Proteccion Para Motores

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA MECÁNICA

INSTALACIONES ELECTRICAS INDUSTRIALES TEMA

PROTECCION PARA MOTORES

PROFESOR

ING. INGA RENGIFO ALBERTO

INTEGRANTES

Seccion

Achanccaray Diaz, Pedro

20050102F

Romero Estrada, Sergio

20050083A

“A”

2009-I PROTECCION PARA MOTORES I. INTRODUCCION


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INSTALACIONES ELECTRICAS INDUSTRIALES

Instalación Eléctrica.Conjunto de Elementos interconectados con la finalidad de generar, conducir y llevar al consumidor la energía eléctrica en forma segura, confiable y económica. Esta conformada por Fuentes, Conductores, Dispositivos de Control, Equipos de Protección y Accesorios para el consumidor. En la Figura 1, se muestra un esquema general de una Instalación eléctrica. Esta comprende desde la Generación de la Energía Eléctrica en las Centrales, hasta la distribución a los usuarios, ya sean industrias o residencias. TRANSMISION

GENERACION

DISTRIBUCION CONSUMO

Figura 1. Esquema de una Instalación Industrial Continuidad del Servicio.La continuidad de servicio, debe ser un criterio de diseño de cualquier instalación industrial. Esto es debido a que existen procesos críticos que pueden ser interrumpidos intempestivamente por riesgo de daño o que son de suma importancia para la empresa y su interrupción ocasionaría grandes pérdidas económicas. Coordinación de Protección.Se entiende por coordinación de protección, hacer que el elemento de protección más próximo a la falla actue. Esto se logra coordinando las curvas de cada elemento de protección, logrando así q sean casi paralelas y no lleguen a cortarse.

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Esto se hace con las siguientes finalidades: ➢ Optimizar el Costo del Suministro de Energía.

Figura 2. Optimización de Costos de Suministro de Energía por una correcta Coordinación de Protección ➢ Garantizar la continuidad de servicio en parte o en totalidad de la instalación.

Figura 3. Continuidad de Servicio gracias a una adecuada Coordinación de Protección I. TIPOS DE FALLAS 1. Sobrecarga Este tipo de falla se da cuando se satura de cargas la Instalación Industrial, generando así que se requiera de mas corriente para alimentar a las cargas. Esto provoca un mal funcionamiento de los generadores y demás componentes, debido a que estarían trabajando por encima de su corriente nominal. En la Figura 4, vemos como el generador al principio alimentando solo a una carga menor, este trabaja perfectamente, pero al ir elevando la carga, en este se produce un calentamiento debido al aumento de la corriente que circula por él.

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Figura 4. Esquema que representa el comportamiento de un Generador frente al aumento de las cargas a las que alimenta. 2. Cortocircuito Como su mismo nombre lo dice, este tipo de falla se da cuando se cortocircuitan 2 fases o una fase y el neutro. En este caso al disminuir la resistencia, la corriente tiende a aumentar y esto provoca un alto consumo de Energía.

Figura 5. Fallas por cortocircuito, en el primer se da entre 2 fases y en el segundo se da entre una fase y el neutro. Al generarse una corriente elevada, genera un alto consumo de Energía, esto tiene efectos en el recibo por los siguientes 6 meses, lo cual representa un alto costo.

Figura 6. Comportamiento de la Corriente cuando se da una Falla por Cortocircuito. I. ELEMENTOS DE PROTECCION UNI - FIM

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1. Fusible El fusible es dispositivo utilizado para proteger dispositivos eléctricos y electrónicos. El fusible permite el paso de la corriente mientras ésta no supere un valor establecido.

