Dimensionamiento de la alimentación de motores / 2002

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Dimensionamiento de la alimentación de motores / 2002
Redacción SicaNews [ newsletter@sicaelec.com ]

Dimensionamiento de la alimentación de motores

Resumen:

En este artículo se describen las criterios para realizar el dimensionamiento de una salida destinada a la alimentación de un motor eléctrico, como así también las recomendaciones para su correcta ejecución.

Desarrollo:

Generalidades

En principio, es conveniente aclarar que dimensionar un circuito implica básicamente determinar la sección de los conductores del mismo y, a corriente nominal, los dispositivos de protección correspondientes.

En el caso más general, para el dimensionamiento de los conductores eléctricos se deben considerar las etapas que se presentan a continuación:

· Definir la tensión nominal del cable.

· Determinar la corriente de proyecto.

· Elegir el tipo de conductor y la forma de instalación.

· Determinar la sección por el criterio de "capacidad de conducción de corriente".

· Verificar la sección por el criterio de "corriente de cortocircuito".

· Verificar la sección por el criterio de "caída de tensión".

· Verificar el cumplimiento de las secciones mínimas exigidas.

El detalle a fondo de la metodología de cálculo correspondiente puede consultarse en el artículo "Dimensionamiento de conductores" que integra esta serie.

En particular, el cálculo del ramal alimentador de fuerza motriz es similar al correspondiente a cualquier línea seccional, por lo tanto será necesario conocer la corriente nominal (que se obtiene de la potencia del motor y de la tensión de servicio) y la longitud del recorrido de los conductores. Se determina la sección de los conductores a corriente nominal y se verifica principalmente que la caída de tensión se encuentre dentro de los valores exigidos por la reglamentación, además de las restantes condiciones indicadas en la tabla anterior.

Por otro lado, toda instalación eléctrica debe estar provista de una serie de protecciones que la hagan segura, tanto desde el punto de vista de sus conductores y aparatos eléctricos conectados, como de los bienes y las personas que van a relacionarse con ella.

Existen varios tipos de protecciones que pueden hacer que una instalación eléctrica esté completamente resguardada ante cualquier falla o anormalidad de funcionamiento; pero hay tres que deben utilizarse en cualquier clase de instalación de baja tensión:

1) Protecciones contra cortocircuitos: Fusibles e interruptores termomagnéticos.

2) Protecciones contra sobrecargas: Fusibles, relés térmicos e interruptores termomagnéticos.

3) Protecciones contra contactos accidentales y fallas a tierra: Puesta a tierra e interruptores diferenciales.  

Por su parte, los elementos de protección permiten detectar condiciones anormales definidas e interrumpir la alimentación eléctrica al circuito bajo falla. Esta interrupción puede realizarla el mismo elemento de protección o ser ejecutada por el elemento de maniobra al cuál está vinculado.

Para la selección del interruptor se deben considerar los siguientes parámetros característicos:

- Tensión nominal del circuito a proteger (Ue): Es la tensión a la cual el interruptor estará sometido durante su uso en la instalación eléctrica. La tensión nominal del interruptor no debe ser inferior a la tensión nominal del circuito eléctrico.

- Cantidad de polos: Pueden ser unipolares, bipolares, tripolares o tetrapolares, de acuerdo al circuito involucrado.

- Corriente nominal (In): Es la corriente que soporta el interruptor en forma ininterumpida con una temperatura ambiente de hasta 30°C; este valor no deberá exceder en más de un 25% a la corriente de carga nominal del circuito a proteger.

- Corriente de cortocircuito: La capacidad de ruptura del interruptor deberá ser mayor o al menos igual a la corriente de cortocircuito presunta o calculada en el punto a proteger.

En las instalaciones donde la corriente de cortocircuito exceda la capacidad de interrupción del interruptor termomagnético, deberá considerarse el uso asociado al mismo de limitadores de corriente (fusibles de alta capacidad de ruptura) para reducir la magnitud y duración de la corriente de cortocircuito. 

Para el caso de la protección térmica contra sobrecargas el criterio de selección es: Una vez elegida la sección del conductor que forma el circuito en base a la corriente de carga del circuito, la selección de la corriente nominal del interruptor debe ser tal que cumpla las siguientes condiciones:

Ic < In y Ift < 1,45 Iadc

Donde:

Ic = corriente de carga del circuito

In = corriente nominal del interruptor de protección

Iadc = corriente admisible en el conductor del circuito

Ift = corriente de funcionamiento de la protección térmica (en un tiempo menor de una hora).

