Cómo los controles inteligentes de motores pueden maximizar la resistencia y el tiempo de funcionamiento

Se necesitan controles de motor inteligentes que puedan maximizar la resiliencia y el tiempo de actividad de la maquinaria en la próxima generación de fabricación de Industria 4.0, procesamiento de metales y materiales básicos, extracción de minerales y minería, e infraestructuras críticas como plantas de agua potable y aguas residuales.

Los controles de motores en estas aplicaciones deben ser capaces de controlar y proteger motores de entre 75 caballos de fuerza (HP) y 700 HP. Se necesita una protección integral, que incluya protección contra sobrecargas, protección contra fallos a tierra y protección contra desequilibrios de fase, para respaldar un funcionamiento resistente.

También deben incluir autodiagnóstico del desgaste de los contactos y detección de sobretensión/subtensión de la bobina con indicadores visibles para apoyar el mantenimiento predictivo y tener diseños modulares para un servicio más rápido y maximizar el tiempo de actividad. El cumplimiento del Código Eléctrico Nacional (NEC), UL y la clasificación de corriente de cortocircuito (SCCR) de la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) es necesario para garantizar que los equipos eléctricos puedan soportar altas corrientes sin sufrir daños y que sean seguros.

Estos controles del motor también deben cumplir la norma IEC 60947-4-1, que trata de la seguridad de los contactores y arrancadores electromecánicos, incluidos los dispositivos de conmutación de protección del motor (MPSD), los dispositivos de conmutación de protección del motor de acción instantánea (IMPSD) y los actuadores de los relés de los contactores.

Este artículo comienza con una visión general de los requisitos del SCCR. A continuación, profundiza en una familia de controles de motor inteligentes de Schneider Electric desarrollada recientemente, que incluye contactores modulares y relés de sobrecarga que detallan el funcionamiento de las funciones de protección y cómo se implementa el autodiagnóstico.

Analiza cómo estos relés de sobrecarga cumplen los requisitos de la norma IEC 60947-4-1 y presenta cómo el diseño modular agiliza el mantenimiento preventivo. Por último, se explica cómo utilizar dos contactores para formar un conjunto inversor que permita el control bidireccional de los motores de CA.

El SCCR es una característica esencial a la hora de especificar un panel de control que contribuye a la fiabilidad general. Se utiliza para dimensionar componentes de potencia como contratistas y conductores. La norma IEC 60947-4-1 detalla tres fases para el cálculo del SCCR (figura 1):

1. Identificar la SCCR de cada componente de protección y/o control y de cada bloque y elemento del sistema de distribución.
2. Determine la SCCR de cada circuito de derivación. En función de los valores de los componentes del circuito.
3. Determine la SCCR del panel de control completo. Basado en los valores de los circuitos.

Figura 1: Los cálculos de SCCR comienzan con los valores nominales de los componentes individuales (recuadros amarillos), pasan a determinar la SCCR de los circuitos de derivación (recuadro rojo discontinuo) y, a continuación, tienen en cuenta las necesidades de SCCR del cuadro de control completo (rectángulo gris). (Fuente de la imagen: Schneider Electric)

Contactores TeSys Giga

Los contactores TeSys Giga están disponibles con potencias de 115 a 900 amperios (A) en configuraciones de 3 polos (3P) y 4 polos (4P). Disponen de SCCR de hasta 100 kiloamperios (kA) y 480 voltios (V), con las especificaciones de los distintos dispositivos de protección y valores nominales que figuran en una tabla en el lateral del contactor. Además, los contactores 4P muestran los valores nominales del motor CA-3 y HP. Estos contactores están disponibles para dos categorías de carga:

• AC-1: Se aplica a cargas de CA en las que el factor de potencia es superior a 0.95. Se trata principalmente de cargas no inductivas o ligeramente inductivas, como las cargas resistivas. La ruptura del arco provoca un desgaste mínimo de los contactos.
• AC-3: Se aplica a los motores de jaula de ardilla con rotura durante el funcionamiento normal del motor. Al cerrarse, se produce una corriente de irrupción de hasta siete veces la corriente nominal a plena carga del motor. Al abrirse, el contactor interrumpe la corriente nominal a plena carga del motor.

Los contactores TeSys Giga pueden alimentarse con una tensión de control de corriente alterna (CA) o continua (CC) y disponen de supresores de sobretensión integrados. Hay dos versiones de contactores, estándar y avanzada. Los contactores estándar están diseñados para uso general. Algunos ejemplos son:

• LC1G1154LSEN, 4P para cargas AC-1. 250 A con bobina de banda ancha de 200-500 V CA/CC
• LC1G225KUEN, 3P para cargas AC-3. 225 A con bobina de 100-250 V CA/CC

Los contactores avanzados TeSys Giga tienen características adicionales como una mayor selección de voltajes de bobina, un menor consumo de energía de la bobina, una entrada para controladores lógicos programables (PLC) y un diseño de cable que permite el mantenimiento sin necesidad de retirar cables o conexiones de barras.

