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Relés térmicos
Los relés térmicos, Figura 1, son elementos de protección basados contra sobrecargas basados en la
deformación que experimentan ciertos elementos bimetálicos bajo la acción del calor. Este efecto se utiliza para accionar unos contactos auxiliares, los cuales desenergizan el circuito protegido y energizan al mismo tiempo un elemento de señalización. El bimetal está formado por dos metales de diferente coeficiente de dilatación, generalmente hierro y níquel, unidos firmemente entre sí. El calor necesario para curvar o flexionar la lamina bimetálica es producido por una resistencia, arrollada alrededor del bimetal, a través de la cual circula la corriente que va de la red a la carga.
Una vez disparado un relé térmico, el mismo puede ser rearmado, es decir retornado a su estado normal o de reposo, en forma manual o automática. En el método de rearme manual, el operario presiona un botón, generalmente de color azul (RESET), que lleva el térmico para este propósito. En el modo automático, el térmico se rearma por si miso una vez que el bimetal vuelve a su temperatura normal. Algunos térmicos admiten un solo modo de rearme, mientras que en otros es seleccionable.
Una variante de los relés térmicos convencionales son los relés térmicos diferenciales, los cuales detectan corrientes de fuga provocadas por desequilibrios en redes trifásicas. Los mismos basan su funcionamiento en la diferencia de curvatura que experimentan tres bimetales, uno en cada fase. Al ser detectada una falla en cualquier de las tres fases, se accionan los contactos auxiliares del relé térmico y se interrumpe automáticamente el circuito de mando. En la actualidad, la mayoría de los relés térmicos son también diferenciales y se fabrican para un rango de corrientes determinado, digamos de 6 a 13ª, seleccionable mediante un potenciómetro incorporado.
Relé termo y electromagnéticos
Los relés termo magnéticos. Figura 2, son dispositivos de protección simultáneamente contra
sobrecargas y cortocircuitos. La protección contra sobrecargas o diferida se realiza por medio de un sistema idéntico al de los relés térmicos, es decir a través de un bimetal que acciona unos contactos auxiliares. Para la protección contra cortocircuitos, que es instantánea, cuentan con una bobina, a través de la cual circula la corriente del circuito de potencia, y un núcleo móvil, el cual acciona los contactos auxiliares. Ambos ajustes se realizan en forma independiente.
Los relés electromagnéticos por su parte, protegen contra sobrecargas intensas. Funcionan en forma similar a los contactores y constan de los mismos elementos. Una variante importante de los mismos son los relés electromagnéticos diferenciales, utilizados para detectar corrientes de fuga en sistemas trifásicos. En la figura 3 se ilustra su principio de funcionamiento. Al producirse una corriente de fuga, debida por ejemplo a la falta de una fase, se induce una corriente residual en el secundario, la cual, si es superior a un valor umbral  preestablecido, acciona un mecanismo de relé y permuta el estado de los contactos auxiliares.
Guardamotores
Los Guardamotores, figura 4, son dispositivos de maniobra y protección de accionamiento manual y de desconexión manual o automática. Esta última se produce por acción de un relé termomagnetico incorporado. Por tanto, los Guardamotores protegen contra sobrecargas y cortocircuitos  y permiten desconectar los motores de la red durante trabajos de mantenimiento o mientras se realizan modificaciones en las instalaciones.
Dispositivos de señalización
Los dispositivos de señalización son elementos que se utilizan para indicar sin un contactor, y por tanto una carga, está o no operando. Sirven también para llamar la atención sobre el correcto funcionamiento de una maquina o equipo, facilitando su control y mantenimiento, y aumentando la seguridad de los operarios. Pueden ser ópticos o acústicos.
Los señalizadores ópticos, ejemplarizados en los pilotos luminosos, figura 5, producen señales perceptibles por la vista, mientras que los acústicos, representados por los zumbadores y los timbres, figura 6, producen señales perceptibles por el oído. También se dispone de visualizadores o displays que producen determinados  símbolos o patrones para indicar la operación que ese está realizando en un momento dado.