La actuación de la protección térmica obedece a una banda (dependiendo la operación de la temperatura ambiente y del estado de carga previo) que está acotada por una curva de funcionamiento de mínima y otra de máxima.

Por otro lado, la continuidad del servicio es una exigencia fundamental de una instalación moderna. La falta de una adecuada selectividad puede provocar la apertura simultánea de más de un elemento de protección situado aguas arriba de la falla.

Por ello, las protecciones de sobrecarga y cortocircuito instaladas deben tener una actuación selectiva frente a las anormalidades ocasionales, es decir que debe accionarse la protección correspondiente al circuito, o la más próxima ubicada aguas arriba del lugar donde se localiza la falla, y sólo ella.

Las técnicas de selectividad empleadas se basan en la utilización de los parámetros de disparo, siendo las más comunes las siguientes:

- Selectividad amperométrica: Se obtiene separando los umbrales de los relés instantáneos (o de corto retardo) de los interruptores automáticos sucesivos. Es decir que se actúa sobre el valor de las corrientes de disparo Im.

Se puede obtener una selectividad total mediante la utilización de interruptores limitadores.

- Selectividad cronométrica: Se obtiene por el escalonamiento de los tiempos de disparo (Td) de los interruptores; por lo que éstos deben estar equipados con relé de disparo de corto retardo.

Las temporizaciones pueden ser de varios tipos, por ejemplo:

· A tiempo inverso

· A tiempo constante

· A una o varias etapas selectivas entre elllas, etc

Las reglas prácticas para la coordinación de protecciones son:

1. Para la coordinación de fusible con fusible se debe cumplir con:

Infa > 1,6 Infp, aunque se recomienda Infa > 2 Infp

Siendo:

Infa= corriente nominal del fusible antepuesto.

Infp= corriente nominal del fusible pospuesto

Por ejemplo: fusible antepuesto 16 A y pospuesto 25 A.

2. Para la coordinación de fusible antepuesto con interruptor termomagnético pospuesto se debe cumplir con:

Inf > 1,2 InfI

Siendo:

Inf= corriente nominal del fusible.

InfI= corriente nominal del interruptor termomagnético.

3.- Para la coordinación de interruptores termomagnéticos se debe cumplir con:

Ina > 2 Inp

Siendo:

Ina= corriente nominal del interruptor antepuesto.

Inp= corriente nominal del interruptor pospuesto

Si los térmicos fueran ajustables valdrá la corriente térmica ajustada en cada uno de los interruptores.

La protección magnética sólo puede coordinarse en corrientes bajas frente a las de cortocircuito, ya que al ser de actuación instantánea (no dispone de temporizaciones) una vez que se establece una corriente superior a la de actuación de ambos interruptores el funcionamiento puede ser simultáneo e incluso no selectivo.

Por esta circunstancia debe tratarse de separar lo más posible la corriente de intervención magnética, a efectos de dar lugar a una corriente de actuación de la protección pospuesta para los cortocircuitos más frecuentes, que normalmente son de bajo valor.

Instalaciones de fuerza motríz

Los circuitos de fuerza motriz son aquellos que proveen energía eléctrica para el accionamiento de motores de potencias relativamente altas, siendo generalmente del tipo trifásico. Por ejemplo, en los edificios, se presentan los circuitos correspondientes a la alimentación de ascensores, bombas de agua, aire acondicionado, etcétera.

La distribución de fuerza motriz se efectúa mediante redes trifásicas, generalmente de 3x220 ó 3x380 V. La distribución monofásica para consumos de potencias importantes no es aconsejable, porque requiere conductores de mayor sección.

Los motores de corriente alterna con rotor en jaula de ardilla, que son los mas utilizados, se pueden poner en marcha mediante los métodos de arranque directo o a tensión reducida (excluimos de esta exposición a los motores monofásicos).

En ambos casos, la corriente de arranque generalmente resulta mayor que la nominal, pudiendo llegar a provocar perturbaciones en la red de suministro. Estos inconvenientes no son tan importantes en motores pequeños, que habitualmente pueden arrancar a tensión nominal.

Estas perturbaciones incluyen principalmente las caídas de tensión (muy notables en los elementos de iluminación), que pueden afectar el funcionamiento de otros elementos conectados a la misma, lo que resulta crítico en las instalaciones con muchos motores que realizan frecuentes arranques.

El "Reglamento de Instalaciones Eléctricas en Inmuebles" de la Asociación Electrotécnica Argentina exige que los conductores de fuerza motriz sean independientes de los de alumbrado, separando cajas de paso y de distribución. Cada uno de los circuitos correspondientes debe tener su sistema de protección. 

