En la mayoría de los casos, los motores eléctricos no se dañan debido a cortocircuitos. Usualmente, dejan de funcionar debido a un sobrecalentamiento causado por la operación continua al 110% de la corriente nominal durante 40 minutos debido a rodamientos secos o flujo restringido a través de bombas u otras fallas similares que han pasado desapercibidas hasta que el aislamiento del bobinado ha fallado. El único dispositivo capaz de detectar el mal funcionamiento es un relé de sobrecarga, que es la parte protectora más económica del arrancador del motor.
La información que se presenta a continuación explica qué proporciona el relé de sobrecarga en el circuito de control del motor, cómo funciona cada tipo de relé, qué clases de disparo seleccionar, qué causa el disparo y cómo configurar el relé.
En resumen, un relé de sobrecarga de motor es un dispositivo en un arrancador de motor que mide la corriente y corta el circuito de control si el motor consume demasiada corriente durante demasiado tiempo. Por lo tanto, este dispositivo no proporciona protección contra cortocircuitos, que es responsabilidad del interruptor automático. Los tipos térmicos utilizan tiras bimetálicas calentadas por la corriente, mientras que los tipos electrónicos se basan en transformadores de corriente y un modelo del motor. La configuración es la corriente nominal del motor, mientras que la clase de disparo definida a 7.2 veces esa corriente debe considerar el tiempo de arranque del motor.
Lo que hace un relé de sobrecarga en un circuito de control de motor
El relé de sobrecarga eléctrico tiene un papel específico en el control del motor. El propósito de un relé de sobrecarga en el sistema es proteger el motor contra la quema del bobinado más que proteger el cable o el contactor. Esto explica mucho en el proceso de configuración de esta máquina.
El protector actuará en diferentes situaciones, por lo que cada dispositivo será responsable de su tipo de falla. El primero es un dispositivo de cortocircuito como el fusible y un interruptor automático en caja moldeada que puede manejar la corriente de cortocircuito de hasta kiloamperios literalmente en milisegundos. El segundo tipo de protector es el contactor que realiza trabajo eléctrico al conectar la carga. El relé de sobrecarga se utiliza entre ambos dispositivos para identificar cuando el motor opera en condiciones de bobinado dañado y sobrecalentamiento del motor.
Por lo tanto, funciona según su función principal y no permite que el motor se sobrecaliente o se dañe. Al detectar una falla, el relé abre un pequeño contacto que se utiliza en el circuito del contactor. Después de que el contacto del contactor se abre, el motor deja de funcionar pero el relé requiere un reinicio manual.
Así que, de hecho, el relé protege la capacidad térmica del motor ya que la corriente es solo un indicador indirecto de esta. Si el motor está funcionando caliente, será más difícil para el relé detener el motor que si el equipo está funcionando en modo frío, ya que debe considerar el calor acumulado del motor antes de su operación.
La práctica muestra que si el motor tiene la protección adecuada, no importa qué tan grande sea el relé. El problema principal con el relé es si funciona o no; aumentar la capacidad del relé no significa nada a menos que se descubra la causa raíz del problema. La versión integrada de todo el conjunto, contactor más sobrecarga más carcasa, es lo que un arrancador de motor de este tipo empaqueta, y comprarlo como una unidad elimina el riesgo de incompatibilidad entre el contactor y el relé que causa la mayoría de los errores de instalación.
Cómo funciona un relé de sobrecarga de motor, tipo por tipo
El mercado se caracteriza por dos mecanismos predominantes y un mecanismo que acaba de surgir.
- El primero es el Bimetálico, que utiliza calentamiento indirecto. Cada fase pasa a través de un elemento calentado por el componente bimetálico, que consiste en dos metales diferentes que se expanden a diferentes velocidades, por lo que se dobla con el calor. Al doblarse, actúa sobre la barra de suma y una palanca, que libera el mecanismo de enclavamiento y abre el contacto 95-96. El calentamiento indirecto significa que el calentador es responsable de calentar el bimetal en lugar de que la corriente eléctrica transmita calor a través del bimetal. La ventaja es que es posible usar un solo marco para diferentes niveles de corriente cambiando el calentador. El resultado de este diseño es que se logra un efecto de tiempo inverso. A corriente doble nominal, el bimetal se dobla lentamente; a seis veces la corriente, el doblado es rápido. Esto corresponde al comportamiento físico de un motor, que tiene la capacidad de soportar corriente alta por un corto tiempo y corriente baja en vacío. Hay un bimetal diferente para fines de compensación que cancela la influencia de la temperatura ambiente.
