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Título de la obra original: Control of Electric Machines

Edición original en lengua inglesa publicada por Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliff, New Jersey, U.S.A.

Copyright © by Prentice-Hall, Inc

Versión española por Dr. Juan José Bolet Quer Ingeniero Industrial Superior Eléctrico

Propiedad de: EDITORIAL REVERTÉ, S. A. Loreto, 13-15. Local B 08029 Barcelona. ESPAÑA Tel: (34) 93 419 33 36 e-mail: reverte@reverte.com www.reverte.com

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Edición en español: © Editorial Reverté, S. A., 1982

Edición en papel: ISBN 978-84-291-3046-1

Edición e-book (PDF): ISBN 978-84-291-9023-6

A mi esposa Ruth y a mis hijos Sonia, Martin y Julia

Indice analítico

PRólOGO XV

1. DISPOSITIVOS DE RELÉS DE MAXIMA Y DE PROTECCióN, 1

Introducción, Generalidades, Fusibles, 3

1 2

Combinación del fusible y del relé de sobrecargas, Relé de sobrecarga magnético, de acción instantánea, Relé de sobrecarga magnético, de acción retardada, Relés de sobrecarga térmicos, de aleación fusible, Relés de sobrecarga, térmicos, bimetálicos, 11

6

9

7 8

1-0. 1-1. 1-2. 1-3. 1-4. 1-5. 1-6. 1-7. 1-8. 1-9. 1-10. 1-11. 1-12. 1-13. 1-14. 1-15. 1-16. 1-15. 1-16. 1-17.

Relé de sobrecarga, térmico, inductivo de aleación fusible, Relé de sobrecarga térmico, inductivo, bimetálico, 13 Dispositivos térmico auxiliares, 13 Disyuntores de máxima y de mínima tensión, 16 Protección contra la inversión de la polaridad, 20 Relés de protección contra inversión e interrupción de fases, Relé diferencial, 22 Relé estabilizador de frecuencia, Disyuntores de sobrecarga, 23 Relé de frecuencia, 22 Disyuntores de sobrecarga, 23

22

Protección contra el arco de descarga,

Bibliografía, 27

Cuestiones y problemas, 27

Respuestas, 29

VII

24

12

21

VIII lndice analítico

2. SiMBOLOS Y ESQUEMAS NORMALIZADOS DE CIRCUITOS DE CONTROL, 31

2-1. Generalidades, 31 2-2. Símbolos normalizados de circuitos de control, 32 2-3. Abreviaturas utilizadas para la designación y numeración

de dispositivos, 34 2-4. Abreviatura para designar dispositivos especiales, 35 2-5. Diferencias entre circuitos de potencial y de control, 36 2-6. Esquemas típicos de circuitos de control, 37

Bibliografía, 41

Cuestiones y problemas, 42

3. ARRANCADORES MANUALES DE C.C. y C.A., 45

3-1. Generalidades, 45 3-2. Puesta en marcha y aceleración de motores de c.c., 46 3-3. Arrancador comercial de tres bornes, 50 3-4. Arrancador comercial de cuatro bornes, 53 3-5. Arrancadores manuales de motores serie, 56 3-6. Regulador manual de tambor, 57 3-7: Arranque manual de motores de inducción

de jaula de ardilla (SCIMs), 60 3-8. Arranque manual de motores de inducción

de rotor bobinado (WRIMs), 64 3-9. Arranque manual de motores síncronos polifásicos, 65 3-10. Arranque manual de motores monofásicos, 67 3-11. Ventajas e inconvenientes de los arrancadores manuales, 67

Bibliografía, 68

Cuestiones y problemas, 69

Respuestas, 71

4. ARRANCADORES AUTOMATICOS DE C.C., 73

4-1. Generalidades, 73 4-2. Arrancador de aceleración de tiempo fijo, de c.c.,

que utiliza contactares de acción retardada, 74 4-3. Arrancador de aceleración por tiempo fijo, de c.c.,

que utiliza relés de amortiguador, 76

lndice analítico IX

4-4. Arrancador de acelerador por tiempo fijo, de c.c., que utiliza un temporizador motorizado o un mecanismo de tiempo, 79

4-5. Arrancador de aceleración por tiempo definido, de c.c., que utiliza constante de tiempo inductiva de relés de bobina de fijación, 81

4-6. Arrancador de aceleración por limitación de la corriente de c.c., que utiliza relés de f.c.e.m. (método por !imitador de la velocidad), 83

4-7. Arrancador de aceleración por limitación de la corriente, de c.c., que utiliza relés de bobina de retención, 85

4-8. Arrancador de aceleración !imitador de la corriente, de c.c., que utiliza relés serie, 87

4-9. Arrancador de acelerador por limitación de la corriente, de c.c., que utiliza bobinas de retención (aceleración por caída de tensión), 89

4-10. Arrancador de aceleración por limitación de la corriente, de c.a., que emplea bobinas de retención y an'iplificador magnético, 90

Bibliografía, 93

Cuestiones y problemas, 94

5. ARRANCADORES AUTOMÁTICOS DE C.A., 97

5-l. Arrancadores automáticos de c.a., 97 5-2. Arrancador magnético automático a plena tensión

para SCIMs polifásicos, 98 5-3. Arrancadores automáticos de aceleración de tiempo fijo

de tensión reducida, de c.a., 101 5-4. Circuito y arrancador de «Temporizador de neón», 106 5-5. Arranque de un motor de inducción de rotor

bobinado (WRIM), 108 5-6. Arrancadores automáticos para motores síncronos, 115 5-8. Arranque múltiple, 117

