sp45_08_motor1

1

1

PROTECCIÓN DE MOTORES ELÉCTRICOS

2

MOTOR ASINCRONICOPrincipio

Estator de 3 arrollamientos, rotor en cortocircuito

Deslizamiento ≈ 0.015

Velocidad de trabajo cerca de la de sincronismo

Motor de anillos rozantes o rotor bobinado

Regulación de velocidad

Variación del torque.

Motor de jaula de ardilla

Simple jaula

Doble jaula

Ranuras profundas

01

Torque motor = k.U²n

UN

Deslizamiento

Torque resistente

2

3

MOTOR SINCRONICOPrincipio

Estator de 3 arrollamientos, al rotor se lo alimenta con una corriente continua

Velocidad Trabajo a la velocidad de

sincronismo

Polos salientes

Polos no salientes (cilíndrico)

N

N

S S

NS

4

PROTECCION DE MOTOR Tipos de fallas

Fallas internas del motorF

Fallas debido a la carga

Fallas debido a la alimentación

Motor asincrónico

580kW, 6 polos, 6300V 50Hz

3

5

Normas

ANSI C37.96-2000

NEMA MG-1

NEC.

IEC 60255-8-17 (modelo térmico)

6

Estadística de fallas

sobrecarga 30% daños del aislamiento 20% fallos de fases 14% daños en cojinetes 13% envejecimiento 10% daños en el rotor 5% otros 8%

4

7

Estadísticas

Los estudios del IEEE y del Electric Power

Research Institute (EPRI) indican que, en

promedio,

33% de las fallas en motores son eléctrica,

31% son mecánicas y

35% son debidas al medio ambiente,

mantenimiento y otras razones

8

Protecciones típicas para motores de MT

49 sobrecarga.

48 secuencia incompleta.

46 desequilibrio de corriente.

37 marcha en vacío.

50 unidad instantánea.

51LR Rotor bloqueado después del

arranque (muchas veces designada

como mechanical jam)

66 número de arranques por hora.

50 GS Unidad instantánea “sensor

de tierra”.

51 GS Unidad temporizada “sensor

de tierra”.

87 diferencial.

38 RTD (protección de rodamientos

y arrollamientos)

49S sobrecarga térmica del estator

5

9

Puntos a tener en cuenta

Corriente y tiempo de arranque.Referencia

–Tiempo de arranque (bomba: 5s, compresor:10s, ventilador: no se puede estimar, molinos: no se puede estimar)

–Corriente de arranque (motor de MT: 6.IN, motor de BT: 8.IN)

10

Puntos a tener en cuenta

Tiempo de rotor bloqueado (tLR)Dato dado por el fabricante (en la placa del

motor).Solicitar al fabricante el (tLR) en frío y en

caliente.Duración: depende del diseño. Los valores

normales varían entre 5 y 25 s, siendo el rango más común entre 15 y 17 s.

6

11

Necesidad de la protección de motores

Premisa: dimensionado, instalados, operados y mantenidos no han de sufrir averías

La frecuencia de averías de los diferentes motores difiere, puesto que depende de las diferentes condiciones específicas de funcionamiento.

Las estadísticas nos muestran que es de esperar unos intervalos de paradas anuales entre el 0,5...4%. La mayoría de los problemas son debidos a sobrecargas.

12

Curva típica de protección

Recomendación:

la curva de

operación de la

protección debe

estar 10% por

debajo del límite

térmico del motor. Curva Tiempo Vs Corriente típica para protección de motores de MT.