Figura 7. Simbología usada para Representar Fusibles. Si el valor de la corriente que pasa, es superior a éste, el fusible se derrite, se abre el circuito y no pasa corriente. Si esto no sucediera, el equipo que se alimenta se puede recalentar por consumo excesivo de corriente: (un corto circuito) y causar hasta un incendio. El fusible normalmente se coloca entre la fuente de alimentación y el circuito a alimentar. En equipos eléctricos o electrónicos comerciales, el fusible está colocado dentro de éste. El fusible está constituido por una lámina o hilo metálico que se funde con el calor producido por el paso de la corriente. Es una práctica común reemplazar los fusibles, sin saber el motivo por el cual este se "quemó", y muchas veces el reemplazo es por un fusible de valor inadecuado. Los fusibles deben de tener la capacidad de conducir una corriente ligeramente superior a la que supuestamente se de "quemar". Esto con el propósito de permitir picos de corriente que son normales en algunos equipos. Los picos de corriente son valores de corriente ligeramente por encima del valor aceptable y que dura muy poco tiempo.

Figura 8. Fusible encapsulado de Vidrio. Hay equipos eléctricos que piden una gran cantidad de corriente cuando se encienden (se ponen en ON). Si se pusiera un fusible que permita el paso de esta corriente, permitiría también el paso de corrientes causadas por fallas "normales" que harían subir la corriente por encima de lo normal. En otras palabras: el circuito no queda protegido. Un caso es el de los motores eléctricos, que en el arranque consumen una cantidad de corriente bastante mayor a la que consumen en funcionamiento estable. Para resolver este problema hay fusibles especiales que permiten, por un corto período de tiempo (ejemplo: 10 milisegundos), dejar pasar una corriente hasta 10 veces mayor que la corriente normal. Si después de pasado este tiempo la corriente sigue siendo grande, el fusible se "quema".

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Cuando se queme un fusible, siempre hay que reemplazarlo por uno de las mismas características, sin excepciones, previa revisión del equipo en cuestión, para determinar la causa de que el fusible se haya quemado.

Figura 9. Esquema en el cual el Fusible no cubriría un elevado consumo del equipo en el arranque si es que fuese un motor eléctrico. Tipos de Fusibles ➢ Fusible desnudo: constituido por un hilo metálico (generalmente de plomo) que se funde por efecto del calor. ➢ Fusible encapsulado de vidrio: utilizado principalmente en equipos electrónicos. ➢ Fusible de tapón enroscable: pieza cilíndrica de porcelana o similar, sobre la cual se pone una camisa roscada que sirve para que sea introducido en el circuito. El alambre (fusible) se coloca internamente, se fija con tornillos y se protege con una tapa roscada. ➢ Fusible de cartucho: Están constituidos por una base de material aislante, sobre la cual se fijan unos soportes metálicos que sirvan para introducir a presión el cartucho.

Figura 10. Tipos de Fusibles 1. Contactor El contactor es un interruptor accionado o gobernado a distancia por un electroimán. Partes constitutivas: Los contactos son elementos conductores que tienen por objeto establecer o interrumpir el paso de la corriente, ya sea en el circuito de potencia o en el de mando, tan pronto como se energice la bobina. Éstos se pueden dividir en contactos principales y contactos auxiliares. Contactos Principales: UNI - FIM

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Son contactos instantáneos cuya función específica es establecer o interrumpir el circuito principal, a través del cual se transporta la corriente desde la red a la carga, por el cual deben estar debidamente calibrados y dimensionados para permitir el paso de intensidades requeridas por la carga sin peligro de deteriorarse. Por su función, son contactos únicamente abiertos. Cuando un contactor bajo carga se des energiza produce una chispa, de manera que aunque la parte móvil se haya separado de la fija, el circuito no se interrumpe inmediatamente. Por eso, y más al trabajar con intensidades muy altas, se necesita de una cámara apaga chispas, la cual tiene como función evitar la formación de arco o la propagación del mismo de distintos sistemas. Soplado por autoventilación: la cámara se construye de tal manera que presenta una abertura grande un la parte inferior y una pequeña en la parte superior, produciendo una especie de chimenea, la cual enfría el aire alrededor de la chispa, apagándola rápidamente. Contactos Auxiliares: Son aquellos contactos cuya función específica es permitir o interrumpir el paso de corriente a las bobinas de los contactos o a los elementos de señalización, por lo cual están diseñados para intensidades débiles. Éstos actúan tan pronto se energiza la bobina a excepción de los retardados. Existen dos clases: ➢ Contactos NA: llamados también instantáneos de cierre, cuya función es cerrar un circuito cuando se energiza la bobina del contactor al cual pertenecen. ➢ Contactos NC: llamados también de instantáneos apertura, cuya función es abrir un circuito cuando se energiza la bobina del contactor al cual pertenecen. Un contactor debe llevar necesariamente un contacto auxiliar instantáneo NA. Uno de los contactos auxiliares NA debe cumplir la función de asegurar la auto alimentación de la bobina, por lo cual recibe el nombre específico de auxiliar de sostenimiento o retención. Existen contactores que tienen únicamente contactos auxiliares, ya sean NA, NC o NA y NC. Estos se los llama contactores auxiliares o relés. Cuando un contactor no tiene el número suficiente de contactos auxiliares se puede optar por Bloques aditivos o Contactores auxiliares Para identificar a un contacto auxiliar, a pesar de las marcas del fabricante se utiliza un sistema de números: Si son NC, la entrada es (11, 21, 31, 41...) y la salida (12, 22, 32, 42...) Si son NA, la entrada es (13, 23, 33, 43...) y la salida (14, 24, 34, 44...) Funcionamiento:

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Cuando la bobina es recorrida por la corriente eléctrica, genera un campo magnético intenso, de manera que el núcleo atrae con un movimiento muy rápido. Al producirse este movimiento, todos los contactos del contactor (tanto principales como auxiliares) cambien de posición solidariamente: Los contactos cerrados se abren y los abiertos se cierren. Para volver los contactos a su posición inicial reposo basta con des energizar la bobina. Ventajas: ➢ Control y automatización de equipos y máquinas con procesos complejos, con la ayuda de los aparatos auxiliares de mando como los interruptores de posición, detectores, presostatos, etc. ➢ Automatización en el arranque y paro de motores. ➢ Posibilidad de maniobrar circuitos sometidos a corrientes muy altas mediante corrientes débiles. ➢ Posibilidad de controlar completamente una máquina desde varios puntos de maniobra (estaciones). ➢ Ahorro de tiempo al realizar maniobras prolongadas.

Figura 11. Circuito de Control de un Motor para su arranque, acá se puede apreciar el uso de contactores.

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Figura 12. Contactor trifásico. 1. Guardamotor Un guardamotor es un disyuntor magneto-térmico, especialmente diseñado para la protección de motores eléctricos. Este diseño especial proporciona al dispositivo una curva de disparo que lo hace más robusto frente a las sobre intensidades transitorias típicas de los arranques de los motores. El disparo magnético es equivalente al de otros interruptores automáticos pero el disparo térmico se produce con una intensidad y tiempo mayores. Su curva característica se denomina D o K. Las características principales de los guardamotores, al igual que de otros interruptores automáticos magneto-térmicos, son la capacidad de ruptura, la intensidad nominal o calibre y la curva de disparo. Proporciona protección frente a sobrecargas del motor y cortocircuitos, así como, en algunos casos, frente a falta de fase.

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Figura 13. Visión explosionada de un Guardamotor sistema PKZ 2 que brinda protección hasta una intensidad nominal de 40 A 2. Disyuntor Definición Interruptor automático por corriente diferencial. Se emplea como dispositivo de protección contra los contactos indirectos, asociado a la puesta a tierra de las masas. El interruptor diferencial está destinado a proteger la vida de las personas contra contactos accidentales de elementos bajo tensión.(Como concepto básico, el disyuntor o interruptor diferencial es un dispositivo de protección eléctrica diseñado para proteger a las personas de un choque eléctrico) Es decir, si se toca algún artefacto (Ej.: una heladera) con una falla en su aislación eléctrica y hay una fuga pequeña que quiera circular por su cuerpo, el interruptor diferencial la detectará. Datos técnicos Desde el punto de vista del riesgo eléctrico, el contacto indirecto es más peligroso, porque: “el riesgo no se ve”.