Federico Gonzalez
FGW Latin America And Caribbean
Todo circuito debe contar con algún tipo de dispositivo de protección contra sobrecorriente debidamente calibrado, así como de medios para llamar la atención sobre su correcto o incorrecto funcionamiento. De lo contrario, se corre el riesgo de crear las condiciones favorables para un accidente de origen eléctrico o exponer la seguridad de las personas. En este articulo examina las características generales de algunos dispositivos de protección y señalización comunes utilizados en las instalaciones eléctricas industriales, incluyendo fusibles, Breaker, relés térmicos, termo-magnéticos y electromagnéticos, pilotos, etc.
Los aparatos de protección, figura 1 son elementos destinados a proteger la carga, los aparatos de maniobra y los conductores de un circuito, separando este ultimo de las líneas de alimentación cuando se presenten irregularidades en su funcionamiento, particularmente sobrecargas o sobreintensidades y cortocircuitos.
En general, todo circuito debe llevar varias protecciones en forma escalonada y debidamente dimensionadas. Las más débiles la que se encuentra más próxima a la carga. Las ultimas en colocarse son las que van en las líneas de alimentación y protegen todo el circuito. De este modo, cuando se presente algún problema en la carga, la protección que se dispare debe ser siempre la de menor valor.
Los dispositivos de protección comúnmente utilizados en los circuitos industrializados pueden ser agrupados en dos categorías: manuales o automáticos. Estos últimos están construidos para proteger un circuito contra sobrecargas y/o cortocircuitos, sin intervención del operario. Los más empleados son los relés térmicos, termo-magnéticos. Los dispositivos de protección manuales, por su parte, requieren la intervención del operario para su sustitución o restauración. Los más comunes a los cuales nos referiremos enseguida, son los fusibles y los Breaker o disyuntores.
Fusibles
Un fusible, figura 2, es un hilo o trozo de metal de corta longitud calibrado específicamente para transportar corrientes por debajo de un valor predeterminado, digamos 30A, y abrir el circuito cuando la corriente es excesiva, por ejemplo al producirse un cortocircuito.
Los fusibles pueden ser de varios tipos, dependiendo tanto de su forma como da la rapidez con que actúan. Según su forma, existen fusibles de botella, de cartucho, etc. Atendiendo a su velocidad, se habla de fusibles de acción rápida o de acción lenta. Estos últimos pueden soportar corrientes de sobrecargas relativamente altas en forma momentánea sin destruirse. Se utilizan principalmente en circuitos de motores, donde la corriente de arranque puede llegar a ser varias veces superior a la nominal. En la figura 3, por ejemplo, se muestra la estructura interna de un fusible de tapón de elemento doble de acción lenta.
En este caso, cuando la corriente que circulo a través del interruptor térmico es excesiva, la soldadura que mantiene este ultimo en contacto con la cinta fusible se caliente. Si la sobrecarga es prolongada, la soldadura se ablanda. Como resultado, el resorte despega la cinta fusible del térmico y se abre la conexión.
Breaker
Los Breaker de la figura 4, también denominados disyuntores o interruptores electromagnéticos, son dispositivos diseñados para permitir la conexión y desconexión manual de un circuito cuando la corriente a través del mismo está dentro de los límites permisibles, y desconectarlo automáticamente, sin destruirse, cuando esa supera un valor predeterminado.
Los Breaker están formados internamente por una lámina bimetálica que se caliente por efecto del paso de la corriente. Cuando esta última llega a su valor límite, la lámina se dobla lo suficiente para liberar un mecanismo que abre los contactos, interrumpiendo el circuito. En adición a la lámina bimetálica, la mayoría de los Breaker incluyen un circuito electromagnético que abre instantáneamente el sistema en caso de un cortocircuito. También dispone de Breaker electrónicos programables y de Breaker de control remoto, figura 5, estos últimos incluyen un pequeño motor o solenoide DC que permite realizar la desconexión a distancia, digamos desde un PLC.