7

13

PROTECCION DE MOTORFallas debido a la alimentación

Fallas debido a la alimentación

14

Protección de motorFallas debido a la alimentación Desbalance

Causas : Desbalance de la fuente de energía Pérdida de fase Transposición de las fases

Efectos : Disminución del torque(componente

inversa) sobrecalentamiento del rotor

Solución : Detección de la componente inversa de

corriente (46)

M

46

ID + II

Sincrónico

Asincrónico

8

15

Resultado del desbalance de Voltaje

Las causas pueden ser, por ejemplo:

Líneas de alimentación de la red muy largas

Contactos defectuosos en los interruptores automáticos de potencia y en los contactores

Terminales de conexión flojos

16

Desbalance de Voltaje

El resultado es daño al devanado debido al aumento de corriente en la fase desbalanceada correspondiente

Desbalance de Voltajede 5%

5 % 25%

Aumento de Calorde 25%

9

17


Devanado de motor dañado a consecuencia de desbalance de voltaje

18


IEC y NEMA definen la asimetría de la tensión así:

10

19

Reducción de la potenciapor desbalance

En la Figura se muestran los factores de reducción en la salida de un motor de acuerdo con IEC y NEMA.

20

PROTECCION DE MOTOR Fallas debido a la alimentación Desbalance

Función : Desequilibrio de corriente

(46)

Ajuste : I46 < 15% x INM (o 25% de

desequilibrio) t46 = 3,5 s

M

46

ID + II

Sincrónico

Asincrónico

11

21

Pérdida de Fase

Producida por un fusible quemado o por circuito abierto

La causa principal de falla de motores La corriente aumenta en la “fase” restante

22

Efecto en la Corriente

Gráfico muestra el efecto en la corriente a plena carga en el caso de una pérdida de fase

FaseA

FaseB

FaseC

00.20.40.60.8

11.21.41.61.8

% Curriente a

Plena Carga

NormalPerdida Fase

12

23

Efecto en el Motor

Daño producido en el devanado del motor por pérdida de fase

24

Protección de motor Fallas debido a la alimentación Caída de tensión

Causas : Variaciones de la fuente de energía

Efectos : disminución del torque según U² Disminución de la velocidad Aumento de la corriente y pérdidas

Solución : Detección de un mínimo de tensión

de secuencia directa (27D)

10

U1>U2

M

27D

UI

Torque motor = k.U²n

Torque resistente

Sincrónico

Asincrónico

13

25

Protección de motorFallas debido a la alimentación Caída de tensión

Función 27: Subtensión.

Protección colectiva de motores, es instaladaen la entrada de un CCM

Ajustes : Pick up : 80% Un

Retardo: 2 s

Nota :El 80% se debe a que la mayoría de veces la caída de tensión en el arranque normalmente no excede del 12%. Como las consecionariaspueden tener hasta 7% de caída (añadir: +5% y -7%), se llega a 19%.

M

27D

UI

Sincrónico

Asincrónico

26

PROTECCION DE MOTOR Fallas debido a la alimentación Recierre

Causas : Recierre

Efectos : Riesgo de sobrecorrientes

durante el arranque Riesgo de una ruptura del

acoplamiento Solución :

Detección del mínimo de tensión remanente (27R)

M

27R

U, f

UR , fR

abierto

UR

U

t

Sincrónico

Asincrónico

14

27

PROTECCION DE MOTOR Fallas debido a la alimentación Inversión del sentido de rotación

Causas : Transposición de fases

(luego de una operación de mantenimiento)

Efectos : Sentido de rotación erróneo

Soluciones : Detección de la secuencia

inversa de tensión (47) Detección del mínimo de

tensión de secuencia directa (27D)

M

47 27D

Sentido de rotación inverso

Sincrónico

Asincrónico

28

PROTECCION DE MOTOR Fallas debido a la alimentación Pérdida de alimentación

Causas: Pérdida de alimentación

Efectos: Posible operación como

generador

Solución: Detección de potencia

activa inversa (32P)

Condición normal de funcionamiento

Cargas

M

P

Sincrónico

Cargas

M

P

Alta inercia

P

32P

Pérdida de alimentación

15

29

PROTECCION DE MOTOR Fallas debido a la alimentación Pérdida de sincronismo

Causas : Sobrecarga Tiempo demasiado largo de

eliminación de fallaEfectos :

Oscilación de potencia: el motor opera como generador y luego como motor (4 cuadrantes).