Contacto Directo UNI - FIM

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Es el contacto entre la persona y las partes activas del equipo que están diseñadas para “estar en tensión” (conducir electricidad) como (cables, patas de enchufe, etc.) Contacto Indirecto Tiene lugar al tocar ciertas partes que habitualmente no están diseñadas para el paso de la corriente eléctrica, como partes metálicas o carcazas de equipos o accesorios pero que pueden quedar en tensión por algún defecto (ejemplo rotura de aislación de un cable interno) Estas se originan por el envejecimiento de las aislaciones de los cables, los cortes de algún conductor, uniones mal aisladas El interruptor diferencial tiene sensibilidad para detectar fugas de corriente de 30 mili amperes y cortar el suministro de corriente al circuito en un tiempo de 30 milisegundos El interruptor diferencial también previene el riesgo de incendio. Puede ocurrir que ante una eventual rotura de la aislación de un cable se produzca una fuga de corriente a tierra, si el valor de la corriente es de entre 300 y 500 mili amperes existe el riesgo que se produzca un arco eléctrico que genere un incendio El interruptor diferencial diseñado para detectar la fuga cortará inmediatamente el suministro eléctrico. Si la instalación eléctrica esta conectada a tierra, el interruptor diferencial, cortará el suministro ante cualquier “falla de tierra”. Si la instalación eléctrica no esta conectada a tierra, el interruptor diferencial, cortará el suministro únicamente cuando la “falla de tierra” se produzca a través del cuerpo humano, es decir cuando alguien toque algún elemento energizado (situación que debe evitarse) Conexión El disyuntor se coloca en la línea de entrada, aguas abajo del medidor y de la de la llave térmica general, y antes de la térmica interior que pueda tener la vivienda.( siempre que se tenga que realizar un trabajo de electricidad, es necesario cortar la tensión, es recomendable que este tipo de trabajo lo realice un profesional matriculado, tomando los recaudos correspondientes).

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Figura 14. Funcionamiento del Disyuntor

Figura 15. Vista en Corte de un Disyuntor

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I. CURVAS DE DISPARO Es la curva que define el rango y tiempo de operación de un int. Se grafica en papel Log-Log, Relación: Tiempo-Corriente dando la protección contra: 1.- Tiempo largo 2.- Tiempo corto 3.- Instantáneo I (KA) Figura 16: Curva de disparo Podemos identificar la existencia de tres zonas en la curva. Una de tiempo de activación rápido que es la zona tres, de tiempo corto y tiempo largo como la zona uno. Leyendo Curvas de Disparo ➢ Representación Figura ➢ Tiempo de Disparo vs.

Nivel de Corriente

➢ Área sombreada = posible disparo Nota: Escala Log-Log

Figura 17: Curva de disparo El área sombreada es un área de incertidumbre en la cual no existe la seguridad si es que el dispositivo abrirá o no el circuito  Las tolerancias de manufactura resultan en una banda de disparo limitada por valores máximos y mínimos de tiempo de limpieza total, que es la suma de:  Tiempo de Detección  Tiempo de Liberación  Tiempo de Operación  Tiempo de Arqueo UNI - FIM

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Figura 18: Curva de disparo El tiempo de arqueo es aquel en el cual el circuito abrió mecánicamente pero eléctricamente aun se encuentra cerrado debido a que el circuito cierra momentáneamente a través del aire mediante una chispa. Térmico Disparo Térmico ➢ Elemento bimetálico, responde al calor generado por la sobrecorriente ➢ Representado en la porción superior izquierda de la curva. ➢ Corrientes de sobrecarga (1X a 6X) ➢ Tiempo Inverso - sobrecorrientes más grandes abren al interruptor más rápido

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Térmico

Figura 19: Curva de disparo (térmico) En la zona térmica el tiempo de activación es largo y las corrientes son relativamente pequeñas. Termomagnético Disparo Magnético ➢ El ensamble magnético responde al flujo de corriente a través del interruptor. ➢ Representado en la porción inferior derecha de la curva ➢ Altos niveles de sobrecorrientes (5X a 10X la cap. de la manija o mayor) ➢ Dispara instantáneamente - sin retardo de tiempo intencional

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Magnético

Figura 20: Curva de disparo (Magnético) En la zona magnética el disparo es casi instantáneo y para corrientes altas. Curva de arranque de motores Ipc