Federico Gonzalez.
FGW Latin America and Caribbean.
En este articulo veremos cómo se construye un arrancador industrial estrella – triangulo, para un motor trifásico de mediana potencia. Los sistemas y equipos se han diseñado para efectuar el arranque de los motores de corriente alterna tienen el mismo propósito de aquellos que se usan con los de corriente continua y es en esencia, limitar la corriente consumida por el motor durante su arranque, que puede alcanzar entre 7 y 10 veces su valor nominal, por periodos relativamente prolongados. Dependiendo del tipo y las características del motor, la potencia instalada y los requerimientos del par y la velocidad en la carga, se debe estudiar y elegir la técnica de arranque mas apropiada para cada caso, dentro de las técnicas más utilizadas se pueden nombrar las siguientes :
- Arranque por autotransformador
- Arranque por resistencias del estator
- Arranque estrella – triangulo
- Entre otras menos populares.
Siempre que sea posible, es conveniente que el motor arranque a tensión plena, pero a menudo se encuentran inconvenientes, tales como una insuficiente potencia instalada en la red, que da lugar a fuertes caídas de voltaje durante el arranque y/o limitantes de tracción mecánica en el eje del motor, que acortarían la vida útil de la maquina. En estos casos, se debe recurrir a alguno de los métodos de arranque por tensión reducida, cuyo propósito es disminuir la corriente del arranque y los esfuerzos dinámicos que puedan generarse en el motor.
El arranque estrella – triangulo, objetivo de este articulo, es uno de los métodos por tensión reducida más usados en la industria para la puesta en marcha de motores de inducción de mediana potencia (entre 10 y 25kVA), por su fácil construcción, bajo costo y alta confiabilidad. Para su aplicación se requiere que el motor este diseñado para tal propósito, esto implica que este pueda funcionar en régimen permanente con sus bobinas conectadas en triangulo y sometidas a la tensión de línea, y que además los seis terminales de sus bobinas sean accesibles.
 El método de arranque estrella – triangulo, aprovecha la relación que existe entre las tensiones de línea y de fase en una red trifásica y puesto que la influencia en la tensión es doble, la corriente y el par de arranque del motor se ven reducidos por un factor de tres. Como durante el proceso de arranque, el motor se conecta en estrella, la tensión por cada bobina del estator se vera reducida en √3, o sea en un 58% de la tensión de línea y esto significa, que la intensidad que absorbe el motor es también √3 menos.
De esta forma, al ser reducidas la tensión y la corriente
por √3, se obtiene como resultado una reducción total de √3 por √3, o sea 3 veces el valor de la corriente nominal (In), lo que equivale a un 30% del valor que tendría durante un arranque directo.
Cuando se usa dicho sistema, se debe iniciar en conexión en estrella tal como se muestra en la figura 1a, para que la corriente se reduzca en la misma proporción que la tensión, y una vez que el motor ha alcanzado entre el 70% y 80% de su velocidad nominal o de régimen, se desconecta la estrella para realizar la conmutación a la conexión en triangulo, figura 1b, luego de un pequeño tiempo de transición y de forma tal que el motor siga funcionando bajo esta conexión.
 En esta conexión, finalmente el motor alcanzara sus características nominales con una corriente poco de corta duración y magnitud muy inferior a la del arranque directo (2.5In) y de otro lado, el par de arranque se ve disminuido de 1.54 a 0.5 veces el valor nominal que se tiene durante el arranque directo del motor, aumentando por lo tanto la duración del periodo de arranque, lo cual a menudo es poco significativo ya que la velocidad nominal se alcanza en unos pocos segundos. Es importante que la conmutación de estrella a triangulo tan pronto el motor alcance entre el 70 y el 80% de su velocidad nominal, porque si esta se produce muy pronto, la corriente pico puede alcanzar valores muy elevados y en caso contrario, se podría producir el frenado del motor.
