Diversas aplicaciones de un inversor de marchas

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1 Aparatos de Maniobra Diversas aplicaciones de un inversor de marchas Hemos analizado a los inversores del sentido de marcha aplicados a un motor trifásico asincrónico en servicio normal, es decir, para arrancar a un motor con arranque directo simple, pero el mismo tipo de combinación se puede utilizar para otros tipos de aplicaciones especiales. El arranque múltiple de motores y el servicio intermitente y/o con frenado por contramarcha. Por: Alejandro Francke Especialista en productos eléctricos de baja tensión, para la distribución de energía; control, maniobra y protección de motores y sus aplicaciones. Servicio unitario de un inversor de marchas Cuando una combinación de inversión de marcha alimenta a un solo motor se trata de un servicio unitario del inversor de marchas. Puede tratarse de un motor que debe accionar dispositivos, como cintas transportadoras y otros medios de transporte o máquinas, cuando es necesario el desplazamiento en dos direcciones donde el motor alcanza su velocidad asignada y se mantiene en ella hasta cumplir con la función. La detención de la máquina se produce por desconectar al motor, en el tiempo que determina la inercia del conjunto mecánico del sistema. Pero también puede tratarse de un motor que debe accionar sistemas como montacargas, ascensores, puentes grúa; donde es necesario el desplazamiento en dos direcciones y además lograr su frenado rápido y frecuentemente un servicio intermitente para lograr el posicionamiento de algún dispositivo; carro, herramienta o pieza. En la figura 1 se muestra el esquema unifilar de un conjunto conmutador inversor de marchas para la alimentación de un único motor, es decir, servicio unitario. Esta clase de servicio es la de aplicación más común o habitual. continúa en página 14 u 12

2 viene de la página 12 u Los contactores K10, correspondiente a marcha, o giro del motor en el sentido horario y K11 correspondiente a contramarcha, o giro del motor en el sentido antihorario alimentan a una barra colectora desde la que se alimentan individualmente a cada uno de los motores mediante los contactores K1, K2, K3 Kn. Los contactores K1, K2, K3 Kn se seleccionan de acuerdo a la potencia de los motores a maniobrar, los K10 y K11, que son idénticos se dimensionan según el factor de simultaneidad de los motores en servicio. Categoría de servicio de los aparatos de maniobra Todos los aparatos de maniobra eléctricos tienen una corriente característica que es la máxima que pueden conducir sin que se produzcan en ellos daños permanentes en sus materiales aislantes. Figura 1. Esquema unifilar de un inversor de marchas para servicio simple. El contactor K1 es el correspondiente a marcha, o giro del motor en el sentido horario; el contactor K2 es el correspondiente a contramarcha, o giro del motor en el sentido antihorario. Como es lógico de suponer ambos contactores con idénticos. Servicio múltiple de un inversor de marchas Hay casos en los que un grupo de motores deben girar todos en el mismo sentido y, a su vez, este debe poderse invertir; como, por ejemplo, en una cámara u horno los ventiladores pueden servir para insuflar aire dentro del recinto actuando como forzadores o, invirtiendo el sentido, succionarlo trabajando como extractores; o una serie de medios de transporte deben trasladar al material en dos sentidos opuestos. Este es el caso de servicio múltiple de un conmutador inversor de marcha. La figura 2 muestra la representación esquemática unifilar de un conjunto conmutador inversor de marchas para la alimentación múltiple de varios motores. En el caso de los interruptores y aparatos de maniobra, en general, se trata de la máxima intensidad de la corriente que pueden circular por cada vía de corriente sin que se eleve la temperatura de las mismas hasta un punto que envejezcan y perjudiquen a los materiales aislantes que los contienen. Esta corriente es la corriente térmica del aparato (Ith), también conocida como corriente de ocho horas, ya que este es el tiempo que se considera que tarda un aparato eléctrico en encontrar un equilibrio térmico entre el calor producido en su interior y el que es capaz de disipar por su tamaño, los materiales con los que está construido y la temperatura ambiente del lugar donde está instalado. En general, es el calor que se produce en los bornes, las vías de los contactos (fijos y móviles) y la resistencia de contactos de las piezas de contacto. En el caso particular de los contactores, que también son interruptores, se les suma el calor producido por la bobina de accionamiento. La disipación se produce por la superficie del aparato pero también por los cables que están conectados a los bornes o barras de alimentación y la superficie de apoyo al tablero. Se trata de una intensidad de corriente límite, por lo tanto, no es práctica porque, en el caso de que el aparato deba maniobrarla, se sumaría el calor adicional producida por el arco de extinción; calor adicional que afectaría al aparato. Por no ser una característica práctica del aparato los fabricantes no informan su valor. La Norma IEC en sus definiciones determina diferentes categorías de servicio según sean las condiciones, de acuerdo con el tipo de carga y forma de arranque, que debe cumplir el aparato de maniobras. La tabla 1 muestra un resumen de las categorías de servicio, las correspondientes al arranque de motores. continúa en página 16 u 14

