La protección de los motores eléctricos, los arrancadores magnéticos y otros equipos contra el sobrecalentamiento de las cargas se lleva a cabo mediante dispositivos especiales de protección térmica. Para elegir el modelo de protección térmica adecuado, hay que saber cómo funciona, su diseño y los criterios básicos de selección.
Contenido
Diseño y principio de funcionamiento
El relé térmico (TR) está diseñado para proteger los motores eléctricos contra el sobrecalentamiento y el fallo prematuro. Durante el arranque de larga duración, el motor eléctrico está sometido a sobrecargas de corriente, ya que durante la puesta en marcha consume siete veces la corriente que provoca el calentamiento de los bobinados. La corriente nominal (Inn) es la corriente absorbida por el motor durante su funcionamiento. Además, los TR aumentan la vida útil de los equipos eléctricos.
El relé térmico se compone de los elementos más simples:
- El elemento sensible al calor.
- Un contacto de reposición automática.
- Contactos.
- Primavera.
- Placa conductora bimetálica.
- Botón.
- Regulador de corriente de consigna.
El elemento sensor de temperatura es un sensor de temperatura que sirve para transferir el calor a una placa bimetálica u otro elemento de protección térmica. El contacto de autorreposición permite abrir instantáneamente la alimentación del consumidor eléctrico para evitar el sobrecalentamiento cuando se calienta.
La placa está formada por dos tipos de metal (bimetal), uno de los cuales tiene un elevado coeficiente de dilatación térmica (Kp). Se unen mediante soldadura o laminación a altas temperaturas. Cuando se calienta, la placa de protección térmica se dobla hacia el material con un Kp más bajo, y cuando se enfría, la placa vuelve a su posición original. Las placas son principalmente de invar (valor Kp más bajo) y de acero no magnético o de cromo-níquel (valor Kp más alto).
El botón enciende el TR, el regulador de corriente de consigna debe fijar el valor I óptimo para el consumidor, si se sobrepasa este valor el TR se dispara.
El principio de funcionamiento del TR se basa en la ley de Joule-Lenz. La corriente es el movimiento direccional de las partículas cargadas que chocan con los átomos de la red cristalina de un conductor (este valor es la resistencia y se denota por R). Esta interacción provoca la aparición de energía térmica, que se deriva de la energía eléctrica. La dependencia de la duración del flujo con respecto a la temperatura del conductor viene determinada por la ley de Joule-Lenz.
La formulación de esta ley es la siguiente: cuando I fluye a través de un conductor, la cantidad de calor Q liberada por la corriente en su interacción con los átomos de la red del conductor es directamente proporcional al cuadrado de I, al valor de R del conductor y al tiempo de exposición de la corriente al conductor. Matemáticamente se puede escribir como sigue: Q = a * I * R * t, donde a es el factor de conversión, I es la corriente que circula por el conductor deseado, R es el valor de la resistencia y t es el tiempo de circulación de I.
Si a = 1, el resultado del cálculo se mide en julios, y si a = 0,24, el resultado se mide en calorías.
El calentamiento del material bimetálico tiene lugar de dos maneras. En el primer caso, I fluye a través del bimetal y en el segundo, a través del bobinado. El aislamiento del bobinado ralentiza el flujo de energía térmica. El relé térmico se calienta más cuando el valor I es alto que cuando está en contacto con el elemento termosensible. Esto retrasa la señal de activación de los contactos. Los modelos modernos de TR utilizan ambos principios.
La placa bimetálica del dispositivo de protección térmica se calienta cuando se conecta la carga. El calentamiento combinado permite obtener un dispositivo con un rendimiento óptimo. La placa se calienta por el calor generado por I al pasar por ella y por un calentador especial en carga de I. Durante el calentamiento, la placa bimetálica se deforma y actúa sobre el contacto de autocalentamiento.
Características principales
Cada RTD tiene sus propios datos técnicos (TS). El relé debe seleccionarse según la característica de la carga y la condición de la aplicación para el motor eléctrico u otro consumidor de energía:
- En valor.
- Rango de ajuste de la operación I.
- Tensión.
- Control auxiliar del funcionamiento del TP.
- Poder.
- El límite de la operación.
- Sensibilidad al desequilibrio de fase.
- Clase de viaje.
Valor nominal de la corriente - valor de I, para el que está diseñado el TR. Se selecciona en función del valor de In del consumidor al que se conecta directamente. Además, es necesario seleccionar con una reserva de In y guiarse por la siguiente fórmula: Inr = 1,5 * Ind, donde Inr es la In del TP, que debe ser 1,5 veces la corriente nominal del motor (Ind).
El límite de ajuste de disparo I es uno de los parámetros importantes para un dispositivo de protección térmica. La designación de este parámetro es el rango de ajuste del valor In. La tensión es el valor de la tensión de alimentación para la que están diseñados los contactos del relé; si se supera el valor permitido, el dispositivo fallará.
Algunos tipos de relés están equipados con contactos separados para controlar el funcionamiento del dispositivo y del consumidor. La potencia es uno de los principales parámetros del TR, que determina la potencia de salida del consumidor o grupo de consumidores conectados.
