Protección térmica contra sobrecarga del motor
Para entender la protección térmica de sobrecarga del motor en un motor de inducción, podemos discutir el principio de funcionamiento de un motor de inducción trifásico. Existe un estator cilíndrico y un viento trifásico distribuido simétricamente en la periferia interna del estator. Debido a esta distribución simétrica, cuando se aplica una fuente de alimentación trifásica al viento del estator, se produce un campo magnético rotatorio. Este campo rota a velocidad síncrona. El rotor en un motor de inducción se crea principalmente por barras de cobre sólidas que están cortocircuitadas en ambos extremos de tal manera que forman una estructura tipo jaula. Por eso, este motor también se conoce como motor de inducción de jaula de ardilla. En cualquier caso, pasemos al punto básico del motor de inducción trifásico, lo cual nos ayudará a entender claramente la protección térmica de sobrecarga del motor.
A medida que el flujo magnético rotatorio corta cada uno de los conductores de barra del rotor, se induce una corriente circulante que fluye a través de los conductores de barra. Al inicio, el rotor está inmóvil y el campo del estator gira a velocidad síncrona, por lo que el movimiento relativo entre el campo rotatorio y el rotor es máximo. Por lo tanto, la tasa de corte de flujo con las barras del rotor es máxima, y la corriente inducida es máxima en estas condiciones. Pero, dado que la causa de la corriente inducida es esta velocidad relativa, el rotor intentará reducir esta velocidad relativa y, por lo tanto, comenzará a girar en la dirección del campo magnético rotatorio para alcanzar la velocidad síncrona. Tan pronto como el rotor alcance la velocidad síncrona, esta velocidad relativa entre el rotor y el campo magnético rotatorio se convierte en cero, por lo que no habrá más corte de flujo y, consecuentemente, no habrá ninguna corriente inducida en las barras del rotor. Dado que la corriente inducida se convierte en cero, no será necesario mantener la velocidad relativa cero entre el rotor y el campo magnético rotatorio, por lo que la velocidad del rotor disminuirá.
Tan pronto como la velocidad del rotor disminuya, la velocidad relativa entre el rotor y el campo magnético rotatorio adquiere nuevamente un valor no nulo, lo que vuelve a causar corriente inducida en las barras del rotor, y el rotor volverá a intentar alcanzar la velocidad síncrona, y esto continuará hasta que el motor se apague. Debido a este fenómeno, el rotor nunca alcanzará la velocidad síncrona, así como tampoco dejará de funcionar durante la operación normal. La diferencia entre la velocidad síncrona y la velocidad del rotor en relación con la velocidad síncrona se denomina deslizamiento del motor de inducción.
El deslizamiento en un motor de inducción en funcionamiento normal generalmente varía entre el 1% y el 3%, dependiendo de la carga del motor. Ahora intentaremos dibujar las características de velocidad-corriente del motor de inducción, tomemos como ejemplo un gran ventilador de caldera.
En la característica, el eje Y se toma como tiempo en segundos, el eje X se toma como % de corriente del estator. Cuando el rotor está inmóvil, es decir, en la condición de arranque, el deslizamiento es máximo, por lo que la corriente inducida en el rotor es máxima y, debido a la acción de transformación, el estator también extraerá una corriente elevada de la fuente, y sería alrededor del 600% de la corriente nominal de plena carga del estator. A medida que el rotor se acelera, el deslizamiento se reduce, consecuentemente la corriente del rotor y, por lo tanto, la corriente del estator cae alrededor del 500% de la corriente nominal de plena carga dentro de 12 segundos cuando la velocidad del rotor alcanza el 80% de la velocidad síncrona. Después de eso, la corriente del estator cae rápidamente al valor nominal a medida que el rotor alcanza su velocidad normal.
Ahora discutiremos sobre la sobrecarga térmica del motor eléctrico o problema de sobrecalentamiento del motor eléctrico y la necesidad de protección térmica de sobrecarga del motor.