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4 viene de la página 14 u Tabla 1. Algunas categorías de servicio según IEC La tabla 2 muestra los datos característicos para distintas categorías de servicio que un fabricante publica para sus contactores. Por ser la aplicación más frecuente de los aparatos de maniobra es costumbre caracterizarlos por su corriente asignada para la categoría de servicio AC-3 Arranque y desconexión durante el arranque de motores trifásicos asincrónicos con rotor con jaula de ardilla. El rotor con jaula de ardilla también es conocido como rotor en cortocircuito. En la mencionada tabla 2, estos datos están destacados en color violeta. En la tabla se muestran los datos que el fabricante informa para la corriente de corta duración o de 10 segundos un dato que puede ser importante para el usuario en caso de arranque pesado de un motor. Nótese como varían los datos de un contactor según sea su tamaño constructivo. Es fácil de analizar para los contactores de corriente asignada Ie (AC-3)= 9 A entre el tamaño T0 y el T1. A mayor tamaño mejores prestaciones eléctricas pero menor vida útil mecánica. su mecánica que determina la vida útil mecánica que es la máxima cantidad de maniobras que puede realizar, independientemente de la corriente manejada, antes que su sistema mecánico empiece a fallar. La interrupción de la corriente maniobrada produce un arco eléctrico o chispa durante la apertura. La intensidad de este arco depende de la intensidad de la corriente interrumpida, su factor de potencia (cosphi) y de la tensión aplicada. Este arco eléctrico consume a las piezas de contacto lo que determina la vida útil eléctrica de los mismos. Los fabricantes serios de contactores publican para sus productos curvas de la vida útil eléctrica de sus productos en función de la corriente de desconexión. La figura 3 muestra, para facilitar su entendimiento, sólo el resumen de unos pocos contactores. Vida útil de los contactos de un contactor Los aparatos de maniobra están limitados por dos causas; Tabla 2. Algunas categorías de servicio según IEC Figura 3. Curvas características de algunos contactores. Las curvas muestran la dependencia de la vida útil eléctrica, de los contactos tamaño1 mencionados en la tabla 2, de la corriente de desconexión y de la tensión de alimenta- 16

5 ción del motor; o sea la de servicio de los contactos. En color azul se destacan los valores asignados para la categoría de servicio AC-3 para motores conectados a una red de 400 V, 50 Hz. Para su mejor comprensión analizamos, en la figura 4, el comportamiento de los contactos de un contactor del tamaño constructivo T1, de corriente asignada Ie(AC-3) = 12 A. Conocer claramente este comportamiento es determinante para la correcta selección de los contactores al construir una combinación para la inversión del sentido de giro de un motor trifásico asincrónico. corrientes de desconexión (horizontal) el valor de la corriente que el contactor debe desconectar. En el ejemplo, señalado con líneas azules, suponemos que el contactor trabaja asociado con un motor, en servicio AC-3, de Pn= 5,5 kw= 7,5 CV que toma de la red su corriente asignada, es decir, aproximadamente Ie (AC-3)= 12 A; subimos verticalmente hasta encontrar la curva que corresponde al contactor que nos interesa, a partir de ese punto trazamos una línea horizontal que corta al eje de la vida útil eléctrica en el punto aproximado de maniobras. Según la categoría de servicio AC-4 el mismo contactor puede manejar una corriente de servicio de Ie (AC-4)= 5,5 A; si seguimos el procedimiento anterior vemos que la vida útil eléctrica a esperar es de maniobras, pero dado que en la categoría de servicio AC-4 admite el frenado por contracorriente y el servicio intermitente del motor, por lo tanto el contactor debería ser capaz de interrumpir la corriente de arranque (Ia) del motor. Si suponemos que la corriente de arranque es Ia= 7,2x Ie o sea Ia= 7,2x 5,5 A= 39,6 A. Con una corriente de desconexión de unos 40 A, la vida útil de los contactos del contactor es de sólo maniobras. Para lograr una mayor vida útil eléctrica hay que sobredimensionar al contactor inclusive aumentar el tamaño constructivo. Figura 4. Análisis del comportamiento de los contactos de un contactor. Para este contactor la máxima corriente que puede maniobrar, ocasionalmente, es de 80 A. Aclarando que las escalas de los ejes del gráfico no son decimales sino logarítmicas, buscamos sobre el eje de las 17