- El segundo tipo es Electrónico. Transformadores de corriente monitorean el valor de corriente para cada fase, y con base en eso un circuito electrónico toma una decisión según el modelo térmico y activa un pequeño relé o un transistor que conmuta el circuito. No hay calentador en este proceso, y el DVR es capaz de conmutar diversas corrientes solo cambiando la configuración. Estos dispositivos eléctricos se usan para protección de motores, combinando en un solo dispositivo las funciones de dispositivos magnéticos de cortocircuito y de sobrecarga térmica.
No importa qué tipo de protección se use, la conexión eléctrica es la misma: los terminales 95-96 son los contactos de disparo normalmente cerrados conectados en serie con la bobina del contactor, mientras que los terminales 97-98 son normalmente abiertos y se usan ya sea como contactos indicativos o para señalizar al PLC. El relé conectado a través de los terminales 97-98 en lugar de los terminales 95-96 nunca dispararía, y este error ocurre con suficiente frecuencia como para ser verificado con el medidor cada vez que se recibe un panel. El lado de la bobina del mismo circuito está cubierto en estas especificaciones de contactores de CA, que indican los voltajes de bobina que el circuito de control debe cumplir.
Térmico o Electrónico: La comparación honesta
Ambos son respuestas correctas para diferentes trabajos, y la diferencia de precio es menor que la diferencia de características.
| Factor | Térmico (bimetálico) | Electrónico |
|---|---|---|
| Precisión | ±10% a 20% alrededor del ajuste | Típicamente ±5% o mejor |
| Compensación ambiental | −20 a +60 °C en la mayoría de los bastidores | −25 a +60 °C, más amplio en algunos |
| Clase de disparo | Fija en la compra, usualmente Clase 10 | Seleccionable, a menudo 5E a 30E |
| Memoria térmica | Por enfriamiento físico, que es realista | Por modelo y estado almacenado |
| Diagnósticos | Disparo o no disparo | Corriente por fase, carga térmica, causa del disparo |
| Precio | Más bajo | Dos a cinco veces térmico, decreciente |
| Mejor para | Bombas estándar, ventiladores, arrancadores simples | Accionamientos críticos, cargas de alta inercia, plantas en red |
La desventaja del relé térmico es que utiliza bimetal que opera de la misma manera que el motor pero no de forma que elimine sus deficiencias. El relé térmico no indica la razón del disparo y se ve afectado por la temperatura en el panel. Además, la precisión del relé térmico se ve afectada por otros factores, como las tolerancias del calentador.
La desventaja del relé electrónico es su dependencia de configuraciones correctas y suministro eléctrico. Si hay un problema con la salida, no se emitirá señal. Sin embargo, hay un beneficio debido a que las lecturas obtenidas del relé electrónico pueden ser utilizadas por el equipo de mantenimiento para otras aplicaciones. El comportamiento del lado del contactor bajo la misma carga se establece en estos Directrices para selección y cableado de contactores AC, porque un relé protege un motor solo si el contactor sobrevive lo suficiente para interrumpirlo.
Clase de disparo: El ajuste que causa la mayoría de los disparos molestos
Según la norma IEC 60947-4-1, la clase de disparo se refiere al tiempo que tarda en disparar a 7.2 veces la corriente preestablecida cuando un motor está frío. Fue desarrollada para permitir que los motores pasen por el proceso de arranque sin detectar corriente hasta que el motor se detenga completamente.
| Clase | Tiempo de disparo a 7.2 × ajuste, desde frío | Carga típica |
|---|---|---|
| 10A | 2 a 10 s | Arranque rápido, baja inercia, refrigeración hermética |
| 10 | 4 a 10 s | Bombas, ventiladores, pequeñas cintas transportadoras, servicio general |
| 20 | 6 a 20 s | Cintas transportadoras cargadas, compresores, ventiladores más grandes |
| 30 | 9 a 30 s | Trituradoras, molinos, centrifugadoras, cargas de alta inercia |
La demanda de uso de la banda de tolerancia E en relés electrónicos es que las tasas mínimas para las clases son más bajas que para otras, 3 segundos para 5E, 5 segundos para 10E, 10 segundos para 20E y 20 segundos para 30E, siendo las tasas máximas iguales a las de otras clases.
Para decidir la clase de disparo adecuada, los requisitos iniciales pueden resumirse: debe ser más largo que el tiempo de arranque del motor. Sin embargo, a pesar de la simplicidad de esta regla, existe el riesgo de cometer un error al seleccionar un relé. Al usar un relé Clase 10 con un motor que tarda 14 segundos en alcanzar la velocidad de trabajo, disparará en cada intento, por lo que la tentación será ajustar la corriente de ajuste en lugar de cambiar la clase del relé, lo que solucionará el problema pero privará al motor de protección.