Según dicho reglamento, la máxima caída de tensión admisible para el caso de los motores es del 5% durante la operación normal y del 15 % para el arranque. 

Los circuitos con motores deben contar con interruptores que corten todas las fases o polos simultáneamente y con protecciones que corten automáticamente cuando la corriente adquiera valores peligrosos.

Por otro lado, los dispositivos de comando pueden ser de operación manual o por contactores. Estos últimos permiten efectuar el mando a distancia del motor con cables de secciones pequeñas (sólo se requiere la corriente necesaria para la bobina del contactor), lo que facilita el accionamiento y diseño del dispositi­vo de control por trabajar con intensidades reducidas.

El contactor es un dispositivo de maniobra destinado a comandar equipamiento eléctrico en estado no perturbado o bajo las sobrecargas normales de servicio, preparado para grandes frecuencias de operación.

El mismo es básicamente un interruptor que abre o cierra un circuito por la acción de una corriente de mando que activa un electroimán, siendo su característica mas destacada la sencillez de su accionamiento.

Los contactores generalmente pueden operar corrientes del orden de 6 a 12 veces la intensidad nominal, soportando el arranque de motores trifásicos. Se caracterizan por su poca inercia mecánica y rapidez de respuesta; resultando elementos indispensables en las tareas de automatización.

Para la elección de un contactor es necesario conocer las siguientes características del receptor:

            La corriente de servicio (Ie) o en su defecto la potencia del circuito.

            Los lapsos de trabajo, que determinan la clase de servicio (permanente, intermitente, etcétera).

            La naturaleza de la carga, que determina la categoría de servicio (AC1, AC3, etcétera).

            La tensión nominal de funcionamiento.

Con estos valores se consultan las tablas provistas por los fabricantes para elegir el contactor más apropiado. Estas tablas dan los límites garantizados de aplicación de cada uno de los modelos de contactores, para cumplir con las normas correspondientes.

Cabe agregar que estas tablas generalmente también permiten la selección del relé térmico y el fusible adecuado para la aplicación.

La vida eléctrica, expresada en ciclos de maniobra, es una condición adicional para la elección del contactor y permite prever su ciclo de mantenimiento.

Por su parte, la tensión de la bobina del contactor se debe elegir según la tensión disponible en el lugar del montaje.

Así como los contactores son los encargados de maniobrar los motores, para la protección de los mismos se emplean:

- Fusibles.

- Relés térmicos.

- Guardamotores.

Como se indicó anteriormente, las protecciones deben mantener un nivel jerárquico según un orden lógico de protección (deben estar coordinadas). Por ej. si en el tablero general los fusibles son de 50 A, los de los tableros seccionales deberán ser de un rango menor, por ej. 36A.

Tanto los contactores como los térmicos son aparatos valiosos, por ello deben ser protegidos para el caso de que exista una falla. El mejor medio para lograrlo, por su velocidad de actuación y por su capacidad de ruptura elevada, es usar fusibles.

La segunda función del fusible, y muy importante, es la de seleccionar cuál es el circuito con fallas y separarlo de la red para permitir la continuidad del servicio.

Para la selección de los fusibles puede emplearse una tabla que da la intensidad de los mismos en función de la intensidad de los motores a plena carga. Asimismo, hay que tener en cuenta que los fusibles deberán poseer una característica de fusión del tipo aM, con una característica especialmente "retardada". Estos fusibles se usan especialmente para la protección de motores asincrónicos con rotor en jaula, debido a que soportan los picos de corriente que estos absorben en el arranque.

Como su operación depende de la generación de calor por efecto Joule, se obtiene una característica de fusión intensidad-tiempo del tipo inversamente proporcional, de manera que ante una elevada corriente opera en un tiempo muy reducido, y ante una corriente ligeramente superior a la nominal opera en un tiempo mas  prolongado.

Un aspecto que no debe olvidarse al seleccionar un fusible es que su capacidad de ruptura no debe ser inferior a la calculada en su punto de utilización a la tensión nominal.

Si los contactores se combinan con relés adecuados, pueden emplearse para la protección de los motores contra faltas de fase, sobretensiones, sobrecargas, corrientes inversas, etcétera. En estos casos el relé actua sobre el circuito de la bobina del contactor.

Sin embargo, para la protección contra cortocircuitos deben utilizarse otros elementos colocados aguas arriba, como por ejemplo cartuchos fusibles.