Cuando pensamos en el sobrecalentamiento de un motor, lo primero que se nos viene a la mente es la sobrecarga. Debido a la sobrecarga mecánica, el motor extrae una corriente mayor de la fuente, lo que lleva a un sobrecalentamiento excesivo del motor. El motor también puede sobrecalentarse excesivamente si el rotor se bloquea mecánicamente, es decir, se detiene por alguna fuerza mecánica externa. En esta situación, el motor extraerá una corriente excesivamente alta de la fuente, lo que también conduce a la sobrecarga térmica del motor eléctrico o al problema de sobrecalentamiento excesivo. Otra causa de sobrecalentamiento es el bajo voltaje de suministro. Como la potencia extraída por el motor de la fuente depende de la carga del motor, para un voltaje de suministro menor, el motor extraerá una corriente mayor de la red para mantener el par requerido. La monofase también causa sobrecarga térmica del motor. Cuando una fase del suministro está fuera de servicio, las dos fases restantes extraen una corriente mayor para mantener el par de carga requerido, y esto lleva al sobrecalentamiento del motor. La condición desequilibrada entre las tres fases del suministro también causa el sobrecalentamiento del viento del motor, ya que un sistema desequilibrado resulta en corriente de secuencia negativa en el viento del estator. Además, la pérdida repentina y reestablecimiento del voltaje de suministro también pueden causar un sobrecalentamiento excesivo del motor. Dado que, debido a la pérdida repentina del voltaje de suministro, el motor se desacelera y, debido al reestablecimiento repentino del voltaje, el motor se acelera para alcanzar su velocidad nominal, y, por lo tanto, el motor extrae una corriente mayor de la fuente.
Dado que la sobrecarga térmica o sobrecalentamiento del motor puede llevar al fallo del aislamiento y daño del viento, para una adecuada protección térmica de sobrecarga del motor, el motor debe protegerse contra las siguientes condiciones
Sobrecarga mecánica,
Bloqueo del eje del motor,
Bajo voltaje de suministro,
Monofase del suministro,
Desequilibrio del suministro,
Pérdida y reconstrucción repentina del voltaje de suministro.
El esquema de protección más básico del motor es la protección térmica de sobrecarga, que cubre principalmente la protección de todas las condiciones mencionadas anteriormente. Para entender el principio básico de la protección térmica de sobrecarga, examinemos el diagrama esquemático del esquema de control de motor básico.
En la figura anterior, cuando se cierra el botón de INICIO, el bobinado del arrancador se energiza a través del transformador. Al energizarse el bobinado del arrancador, los contactos normalmente abiertos (NA) 5 se cierran, por lo que el motor recibe el voltaje de suministro en sus terminales y comienza a girar. Este bobinado de arranque también cierra el contacto 4, lo que mantiene energizado el bobinado del arrancador incluso después de que el botón de INICIO se libere de su posición cerrada. Para detener el motor, hay varios contactos normalmente cerrados (NC) en serie con el bobinado del arrancador, como se muestra en la figura. Uno de ellos es el contacto del botón de PARO. Si se presiona el botón de PARO, este contacto se abre y rompe la continuidad del circuito del bobinado del arrancador, consecuentemente desenergizando el bobinado del arrancador. Entonces, los contactos 5 y 4 vuelven a su posición normalmente abierta. Luego, en ausencia de voltaje en los terminales del motor, éste finalmente dejará de funcionar. De manera similar, si alguno de los otros contactos NC (1, 2 y 3) conectados en serie con el bobinado del arrancador se abre, también detendrá el motor. Estos contactos NC están acoplados eléctricamente con varios relés de protección para detener la operación del motor en diferentes condiciones anormales.
Veamos el relé de sobrecarga térmica y su función en la protección térmica de sobrecarga del motor.
Las segundarias de los TC en serie con el circuito de suministro del motor, están conectadas con una tira bimetálica del relé de sobrecarga térmica (49). Como se muestra en la figura a continuación, cuando la corriente a través de la secundaria de cualquiera de los TC, supera sus valores predeterminados durante un tiempo predeterminado, la tira bimetálica se sobrecalienta y se deforma, lo que finalmente hace que se opere el relé 49. Tan pronto como se opera el relé 49, los contactos NC 1 y 2 se abren, lo que desenergiza el bobinado del arrancador y, por lo tanto, detiene el motor.
Otra cosa que debemos recordar durante la provisión de protección térmica de sobrecarga del motor. De hecho, cada motor tiene un valor predeterminado de tolerancia a la sobrecarga. Esto significa que cada motor puede funcionar más allá de su carga nominal durante un período específico permitido, dependiendo de su condición de carga. Cuánto tiempo puede funcionar un motor de forma segura para una carga particular está especificado por el fabricante. La relación entre diferentes cargas en el motor y los períodos correspondientes permitidos para su funcionamiento en condiciones seguras se denomina curva límite térmica del motor. Veamos la curva de un motor en particular, mostrada a continuación.
