Relés térmicos para protección contra sobrecarga de motores: principios, selección y aplicación
En los sistemas de control de motores, los fusibles se utilizan principalmente para la protección contra cortocircuitos. Sin embargo, no pueden proteger contra el sobrecalentamiento causado por sobrecargas prolongadas, operaciones frecuentes de marcha-contramarcha o funcionamiento con bajo voltaje. Actualmente, los relés térmicos se utilizan ampliamente para la protección contra sobrecargas de motores. Un relé térmico es un dispositivo de protección que opera basándose en el efecto térmico de la corriente eléctrica, y es esencialmente un tipo de relé de corriente. Funciona generando calor a través de la corriente que fluye en su elemento calentador, lo que hace que una lámina bimetálica (hecha de dos metales con diferentes coeficientes de expansión) se deforme. Cuando la deformación alcanza cierto umbral, actúa un mecanismo de acoplamiento, abriendo el circuito de control. Esto desenergiza el contactor y desconecta el circuito principal, protegiendo así el motor de la sobrecarga.
Los relés térmicos se clasifican según el número de elementos calentadores: tipos bipolares y tripolares. Los relés tripolares se dividen aún más en modelos con y sin protección contra pérdida de fase. Las series comunes incluyen JR0, JR9, JR14 y JR16. La característica tiempo-corriente (característica amperio-segundo) de los relés térmicos suele exhibir un comportamiento inverso al tiempo que coincide con la curva de sobrecarga permitida del motor: cuanto mayor sea la corriente de sobrecarga, menor será el tiempo de disparo; y viceversa, cuanto menor sea la corriente de sobrecarga, mayor será el tiempo de disparo. Con una selección adecuada, el relé puede dispararse antes de que el motor alcance su límite térmico, aprovechando así plenamente la capacidad de sobrecarga del motor mientras se evita daños.
Debido a su pequeño tamaño, estructura simple y bajo costo, los relés térmicos se utilizan extensivamente en aplicaciones industriales para la protección de motores.
I. Protección de motores mediante relés térmicos
El tipo de conexión de los devanados del estator de un motor determina las características de la corriente de sobrecarga y pérdida de fase, lo que a su vez dicta el tipo apropiado de relé térmico.
Devanados del estator conectados en estrella (Y)
En la conexión en estrella, la corriente de línea es igual a la corriente de fase. Durante la sobrecarga del motor, las tres corrientes de fase tienden a aumentar. Cuando el voltaje trifásico de alimentación está equilibrado y las corrientes del motor son simétricas, un relé térmico bipolar puede proteger eficazmente un motor trifásico. Sin embargo, si el voltaje trifásico está severamente desequilibrado (por ejemplo, un 4% de desequilibrio de voltaje puede causar hasta un 25% de desequilibrio de corriente), o si ocurre un cortocircuito monofásico donde la corriente de falla no pasa por el elemento calentador, el relé bipolar puede no proporcionar una protección adecuada. En tales casos, se debe utilizar un relé térmico tripolar.
Devanados del estator conectados en delta (Δ)
En operación normal, la corriente de línea (I) = 0,58 × corriente de fase (Iφ), y la corriente de fase Iφ = 0,58 × corriente de línea I. Cuando se pierde una fase de suministro (por ejemplo, cuando se quema un fusible), como se muestra en la Figura 1 (con la fase B abierta), debido a la igualdad de impedancia de los devanados, Ic = Ia + Ib = 1,5Iφ, e Ib = (2/3)Ic. Esto muestra que la corriente de línea ya no refleja con precisión la corriente de fase, por lo que usar la corriente de línea para la protección no detecta la verdadera sobrecarga de los devanados.
Cuando se produce una pérdida de fase bajo carga total, Ia = 0,58Ie, Ib = 1,16Ie—esta sobrecorriente es suficiente para que un relé térmico tripolar estándar dispare. Sin embargo, con una carga del 64% de la nominal y una pérdida de fase, Ia = 0,37Ie, Ib = 0,75Ie. La sobrecorriente debido a la pérdida de fase es inferior al 20%, por lo que un relé tripolar estándar puede no disparar, pero una fase lleva un 58% más de corriente que su corriente normal, arriesgando a que el motor se queme. Por lo tanto, para los motores conectados en delta, los relés térmicos tripolares estándar no pueden proporcionar una protección eficaz; se deben usar relés protectores contra pérdida de fase.