Los relés térmicos (o simplemente térmicos) constituyen un método indirecto de protección ya que operan en función de la corriente que el motor está tomando de la red. En base a ella evalúa un determinado estado de calentamiento de los arrollamientos del motor.

El relé térmico es un excelente medio de protección, pero no protege al motor cuando el calentamiento de éste se produce por causas ajenas a la corriente que está tomando de la red. En esos casos, se recomienda el uso de sensores en los bobinados del motor, capaces de medir exactamente la temperatura interna del mismo y de un equipo que analice el estado de temperatura del motor y decida en consecuencia.

Por otro lado, en el caso particular de falta de fase, el motor se calienta y hay un aumento en el consumo de corriente, lo cuál hace actuar al térmico.

El dispositivo de protección contra falta de fase, incluído en algunas líneas ofrecidas en plaza, ofrece una notable mejora respecto de los térmicos convencionales. El mecanismo acelera la desconexión del motor cuando falta una fase, o sea, detecta con seguridad esta falla.

Un ingenioso dispositivo de doble barra actuadora permite aumentar la sensibilidad del disparo en el momento que falta una fase. De esta manera se logra reducir a la mitad los tiempos de actuación y proteger así muy efectivamente al motor también en el caso de falta de fase.

El relé térmico siempre debe estar regulado al valor de funcionamiento del motor; sólo si está a plena carga al valor de chapa del motor; y nunca a un valor superior al nominal.

Los térmicos pueden tener señalización de relé disparado, botón de disparo, botón de reposición automática o bloqueo de reconexión, y dos contactos auxiliares para desconexión del contactor y para señalizar a distancia la falla.

En resumen, si la corriente del motor sobrepasa los valores admitidos, el térmico acciona a un contacto auxiliar, éste a su vez gobierna al contactor que desconecta de la red al equipo sobreexigido.

Las curvas de desconexión del térmico deben seguir lo más cerca posible las variaciones de la temperatura del motor, midiéndola a través de la corriente que éste toma de la red. Cuanto mayor es esta corriente más rápido actúan estos relés (característica de tiempo inverso como los fusibles).

Para lograr una correcta desconexión debe eliminarse la influencia de la temperatura ambiente sobre los bimetales de la protección térmica; esto se logra por un dispositivo compensador. Habitualmente las curvas de desconexión son independientes de la temperatura ambiente entre -25°C y +55°C. 

En ciertos casos es conveniente que el térmico no vuelva automáticamente a su posición de "conectado" una vez que haya actuado; sobre todo en automatismos que puedan llevar a una serie de maniobras no deseadas (por ej. en bombas de elevación de agua).

Cuando el motor es controlado por medio de pulsadores, de cualquier forma debe ser puesto en marcha mediante su pulsador de arranque. En este caso, es práctico que el relé vuelva solo a su posición de conectado automáticamente.

Ambas variantes estan incluídas en algunos modelos. Una traba o botón permite conectarlo en automático (o sea sin reset), o bien conectarlo en manual (es decir con reset). El mismo botón permite reconectar el contactor.

Como se ha dicho, el relé debe ser ajustado al valor real de consumo del motor; dicho ajuste puede realizarse durante el funcionamiento del equipo.

El guardamotor es un dispositivo que permite reunir todas las necesidades de un arranque directo en un solo aparato.

El mismo es básicamente un interruptor automático cuya característica de disparo es exactamente igual a la del relé térmico. Puede incluir el disparo por falta de fase, la compensación de temperatura ambiente y un disparo magnético ajustado para proteger adecuadamente al térmico. Por eso el guardamotor, dentro de ciertos límites, reemplaza al conjunto [contactor + térmico + fusibles].

Si bien logra reunir en un solo aparato las cualidades de tres, con las consecuentes ventajas de espacio, tiempo de armado y cableado, tiene una limitada capacidad de ruptura, que le impide ser colocado en cualquier instalación. Sin embargo, para instalaciones domiciliarias, inclusive edificios, el guardamotor satisface todos los requerimientos.

Por su parte, su condición de interruptor le da una reducida vida útil con una limitada frecuencia de maniobras. Su accionamiento es manual, por lo que es necesario accionarlo de frente. Por ello, son muy limitadas las posibilidades de realizar automatismos con el mismo.

Para evitar la destrucción de alguno de los elementos de la instalación se puede efectuar una combinación de dispositivos para aprovechar las bondades de cada uno de ellos. Estas combinaciones sólo son factibles con algunos guardamotores ya que éstos tienen la propiedad de limitar las corrientes de cortocircuito, protegiendo de esta manera al contactor.

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