Aquí, el eje Y o eje vertical representa el tiempo permitido en segundos y el eje X o eje horizontal representa el porcentaje de sobrecarga. Aquí, a partir de la curva, es claro que el motor puede funcionar sin ningún daño por sobrecalentamiento durante un período prolongado al 100% de la carga nominal. Puede funcionar de forma segura 1000 segundos al 200% de la carga nominal. Puede funcionar de forma segura 100 segundos al 300% de la carga nominal. Puede funcionar de forma segura 15 segundos al 600% de la carga nominal. La parte superior de la curva representa la condición de funcionamiento normal del rotor y la parte inferior representa la condición de bloqueo mecánico del rotor.
Ahora, la curva de tiempo de operación vs corriente actuadora del relé de sobrecarga térmico elegido debe estar situada por debajo de la curva límite térmica del motor para una operación satisfactoria y segura. Vamos a discutir más detalles:
Recuerda las características de la corriente de arranque del motor - Durante el arranque del motor de inducción, la corriente del estator supera el 600% de la corriente nominal, pero permanece hasta 10 a 12 segundos, después de lo cual la corriente del estator cae bruscamente al valor nominal. Entonces, si el relé de sobrecarga térmica se opera antes de esos 10 a 12 segundos para una corriente del 600% de la nominal, el motor no podrá arrancar. Por lo tanto, se puede concluir que la curva de tiempo de operación vs corriente actuadora del relé de sobrecarga térmica elegido debe estar situada por debajo de la curva límite térmica del motor, pero por encima de la curva de características de la corriente de arranque del motor. La posición probable de las características del relé de corriente térmica está limitada por estas dos curvas, como se muestra en el gráfico por el área resaltada.
Otra cosa que debe recordarse al elegir el relé de sobrecarga térmica. Este relé no es un relé instantáneo. Tiene un retardo mínimo en la operación, ya que la tira bimetálica requiere un tiempo mínimo para calentarse y deformarse para el valor máximo de corriente de operación. A partir del gráfico, se encuentra que el relé térmico se operará después de 25 a 30 segundos si el rotor se bloquea mecánicamente de repente o el motor falla en arrancar. En esta situación, el motor extraerá una corriente enorme de la fuente. Si el motor no se aísla más rápido, puede ocurrir un daño severo.
Este problema se soluciona proporcionando un relé de sobrecorriente con alta captación. Las características de corriente-tiempo de estos relés de sobrecorriente se eligen de tal manera que, para valores menores de sobrecarga, el relé no operará ya que el relé de sobrecarga térmica se activará antes. Pero, para valores mayores de sobrecarga y para la condición de rotor bloqueado, el relé de sobrecorriente operará en lugar del relé térmico, ya que el primero se activará mucho antes que el segundo.
Por lo tanto, se proporcionan tanto el relé de sobrecarga bimetálico como el relé de sobrecorriente para una completa protección térmica de sobrecarga del motor.
Hay una desventaja principal del relé de sobrecarga térmica bimetálico, ya que la tasa de calentamiento y enfriamiento del bimetálico se ve afectada por la temperatura ambiente, el rendimiento del relé puede variar para diferentes temperaturas ambientales. Este problema se puede superar utilizando un RTD o detector de temperatura por resistencia. Los motores más grandes y sofisticados se protegen contra la sobrecarga térmica de manera más precisa utilizando un RTD. En las ranuras del estator, se colocan RTD junto con el viento del estator. La resistencia del RTD cambia con el cambio de temperatura y este valor resistivo cambiado se detecta mediante un circuito puente de Wheatstone.
Este esquema de protección térmica de sobrecarga del motor es muy simple. El RTD del estator se utiliza como uno de los brazos del puente de Wheatstone equilibrado. La cantidad de corriente a través del relé 49 depende del grado de desequilibrio del puente. A medida que aumenta la temperatura del viento del estator, la resistencia eléctrica del detector aumenta, lo que perturba la condición equilibrada del puente. Como resultado, comienza a fluir corriente a través del relé 49 y el relé se activará después de un valor predeterminado de esta corriente desequilibrada, y finalmente los contactos del arrancador se abrirán para detener el suministro al motor.
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