Cuando se rompe un devanado del estator (por ejemplo, una conexión suelta entre el conductor del devanado y el terminal, como la apertura entre A y B, como se muestra en la Figura 2), entonces Ia = Ic = Iφ, e Ib = Iφ. Aquí, una corriente de línea es igual a la corriente de fase, como en la operación normal. En este caso, un relé protector contra pérdida de fase todavía puede proporcionar protección, mientras que los dispositivos de protección contra pérdida de fase que dependen de la detección de la pérdida de fase en el lado de suministro no funcionarán.
II. Selección de relés térmicos
La elección y uso correctos de los relés térmicos es un tema bien conocido, pero aún ocurren accidentes de quemado de motores debido a una selección y uso inadecuados. Por lo tanto, además de seguir las pautas estándar, los principiantes deben tener en cuenta los siguientes puntos:
Comprender el modelo, especificaciones y características del motor a proteger.
Selección del tipo: En áreas rurales con frecuentes desequilibrios de voltaje trifásico, use relés térmicos tripolares estándar para motores conectados en estrella, y relés protectores contra pérdida de fase para motores conectados en delta.
Selección de la corriente nominal: Seleccione la corriente nominal del relé térmico basándose en la corriente nominal del motor, luego elija la corriente nominal del elemento calentador. El rango ajustable de la corriente de configuración del elemento calentador se puede encontrar en las tablas del fabricante. Si la corriente de arranque del motor es aproximadamente 6 veces la corriente nominal y el tiempo de arranque es inferior a 5 segundos, configure la corriente del elemento calentador igual a la corriente nominal del motor. Para motores con tiempos de arranque más largos, cargas de impacto o donde no se permite el apagado, configure la corriente a 1,1–1,15 veces la corriente nominal del motor.
Ejemplo: Un motor tiene una corriente nominal de 30,3 A, corriente de arranque 6 veces la nominal, tiempo de arranque corto y sin carga de impacto. Modelos adecuados incluyen JR0-40, JR0-60 o JR16-60. Usando JR16-60: la corriente nominal del relé es 60 A, tipo tripolar. Seleccione un elemento calentador de 32 A, ajustable a alrededor de 30,3 A.
Selección de los cables de conexión: Usar cables demasiado gruesos o finos afecta la disipación de calor y, por lo tanto, el rendimiento del relé térmico. El tamaño del cable debe seguir las instrucciones del fabricante o manuales eléctricos.
Motores con baja capacidad de sobrecarga o mala refrigeración: Configure la corriente nominal del relé térmico al 60%–80% de la corriente nominal del motor.
Modo de reinicio: Los relés térmicos suelen ofrecer modos de reinicio manual y automático, intercambiables mediante un tornillo de ajuste. Los fabricantes generalmente los envían en modo de reinicio automático. La elección depende del circuito de control. Como regla general, incluso si el relé se reinicia automáticamente, el motor protegido no debe reiniciarse automáticamente; de lo contrario, configure el relé en reinicio manual para evitar arranques repetidos en condiciones de falla y daño al equipo. Por ejemplo, en circuitos de arranque y parada manual utilizando botones, el reinicio automático es aceptable; en circuitos de arranque automático, utilice reinicio manual.
III. Precauciones durante el uso
Para prolongar la vida útil de los relés térmicos y garantizar un rendimiento óptimo, observe lo siguiente:
Use cables de conexión en los terminales del relé con secciones transversales estrictamente según las especificaciones.
Los relés térmicos no proporcionan protección contra cortocircuitos; se deben instalar fusibles por separado. No son adecuados para motores con tiempos de arranque muy largos, operación frecuente o ciclos de trabajo intermitentes.
Al instalarlos con otros dispositivos, monte el relé térmico debajo de ellos para evitar interferencias térmicas. Limpie regularmente el polvo y la suciedad.
Después de disparar, el reinicio automático ocurre dentro de 5 segundos; el reinicio manual requiere esperar 2 minutos antes de presionar el botón de reinicio.
Después de una falla de cortocircuito, verifique el elemento calentador en busca de daños y la lámina bimetálica en busca de deformaciones (nunca doble la lámina bimetálica), pero no retire componentes.
Al reemplazar un relé térmico, asegúrese de que el nuevo coincida con las especificaciones del original.
Conclusión
Solo seleccionando, cableando y utilizando correctamente los relés térmicos se puede lograr una protección eficaz contra sobrecargas en los motores.