Bibliografía, 120

Cuestiones y problemas, 121

6. CONTROL MANUAL V AUTOMÁTICO DE LA VELOCIDAD DE MOTORES DE C.C., 125

6-1. Generalidades, 125 6-2. Control de campo, 125 6-3. Control de la resistencia de inducido, 128

X lndice analítico

6-4. Control de la resistencia de inducido en serie y shunt, 129 6-5. Control de la tensión de inducido, 131 6-6. Motores inversibles de c.c., 133 6-7. Frenado por inversión, 137 6-8. Frenado dinámico, 141 6-9. Frenado regenerativo, 146 6-10. Frenado mecánico, 149 6-11. Arranques sucesivos rápidos («Jogging»), 151 6-12. Control electrónico de motores de c.c., 154 6-13. Funcionamiento de los motores de c.c.

con rectificación electrónica, 167 6-14. Motor de c.c. sin escobillas, 169

Bibliografía, 171

Problemas y cuestiones, 173

7. CONTROL MANUAL V AUTOMÁTICO DE LA VELOCIDAD DE LOS MO· TORES POLIFÁSICOS DE C.A., 177

7-1. 7-2.

7-2.1. 7-2.2. 7-2.3. 7-2.4.

7-3.

7-4.

7-5. 7-6. 7-7. 7-8. 7-9. 7-10. 7-11. 7-12. 7-13. 7-14. 7-15. 7-16.

Generalidades, 177 Cambio de la frecuencia y de la tensión aplicadas a un estator polifásico, 178 El cicloconvertidor, 179 El inversor, 182 Regulación del inversor, 185 Comparaciones entre el cicloconvertidor y el rectificador-convertidor para el control de estado sólido de un motor polifásico de c.a., 186 Variación del número de polos del devanado estatórico de un motor polifásico, 188 Control de la resistencia secundaria de los motores de inducción de rotor bobinado (WRIMs), 193 Concatenación, 194 El sistema de Leblanc, 198 El sistema de control de Kramer, 200 Sistema de Scherbius, 203 Motor de decalado de escobillas de Schrage (BT A), 205 Control electrónico de la potencia de deslizamiento, 207 Control de la tensión de línea, 208 Accionamiento Rossman, 210 Control de la velocidad por procedimientos mecánicos, 211 Inversión de la secuencia de un estator polifásico, 212 Frenado por inversión, 212 Frenado dinámico, 216

lndice analítico XI

7-17. Frenado regenerativo, 219 7-18. Arranques sucesivos rápidos (Jogging) y frenado mecánico, 220 7-19. Inversión y frenado de un motor síncrono polifásico, 222

Bibliografía, 224

Problemas y cuestiones, 226

8. CONTROL DE LA VELOCIDAD DE LOS MOTORES MONOFÁSICOS, 229

8-1. 8-2. 8-3. 8-4. 8-5. 8-5.1. 8-5.2. 8-6. 8-7. 8-8.

8-8.1. 8-8.2.

Definiciones, 229 Inversión de motores monofásicos de c.a., 231 Control de la velocidad de los motores monofásicos de c.a., Control por reactor saturable y por amplificador magnético, Control electrónico de motores monofásicos, 243 Control de tensión variable y frecuencia fija, 244

246 249

249

Control de tensión variable y frecuencia variable, Frenado por inversión de motores monofásicos, Frenado dinámico de los motores monofásicos, Control de la velocidad de los motores serie de c.a. y universales utilizando SCRs, 255 Circuitos no compensados (sin realimentación), 256 Circuitos con realimentación, 257

Bibliografía, 264

Problemas y cuestiones, 265

9. CONTROL ESTÁTICO, 269

9-1. 9-2. 9-3. 9-4. 9-5. 9-6. 9-7. 9-8. 9-9. 9-9.1. 9-9.2. 9-9.3. 9-9.4. 9-9.5.

Generalidades, 269 Función O, 270 Función Y, 272 Función NO, 273 Función memoria, 275 Función retardo, 277 Función NOR (no O) y NAND (no Y), 278 Resumen de las funciones básicas, 279 Conversión de la lógica relé a lógica estática, Circuito representado en la figura 9-8a, 283 Circuito representado en la figura 9-8b, 283 Circuito representado en la figura 9-8c, 284 Circuito representado en la figura 9-8d, 284 Circuito representado en la figura 9-8e, 285

283

233 238

xu lndice analítico

9-9.6. Circuito representado en la figura 9-8f, 287 9-10. Dispositivos auxiliares para Jos sistemas lógico-estáticos, 288 9-10.1. Fuente de alimentación y filtro de la línea

de entrada de c.a., 288 9-10.2. Dispositivos (pilotos) de entrada, 290 9.10.3. Convertidores y circuito de conversión de señal, 291 9-10.4. Amplificadores de salida, 295 9-11. Sistema de control lógico estático completo, 298 9-12. Diseño de los sistemas lógico-estáticos, 303

