Una cinta transportadora se atasca. El motor consume 38 amperios del circuito que está clasificado para solo 32 amperios durante una duración de 90 segundos mientras alguien va a repararlo. Todo está intacto. El interruptor automático y todos sus contactos también están intactos. Aunque la bobina eleva su temperatura 40 grados Celsius por encima del límite indicado en la placa del motor, el aislamiento sufre y se quema en un plazo de 3 semanas. Se culpa a un ingeniero eléctrico. Se compra un motor nuevo. Otro mal funcionamiento ocurre en 3 meses.
La distancia entre las afirmaciones “el consumo de energía fue demasiado alto” y “la protección del circuito funcionó” es exactamente la distancia que los generadores fueron desarrollados para cubrir. Las situaciones que involucran esta distancia están entre las ocurrencias más comunes de instalación y ajuste incorrecto de los elementos de protección del motor.
Según la respuesta rápida, la protección contra sobrecarga es un tipo de temporización inversa que protege el motor de una corriente prolongada por encima de su límite operativo nominal pero por debajo del valor de un cortocircuito. Este tipo de protección es proporcionado por un relé térmico de sobrecarga, un relé electrónico de sobrecarga, un interruptor automático protector del motor o el elemento térmico presente dentro de un interruptor moldeado. Los tiempos están dictados por la IEC 60947-4-1 usando las clases 10A, 10, 20 y 30 y el límite superior del ajuste está determinado por NEC 430.32. HUYU fabrica arrancadores electromagnéticos ExQ7, contactores ExC7 e interruptores automáticos moldeados ExM3 para cumplir esta función en los arranques de motor.
Lo que Cubre la Protección contra Sobrecarga y lo que No Cubre
Hay tres tipos de fallas que a menudo se confunden. El cortocircuito se refiere a una falla instantánea que tiene una corriente de falla medida en kiloamperios y dura solo milisegundos. La falla a tierra ocurre cuando la corriente de falla va a tierra y es atendida por un RCD o GFCI. La sobrecarga está entre esas dos categorías; esto ocurre cuando la corriente es ligeramente superior a la normal durante un tiempo prolongado.
Sin embargo, las diferencias son mucho menores de lo que la gente piensa. Un motor de 32 A que opera a 36 A está sobrecargado en un 12.5 %, lo cual es aceptable en un día caluroso de verano, pero si ese mismo motor funciona a 45 A, el bobinado sufrirá sobrecalentamiento. Un caso de funcionamiento a 200 A implicaría que la protección magnética debería dispararse en menos de 20 milisegundos.
Debido a esto, la protección contra sobrecarga debe funcionar notablemente más lento. Al basarse en el calor y no solo en la corriente, significa que si un dispositivo se dispara después de dos segundos alcanzando 1.5 veces la corriente de plena carga, se descompondrá en cada arranque del dispositivo. Debe soportar el tiempo de arranque mientras reconoce el sobrecalentamiento al mismo tiempo.
Cómo Ocurre Realmente el Disparo
Un relé térmico está diseñado de tal manera que contiene dos componentes metálicos con habilidades de expansión diferencial. Por ejemplo, la acción de flexión permite alcanzar un umbral preestablecido para activar el mecanismo de acción rápida en caso de que la flexión supere cierto nivel.
Además de eso, un segundo bimetal impulsado por la temperatura ambiente calienta al otro que está a cargo del funcionamiento del motor. En el caso de que no haya circulación de aire en el recinto a una temperatura de 50°C, el relé puede dispararse indeseablemente durante todo el verano o a finales de la temporada de invierno.
Los relés electrónicos modernos emplean transformadores y microcontroladores para proporcionar lecturas RMS verdaderas mediante muestreo. También son capaces de añadir funciones como memoria térmica y detección de pérdida de fase, así como clase de disparo ajustable y, muy a menudo, una salida de 4–20 mA. En un arrancador empaquetado, el relé se atornilla directamente debajo del contactor y se conecta a través del mismo bloque de sobrecarga, que es cómo el arrancador electromagnético EXQ7 de HUYU combina su contactor con el elemento de sobrecarga en un solo conjunto en lugar de dos elementos separados para riel DIN.