Los modelos avanzados también son compatibles con el módulo opcional de Diagnóstico Remoto de Desgaste (RWD) que se comenta en la siguiente sección. Algunos ejemplos de contactores avanzados son:

• LC1G115BEEA, 3P para cargas CA-3. Potencia nominal de 115 A con bobina de 24-48 V CA/CC
• LC1G800EHEA, 3P para cargas CA-3. 800 A con bobina de 48-130 V CA/CC

Todos los contactores TeSys Giga incluyen un LED de diagnóstico en el panel frontal para evaluar rápidamente las condiciones de fallo (Figura 4).

Figura 2: Típico contactor TeSys Giga mostrando el LED de Diagnóstico en la parte superior central de la unidad. (Fuente de la imagen: DigiKey)

Los contactores TeSys Giga disponen de varias funciones de diagnóstico integradas para mejorar la fiabilidad y apoyar el mantenimiento preventivo, entre las que se incluyen:

Diagnóstico del desgaste de los contactos y RWD

Los contactos sufren desgaste cada vez que interrumpen la corriente en el circuito de alimentación. Un fallo de contacto provoca la pérdida de control del motor. El algoritmo de desgaste de los contactos de los controladores TeSys Giga calcula continuamente la vida útil restante de los contactos. Cuando la vida útil restante es inferior al 15%, se emite una alerta que permite programar el mantenimiento preventivo:

• Una alerta local es visible en el LED de diagnóstico situado en la parte frontal del contactor.
• Se puede utilizar un módulo RWD opcional con contactores avanzados.

Diagnóstico del voltaje de control

El voltaje de control supervisa las condiciones de subtensión y sobretensión. La indicación de diagnóstico está disponible de forma remota en unidades con números de pieza terminados en LSEMC mediante un módulo opcional de gestión remota de dispositivos (RDM). Por subtensión se entiende una tensión de alimentación inferior al 80% de la especificación mínima, y por sobretensión, una superior al 110% de la máxima.

Diagnóstico de funcionamiento interno

El parpadeo continuo del LED de diagnóstico indica cualquier avería interna del circuito de control.

Dispositivos de conmutación de protección del motor

Los controles de motor inteligentes como los contactores TeSys Giga son una parte importante de las instalaciones de Industria 4.0. El uso de MPSD también es una consideración importante para garantizar la máxima productividad y disponibilidad.

En IEC 60947-4-1, MPSD se refiere a un dispositivo diseñado con retardo para proteger un motor de condiciones de sobrecarga. Un segundo tipo de dispositivo, un IMPSD, es un tipo específico de MPSD que se dispara inmediatamente al detectar una sobrecarga. Los IMPSD no suelen asociarse a la protección de motores de CA.

Según la aplicación, el arranque del motor puede durar unos segundos o varias decenas de segundos. El MPSD debe especificarse para cumplir los requisitos de seguridad de la aplicación, evitando al mismo tiempo disparos molestos.

Para satisfacer las necesidades específicas de las aplicaciones, la norma IEC 60947-4-1 define varias clases de relés de sobrecarga. La clase de disparo indica el tiempo máximo de apertura del relé en caso de sobrecarga.

También hay diferencias entre las clases de viaje norteamericanas y las de la CEI. Por ejemplo, la clase 10 es una clase de disparo norteamericana que dispara la sobrecarga entre 4 y 10 segundos después de detectar el 600% del ajuste de corriente de sobrecarga. La clase 10A es una clase de disparo IEC que dispara la sobrecarga entre 2 y 10 segundos después de detectar el 720% del ajuste de corriente de sobrecarga (Tabla 1).

Tabla 1: Ejemplos de clases de relés térmicos de sobrecarga en función de la intensidad asignada (Ir). (Fuente de la tabla: Schneider Electric)

Las clases de disparo 10A y 10 son adecuadas para motores de servicio normal. La clase 20 se recomienda para motores de gran potencia para evitar disparos molestos. La clase 30 se utiliza con un motor de arranque muy largo.

