Para la comprensión protección de sobrecarga térmica del motor en motor de inducción podemos discutir la operación principio del motor de inducción trifásico. Hay un estator cilíndrico y una bobina trifásica distribuida simétricamente en la periferia interior del estator. Debido a esta distribución simétrica, cuando energía trifásica se aplica al bobinado del estator, un el campo magnético rotativo se produce. Este campo gira a velocidad sincrónica. El rotor se crea en el motor de inducción principalmente por los números de barras de cobre sólido que están en cortocircuito en ambos extremos de tal manera que forman una jaula de cilindro como estructura. Por eso este motor también se conoce como motor de inducción de jaula de ardilla. De todos modos, lleguemos al punto básico del motor de inducción trifásico que nos ayudará a entender claramente sobre protección de sobrecarga térmica del motor.
Como la rotación flujo magnético corta cada una de las barras conductoras del rotor, habrá una circulación inducida actual que fluye a través de los conductores de la barra. Al arrancar el rotor está parado y el campo del estator está girando a velocidad sincrónica, el movimiento relativo entre el campo de rotación y el rotor es máximo.
Por lo tanto, la tasa de recortes de flujo con las barras del rotor es máxima, la corriente inducida es máxima en esta condición. Pero como la causa de la corriente inducida es, esta velocidad relativa, el rotor tratará de reducir esta velocidad relativa y por lo tanto comenzará a girar en la dirección de el campo magnético rotativo para alcanzar la velocidad sincrónica. Tan pronto como el rotor alcance la velocidad sincrónica, esta velocidad relativa entre el rotor y el campo magnético giratorio será cero, por lo que no habrá más corte de flujo y, por consiguiente, no habrá ninguna corriente inducida en las barras del rotor. A medida que la corriente inducida se convierte en cero, no habrá más necesidad de mantener la velocidad relativa cero entre el rotor y el campo magnético giratorio, por lo que la velocidad del rotor disminuye.
Tan pronto como la velocidad del rotor desciende, la velocidad relativa entre el rotor y el campo magnético rotativo adquiere de nuevo un valor no nulo que de nuevo provoca una corriente inducida en las barras del rotor, entonces el rotor volverá a intentar alcanzar la velocidad sincrónica y esto continuará hasta que se encienda el motor. Debido a este fenómeno, el rotor nunca alcanzará la velocidad sincrónica, así como tampoco dejará de funcionar durante el funcionamiento normal. La diferencia entre la velocidad sincrónica con la velocidad del rotor con respecto a la velocidad sincrónica, se denomina deslizamiento del motor de inducción.
El deslizamiento en una carrera normal motor de inducción típicamente varía entre el 1% y el 3% dependiendo de la condición de carga del motor. Ahora intentaremos dibujar las características de la corriente de velocidad del motor de inducción, veamos un ejemplo de un gran ventilador de caldera.
En la característica el eje Y se toma como tiempo en segundo, el eje X se toma como % de la corriente del estator. Cuando el rotor está parado que está en condición de arranque, el deslizamiento es máximo, por lo tanto la corriente inducida en el rotor es máxima y debido a la acción de transformación, el estator también tomará una corriente pesada del suministro y sería alrededor del 600 % de la corriente nominal de estator a plena carga. Al acelerarse el rotor se reduce el deslizamiento, por lo que la corriente del rotor y, por tanto, la corriente del estator, cae a alrededor del 500% de la corriente nominal a plena carga en 12 segundos cuando la velocidad del rotor alcanza el 80% de la velocidad sincrónica. Después, la corriente del estator cae rápidamente al valor nominal cuando el rotor alcanza su velocidad normal.
Ahora discutiremos sobre sobrecarga térmica del motor eléctrico o el problema de sobrecalentamiento de motor eléctrico y la necesidad de protección de sobrecarga térmica del motor.
