Cómo proteger la maquinaria cara con relés de control trifásicos baratos

La mayoría de las máquinas comerciales e industriales que se encuentran en los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC), en el tratamiento de aguas, en la manipulación de materiales, en las máquinas-herramienta y en las aplicaciones marinas y de aviación se alimentan con motores trifásicos. Estos dispositivos fiables pueden verse dañados por una serie de condiciones de fallo que, si no se solucionan rápidamente, pueden provocar un fallo o, al menos, una reducción de la vida útil, lo que se traduce en importantes tiempos de inactividad y costos de reparación.

Los relés de control de fase pueden utilizarse para detectar estos fallos, notificar a los operadores y detener la máquina antes de que se produzcan daños permanentes. Estos relés pueden detectar que las tres fases están presentes, tienen la secuencia correcta y tienen tensiones de fase dentro de un rango correcto. Si se produce un error, el relé puede abrir un conjunto de contactos que pueden iniciar una condición de alarma o apagar la máquina.

Existe una gran variedad de relés de detección de fase para manejar una amplia gama de tensiones, configuraciones trifásicas y condiciones de error. Este artículo analiza brevemente los posibles modos de fallo del motor y el funcionamiento de los relés de detección de fase. A continuación, describe la selección y aplicación de los relés de control trifásico con ejemplos reales de Carlo Gavazzi.

Modos de fallo del motor trifásico

Entre los fallos más comunes en toda una serie de industrias están los relacionados con la fuente de alimentación trifásica y su efecto en los motores. La pérdida de una de las tres fases o un desequilibrio en las tensiones de fase puede dar lugar a corrientes superiores a las normales en las fases restantes del motor, lo que provoca una pérdida de potencia mecánica y una vibración mecánica excesiva. Del mismo modo, la subtensión y la sobretensión obligan al motor a aumentar la corriente para impulsar la misma carga, lo que puede acortar la vida útil del motor.

Otra posibilidad es tener una secuencia de fases incorrecta que podría hacer que el motor invierta su dirección, lo que puede tener resultados desastrosos en el lado de la carga del motor.

Funciones del relé de control de fase

Los relés de control de fase tienen una serie de funciones relacionadas con el estado de la fuente de alimentación trifásica. Se alimentan de las líneas trifásicas que controlan. Todos ellos controlan la secuencia de fases y la pérdida de cualquier tensión de fase. Los relés se activan cuando todas las fases están presentes y la secuencia de alimentación es correcta. En caso de pérdida de alguna de las fases o de una secuencia de fases incorrecta, el relé se desenergiza. Algunos relés de control de fase también controlan los niveles de tensión de las tres fases. La determinación de la tensión utiliza una medición de la raíz cuadrada real (TRMS) y desactiva el relé cuando la amplitud cae por debajo de un umbral preestablecido. Algunos dispositivos ofrecen la misma detección de amplitud, pero tienen ajustes de límite ajustables por el usuario. Una serie de modelos de relés controlan la asimetría de fase y la tolerancia. Todos los relés ofrecen un retardo antes de la actuación por problemas de nivel de tensión o asimetría para evitar la activación espuria. En algunos modelos el retardo es programable.

Opciones de relés de control de fase

El DPA01CM44 de Carlo Gavazzi Inc. es un ejemplo de relé sensible a la fase para configuraciones de tres hilos (Figura 1). La serie se alimenta de la fuente trifásica, con modelos disponibles que operan a tensiones de 230, 400, 600 y 690 voltios CA (VCA). Estos relés están pensados para ser montados en un carril DIN, con versiones de enchufe también disponibles. Las configuraciones de salida de relé son de un contacto unipolar de doble tiro (SPDT) o de dos contactos SPDT.

Figura 1: El DPA01CM44 es un relé de monitorización de fase montado en riel DIN para líneas trifásicas de 208 a 480 VCA con una salida de contacto de relé SPDT. (Fuente de la imagen: Carlo Gavazzi Inc.)

En condiciones normales de tensión, el relé está activado, lo que significa que el/los contacto/s normalmente abierto/s (NO) de la salida del relé está/n cerrado/s, y el/los contacto/s de salida normalmente cerrado/s (NC) está/n abierto/s. El funcionamiento del relé se produce en 100 milisegundos (ms). Los LED de estado del panel frontal indican el encendido y la activación del relé.

Los relés de supervisión de fase DPA01 pueden instalarse para supervisar cualquier línea trifásica (Ejemplo 1, en la Figura 2), o pueden asociarse a un motor trifásico (Ejemplo 2).

Figura 2: Ejemplos de aplicación del relé de control trifásico de la serie DPA01. El ejemplo 1 (izquierda) lo muestra conectado para supervisar una línea trifásica. El ejemplo 2 (derecha) ilustra su uso en la supervisión de un motor trifásico. (Fuente de la imagen: Carlo Gavazzi Inc.)

Cuando se produce una condición de error en cualquiera de las dos aplicaciones, un contactor conectado al relé de forma adecuada abre el circuito trifásico que continúa, mientras que el relé de supervisión permanece conectado a la fuente de alimentación. Cuando se conecta para supervisar una línea trifásica sin motor, no hay ningún problema para detectar una fase muerta porque el nivel de la entrada que falta desciende considerablemente. Cuando se conecta un monitor a un motor, el funcionamiento del motor tenderá a regenerar la fase que falta debido al acoplamiento inductivo interno. El relé está configurado para detectar una fase perdida siempre que la amplitud sea inferior al 85% de la tensión trifásica nominal. En consecuencia, es importante verificar que la regeneración del motor es inferior al 85% de la tensión nominal de la línea.