Bibliografía, 309

Cuestiones y problemas, 310

10. SISTEMAS DE CONTROL DE REALIMENTACióN AUTOMÁTICA, 313

Generalidades, 313 El servomecanismo generalizado, Elementos del servomecanismo, Exactitud del servomecanismo, Inestabilidad del servomecanismo, El servomecanismo amortiguado, Tipos de amortiguamiento, 325 Transductores, 331 Moduladores, 334

314 318

320 321

323

Amplificadores-moduladores, 335 Amplificadores de c.c., 337 Ejemplos de control del proceso automático, Funciones de transferencia, 340

338

10-1. 10.2. 10-3. 10-4. 10-5. 10-6. 10-7. 10-8. 10-9. 10-10. 10-11. 10-12. 10-13. 10-14. Predicciones de las funciones de transferencia en bucle abierto

atendiendo a la estabilidad en bucle cerrado, 354 10-14.1. Margen de ganancia, 356 10-14.2. Margen de fase, 367 10-14.3. Consideraciones de estabilidad en términos del margen

de ganancia y del margen de fase, 357 10-15. Compensación en cascada, 358 10-15.1. Redes de avance de fase, 359 10-15.2. Redes de retardo de fase, 362 10-15.3. Compensación del retardo-avance, 10-16. Compensación del factor de ganancia, 10-17. Compensación de la realimentación,

Bibliografía, 373

Cuestiones y problemas, 374

364 366

371

lndice analítico

11. VALORES NOMINALES, SELECCióN V MANTENIMIENTO DE LA MÁQUINA ELÉCTRICA, 381

11-1. 11-2. 11-3. 11-4.

11-5. 11-6.

11-7.

11-8. 11-9.

Factores que afectan a los valores nominales de las máquinas, Calentamiento, 383 Tensión nominal, 384 Efecto del ciclo de trabajo y de la temperatura ambiente sobre el valor nominal, 385 Tipo de envueltas, 386 Velocidad nominal; clasificaciones de velocidad y reversibilidad, 387 Factores que afectan a la selección del generador y del motor, 389 Mantenimiento, 391 Previsiones futras para la selección de motores y conducciones, 393

Bibliografía, 394

Cuestiones y problemas, 398

APÉNDICES, 399

íNDICE ALFABÉTICO, 419

XIII

381

Prólogo

Control de Máquinas Eléctricas es fruto de la obra del autor de Maquinaria Eléc­trica y Control, publicada en 1964. Al revisar, complementar y poner al día esta obra, resultó evidente que se necesitaban dos volúmenes para presentar la materia adecuadamente y ajustarse al panorama técnico actual. Diversas razones determinaron esta elección. La obra original era ya bastante extensa (sobre las 700 páginas) y la nueva materia aglutinada daría lugar, inevi­tablemente, a un solo volumen más pesado, grande y más caro. Además, una divi­sión lógica entre la teoría de la maquinaria eléctrica y aplicaciones de control de la misma ya existe en la literatura. En la parte de control de la maquinaria eléc­trica, se encuentran numerosas obras que no se ocupan de la teoría de la máquina eléctrica, de manera que existe un amplio precedente para tal dicotomía. El primer volumen, Maquinaria Eléctrica y Transformadores, va destinado al estudiante que requiera una perspectiva de la teoría de la maquinaria eléctrica, transformadores, y sus características. Este volumen, Control de Máquinas Eléc­tricas, se ocupa de las aplicaciones de control industriales y comerciales de las máquinas presentadas en el primer volumen. Está pensada como un segundo texto para los estudiantes que han estudiado un primer curso de teoría de la maqui­naria eléctrica. También puede servir como obra de consulta para los ingenieros y técnicos dedicados normalmente a la selección de la maquinaria eléctrica ade­cuada para gran variedad de aplicaciones. El contenido de este volumen refleja las indicaciones procedentes de profesores y estudiantes que emplearon la obra anterior Maquinaria Eléctrica y Control. Co­rrespondiendo a numerosas peticiones, en esta obra aparecen las siguientes mo­dificaciones:

1. La materia que abarcaba originalmente 5 capítulos ha sido considerablemente ampliada, como resultado de nuevas aportaciones, a 11 capítulos.

2. Se han añadido capítulos aparte sobre arrancadores automáticos de c.c., arran­cadores de c.a., control manual y automático de la velocidad de motores de c.c., control manual y automático de la velocidad de motores polifási­cos de c.a., control de la velocidad de motores monofásicos de c.a., control estático (de estado sólido) , características de régimen, selección y manteni­miento de la maquinaria eléctrica.

3. Se han añadido nuevas secciones sobre mandos electrónicos compactos (de estado sólido) para el control de motores de c.c., comportamiento de los motores de c.c. con rectificación electrónica, el motor de c.c. sin escobillas,

XV

XVI Prólogo

control elect;ónico de la potencia de deslizamiento de los motores de induc­ción polifásicos, y control electrónico de los motores monofásicos.

4. El capítulo aparte sobre control estático refleja los dispositivos más recien­tes utilizados y se presenta de tal forma que el lector se familiariza con los sistemas lógicos de inversión y de no inversión.

5. En el capítulo sobre sistemas de control de realimentación automática, se ha intentado presentar los servomecanismos desde un punto de vista tanto cua­litativo como cuantitativo, incluyendo una introducción a las funciones de transferencia, compensación en cascada, compensación del factor ganancia y compensación de la realimentación. El capítulo está pensado para que sirva como amplia introducción y preparación para un curso aparte sobre servo­mecanismos.