Cuando pensamos en el sobrecalentamiento de un motor, lo primero que nos viene a la mente es la sobrecarga. Debido a la sobrecarga mecánica del motor, se extrae una mayor corriente del suministro, lo que lleva a un excesivo sobrecalentamiento del motor. El motor también puede sobrecalentarse excesivamente si el rotor se bloquea mecánicamente, es decir, se queda parado por cualquier fuerza mecánica externa. En esta situación, el motor tomará una corriente excesivamente alta del suministro, lo que también provocará una sobrecarga térmica del motor eléctrico o un problema de sobrecalentamiento excesivo. Otra causa de sobrecalentamiento es el bajo voltaje de suministro. Como la potencia que el motor extrae del suministro depende de la condición de carga del motor, para un voltaje de suministro más bajo, el motor extraerá una mayor corriente de la red para mantener el par requerido. La fase única también causa sobrecarga térmica del motor. Cuando una fase del suministro está fuera de servicio, las dos fases restantes toman una corriente más alta para mantener el par de carga requerido y esto lleva a un sobrecalentamiento del motor. La condición de desequilibrio entre las tres fases del suministro también provoca un sobrecalentamiento del bobinado del motor, ya que el sistema de desequilibrio da lugar a una corriente de secuencia negativa en el bobinado del estator. Una vez más, debido a la pérdida repentina y el restablecimiento del suministro voltaje puede causar un calentamiento excesivo del motor. Ya que debido a la pérdida repentina de la tensión de alimentación, el motor se desacelera y debido al repentino restablecimiento de la tensión el motor se acelera para alcanzar su velocidad nominal y por lo tanto para que el motor tome una mayor corriente del suministro.
Como la sobrecarga térmica o el sobrecalentamiento del motor puede llevar a un fallo de aislamiento y a daños en el devanado, por lo tanto para una adecuada protección de sobrecarga térmica del motorel motor debe ser protegido contra las siguientes condiciones
- Sobrecarga mecánica,
- El eje del motor se ha parado,
- Bajo voltaje de suministro,
- Una sola fase de la red de suministro,
- Desequilibrio de la red de suministro,
- Pérdida repentina y reconstrucción del voltaje de suministro.
El esquema de protección más básico del motor es la protección térmica de sobrecarga que cubre principalmente la protección de todas las condiciones mencionadas anteriormente. Para entender el principio básico de la protección térmica de sobrecarga, examinemos el diagrama esquemático del esquema básico de control del motor.
En la figura de arriba, cuando el empuje de arranque se cierra, la bobina de arranque se energiza a través del transformador. Cuando la bobina de arranque se energiza, los contactos 5 normalmente abiertos (NO) se cierran, por lo que el motor recibe suministro voltaje en su terminal y comienza a girar. Esta bobina de arranque también cierra el contacto 4 que hace que la bobina de arranque se energice incluso el contacto del botón de arranque se libera de su posición de cierre. Para detener el motor hay varios contactos normalmente cerrados (NC) en serie con la bobina de arranque como se muestra en la figura. Uno de ellos es el contacto del botón pulsador de PARADA. Si se presiona el botón pulsador de STOP, este contacto se abre y rompe la continuidad del circuito de la bobina de arranque, por lo que la bobina de arranque se desenergiza. Por lo tanto, los contactos 5 y 4 vuelven a su posición normal de apertura. Entonces, en ausencia de tensión en los terminales del motor, finalmente dejará de funcionar. De manera similar, cualquiera de los otros contactos NC (1, 2 y 3) conectados en serie con la bobina de arranque si está abierta; también detendrá el motor. Estos contactos NC están eléctricamente acoplados con varios relés de protección para detener el funcionamiento del motor en diferentes condiciones anormales.
Veamos el relé de sobrecarga térmica y su función en la protección de sobrecarga térmica del motor.
La secundaria de la CTs en serie con el circuito de alimentación del motor, están conectados con una tira bimetálica del relé de sobrecarga térmica (49). Como se muestra en la figura siguiente, cuando la corriente a través del secundario de cualquiera de los TC, cruza sus valores predeterminados durante un tiempo predeterminado, la tira bimetálica se sobrecalienta y se deforma lo que finalmente hace funcionar el relé 49. Tan pronto como se acciona el relé 49, se abren los contactos NC 1 y 2, que desenergizan la bobina de arranque y, por lo tanto, detienen el motor.
Otra cosa que tenemos que recordar durante la provisión protección de sobrecarga térmica del motor. En realidad cada motor tiene un valor de tolerancia a la sobrecarga predeterminado. Eso significa que cada motor puede funcionar más allá de su carga nominal durante un período específico permitido, dependiendo de su condición de carga. El tiempo que un motor puede funcionar con seguridad para una carga particular es especificado por el fabricante. La relación entre las diferentes cargas del motor y los correspondientes períodos permitidos para hacer funcionar el mismo en condiciones de seguridad se denomina curva de límite térmico del motor. Veamos la curva de un motor en particular, que se indica a continuación.