Finalmente, vale la pena considerar que en la practica el tiempo que se toma un arranque normal debe ser inferior a 10 segundos y estará supeditado al par acelerante e inercia de la maquina y la carga. Es importante lograr un ajuste del tiempo de acuerdo con las características del conjunto para evitar que el pico de corriente que se produce al pasar a la etapa de triangulo sea muy alto y pueda perjudicar a los contactores, al motor y a la maquina accionada, tal como si se efectuara un arranque directo.
FUNCIONAMIENTO.
El circuito arrancador estrella – triangulo que aquí se muestra, cuenta con protecciones al cortocircuito, a la sobrecarga y al bajo voltaje, típicas de los circuitos de arranque electromagnéticos.
La protección contra cortocircuitos del motor se realiza con el Breaker electromagnético Q1, que actúa también como seccionador, la protección contra las sobrecargas del motor se efectúa por medio del relé térmico de sobrecarga F1 y la protección contra bajo voltaje la proporciona el circuito de comando por medio de sus contactores auxiliares KM y KA que están directamente alimentados desde una de las fases del motor, de forma tal, que si la tensión aplicada al motor cae, también lo hará el voltaje aplicado a las bobinas de los contactores y por lo tanto se desenergizaran.
El circuito del arrancador estrella-triangulo se divide en dos partes que se muestran en las figuras 2 y 3, los cuales se conocen como circuitos principales y de control o comando respectivamente.
Federico Gonzalez
FGW Latin America And Caribbean.
En este articulo mostramos el tablero de control power wizard 1.0, para aquellos que necesitan determinar puntos de revision y asi poder detectar la falla, garantizando un seguimiento puntual.
Cualquier interpretacion que se requiera sobre el tablero quedo atento.
Federico Gonzalez.
FGW Latin America And Caribbean.
Ahora veremos ejemplos sobre el analisis de maquinas de inducción monofasica con condensador en marcha, determinaremos su circuito equivalente y cada uno de los parametros que lo componen.
MOTOR DE INDUCCION CON CONDENSADOR DE MARCHA.
En este tipo de motor el condensador del bobinado auxiliar permanece conectado todo el
Tiempo. Esto simplifica en construccion y reduce el costo ya que no es necesario el switch
Centrifugo ademas el factor de potencia, torque y eficiencia resultan mejorados ya que el
Motor opera como motor bifasico. La operacion continua del condensador requiere ciertas
Caracteristicas constructivas y se debe comprometer el torque de partida frente al torque de
La marcha. 
Figura 1.Motor de induccion con condensador de marcha
Figura 2. Circuito equivalente maquina de induccion con condensador de marcha.
Ahora analizaremos otro ejemplo, ya con valores aplicandolo a el modelo antes descrito; un motor monofasico con capacitor de marcha de 4 polos 120V, 60 Hz tiene los siguientes parametros del circuito equivalente.
X1P = 2Ω
R1P = 1.5Ω
R2 = 1.5Ω
X1A = 2Ω
R1A = 2.5Ω
X2 = 2Ω
Xm = 48Ω
Capacitor de marcha = 30uF
Na/Np = 1
Se debe dibujar el circuito equivalente basado en la teoría del doble campo rotatorio cuando el motor opera con 0.05 de deslizamiento.
Hallamos entonces la Reactancia Capacitiva.
Xc = ((1)/(2πFC) = 1/(2πx60x30) = 8.84e-5Ω
S+ = 0.05
S - = 1 – 0.05 = 0.95
Ahora determinaremos la corriente total y el troque total del motor en el voltaje dado.