La primitiva exposición razonada citada para el estudio de Maquinaria Eléctrica y Control se ha acentuado a través de dos problemas universales mayores: conta­minación (de la tierra, agua y atmósfera) y la sobrepoblación. El último ha origi-­nado, en parte, demandas extraordinariamente elevadas de energía eléctrica y medios de desplazamiento personales y esto inevitablemente ha producido el primero. El coche eléctrico, citado por el autor como una posibilidad en el vo­lumen anterior (1964), se convierte rápidamente en una realidad. 1 nevitable­mente, los procedimientos para el control, frenado, y regeneración de las máquinas de c.c. y de c.a. tratados en este volumen se emplearán a medida que se extienda el empleo de los coches eléctricos, de acuerdo con la demanda de vehículos sin contaminación.* El énfasis del escrito, basado en la experiencia pedagógica y editorial d~l autor se ha dirigido hacia el autoestudio. Esto ha dado como resultado un detalle algo mayor en la materia de texto, ejemplos ilustrativos y muchas cuestiones concretas ideadas para motivar la lectura. Presenta las ventajas de aligerar el trabajo del profesor y aumentar la responsabilidad del estudiante en el proceso de aprendizaje, liberando así al profesor para poder resaltar aquellos aspectos de la cuestión que crea requieran mayor énfasis o estudio en profundidad, y aquellos temas particu­lares en los que los estudiantes precisan ayuda. Nos complacemos en exponer nuestro agradecimiento y aprecio al personal de Prentice-Hall, en general, y al señor Steven Bobker, en particular, por la inspec­ción cuidadosa en la composición del original y por las muchas valiosas sugeren­cias que dieron como resultado la presente estructura del libro. El autor también reconoce el apoyo y ayuda del señor Edward Francis, editor, «Career and Pro­fessional Education», Prentice-Hall.

• J. T. Salihi, «The Electric Car-Fact and Fancy», IEEE Spectrum, junio 1972, págs. 44-48.

Prólogo XVII

Como en el caso de mis otros libros y trabajos editoriales, mi esposa, Ruth, ha contribuido directamente en la corrección de pruebas e imposición de índices de todo el original e indirectamente, por su estímulo, paciencia y comprensión a lo largo de los muchos meses de soledad y aislamiento requeridos para producir este libro.

IRVING L. Kosow New York City, N. Y.

1-0. Introducción

1 Dispositivos de relés de máxima y de protección

Debido a la amplia disponibilidad de energía eléctrica, los motores eléctricos son casi universalmente empleados en las modernas instalaciones comerciales e indus­tria:les para el suministro de potencia mecánica para accionar la maquinaria y controlar diversas operaciones industriales. Dicha maquinaria u otros disposi­tivos mecánicos (válvulas, acoplamientos mecánicos, etc.) conectados al árbol del motor (directamente o bien acoplados por medio de engranajes, correas o poleas) se llaman cargas del motor o simplemente cargas. En muchos casos, una carga debe ser accionada a diversas velocidades en uno u otro sentido, de acuerdo con una secuencia preseleccionada a voluntad (por ejemplo, un ascensor a un piso ele­vado). Con frecuencia, en procesos más complejos, se necesitan varios motores acoplados para controlar cargas interdependientes (por ejemplo, en los procesos de las industrias químicas y en equipos de laminación de acero). La energía suministrada al motor, dependiente de la naturaleza de las condiciones de carga, está generalmente programada y controlada para obtener, en cualquier momento dado, el par motor, la velocidad y el sentido de rotación que se desean mediante un dispositivo denominado «controller» o regulador. Un controller puede ser accionado manualmente (si la programación y secuencia de etapas están controladas por un operador humano) o bien automáticamente. El grado de automatización depende de las exigencias del proceso o de la carga que debe ser controlada. Es posible que se necesite sólo un arrancador si la producción o el pro­ceso a controlar es sencillo (capítulos 3, 4 y 5). En cambio, se necesitarán reguladores más complejos cuando las condiciones de la máquina accionada, de funcionamiento, o de la carga, exijan un tratamiento y métodos de control más complicados. Si la carga o el proceso no están perturbados por variables externas o bien no se requiere un control preciso de la carga, el regulador y su proceso operativo pueden ser accionados por un sistema de control en bucle abierto (por ejemplo, un temporizador prerregulado que controla los diversos ciclos del motor