La Clase de Disparo Decide el Tiempo
El número de clase se define en la IEC 60947-4-1 como el tiempo máximo de disparo expresado en segundos a un factor de 7.2 de la corriente de disparo desde una condición cálida. La misma norma estipula un límite superior de 1.05 veces, de modo que el relé no puede dispararse, y un límite inferior de 1.2 veces, de modo que el relé debe dispararse en no más de dos horas.
| Clase | Tiempo de disparo a 7.2 × ajuste (frío) | Disparo máximo a 1.5 × (caliente) | Carga típica |
|---|---|---|---|
| 10A | 2–10 s | 120 s | Compresores herméticos, servicio de reinicio en caliente |
| 10 | 4–10 s | 240 s | Motores IEC estándar, bombas y ventiladores accionados por VFD |
| 20 | 6–20 s | 480 s | Motores NEMA Diseño B, transportadores cargados, compresores |
| 30 | 9–30 s | 720 s | Trituradoras, centrifugadoras, molinos, ventiladores de alta inercia |
La selección de la clase siempre está dictada por el tiempo de arranque y no depende de preferencias personales. Una bomba que recibe Clase 10 está correctamente clasificada cuando alcanza la velocidad máxima en solo tres segundos. Por el contrario, un ventilador centrífugo de 200 kW que tarda 25 segundos en alcanzar la velocidad máxima requerirá Clase 30 para no causar que el relé se dispare al arrancar en condiciones normales y el operador necesitará girar el dial para desactivar el sistema de protección.
Esta lógica puede aplicarse al caso de los protectores de circuito para motores y los interruptores automáticos moldeados. Estos dispositivos no pueden usarse indistintamente en arrancadores. Hay protectores de circuito para motores que funcionan solo con el principio magnético y no incorporan el elemento térmico, lo que significa que no se puede realizar protección térmica. Las diferencias se establecen en esta comparación de un protector de circuito para motor contra un interruptor automático, y son importantes cuando se ordena un arrancador a partir de una lista de materiales escrita por otra persona.
Los Cuatro Dispositivos Que Realizan Este Trabajo
| Dispositivo | Elemento de sobrecarga | Clasificación de cortocircuito | Reinicio | Mejor ajuste |
|---|---|---|---|---|
| Relé térmico de sobrecarga | Bimetal, tiempo inverso | Ninguno, necesita respaldo | Manual o automático | Arrancadores estándar, motores IEC |
| Relé electrónico de sobrecarga | TC más firmware | Ninguno, necesita respaldo | Manual, remoto o automático | Cargas críticas, VFDs, reinicio remoto |
| Interruptor automático de protección de motor | Bimetal o hidráulico-magnético | Incluido, típicamente 50–100 kA a 400 V | Palanca manual | Arrancador compacto único, aislamiento local |
| Interruptor moldeado con disparo termomagnético | Bimetálico más magnético | Incluido, 25–150 kA | Interruptor manual | Alimentadores, motores más grandes, arrancadores combinados |
¿Ves qué falta en la tabla? No hay ninguna de estas cuatro opciones que sea mejor que otra. Un relé térmico supervisa para $25 y realiza una función sin versiones de firmware. El interruptor de protección del motor tiene un precio tres veces mayor que el relé térmico y elimina el componente de detección de cortocircuitos, así como el cableado. Todo esto resulta en paneles más pequeños y un montaje más sencillo para un proyecto de motor de 500.
Cómo difieren los dispositivos en la práctica
Los relés térmicos no son fiables. El bimetal se deteriora y la calibración puede cambiar varios porcentajes en un período de diez años. Por ejemplo, cuando el relé era nuevo, tenía un límite de 1.15, pero después de 8 años en el ambiente caliente del gabinete, probablemente cambie a 1.30. Es práctica común verificar el relé térmico una vez al año introduciendo 1.5 veces la corriente. Esta verificación toma alrededor de diez minutos por relé con el dispositivo de prueba adecuado.