El límite o umbral de disparo es un coeficiente que depende de la corriente nominal. Por lo general, se encuentra en el rango de 1,1 a 1,5.
La sensibilidad al desequilibrio de fases (asimetría de fases) indica la relación porcentual entre la fase desequilibrada y la fase por la que circula la corriente nominal del valor requerido.
La clase de disparo es un parámetro que representa el tiempo medio de respuesta de un TR en relación con la multiplicidad de la corriente de consigna.
La característica principal, según la cual es necesario elegir un TR, es la dependencia del tiempo de funcionamiento de la corriente de carga.
Diagrama de cableado
Los diagramas de cableado de los relés térmicos en un circuito pueden variar considerablemente de un dispositivo a otro. Sin embargo, los RTD se conectan en serie con el bobinado del motor o la bobina del contactor magnético al contacto normalmente abierto, ya que este tipo de conexión ayuda a proteger el dispositivo contra la sobrecarga. Si se supera el consumo de corriente, el TR desconecta el aparato de la red eléctrica.
La mayoría de los diagramas de cableado utilizan un contacto permanentemente abierto, que funciona cuando se conecta en serie con el botón de parada del panel de control. Este contacto suele estar marcado con las letras NC o H3.
El contacto normalmente cerrado puede utilizarse para la conexión de una alarma de seguridad. En circuitos más complejos, este contacto también se utiliza para ejecutar el control programado de la parada de emergencia del dispositivo mediante microprocesadores y microcontroladores.
La conexión del termostato es muy sencilla. Para ello, se debe seguir el siguiente principio: el TP se coloca después de los contactores del arrancador, pero antes del motor eléctrico y el contacto permanentemente cerrado se conecta en serie con el botón de parada.
Tipos de relés térmicos
Hay muchos tipos en los que se dividen los relés térmicos:
- Bimetálico - PTL (ksd, lrf, lrd, lr, iek y ptlr).
- Estado sólido.
- Relé para el control de la temperatura de la unidad. Las designaciones básicas son las siguientes: RTK, NR, TF, ERB y DU.
- Relés de fusión de aleaciones.
Los TR bimetálicos tienen un diseño primitivo y son dispositivos sencillos.
El principio de funcionamiento de un relé térmico de estado sólido difiere significativamente del tipo bimetálico. El relé de estado sólido es un dispositivo electrónico, también llamado pargo, que se realiza sobre elementos de radio sin contactos mecánicos.
Entre ellas se encuentran las RTD RTR e IEK, que calculan la temperatura media del motor mediante la monitorización de su entrada y salida. La principal característica de estos relés es su capacidad para resistir a las chispas, es decir, pueden utilizarse en atmósferas potencialmente explosivas. Este tipo de relé es más rápido en el tiempo de respuesta y más fácil de ajustar.
Los RTC están diseñados para controlar el comportamiento de la temperatura de un motor eléctrico u otro dispositivo mediante un termistor o una resistencia térmica (sonda). Cuando la temperatura se eleva a una condición crítica, su resistencia aumenta bruscamente. Según la ley de Ohm, cuando R aumenta, la corriente disminuye y el consumidor se apaga porque su valor es insuficiente para el funcionamiento normal del consumidor. Este tipo de relé se utiliza en frigoríficos y congeladores.
El diseño del relé del calentador de fusión difiere significativamente de los otros modelos y consta de los siguientes elementos:
- El bobinado del calentador.
- Aleación con un punto de fusión bajo (eutéctico).
- El mecanismo del disyuntor.
La aleación eutéctica se funde a baja temperatura y protege el circuito de alimentación del consumidor rompiendo el contacto. Este relé está integrado en el aparato y se utiliza en las lavadoras y en los aparatos de automoción.
La selección del relé térmico se realiza analizando el termistor y las condiciones de funcionamiento del aparato a proteger contra el sobrecalentamiento.
Cómo elegir el relé térmico
Sin necesidad de realizar cálculos complicados, es posible seleccionar la potencia adecuada del relé térmico para el motor en función de su capacidad (tabla de dispositivos de protección térmica).
La fórmula básica para calcular la corriente nominal del relé térmico:
Intr = 1,5 * Ind.
Por ejemplo, hay que calcular un motor eléctrico asíncrono de 1,5 kW alimentado por una corriente alterna trifásica con una tensión de 380 V.
Esto puede hacerse de forma muy sencilla. Para calcular la corriente nominal del motor, hay que utilizar la fórmula de la potencia:
P = I * U.
Por lo tanto, Ind = P / U = 1500 / 380 ≈ 3,95 A. El valor de la corriente nominal TP se calcula como sigue: Intr = 1,5 * 3,95 ≈ 6 A.
Basándose en los cálculos, se selecciona un RTL tipo PTL-1014-2 con un rango de corriente de consigna ajustable de 7 a 10 A.
A temperaturas ambiente más altas, el valor de consigna debe ajustarse al valor mínimo. Si la temperatura ambiente es baja, hay que aumentar la carga en los devanados del estator del motor y, si es posible, no encenderlo. Si las circunstancias exigen el uso del motor en condiciones desfavorables, el ajuste debe iniciarse con una corriente de consigna baja y luego aumentarse hasta el valor requerido.
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