Las personas a menudo cometen errores al calcular la corriente posible en caso de usar un arrancador estrella-triángulo. La corriente que fluye a través del relé de sobrecarga instalado en el contactor principal es igual a 0,58 de la corriente nominal del motor. Si hay un relé de sobrecarga adicional que protege el motor durante la fase estrella, se ajustará para funcionar a un tercio del valor de corriente.
Qué causa que un relé de sobrecarga dispare y qué no
La lista de causas reales es pequeña en comparación con la larga lista de causas supuestas asociadas con sobrecargas.
Una sobrecarga del motor ocurre cuando la corriente efectiva supera la clasificación durante el tiempo suficiente para exceder el límite térmico. Hay cuatro causas principales de sobrecargas: problemas mecánicos, como un rodamiento atascado o el impulsor bloqueado o desalineado; problemas de suministro, como bajo voltaje, donde la corriente aumenta; cambios en el uso, como que la pieza de trabajo sea más pesada o que el amortiguador esté cerrado; y un arranque fallido, donde el motor no cambia su velocidad y permanece en modo de corriente bloqueada.
Sin embargo, se deben señalar algunos errores que las personas cometen en sus interpretaciones de sobrecarga. Algunos de ellos son: un cortocircuito relacionado con el interruptor; una falla a tierra, que requiere protección mediante el RCD; contactos principales quemados de un contactor que conducen a un circuito abierto; y una falla en el circuito de control que se manifiesta en una falla del enclavamiento. Esta última es la interpretación errónea más común, ya que produce el mismo síntoma: parada completa del motor, que debe reiniciarse. Un contactor que ha perdido una fase por erosión de contactos consumirá más corriente en las fases restantes y parecerá exactamente una sobrecarga hasta que alguien lo inspeccione, y los síntomas de esa falla se describen en este análisis. Síntomas de falla del contactor de CA.
Los disparos repetidos en un motor usado durante años son un problema mecánico, no de señal. Los disparos repetidos en una instalación nueva probablemente sean un fallo de ajuste o de clase. Cualquier disparo que ocurra solo durante el verano probablemente esté relacionado con la temperatura. Cualquier disparo al arrancar probablemente sea un fallo de clase o un fallo de ajuste estrella-triángulo. La forma más rápida de clasificar un disparo es por su temporización.
Ajuste del dial: corriente nominal, no corriente de disparo
El dial está calibrado según la corriente nominal de carga completa del motor escrita en la placa de características y no a un valor que impida que se dispare. La norma IEC 60947-4-1 especifica que el relé no debe dispararse bajo condiciones donde la corriente exceda este valor por un factor de 1.05, y debe dispararse dentro de 2 horas cuando la corriente lo exceda por un factor de 1.2. El valor en el dial se convierte en el punto de partida para el trazado de las características de tiempo inverso para el relé.
El rango típico de los ajustes es 1.5:1, por ejemplo 7.5-11 amperios, y debe asegurar que el motor funcione dentro del rango especificado en lugar de en los valores extremos para permitir pequeños reajustes posteriores. En situaciones donde el factor de servicio del motor exceda 1.0, sería razonable ajustarlo ligeramente por encima de lo especificado en la placa de características. Si el factor de servicio es igual a 1.0, entonces debe ajustarse según los datos de la placa o ligeramente por debajo de esta cifra.
Una vez completada la puesta en marcha, se deben seguir los siguientes tres pasos. Se debe medir la corriente de funcionamiento del conjunto completado y compararla con la de la placa de características. El ajuste en sí debe registrarse en el esquema del panel. El último paso sería elegir el modo de cambio, manual o automático, dependiendo de si una persona observará el equipo o no.
Donde la pérdida de fase cambia todo
La pérdida de una fase puede crear la condición de sobrecarga más peligrosa que un motor trifásico tendrá que enfrentar. Cuando una fase ha fallado y el motor continúa funcionando con dos fases, la corriente que fluye a través de los devanados restantes aumenta bruscamente y asume parte de la carga de corriente del relé bimetálico. Un relé bimetálico simple podría ser lo suficientemente lento como para permitir una primera progresión de fallo en el devanado.
La construcción sensible a la pérdida de fase, a veces llamada diferencial, incorporará una segunda barra de suma que detecta la diferencia en la deflexión entre fases. Una fase representada como desequilibrada o ausente disparará el relé más rápido que una sobrecarga simétrica de la misma magnitud. Las cifras publicadas ponen el efecto en perspectiva. En una familia común de relés, la corriente máxima de disparo es 120% de carga completa, y con pérdida de fase es 115%. Los relés IEC modernos son sensibles a la pérdida de fase por defecto; el stock antiguo y las importaciones baratas a menudo no lo son, y la hoja de datos no siempre lo indica claramente en inglés.