= Corriente a plena carga = Corriente en estado estable

Irb

= Corriente de rotor bloqueado = 6 veces la Ipc = 2 < t < 15 segundos

Imag = Corriente de magnetización = 1.5 veces la Irb = t < 0.1 segundos

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15s 2.0s 0.1s

Ipc

IRB

Imag

Figura 21: Curva del motor Esta curva es importante para seleccionar interruptores ya que esta debe mantenerse por debajo de la curva a elegir para evitar la apertura para corrientes y tiempos normales de operación. Secuencia de Implementación

SELECCION D EL SISTEMA DE DISTRIBUC ION

CONTRIBUC ION DE LA CIA . SUMINI STRAD OR A

A NALISIS D E L A CA RGA

CALCULO D E CORTO CI RCUITO

SELECCION DE DISPOSITIVOS D E PR OTECCION

COORD INACION

SELECCION D EL SISTEMA DE PROTECC ION

CONTR IBUCION DEL GEN ERADOR

CONTR IBUCION DE LOS MOTORES

PROTECCION D E LOS COMPONENTES DEL SIST EMA

Figura 22: Secuencia de implementación

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MAN TENIMIENTO, PRUEBA S, C ALIB RACION


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Servicios Cargas menores en múltiples

} circuitos derivados 400 KVA

70 KVA Alumbrado 60 KVA

Figura 23: Diagrama unifilar Ejemplo de Coordinación Datos del motor Corriente a plena carga Ipc = 746 x CP 1.73 x E x EFF x PF Tabla 430-150 de NOM-001 Regleta calculadora Dato de placa = 21 Amperes Corriente Rotor Bloqueado Irb = 6 x 21 = 126 A. t = 4 segundos Corriente de magnetización Imag = 1.5 x 126 = 189 A t = 0.1 segundos Interruptor Int = 21 x 2 = 42 A = 3P-40A • •

Motor 15 HP Int. FA 3P-40A

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1M

15HP

2M

10HP

4M

7.5HP

5M

5HP


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Figura 24: Curva de disparo Podemos apreciar la curva del motor y del interruptor superpuestas

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Protección del CCM Int = Int MM + ∑ Ipc Mm Int = 3P-150A Marco KA Sq’D Cantidad

Potencia

1 2 4 5

15 10 7.5 5

Corriente a Plena carga 21 15 11 7.9

Suma 40 * 30 44 39.5 153.5

MM = Motor Mayor Mm = Motores menores * = Interruptor del MM Diagrama unifilar

Servicios Cargas menores en múltiples

} circuitos derivados 400 KVA

70 KVA Alumbrado 60 KVA

Figura 25: Diagrama unifilar

1M 15HP Seleccionamos interruptores para el centro de control de motores según el criterio antes 2M 10HP mencionado. • Motor 15 HP 4M 7.5HP • Int. FA 3P-40A 5M 5HP • Int. KA 3P-150A

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Figura 26: Curva de disparo

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En esta Figura tenemos superpuestas la curva de arranque del motor, la del interruptor para el motor de mayor potencia y la del centro de control de motores. Notamos que se cumple la coordinación de los dispositivos de disparo ya que estos irán abriendose en la dirección en que nos alejamos del punto de operación de la máquina. Carga instalada en el CCM Para determinar la carga total instalada para el caso del CCM, se sabe que 1HP = 0.746 KW, y se establece como práctica común que 1HP ≅ 1 KVA, por lo que:

Cantidad 1 2 4 5

Potencia 15 10 7.5 5

90 90 HP ≅ 90 KVA

Total 15 20 30 25 90

KVA

70

KVA

60

KVA

Dimensionamiento del transformador

Se observa que el CCM es el circuito derivado con mayor potencia instalada, por lo que la coordinación del interruptor principal será en función de ese derivado La capacidad del transformador se determina al multiplicar la potencia total instalada por los factores de demanda y reserva KVA demandados = KVA instalados x FD x FR KVA demandados = 620 x 0.9 x 1.2 = 670 KVA Se decide utilizar un transformador comercial de: 750 KVA, con impedancia de 4.8 % Interruptor Principal Se determina la corriente nominal del transformador. In = 750 KVA / (1.732 x 0.44 KV) = 984 Amperes. El interruptor principal se cálcula como 1.25 de la In. Int = 1.25 x 984 = 1230 Amperes. UNI - FIM