2 Dispositivos de relés de máxima y de protección

de una lavadora automática de ropa). En cambio, cuando se necesite una regula­ción más exacta del proceso o de la velocidad y del par de la carga, se utiliza otro sistema de control en bucle cerrado (capítulo 10). En estos casos, el regulador y sus dispositivos de control asociados son algo más complejos. En parte, la selección del tipo de motor que reúna las condiciones deseadas, es función de la naturaleza de las condiciones de carga, del tipo de energía dispo­nible y de los tipos de reguladores de fabricación comercial. Algunos de dichos factores de decisión para seleccionar el motor se examinan en el capítulo 12. Se da por sentado que el lector está algo familiarizado con las características de funcionamiento de varios tipos de motores de corriente continua (CC) y de co­rriente alterna (CA).* En primer lugar, este libro se ocupa de los métodos de parada y arranque de varios motores, del control de su aceleración y de los di­versos tipos de dispositivos de protección de motores (sobrecarga, cortocircuito, inversión de fase, exceso de velocidad, baja tensión, etc.). Como el coste inicial de un motor puede llegar hasta el 50 % del coste inicial global incluyendo el sistema de control, se necesita una protección adecuada para asegurar tanto una larga duración, como seguridad en el funcionamiento. Por esta razón, un sistema de control bien proyectado tiene en cuenta las características necesarias para ase­gurar la protección tanto de los dispositivos del motor como del sistema de con­trol frente a las variaciones o perturbaciones de la fuente de alimentación o de las condiciones de carga. Este capítulo está dedicado a los métodos que se emplean para desconectar de la fuente de alimentación tanto el motor como el equipo de control en el caso de que tales perturbaciones puedan perjudicarles.

1-1. Generalidades

El Código Nacional de Electricidad (N.E.C.), de U.S.A., es deliberadamente muy detallado respecto a la protección de los circuitos derivados del motor. El objetivo del Código es evitar incendios de origen eléctrico en dichos circuitos y en los conductores de alimentación del motor. En dicho Código, se especifican claramente los sistemas de protección de sobrecargas y de cortocircuitos tanto para los conductores de alimentación como para los circuitos derivados, así como el calibre mínimo de cables que debe ser utilizado para. un solo motor o para grupos de ellos. En el caso de cortocircuito en el interior del motor el sistema de protección contra cortocircuitos del circuito auxiliar evitará que se dañe, además del propio motor, el arrancador y el equipo de control del mismo. El sistema de

* Ver l. L. Kosow, Electric Machinery and Transformers (Englewood Cliffs, N. J.: Prentice­Hall, Inc., 1972).

Dispositivos de relés de máxima y de protección 3

protección del circuito auxiliar contra sobrecargas, determinado en parte por la corriente en el arranque y en el tipo de motor, está proyectado para proteger a los conductores de alimentación contra sobrecargas continuadas. Esta protección en la línea es, sin embargo, más elevada que la necesaria para la protección del motor contra sobrecargas constantes en funcionamiento. Por esto, es necesario, además, proteger al propio motor contra sobrecargas operativas utilizando dispo­sitivos de máxima los cuales van incluidos en la carcasa del motor o bien en el arrancador o en el regulador. Por tanto, este capítulo estará limitado al examen concreto de aquellos dispositivos de protección particularmente afines a la ma­quinaria eléctrica en vez de a los conductores que la alimentan.* Otros disposi­tivos protectores que serán considerados además de los de máxima, incluyen pro­tecciones contra baja tensión y sobre tensión, interrupción del campo en derivación, inversión e interrupción de fases y protecciones contra temperatura y desvío de frecuencia.

1.2. Fusibles

Quizá el dispositivo más simple de protección del motor contra sobreintensidades es el fusible. Los fusibles están divididos en dos grandes grupos: fusibles de baja tensión (600 V o menos) y fusibles de alta tensión (más de 600 V). En la fi­gura 1.1 se muestran tres tipos de fusibles. El tipo cartucho o contacto de cas­quillo, mostrado en la figura 1-1a, es útil para las tensiones nominales entre 250 y 600 V en los tipos fijo y recambiable. El tipo fijo mostrado en el esquema con­tiene polvo aislante (talco o un adecuado aislante orgánico) rodeando al elemento fusible. En el caso de cortocircuito, el polvo tiene por misión: (1) enfriar el metal vaporizado, (2) absorber el vapor metálico condensado, y (3) extinguir el arco que pueda mantenerse en el vapor metálico conductor. La presencia de este polvo es la que confiere al fusible su alto poder de ruptura en el caso de corto­circuitos bruscos.

Si el vapor metálico conductor creado en el instante del cortocircuito man­tuviera la corriente del cortocirciuto, no tan sólo el motor quedaría dañado de forma permanente sino que el propio fusible podría explotar a causa de la co­rriente de cortocircuito formada en el vapor. Por esta razón, el tipo fijo que contiene polvo es preferido al tipo recambiable, el cual no lo lleva. Pero este último posee la ventaja de un coste reducido donde ocurran sobrecargas fre­cuentes y los fusibles deban ser reemplazados a menudo.

* El tema de la selección y calibres de los circuitos de alimentación y derivados (de acuerdo con el NEC o las disposiciones municipales) para las líneas de luz y fuerza, se considera como objeto de un curso en proyectos de electricidad, véase R. C. Johnson, Electrical Wiring: Design and Construction (Englewood Cliffs, N. J.: Prcntice Hall, Inc., 1971).