Con S = 1
Z = (jXm/2 II jX2/2 + R2) = 24∠90˚ II 1.25∠53.13˚ = (36∠143.13˚)/(25.01∠88.29)〈Ω〉
Z = 1.2∠54.85 Ω
Ip = (V / (Z1A + Z+ + Z-)) = (120∠0˚)/ (1.5 + j2 + 2(1.2∠54.85 Ω ))
Ip = 24.5∠-54˚A
Ia = (120∠0˚)/(86.43∠-88.34˚ + 2(1.2∠54.85 Ω ))
Ia = 1.42∠87.4˚A
La corriente total de arranque sera entonces la suma:
I = Ia + Ip = 23.4∠-51.82˚A
El torque en el arranque sera :
T = 2 Ia ‖ Ip (R+ + R-)sen (Φa - Φp)/Ws
Ws = 1800x(2π/60) = 188.5rad/s
T = 2x(24.5)x(1.42)x2x0.69sen(87.4˚ + 54˚)/188.5 〈N.m〉
T = 0.318N.m
Para determinar el valor del capacitor que debe ser usado en paralelo con el de marcha para maximizar el torque de arranque por amperio de corriente de arranque debemos realizar la siguiente operación.
Zp = RP + jXP, que es la impedancia de entrada del devanado principal de arranque.
Zp = 1.5 + j2 + 2(0.69 + j0.98) = 4.9∠-54˚Ω
ZA = RA + jXA, que es la impedancia de entrada del devanado auxiliar en arranque sin el capacitor.
ZA = 2.5 + j2 + 2 (0.69 + j0.98) = 3.88 + j3.96
Xc = 3.96 – ((3.96 x 3.88 – 4.9 √(3.88+2.88)x3.88))/2.88) = 7.34Ω
C = 1/(WXc) = 1 / (377x7.34) = 361.5uF
El Capacitor externo añadido en paralelo con el de marcha será
C = 361 – 30 = 331.54 uF
Federico Gonzalez
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FGW Latin America And Caribbean.
Continuamos con el analisis de la importancia del aterrizamiento del neutro de un sistema trifasico.
CARGA DESEQUILIBRADA CONECTADA EN ESTRELLA
En el ejemplo siguiente vamos a analizar un sistema que presenta una carga desequilibrada en estrella de tres hilos. Determinar las lecturas de los tres amperímetros para el circuito de la figura 1. El circuito está alimentado por una fuente trifásica de 240 V, 60 Hz.
Los voltajes Van, Vbn y Vcn son desconocidos ya que no hay conexión del neutro del generador a la carga. Por lo tanto no pueden determinarse los voltajes de fase directamente aplicando la ley de Ohm. El problema se puede resolver utilizando el método de mallas o transformando la estrella a una delta equivalente. Los ángulos de fase de los tres voltajes de línea, tal como se muestra en la figura 2. Son:
Vab = 240∠0˚V, Vbc = 240∠-120˚V, Vca = 240∠120˚V
Utilizando el análisis de mallas y las corrientes de malla que se muestra en la figura 2,
Vab = (3∠0˚ + 4∠60˚) I1 - 4∠60˚I2
Vbc = -4∠60I1 + (5∠90˚ + 4∠60˚) I2
Simplificando
240∠0˚ = 6.08∠34.72˚I1 - 4∠60˚I2
240∠-120˚ = - 4∠60I1 + 8.7∠76.71˚I2
 
Resolviendo el sistema por determinante o sustitución encontramos que:
I1 = Ia = 41.4∠-56.4˚ Arms
Ic = - I2 = 23.3∠26.2˚ Arms
Ib = I2 – I1 = - 50∠-28.88 Arms
Por lo tanto,
El amperímetro A1 lee 41.4 A
El amperímetro A2 lee 50 A
El amperímetro A3 lee 23.3 A
Continuando con el análisis del circuito, una vez conocidas las corrientes de línea se pueden conocer los voltajes de fase de tal manera que:
VAN = Ia ZAN = 41.4∠-56.4˚ x 3∠0˚ = 124.2∠-56.4 Vrms
VBN = Ib ZBN = - 50∠-28.88˚ x 4∠60˚ = - 200.5∠31.12˚ Vrms
VCN = Ic ZCN = 23.3∠-26.2 x 5∠90˚ = 116.5∠116.2˚ Vrms
Al observar y comparar las magnitudes tanto de los voltajes de fase con olas corrientes de línea, concluimos que en un sistema totalmente desequilibrado en la carga principalmente, el punto N de la carga se encuentra desplazado del neutro de la fuente por fasor de voltaje denotado por:
VNn = Van – VAN = ((240∠-30˚)/√3) = 124.2∠-56.4˚ = 61.6∠33.67 Vrms
Ese mismo valor se puede obtener considerando las otras relaciones de voltaje, tal como se indica a continuación:
VNn = Vbn - VBN y VNn = Vcn - VCN
Este corrimiento del neutro de la carga con relación al neutro de Lafuente establece una diferencia de tensión entre los puntos N y n. El estudio de los sistemas trifásicos desequilibrados es de gran interés para el análisis de un sistema eléctrico de potencia, en el caso concreto de que ocurra una falla, que puede ser un corto circuito entre líneas o entre línea y tierra, porque dicha falla ocasiona un desequilibrio en el sistema. En este curso no es el propósito profundizar en los sistemas de esta característica.
Federico Gonzalez.
Ingeniero Electricista - Electronico
FG Wilson Latin America And Caribbean.
SISTEMAS DESEQUILIBRADOS.
Los sistemas trifásicos desbalanceados con cargas conectadas en delta o en estrella son objeto de un cuidadoso estudio porque ocasionan problemas desde el punto de vista de operación de los sistemas.
El desequilibrio o desbalance que se presenta es porque las impedancias pro fase son diferentes, o porque los voltajes de línea o de fase difieren entre ellos en magnitud, la simetría que se presente en los sistemas trifásicos balanceados no se establece para el caso de los sistemas desbalanceados.
Vamos a estudiar los sistemas desbalanceados considerando cargas conectadas en estrella.
CARGA DESEQUILIBRADA CONECTADA EN ESTRELLA
Los sistemas desequilibrados con carga en estrella de 4 hilos que obviamente tienen el conductor del neutro, transporta la corriente de desbalance y mantiene la magnitud del voltaje de línea a neutro a través de las fases de la carga. Lo anterior lo estudiaremos considerando el siguiente ejemplo:
Un sistema trifásico de cuatro hilos tiene una carga trifásica desbalanceada conectada en estrella, con:
Za = 6∠0˚Ω Zb = 6∠30˚Ω Zc = 5∠45˚Ω
La fuente generadora presenta secuencia ABC y voltaje de fase de 120 Vrms, se desea conocer todas las corrientes de línea considerando el voltaje Van como referencia a cero grados, véase la figura 1.
Para el cálculo de las corrientes de línea consideramos los voltajes de fase y sus correspondientes impedancias, por tanto.
Ia = ((Van/Za)) = ((120∠0˚/6∠0˚)) = 20∠0˚Arms
Ib = ((Vbn/Zb)) = ((120∠-120˚)/ (6∠30˚)) = 20 ∠-150˚ Arms
Ic = ((Vcn/Zc)) = ((120∠120˚)/ (5∠45)) = 24 ∠75˚ Arms
La corriente por el hilo neutro, se obtiene aplicando la ley de corrientes de Kirchhoff en el punto común de la estrella, donde In vale:
In = Ia + Ib + Ic = 20∠0˚ + 20∠-150˚ + 24∠75˚ = 15.9∠56˚
Es importante anotar que en este caso el desequilibrio de las corrientes determina que el circule por el hilo neutro una corriente definida por las fases.
En los sistemas trifásicos desequilibrados con cargas conectadas en estrella de tres hilos, el análisis considera los voltajes de la fuente que suministra la energía como equilibrada y establece directamente las ecuaciones de malla para determinar las corrientes de fase.
Federico Gonzalez
Ingeniero Electricista - Electronico
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