Relés de sobrecarga TeSys Giga

Los relés térmicos de sobrecarga TeSys Giga son muy flexibles y están diseñados para su uso con motores de CA. Los ajustes para la protección de fallo a tierra, la protección de desequilibrio de fase y la clase de disparo (5, 10, 20 y 30) son configurables en el panel frontal. El panel frontal también incluye LED de alarma y estado. Disponen de amplios rangos de protección contra sobrecargas térmicas ajustables que permiten que cuatro modelos superpuestos gestionen aplicaciones de 28 A a 630 A (Figura 3):

LR9G115, ajustable de 28 a 115 A

LR9G225, ajustable de 57 a 225 A

LR9G500, ajustable de 125 a 500 A

LR9G630, ajustable de 160 a 630 A

Figura 3: El panel frontal de los relés de sobrecarga TeSys Giga incluye LED de estado y ajustes de protección. (Fuente de la imagen: DigiKey)

Sobrecargas térmicas

La protección térmica contra sobrecargas se utiliza con motores asincrónicos monofásicos y trifásicos. El nivel de corriente para la protección contra sobrecarga térmica puede ajustarse en función del modelo de relé de sobrecarga empleado. Además, la clase de viaje y el retraso asociado son ajustables. La protección térmica contra sobrecargas puede ajustarse para rearme automático o manual.

Pérdida de fase

La protección contra pérdida de fase se utiliza para proteger los motores asíncronos trifásicos contra el sobrecalentamiento. El relé de sobrecarga supervisa continuamente la corriente en cada fase. Cuando el valor de la corriente en una de las fases es inferior a 0.1 de la corriente nominal (Ir), y el valor de la corriente en otra fase es superior a 0.8 Ir, el relé de sobrecarga se dispara en 4 ±1 segundos. La protección contra pérdida de fase no puede desactivarse y debe restablecerse manualmente.

Desequilibrios de fase

Los desequilibrios de fase provocan el sobrecalentamiento de un motor asíncrono. Las causas más comunes son:

• Línea de suministro principal larga
• Contacto defectuoso en el interruptor de entrada
• Red desequilibrada

Cuando la relación de desequilibrio supera el 40%, el relé de sobrecarga se dispara en 5 ±1 segundos. La protección contra desequilibrio de fases debe restablecerse manualmente.

Fallo a tierra

La protección contra fallos a tierra se utiliza para proteger los motores asíncronos trifásicos. Un fallo a tierra se produce cuando el aislamiento del circuito de carga pierde su eficacia debido a vibraciones, humedad u otros factores. El relé de sobrecarga controla la corriente de tierra (Ig). Cuando la Ig supera el 10% de Ir, el relé se dispara en 1 ±0.2 segundos. La protección contra fallos a tierra debe restablecerse manualmente.

Modularidad

El diseño modular de los contactores TeSys Giga puede ser especialmente útil si se experimenta un desgaste excesivo de los contactos o si una sobrecarga u otras condiciones anormales de funcionamiento dañan el controlador. Los módulos de control también pueden sustituirse para adaptarse a diferentes voltajes de bobina, y el módulo de conmutación puede cambiarse para sustituir los polos desgastados.

Se puede implementar una función de memoria de cables con un kit opcional para facilitar un mantenimiento rápido. Una vez instalado, el módulo de control o interruptor puede sustituirse rápidamente sin necesidad de retirar los cables.

Marcha atrás

Los contactores inversores se utilizan para cambiar el sentido de giro de los motores de CA en aplicaciones como cintas transportadoras, ascensores y líneas de envasado. Funcionan invirtiendo la polaridad de las conexiones, lo que hace que el motor gire en sentido contrario.

Se puede fabricar un contactor inversor utilizando dos contactores estándar enclavados mecánicamente. El enclavamiento impide que los contactores se enciendan simultáneamente (figura 6).

Figura 4: Dos contactores TeSys Giga enclavados para formar un contactor inversor para motores de CA. (Fuente de la imagen: Schneider Electric)

Por ejemplo, se pueden utilizar los siguientes componentes para construir un contactor inversor de 200 CV a 460 V con una bobina de 100-250 V CA/CC (Figura 6):

• LC1G265KUEN, controlador de motor TeSys Giga, se necesitan dos
• DZ2FJ6, kit de terminales de contactor
• LA9G3612, esparcidores
• LA9G3761, barras de inversión
• LA9G970, enclavamiento mecánico

Resumen

Los contactores y relés de sobrecarga TeSys Giga son dispositivos muy versátiles que pueden maximizar la resistencia y el tiempo de actividad en una amplia gama de aplicaciones. Los contactores tienen potencias de 115 a 900 A en configuraciones 3P y 4P. Tienen SCCR de hasta 100 kA y 480 V y su diseño modular agiliza el mantenimiento.

Los relés de sobrecarga programables tienen amplios rangos de corriente de funcionamiento, lo que permite que un pequeño número de dispositivos satisfaga las necesidades de muchas aplicaciones. Por último, el control de movimiento bidireccional puede realizarse conectando dos contactores TeSys Giga con un sistema de enclavamiento mecánico.