4 Dispositivos de relés de máxima y de protección

La figura 1-lc muestra el tipo tapón fusible, el cual funciona a la tensión nominal de 125 V, estando disponible en el comercio para bajas corrientes nominales de hasta 30 A. Estos fusibles poseen una base roscada y están proyectados para ser utilizados en arrancadores reducidos o en cajas de interruptores de seguridad a 125 V, en motores de pequeña corriente. Por regla general, los fusibles protegen contra los cortocircuitos más bien que contra las sobrecargas. Con corrientes de aproximadamente 25 ó 30 veces< su valor nominal, los elementos fusibles se fundirán en el espacio de un ciclo a (60 Hz) e interrumpirán el circuito en el próximo ciclo, aproximadamente en 1/30 de segundo. Las tablas A-7 y A-8 del apéndice especifican valores nomi­nales de fusibles, desde el 150 por ciento de la corriente a plena carga, para mo-

Contacto de virola

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8. E Q)

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Figura 1·1

(a) Tipo cartucho

Revestimiento de fibra

Aleación fusible

Polvo aislante

Relé de

(b) Tipo de cuchUias

1 Máximo poder 1 de ruptura 1 del relé. 1 1

Tiempos de la carga nominal

Tipos de fusible de baja tensión y curvas de corriente-tiempo inverso para la protección de motores.

Ventana

[e) Tipo tapón

Poder de ruptura máximo del fusible.

Dispositivos de relés de máxima y de protección 5

tares de corriente continua, hasta el 300 por ciento de la misma para motores de inducción monofásicos y de· jaula de ardilla. Estos valores nominales son, por necesidad, más elevados que la sobrecarga normal que ocurre durante las ope­raciones bien de arranque o de frenado y, como tales, son incapaces de proteger a los motores contra sobrecargas continuadas desde el 100 al 140 por ciento (o mayor) de la corriente a plena carga. Se han efectuado ensayos para mejorar las características del fusible en las apli­caciones a motores de forma que, con valores nominales inferiores, permitan protecciones contra sobrecargas y de cortocircuito. Un tipo de fusible, denomi­nado fusible temporizado, que existe en los tipos de cuchillas, cartucho y tapón, proporciona un gran retardo en el caso de sobrecargas momentáneas o soste­nidas antes de desconectar el circuito. Estos fusibles contienen dos elementos en serie (o en paralelo): (1) un elemento fusible estándar para la protección de cortocircuito (25 a 50 veces la corriente normal) y (2) una disposición contra sobrecargas, o interruptor térmico de hasta cinco veces la corriente nominal que proporciona una característica de retardo de tiempo inverso. La cualidad de tiem­po inverso significa que, por ejemplo, el circuito será desconectado por este último elemento en unos 3 minutos (a 5 veces la corriente nominal), hasta apro­ximadamente 10 segundos (a unas 20 veces la corriente nominal), ya que el efecto térmico varía con el cuadrado de la corriente. Por tanto, un fusible de valor nominal relativamente pequeño puede ser empleado para procurar la pro­tección contra sobrecargas y sin llegar a desconectar el circuito durante los perío­dos de elevación transitoria de la corriente en el arranque o en el frenado. En el caso de cortocircuito, el elemento fusible estándar de acción instantánea in­terrumpe inmediatamente el circuito para evitar desperfectos. Otro tipo aparte de fusible que ha sido fabricado, intenta mejorar la capacidad de limitación de corriente * de estos dispositivos antes de que la corriente de corto­circuito alcance su máximo o un valor de régimen permanente. Los fusibles de car­tucho comunes poseen cierta capacidad de limitación de la corriente ya que inte­rrumpen el circuito casi instantáneamente antes de que el cortocircuito tenga la oportunidad de existir y fundir o unir los contactos de los disyuntores o relés de máxima. El fusible de potencia limitador de la corriente t contiene elementos fu­sibles de aleación de plata rodeados por cuarzo en polvo. Cuando los elementos

* El empleo de bobinas de reactancia conectadas en serie, se considera todavía como el me­jor método para limitar la elevación de la corriente de cortocircuito, tanto en los alternado­res como en los motores, en tanto que la corriente de cortocircuito excede la capacidad de ruptura del equipo de protección. Un proyecto de H. D. Short (Elec. Eng., abril 1950), em­plea tres reactancias, con una pérdida inferior a 1,57 W por CV y bobina y es capaz de limitar severamente cualquier corriente de cortocircuito, sea cual sea la capacidad del sistema de alimentación hasta que el dispositivo normal contra sobrecargas tenga la opor­tunidad de funcionar. t C. L. Schuck, Transactions AJEE, vol. 69 (1950) págs. 770-776.

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fusibles son vaporizados por un cortocircuito, el vapor de plata y de cuarzo produce un arco de muy alta resistencia que sirve para limitar la corriente y su crecimiento hasta que un equipo de protección magnética (tal como un disyuntor) tenga la posibilidad de funcionar e interrumpir el circuito. Por encima de 600 V, se emplean fusibles especiales de alta tensión que incluyen varios órganos para extinguir el arco que se podría mantener, particularmente a alta tensión, cuando el elemento fusible se vaporiza a causa de la corriente excesiva. Algunos de estos fusibles se utílizan particularmente junto a interrup­tores o disyuntores de baja capacidad de ruptura para aprovechar la ventaja de la alta capacidad de ruptura que poseen estos dispositivos. Los tipos de fusibles de alta tensión más comunes son ( 1) el fusible de desioni­zación con ácido bórico líquido, (2) el fusible de expulsión, y (3) el fusible de material sólido. Los fusibles líquidos funcionan según el principio de la acción de desionización del vapor del agua producido por la reacción entre el arco y el ácido bórico lí­quido. Existen «conectadores» recambiables para estos fusibles en los valores nominales de 7,5, 15, 23 y 34,5 kV, con poderes de ruptura de hasta 0,45, 0,75, 1 y 1,2 millones de kVA, respectivamente. Los fusibles de expulsión de alta tensión, más pequeños, funcionan según el prin­cipio de la presión, creada por la formación de vapores dentro del tubo porta­fusible, actuando un mecanismo disparador para expeler el vapor y así extinguir el arco. Los fusibles de material sólido utilizan órganos de contacto de resorte, unidos al elemento fusible, los cuales aumentan el entrehierro entre los contactos cuando el fusible se funde, con lo que se extingue el arco.