Los relés electrónicos mantienen mucho mejor la calibración y ofrecen extras que resuelven problemas reales. La función de memoria térmica de los relés electrónicos evita el ciclo de reinicio y reintento que daña los devanados. La capacidad de detección de pérdida de fase permite a los relés electrónicos capturar la sobrecarga más dañina posible para el motor, ya que al arrancar con dos fases, el motor consumirá aproximadamente de 1.7 a 2 veces la potencia nominal en los devanados restantes mientras la tercera no está activa, y un relé bimetálico simple será demasiado lento porque solo 2 elementos pueden calentarse.
En cuanto a los contactores, no tiene sentido superar al relé si el contactor no soporta la tarea. El contactor AC EXC7 de HUYU está clasificado para servicio de motor AC-3 con la categoría de utilización impresa en la placa de características, y hacer coincidir esa categoría con la tarea real de conmutación es más importante que igualar la clasificación de amperios, que es el número que la mayoría de los compradores compara.
Adaptación del dispositivo a la carga
Los ventiladores y sistemas de bombas que arrancan sin carga son casos sencillos; Clase 10, FLA de placa de características con uso de compensación ambiental es suficiente.
Las cintas transportadoras y compresores de tornillo funcionan con carga pero arrancan contra par. La Clase 20 es aplicable para un motor NEMA con factor de servicio 1.15. En este caso, el ajuste es en FLA de placa de características cuando el motor está cargado durante el modo normal de operación.
Las bombas sumergibles, compresores herméticos de refrigeración y todos los sistemas accionados por VFD arrancan con juego de Clase 10 o 10A. El VFD limita la corriente de arranque, haciendo que el relé de sobrecarga proteja contra un evento térmico lento en lugar de arranque; una clase más rápida otorga mejor protección de devanados sin disparos molestos.
Trituradoras, molinos y grandes ventiladores de tiro inducido tienen una cantidad significativa de masa rotativa, por lo que la aceleración toma de 20 a 60 segundos. Existe la Clase 30 para tales procesos. Cuando la carga es realmente tan pesada, el modo de falla a vigilar no es el disparo sino el contactor que mantiene un motor bloqueado a corriente de rotor bloqueado durante un minuto a la vez, y los síntomas de ese abuso aparecen mucho antes de que el motor falle, como esta guía de síntomas de falla del contactor describe.
Ajuste del Dial: Los Números que Importan
NEC 430.32 restringe los ajustes de sobrecarga a 125 % de la corriente nominal de plena carga de un motor para motores que tienen un aumento de temperatura de 40°C o menos o un factor de servicio de 1.15 o más. De lo contrario, el límite se establece en 115 %. Según la Tabla 430.32(A)(1), se pueden utilizar 140 % y 130 %, respectivamente, cuando el motor no arranca con el ajuste inferior.
Ajuste el dial a la corriente nominal del motor en lugar de la corriente de disparo y la capacidad de corriente. Un relé de 7.5–11 A ajustado a 10 A no dispararía a 10.5 A pero sí a 12 A dentro de dos horas. Por ejemplo, si un amperímetro de pinza mide la corriente de funcionamiento en 9.6 A, el ajuste es bueno y no muestra necesidad de más ajustes. Si la lectura es 10.8 A, indicando un problema con la carga, simplemente aumentar la lectura del dial a 12 A conducirá a más complicaciones.
El ajuste para la temperatura ambiente ocupa el segundo lugar. Un relé compensado podrá funcionar dentro de un rango de −20°C a +60°C sin necesidad de ajuste. Un relé no compensado instalado junto a un contactor de 300 A habría sido ajustado 10 % bajo y los ajustes compensatorios se habrían hecho simplemente girando el dial hacia arriba, lo cual no es la forma correcta de corregir el ajuste.