Aquí el eje Y o el eje vertical representa el tiempo permitido en segundos y el eje X o el eje horizontal representa el porcentaje de sobrecarga. Aquí está claro de la curva que, el motor puede funcionar con seguridad sin ningún daño debido al sobrecalentamiento durante un período prolongado al 100% de la carga nominal. Puede funcionar con seguridad 1000 segundos al 200 % de la carga nominal normal. Puede funcionar con seguridad 100 segundos al 300 % de la carga nominal normal. Puede funcionar con seguridad 15 segundos al 600% de la carga nominal normal. La parte superior de la curva representa la condición normal de funcionamiento del rotor y la parte más baja representa la condición de bloqueo mecánico del rotor.
Ahora la curva de tiempo de funcionamiento Vs de corriente de accionamiento del relé térmico de sobrecarga elegido debe situarse por debajo de la curva de límite térmico del motor para un funcionamiento satisfactorio y seguro. Vamos a discutir más detalles…
Recuerde las características de la corriente de arranque del motor Durante el arranque del motor de inducción, la corriente del estator supera el 600 % de la corriente nominal normal, pero se mantiene hasta 10 o 12 segundos después de que la corriente del estator cae repentinamente al valor nominal normal. Por lo tanto, si el relé de sobrecarga térmica funciona antes de esos 10 a 12 segundos para la corriente del 600% de la corriente nominal normal, entonces el motor no puede ser arrancado. Por lo tanto, se puede concluir que la curva de corriente de accionamiento del tiempo de funcionamiento Vs del relé de sobrecarga térmica elegido debe situarse por debajo de la curva de límite térmico del motor pero por encima de la curva característica de corriente de arranque del motor. La posición probable de las características del relé de corriente térmica está limitada por estas dos curvas mencionadas, como se muestra en el gráfico por el área resaltada.
Otra cosa que hay que recordar al elegir el relé de sobrecarga térmica. Este relé no es un relé instantáneo. Tiene un retraso mínimo en su funcionamiento, ya que la tira bimetálica requiere un tiempo mínimo de calentamiento y deformación para el valor máximo de la corriente de funcionamiento. En el gráfico se observa que el relé térmico funcionará después de 25 a 30 segundos si el rotor se bloquea mecánicamente de repente o si el motor no arranca. En esta situación el motor tomará una enorme corriente del suministro. Si el motor no se aísla antes, pueden producirse daños más graves.
Este problema se supera proporcionando un relé de tiempo sobre corriente con alta captación. Las características de la corriente de tiempo de estos sobre los relés de corriente se eligen de tal manera que para un valor inferior de sobrecarga, el relé no funcionará ya que el relé de sobrecarga térmica se activará antes que él. Pero para un valor más alto de sobrecarga y para una condición de rotor bloqueado, el relé de sobrecarga de tiempo será operado en lugar del relé térmico porque el primero actuará mucho antes que el segundo.
Por lo tanto, tanto el relé bimetálico de sobrecarga y el relé de tiempo sobre corriente se proporcionan para la protección completa de la sobrecarga térmica del motor.
Hay una desventaja principal del relé bimetálico térmico de sobrecarga, ya que la tasa de calentamiento y enfriamiento del bimetálico se ve afectada por la temperatura ambiente, el rendimiento del relé puede diferir para diferentes temperaturas ambientales. Este problema puede superarse utilizando RTD o detector de temperatura de resistencia. Los motores más grandes y sofisticados se protegen contra la sobrecarga térmica con mayor precisión mediante el uso de RTD. En las ranuras del estator, los RTD se colocan junto con el bobinado del estator. La resistencia del RTD cambia con el cambio de temperatura y este valor resistivo cambiado es detectado por un El circuito del puente de Wheatstone.
Este esquema de protección de sobrecarga térmica del motor es muy simple. El RTD del estator se utiliza como un brazo del puente equilibrado de Wheatstone. La cantidad de corriente que pasa por el relé 49 depende del grado de desequilibrio del puente. A medida que la temperatura del bobinado del estator aumenta, el resistencia eléctrica de los incrementos del detector, lo que perturba la condición de equilibrio del puente. Como resultado, la corriente comienza a fluir a través del relé 49 y el relé se activará después de un valor predeterminado de esta corriente desequilibrada y finalmente el contacto de arranque se abrirá para detener el suministro al motor.