1.3. Combinación del fusible y del relé de sobrecargas

Aunque los propios fusibles presentan, naturalmente, la protección de corto­circuitos o de corriente máxima de ruptura, su protección contra sobrecargas está algo limitada por las razones citadas anteriormente. Se examinarán varios tipos de relés de máxima que se sirven de un conjunto de principios básicos. Estos dispositivos están proyectados para funcionar desde el 110 al 250 por ciento de sobrecarga (que depende de la protección de cortocircuito) con corrientes má­ximas de ruptura (normales) de hasta 10 veces la corriente nominal. La figura 1-1d muestra el conjunto combinado de fusible y de relé de máxima que comprende los sistemas de protección de sobrecargas y de cortocircuito. Las características de tiempo inverso, tanto del relé de máxima como del fusible, se muestran en el esquema. El funcionamiento normal del motor discurre en el intervalo de vacío a carga nominal, y el relé de máxima no es accionado. El tiempo de operación del relé de máxima varía inversamente con la corriente de sobrecarga. Como se

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observa en el esquema, una sobrecarga de unas 10 veces la corriente nominal ocasionará un tiempo de operación del relé de máxima de 10 s. Un cortocircuito de 500 veces la corriente nominal ocasionará un tiempo de operación de me­nos de 10 ms. La estrecha combinación de fusible y de relé de máxima permite que el motor funcione dentro de su régimen normal, desde vacío a plena carga y, a la vez, permite que ocurran pequeñas sobrecargas transitorias sin interru­pir el funcionamiento del motor. Las sobrecargas de corta duración no son sufi­cientes para sobrecalentar o dañar el motor, si no se presentan con frecuencia. Varios tipos de relés de máxima que aplican diversos principios de accionamiento, se utilizan en los arrancadores y en los reguladores de los motores de c.c. y de c.a. Algunos de los tipos más importantes se examinarán en las siguientes secciones.

1-4. Relé de sobrecarga magnético, de acción instantánea

Un típico relé de sobrecarga que obedece a un principio magnético de funciona­miento se muestra en la figura l-2a. E~te tipo de relé puede ser utilizado en circuitos de corriente continua y, con una modificación auxiliar, en circuitos de corriente alterna (por inclusión de un manguito fijo de cobre o de latón rodeando la armadura). Como se observa en la figura 1-2a, los contactos fijos están nor­malmente cerrados cuando el relé magnético de sobrecargas está desexcitado. Con la corriente nominal o algo inferior, la presión del resorte es suficiente para impe­dir el movimiento de la armadura. Cuando la corriente alcanza o excede una so­brecarga particular( digamos el125 por ciento de la carga nominal), se crea la fuer-

OL Contactos o---;\f--o normal

cerrados.

Núcleo hierro

Figura 1·2

(a) Relé de sobrecarga magnético de disparo instantáneo.

Relés de sobrecarga magnéticos.

Resorte

Pistón

Amortiguador

(b) Relé de sobrecarga magnético de acción retardada.

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za magnetomotriz (f.m.m.) suficiente para producir el movimiento de )a armadura y la apertura de los contactos normalmente cerrados (n.c.), con lo que se conecta el motor. El funcionamiento instantáneo se persigue generalmente en aquellas aplicaciones en las que el motor se utilice para conducir un tren de engranajes mecánico, un transportador, en perforadoras o en maquinaria de carpintería en que las sobrecargas indican unas condiciones de trabajo que requieren la desco­nexión súbita del motor. Las bobinas del relé magnético de máxima son general­mente gruesos conductores de cobre, de unas cuantas vueltas y baja inductancia, conectadas en serie con la armadura del motor de c.c. o en serie con el estator de un motor de c.a. La baja inductancia permanece constante en un tiempo breve ( 1: es proporcional a L/ R) y el funcionamiento del relé es instantáneo cuando la corriente crece rápidamente a causa de la sobrecarga.