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Por lo que se selecciona un interruptor de 3P-1200A. Curva ANSI del transformador T1 = 2 segundos I1 = Ipc / Zt = 984 / 0.048 = 20500 Amperes T2 = 4.08 segundos I2 = 0.7 Ipc / Zt = 0.7 x 984 / 0.048 = 14350 Amperes T3 = 2551 x Zt2 = 2551 x (0.048)2 = 5.9 segundos I3 = 0.7 Ipc / Zt = 0.7 x 984 / 0.048 = 14350 Amperes T4 = 50 segundos I4 = 5 Ipc = 5 x 984 = 4920 Amperes Figura 27: Diagrama unifilar

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Motor 15 HP Int. FA 3P-40A Int. KA 3P-150A Int. NA 3P-1200A (termomagnético) Trasformador

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Figura 28: Curvas de disparo Página 24


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Podemos apreciar la coordinación de los dispositivos de disparo.

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Motor 15 HP Int. FA 3P-40A Int. KA 3P-150A Int. Nx 3P-1200A (Electrónico Estándar) Trasformador

Figura 29: Curvas de disparo

Motor 15 HP Int. FA 3P-40A Int. KA 3P-150A Int. NE 3P-1200A(Electrónico Unidad con plenitud de funciones) ➢ Trasformador ➢ ➢ ➢ ➢

Figura 30: Curvas de disparo

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Podemos apreciar la coordinación de los dispositivos de disparo. Notamos que con los interruptores electrónicos la coordinación de los dispositivos de protección es mucho más fácil debido a que el área sombreada es mucho menor, ya que esta representa un área de incertidumbre de disparo, por lo que en la graficas superpuestas no deberían intersecarse. •

Los interruptores electrónicos permiten: Dar mayor protección a la carga

•

Permitir mejor coordinación con los interruptores aguas abajo

•

Aumentar la selectividad en la falla por cortocircuito

•

Facilitar la coordinación con el fusible de media tensión.

Además, pueden incluir la función Withstand rating ó Capacidad de aguante de un cortocircuito

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ANEXO Transmisión en DC Este tipo de transmisión se realiza en líneas de alta tensión, por lo general las líneas que superan los 500 KV Ventajas de Transmisión en DC ➢ Al no haber una frecuencia de transmisión, no se introduce reactancia a la línea. Esto se traduce en una mayor capacidad de transmisión de la Potencia. ➢ Hay una disminución de las resistencia debido a la variación de la densidad de corriente en el conductor:

Figura 31. Densidades de corriente en un mismo conductor. (a) a corriente directa y (b) a corriente de alta frecuencia. La transferencia de energía por corriente continua se justifica para distancias largas (aproximadamente 1000km). Esto debido a que la transmisión en CC requiere de un costo fijo (el rectificador/inversor) pero reducimos pérdidas en los conductores. Para la interconexión de dos sistemas cuyas redes son de diferente frecuencia es conveniente la transmisión en corriente continua. Otras situaciones donde CC es adecuado • Transporte de energía para islas • Sistemas con frecuencias diferentes • Sistemas con problemas de estabilidad Electromecánica Hoy día existen 92 proyectos de HVDC alrededor del mundo, con una potencia nominal que suma 70 GW. La mayoría de estos proyectos de HVDC muestran una confiabilidad muy buena luego de muchos años de operación. La primera instalación comercial en el mundo, la interconexión entre la isla de Gotland y el sistema interconectado de Suecia, fue puesta en operación en 1954.

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Ejemplo Itaipú Binacional, Brazil • Potencia: 2x3150 MW • Voltaje CD: + 600 kV • Transmisión: 785/805 km • Dos bipolos con lineas aereas • Puesta en servicio: 1984-87

Figura 31.Ejemplo de Utilización de líneas de transmisión en DC.

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Proteccion Para Motores

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