Selección de un relé según la aplicación
Cinco situaciones comunes y qué especificar para cada una.
| Aplicación | Especificación que importa | Tipo sugerido |
|---|---|---|
| Bomba o ventilador, directo en línea | Clase 10, sensibilidad a pérdida de fase, reinicio manual | Relé térmico, montado en el contactor |
| Transportador cargado o compresor | Clase 20, memoria térmica, reinicio remoto | Relé electrónico con clase seleccionable |
| Trituradora, molino, centrífuga | Clase 30, detección de rotor bloqueado, corriente por fase | Relé electrónico con comunicaciones |
| Arrancador estrella-triángulo | Ajuste a 0.58 veces la corriente nominal, segundo relé en estrella | Térmico, dimensionado para el contactor principal |
| Motor único, pequeña potencia | Combinado magnético y térmico, un solo dispositivo | Interruptor automático de protección de motor |
En casos donde una instalación fabrica sus propios arrancadores en lugar de comprarlos, el relé forma parte de una tríada de elementos necesarios para tomar la decisión. La coordinación entre el relé y el contactor debe realizarse para que el arrancador no se dañe como resultado de la eliminación de fallas; esta es, de hecho, la esencia del significado de la coordinación tipo 2, y el grado de éxito en lograr esto depende completamente de la selección del dispositivo aguas arriba. Interruptor automático en miniatura de cuadro 63 A es la elección habitual aguas arriba en arrancadores pequeños, y su curva debe coincidir con la corriente de arranque del motor o el primer arranque disparará el interruptor en lugar del relé.
Preguntas Frecuentes
¿Cuál es la función de un relé de sobrecarga en un circuito de motor?
Para proteger el devanado del motor de sobrecorrientes prolongadas, el método consiste en abrir el circuito de control una vez que la duración de la corriente es suficiente para superar la capacidad térmica del motor. No elimina cortocircuitos y no puede reemplazar al interruptor o fusible antes del circuito de control.
¿Cuál es el propósito de un relé térmico de sobrecarga en un arrancador de motor?
Este mecanismo de protección opera utilizando tiras bimetálicas que se calientan con la corriente del motor. Su ventaja en un interruptor de arranque es que no requiere ninguna fuente de alimentación adicional y se comporta como el motor en características de temperatura y corriente. Por lo tanto, este tipo de protección sigue siendo el estándar para arrancadores simples directo en línea.
¿Cómo funciona un relé de sobrecarga de motor?
El calor producido por la corriente en un bimetal o un transformador de corriente se compara con un modelo térmico. Sin embargo, si la señal resultante supera el límite según la clase de disparo, un contacto normalmente cerrado se abre y el contactor se desactiva. El contactor permanece bloqueado hasta el reinicio.
¿Qué tipo de relé de sobrecarga se usa en un arrancador de motor?
Cuatro tipos de relés se usan generalmente en aplicaciones prácticas. Estos son el relé térmico bimetálico, relé electrónico de sobrecarga, interruptor de protección de motor que combina las propiedades de relés térmicos y magnéticos, y el bloque de sobrecarga de estado sólido que utiliza métodos electrónicos para medir la sobrecarga pero tiene las mismas dimensiones que los relés accionados térmicamente.
¿Qué causa que un relé de sobrecarga se dispare?
The occurrence of mechanical overload, low voltage supply, changes in the operational load, or a motor that fully fails to attain speed. In an older installation, a potential mechanical problem will show signs of multiple trips; however, a new installation could simply indicate the need for a different trip class or the wrong trip setting.
Does an overload relay protect against short circuit?
No, it is purposely made slow so that it can be able to pass through the starting of motors. Hence, it does not work for fault current. Hence, separate protection has to be provided against short circuit failures. These two devices have to be chosen together, so that starter survives the failure without being damaged.
Can I set the overload relay above the motor’s rated current?
The service factor can only be set higher if there is a valid reason for that. Putting the service factor higher to avoid nuisance trips defeats the purpose of having the motor in the first place, and instead of a trip, the next failure will be a winding.
Referencias
- Siemens — SIRIUS Overload Relay Technical Documentation
- ABB — Thermal and Electronic Overload Relays
- Newark — Overload Relay and Motor Protection Components
- Grainger — Motor Controls and Overload Relays
- NEMA — Motor Control Equipment Standards
Conclusión
An overload relay is slow at its work, guarding the appliance energetically. The essence of its task is to detect slight prolonged overcurrent, which implies setting its dial at motor rated current, the trip class just over the start time, and understanding that a trip is information only.
The only defects to watch for are a relay set too high and a relay 95-96 contact not connected to the coil circuit. In both cases, a motor is still unprotected even with a seemingly fully assembled panel, and checking for both cases doesn’t take more than a minute.
