, el elemento electrónico envía una señal para abrir o cerrar el contacto. Los relés de sobrecarga electrónicos o digitales son más avanzados que los relés térmicos de sobrecarga, ya que proporcionan:
Relés de protección diferencial: Estos son dispositivos que comparan las corrientes en los terminales de entrada y salida del motor o su devanado. Cuando la diferencia entre las corrientes excede un cierto valor, indicando un fallo en el devanado, el relé interrumpe el circuito. Los relés de protección diferencial son dispositivos muy sensibles y confiables que proporcionan una protección rápida contra fallos de fase a fase y de fase a tierra en motores de baja y alta tensión.
Relés de protección contra rotación inversa: Estos son dispositivos que detectan la dirección de rotación del motor y evitan que gire en sentido inverso. La rotación inversa puede dañar el motor o la carga, especialmente en aplicaciones como cintas transportadoras, bombas o ventiladores. Los relés de protección contra rotación inversa pueden usar diferentes métodos para detectar la dirección de rotación, como:
Detección de secuencia de fases: Este método utiliza un relé de voltaje o un relé de vatímetro para medir la secuencia de fases del voltaje de suministro. Si la secuencia de fases está invertida, indicando rotación inversa, el relé interrumpe el circuito.
Detección de secuencia negativa: Este método utiliza un relé de corriente o un relé de potencia para medir el componente de secuencia negativa de la corriente del motor. Si el componente de secuencia negativa es alto, indicando rotación inversa, el relé interrumpe el circuito.
Detección de velocidad: Este método utiliza un sensor de velocidad o un tacómetro para medir la velocidad del eje del motor. Si la velocidad es negativa, indicando rotación inversa, el relé interrumpe el circuito.
Cómo seleccionar dispositivos de protección de motor
La selección de dispositivos de protección de motores depende de varios factores, como:
El tipo y tamaño del motor
Las características y calificaciones del motor
El tipo y severidad de posibles fallos
Los requisitos del NEC y otras normas
El costo y disponibilidad de los dispositivos
El Artículo 430 del NEC proporciona reglas y directrices generales para la selección de dispositivos de protección de motores basadas en estos factores. Sin embargo, también es importante consultar las recomendaciones y especificaciones del fabricante para cada motor y dispositivo.
Algunos pasos generales para seleccionar dispositivos de protección de motores son:
Determinar la corriente de plena carga (FLC) del motor a partir de su placa de identificación o de la Tabla 430.250 del NEC para motores CA o de la Tabla 430.251(B) para motores CD.
Seleccionar un dispositivo de protección contra sobrecarga que pueda manejar al menos el 115% de la FLC para motores con un factor de servicio de 1.15 o superior o con un aumento de temperatura de 40°C o menos; o el 125% de la FLC para otros motores. El dispositivo de protección contra sobrecarga puede ser un relé térmico de sobrecarga, un relé electrónico o digital de sobrecarga, o un relé de protección diferencial, dependiendo del tipo y tamaño del motor.
Seleccionar un dispositivo de protección contra cortocircuitos y fallos a tierra que pueda manejar al menos el 150% de la FLC para motores con un factor de servicio de 1.15 o superior o con un aumento de temperatura de 40°C o menos; o el 175% de la FLC para otros motores. El dispositivo de protección contra cortocircuitos y fallos a tierra puede ser un fusible o un interruptor automático, dependiendo del tipo y tamaño del motor.
Seleccionar un dispositivo de protección contra rotación inversa si el motor o la carga no pueden tolerar la rotación inversa. El dispositivo de protección contra rotación inversa puede ser un relé de detección de secuencia de fases, un relé de detección de secuencia negativa o un relé de detección de velocidad, dependiendo del tipo y tamaño del motor.
Seleccionar los tamaños de conductores para el circuito del motor según la Tabla 310.15(B)(16) del NEC para cableado general y la Tabla 430.250 del NEC para circuitos de ramificación de motores. Los conductores deben tener una capacidad de corriente no menor al 125% de la FLC para motores con un factor de servicio de 1.15 o superior o con un aumento de temperatura de 40°C o menos; o el 115% de la FLC para otros motores.
Seleccionar los dispositivos y métodos adecuados para el control, arranque, parada, regulación de velocidad y comunicación del motor según el tipo y aplicación del motor.
Conclusión
La protección de motores es un aspecto vital de la ingeniería eléctrica que asegura la seguridad y eficiencia de los motores eléctricos y sus circuitos. Los dispositivos de protección de motores se seleccionan en función del tipo y tamaño del motor, el tipo y severidad de los posibles fallos, los requisitos del NEC y otras normas, y el costo y disponibilidad de los dispositivos. Los dispositivos de protección de motores incluyen fusibles, interruptores automáticos, relés de sobrecarga, relés de protección diferencial y relés de protección contra rotación inversa. Los dispositivos de protección de motores monitorean y controlan parámetros como corriente, voltaje, temperatura, velocidad y par para prevenir o minimizar daños al motor y su circuito en caso de un fallo o condición anormal.
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