1-5. Relé de sobrecarga magnético, de acción retardada

La figura l-2b muestra el mismo relé con la adición de un amortiguador para retardar el movimiento de la armadura. El amortiguador contiene aceite o un fluido especial de viscosidad adecuada para producir el retardo necesario. Unido a la armadura, existe un pistón con varios agujeros por los cuales pasa el fluido. El pistón asciende cuando la f.m.m. de la bobina es suficiente para ejercer una tracción sobre la armadura. Para regular el tiempo de retardo del relé, el tamaño de las aberturas de los agujeros se puede modificar sacando la cubeta y girando un disco obturador sobre el pistón. El dispositivo produce una característica de retraso tiempo inverso (ver figura 1-2). Cuando la sobrecarga aumenta, la fuerza que hace subir al pistón es mayor y la armadura se levanta en más breve tiempo para abrir los contactos normalmente cerrados. La ventaja del relé magnético de acción retardada, diferente del tipo instantáneo, es que las sobrecargas súbitas o momentáneas son insuficientes para ocasionar la desconexión del motor. Sin embargo, si la sobrecarga continúa durante el período dado, el pistón se levanta lentamente, debido a la acción del líquido, para des­plazar los contactos cerrados. Se observará que, cuando la armadura se levanta, la reluctancia magnética dis­minuye (entrehierro menor) y la tracción sobre la armadura aumenta. Si el entre­hierro es bastante grande en el arranque, la tensión de retardo del resorte unida a la acción de la gravedad, actuarán junto con la alta reluctancia para producir, al principio, un lento movimiento de elevación de la armadura. Los relés mag­néticos de acción retardada que incorporan esta cualidad se denominan relés variadores. El tiempo de retardo se varía alterando la posición inicial del entre­hierro de la armadura. Cuando ocurre un cortocircuito o una fuerte carga, el relé actúa casi instantáneamente, procurando la característica propia de tiempo inverso requerida en todos los dispositivos de sobrecarga.

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En los tipos de relés tanto de retardo como instantáneo, se observará que despla­zando los contactos normalmente cerrados se desexcita simultáneamente al motor y a la bobina de máxima del relé. Esto permite que el propio relé se reconecte automática e instantáneamente a causa de la tensión del resorte y la acción de la gravedad. Sin embargo, estos relés se pueden modificar por medio de enclaves mecánicos para sujetar y retener la armadura. Un botón disparador (o de reco­nexión) permite que la armadura vuelva a su posición de trabajo antes de que el motor sea puesto en marcha de nuevo. Esta disposición se adopta generalmente en el caso de arrancadores para aplicaciones concretas en las que el operario debe ser advertido de las sobrecargas, o en pequeños motores fraccionarios (tales como los utilizados en la conexión de quemadores de aceite pesado), en los que un reenganche automático pueda resultar, en ciclos de sobrecarga repetidos, perju­dicial para el motor, para el dispositivo de máxima, para el quemador y para la instalación, a causa de una explosión. Los relés magnéticos contra sobrecargas tienen la ventaja de procurar un ajuste preciso de retardo del tiempo de disparo para cada motor. La bobina de acciona­miento (OL 1-2 en figura 1-2) soporta directamente la corriente de línea del motor en motores de c.c., o bien se utiliza un transformador de corriente en el caso de motores grandes de c.a. Ajustando la relación de transformación, se consigue un ajuste grosero de disparo. El reglaje fino precisa ajustar la posición del émbolo sumergido, del resorte y/ o los orificios del pistón amortiguador. Sin embargo, a pesar de estas ventajas, los relés magnéticos de máxima no son utilizados tan ampliamente como los relés térmicos de máxima, por las razones que se descri­ben en las secciones 1-6 a 1-1 O.

1-6. Relés de sobrecarga, térmicos, de aleación fusible

Un relé térmico, concretamente proyectado para el reenganche manual y que se muestra en la figura l-3a, es el relé «térmico de aleación fusible». Como se ob­serva en el esquema, se conecta un calefactor eléctrico de alta potencia en el circuito de carga (de un motor de c.c. o de c.a.). Bajo condiciones de sobrecarga, el calor es suficiente para fundir la aleación (eutéctica) fusible a baja temperatura y hacer que el muelle arrastre al cierre y haga girar el contacto móvil fuera de los contactos fijos. Al principio podría parecer que, comparado con el relé mag­nético de máxima, el tipo de aleación fusible es un dispositivo complicado sin necesidad. Realmente, es un relé de máxima práctico y muy popular por las si­guientes razones:

1. El dispositivo de retorno del relé necesita que se enfríe la aleación y por tanto un determinado «período de espera» (el cual varía directamente con la magnitud de la sobrecarga) antes de que el motor pueda ser reconectado.

10 Dispositivos de relés de máxima y de protección

Relé de sobrecarga, térmico, de aleación fusible

Aleación fusible

Aleación de cOilre.~~-::0:=-::1

Núcleo de

(e) Relé de sobrecarga

b

Inductivo térmico de aleación fusible.

Figura 1·3 Relés de sobrecarga térmicos.

Posición disparada

Posición normal

(b) Relé de sobrecarga, térmico, bimetálico.

Contactos fijos

a b

Contacto móvil

Resorte

(d) Relé de sobrecarga Inductivo térmico bimetálico.

Disco bimetállco

(e) Disco térmico bimetállco termostático.

2. El relé debe ser de reconectado a mano por lo que advierte al operario que se ha producido una sobrecarga.

3. El relé funcionará bien tanto en corriente continua como en alterna ya que 1 A de corriente alterna produce el mismo efecto térmico que 1 A de corriente con· tinua y una determinada potencia calorífica nominal en amperes es universal para todas las frecuencias. Cuando funcione en c.a., el calefactor puede conducir la corriente de línea, o una fracción de ella, si se utiliza un transformador de corriente o un shunt de inducción (ver sección 1-10).

4. Dentro de una determinada gama de calefactores, el mismo mecanismo del relé es de amplia versatilidad y se pueden obtener los «ajustes» de máxima tan sólo cambiando el calibre del calefactor (se dispone de un amplio y variado surtido