En las aplicaciones que requieren un umbral de sobretensión o subtensión personalizado, se puede utilizar el relé de control de fase multifunción DPB01CM48 de Carlo Gavazzi. Este relé detecta las condiciones de sobretensión y subtensión, así como la pérdida de fase y la secuencia de fase inadecuada. Los niveles de umbral de sobretensión y subtensión son ajustables por el usuario mediante un interruptor del panel frontal (Figura 3).

Figura 3: El relé multifunción de monitorización de fase DPB01CM48 supervisa la pérdida de fase, la secuencia de fase y los umbrales seleccionables de sobretensión y subtensión mediante los controles del panel frontal. El retardo operativo para la actuación de sobretensión y subtensión es ajustable por el usuario para minimizar la activación transitoria. (Fuente de la imagen: Carlo Gavazzi Inc.)

Este relé también se monta en riel DIN y admite topologías trifásicas en triángulo y en estrella/en estrella. Dispone de rangos de tensión programables por el usuario, seleccionables como tensiones de línea a línea de 380, 400, 415 y 480 VCA, y tensiones de línea a neutro de 220, 230, 240 y 277 VCA. La topología del circuito y los rangos de tensión se ajustan mediante un interruptor DIP interno. Un modelo separado de la familia DPB01 maneja rangos de tensión más bajos.

Hay tres mandos de control en el panel frontal del relé. El superior fija el umbral de tensión inferior de -2 a -22% de la tensión nominal, el central fija el umbral de tensión superior de 2 a 22% de la tensión nominal, y el control inferior se utiliza para fijar el retardo operativo entre 10 ms y 30 segundos (s). El retardo se utiliza para evitar que los transitorios de tensión de corta duración disparen accidentalmente el relé.

En el panel frontal del relé hay tres LED que indican su estado. Un LED verde indica que la alimentación está activada. Un LED amarillo indica que el relé está activado. Si hay un evento de alarma, entonces el LED amarillo se apaga y el relé se desenergiza después de un tiempo de espera, y el LED rojo parpadeará. Si el error fue una condición de sobretensión o subtensión, el LED rojo parpadea a una frecuencia de 2 Hertz (Hz), y el relé se desenergizará después del tiempo de espera. Si se produce una pérdida de fase o una secuencia de fase incorrecta, el relé se desenergiza en 200 ms, y el LED rojo parpadea a un ritmo de 5 Hz mientras dure la condición de error.

El relé de control de fase DPC01DM69 tiene el conjunto de características más completo de Carlo Gavazzi (Figura 4). Este relé para montaje en riel DIN supervisa la secuencia de fases y la pérdida de fases, así como la subtensión y la sobretensión, la simetría de fases y la tolerancia.

Figura 4: El DPC01DM69 es un relé de monitorización de fase para montaje en riel DIN con LED en el borde izquierdo que indican los estados del relé (amarillo), el estado de la alarma (rojo) y el estado de la alimentación (verde). Los controles fijan los umbrales de tolerancia/asimetría o de sobretensión/subtensión, y los retrasos de los relés. (Fuente de la imagen: Carlo Gavazzi Inc.)

El DPC01DM69 funciona de forma similar al DPB01CM48 en cuanto a la selección del rango de tensión de funcionamiento y la topología trifásica. Dispone de selecciones adicionales de interruptores DIP para el retardo de encendido (1 s o 6 s), la configuración de la salida (conjunto doble de contactos SPDT o un único conjunto de contactos de doble polo y doble tiro (DPDT)) y las funciones de supervisión de sobretensión/subtensión o asimetría/tolerancia.

El DPC01CM69 funciona en tres modos diferentes según el tipo de alarma. La pérdida de fase o la secuencia de fase incorrecta provoca la desenergización de los relés de salida 1 y 2. Un evento de sobretensión o asimetría hace que el relé de salida 1 se desactive al final del retardo preestablecido 1, y un evento de subtensión o fuera de tolerancia hace que el relé de salida 2 se desactive al final del retardo preestablecido 2. Esta disposición de doble salida permite una mayor flexibilidad en la respuesta a diferentes eventos de alarma.

La asimetría es un indicador de la calidad de la fuente de alimentación y se define como el valor absoluto de la desviación máxima de las tensiones de línea, dividido por la tensión nominal del sistema trifásico. La tolerancia es otro indicador de la calidad de la fuente de alimentación y se define como el valor absoluto de la desviación máxima de las tensiones de línea con respecto a la tensión nominal, dividido por la tensión nominal del sistema trifásico (Figura 5).

Figura 5: Ecuaciones de asimetría y tolerancia de una fuente trifásica. (Fuente de la imagen: Carlo Gavazzi Inc.)

En general, el desequilibrio de las líneas trifásicas debe ser inferior al 2% para evitar el sobrecalentamiento en un motor trifásico. Tenga en cuenta que las escalas de asimetría y tolerancia de la cubierta DPC01CM69 van del 2 al 22%.

Conclusión:

En una amplia gama de sectores, la supervisión de la corriente alterna trifásica es fundamental para evitar costosos tiempos de inactividad debidos a motores dañados. Para asegurar que esto se consigue de forma fácil y efectiva, Carlo Gavazzi ofrece una amplia gama de relés de monitorización trifásicos diseñados con las técnicas de medición más sofisticadas, ofreciendo al mismo tiempo una fácil configuración. Los relés van desde dispositivos sencillos que controlan la pérdida de fase y la secuencia de fase hasta monitores más complejos que detectan además las condiciones de sobretensión y subtensión, así como la asimetría de fase y la tolerancia. Estos relés de control de fase proporcionan la seguridad de que los problemas de la fuente de alimentación trifásica no causarán daños a la costosa maquinaria.