Errores que Anulan la Protección
El error frecuente es usar un calentador demasiado grande. Cuando un relé diseñado para un motor que consume 40 A trabaja junto con un dispositivo que necesita 32 A, opera al 80 % del nivel correcto y no se apaga, lo que significa que no proporciona protección hasta que la bobina de accionamiento se quema.
El otro problema son los dispositivos de auto-reinicio usados para equipos remotos. Mientras que usar dispositivos de auto-reinicio en una bomba que se apaga una vez por temporada está bien, hacer que se activen cada 90 segundos con una cinta transportadora atascada empeora la situación más que el atasco mismo.
Además, a menudo se omiten los contactos 95–96 durante la instalación porque el arrancador no logra engancharse en posición y ni siquiera se vuelve a encender después de eso. Aunque el relé ha sido calibrado correctamente, ya no funciona adecuadamente. Es recomendable revisar el sistema de vez en cuando para asegurarse de que la protección contra sobrecarga no esté conectada a la bobina defectuosa y tampoco es mala idea probar el sistema con un medidor.
Preguntas Frecuentes
¿La protección contra sobrecarga es lo mismo que un protector contra sobretensiones?
No, ni pueden usarse indistintamente. Un protector contra sobretensiones captura un pico de voltaje transitorio que ocurre en microsegundos y no maneja la corriente en absoluto. La protección contra sobrecarga actúa después de estar expuesta a una sobrecorriente sostenida durante segundos o minutos. Un panel puede y usualmente necesita ambos, y la forma en que interactúan en una entrada de servicio se cubre en la comparación de un interruptor automático versus un protector contra sobretensiones.
¿Cuál es la forma más simple de protección contra sobrecarga?
Un relé térmico de sobrecarga consiste en un elemento bimetálico que está conectado en serie con la bobina del contactor a través del contacto 95-96. Hay dos cables para entrada y salida cada uno, así como la perilla de ajuste de corriente y un botón de reinicio manual. No requiere ninguna fuente de alimentación auxiliar ni configuración, por lo que sigue siendo la primera opción para arrancadores de propósito general.
¿Qué significa “sin protección contra sobrecarga”?
Sugiere que el circuito está protegido únicamente contra cortocircuitos y fallas a tierra. Un interruptor magnético o un grupo de fusibles mantendrán un motor funcionando al 150% de su corriente nominal de forma continua, ya que 150% está bastante lejos del punto de disparo magnético. Desafortunadamente, el motor fallará, pero fallará térmicamente en lugar de de forma dramática.
¿Qué hace un protector contra sobrecarga?
Monitorea la corriente eléctrica, simula el calor generado en el devanado del circuito del motor eléctrico y desconecta el circuito de control cuando el calor excede el límite del devanado. La acción de salida no implica disparar los contactos principales sino solo desactivar la bobina del contactor, por lo tanto, el contacto de sobrecarga está cableado en el circuito de control en lugar del circuito de potencia.
Referencias
- ABB — Portafolio de Arranque y Protección de Motores
- Rockwell Automation — Control de Motores Allen-Bradley
- NFPA 70 — Código Eléctrico Nacional, Artículo 430
- UL 508 — Equipos de Control Industrial
- Electrical Engineering Portal — Referencia de Protección de Motores
Conclusión
La protección térmica contra sobrecarga se considera un componente de hardware. El dispositivo debe ser capaz de soportar una corriente de arranque de 600% y debe poder responder a una carga que crece más de 40% por encima de lo normal en segundos. El número de clase indica la paciencia del dispositivo mientras que el dial de corriente indica lo que se considera normal y NEC 430.32 indica los límites superiores para ambos.
Si estos tres son correctos, el dispositivo casi no importa. Sin embargo, si estos tres parámetros son incorrectos, el relé más caro no protegerá en absoluto, lo cual es una situación que no puede aparecer en diagramas incluso en casos cuando el panel está completamente equipado con contactos 95–96 correctamente clasificados y ajustados.