Soluciones : Detección de la pérdida de

sincronismo (78PS)

M

78PS

Sincrónico

30


Fallas internas del motorF

16

31

PROTECCION DE MOTOR Fallas internasFalla de fase

Causas : Pérdida de aislación del estator

Efectos : Riesgo de daño del arrollamiento Riesgo de falla entre espiras Calentamiento local del estator

Soluciones : Sobrecorriente 50/51 Diferencial 87 M Fusibles

M

51

87M

Sincrónico

Asincrónico

32

Caracterítica de la corriente de arranque del motor

17

33

PROTECCION DE MOTOR Fallas internasFalla de fase

Protección instantánea : Empleando fusibles Relé de sobrecorriente sin retardo Diferencial

Con fusibles : INF = INM (Arranque a tensión reducida) –

tipo aM INF = 1,3 x INM (Arranque a tensión plena) –

tipo aMRelé 50 (*):

I50 = 1,1 x 1,6 ILR = 1,76 ILR

Sin retardo (<50 ms)

M

50

87M

Sincrónico

Asincrónico

34

PROTECCION DE MOTOR Fallas internasFalla a tierra

Causas : Pérdida de aislación de la carcaza

Efectos : Calentamiento local del estator Riesgo de daño del circuito magnético Riesgo de daño del arrollamiento

Soluciones : Falla a tierra 50N/51N Falla a tierra direccional 67N(Iso < Icapa)

M

51N51G

Sincrónico

Asincrónico

18

35

PROTECCION DE MOTOR Fallas internasFalla a tierra

Causas : Pérdida de aislación de la carcaza

Efectos : Calentamiento local del estator Riesgo de daño del circuito magnético Riesgo de daño del arrollamiento

Soluciones : Falla a tierra 50N/51N Falla a tierra direccional 67N (Iso < Icap)

M

51N51G

Sincrónico

Asincrónico

36

19

37

38

PROTECCION DE MOTOR Fallas internasFalla del rotor

Causas :

Pérdida de aislación del rotor

Efectos :

Calentamiento local del rotor

Riesgo de daño sobre el arrollamiento del rotor

Soluciones :

Verificación de la aislación por inyección de corriente

M

Ω

Sincrónico

Asincrónico (rotor bobinado)

20

39

PROTECCION DE MOTOR Fallas internasCalentamiento de los cojinetes

Causas : Desgaste Mala lubricación de los cojinetes

Efectos : Calentamiento de los cojinetes

Soluciones : Medición de la temperatura de los

cojinetes mediante sensores de temperatura RTD

M

38/49T

Pt100

Cojinetes

Sincrónico

Asincrónico

40

PROTECCION DE MOTOR Fallas internasPérdida de campo

Causas : Pérdida de la excitación

Efectos : Posible operación como motor

asincrónico Sobrecalentamiento

Soluciones : Detección de máxima potencia

reactiva direccional (32Q) Detección del minimo de

impedancia directa (40)

Sincrónico

M

Q

Condición normal de funcionamiento

M

Q

QPérdida de campo

21

41


Fallas debido a la carga

42

PROTECCION DE MOTOR Fallas debido a la cargaSobrecarga

Causas : La carga impulsada es mayor que

la potencia nominal

Efectos : Sobrecalentamiento (deterioro de

la aislación)

Soluciones : Medición directa de la temperatura

de los arollamientos con sensores de temperatura (49T)

Medición indirecta por la función de sobrecarga térmica (49RMS)

M

49RMS

49T

Pt100Ni100Ni120

Aumento de la carga

Sincrónico

Asincrónico

22

43

IEEE STD 620

Presenta la curva de daño térmico de los motores para tres condiciones:

Rotor bloqueado. Curva de arranque. Sobrecarga en operación.

44

“constante de tiempo”

al tiempo necesario para que un cuerpo que va a pasar de una temperatura inicial θ0 a una temperatura final θ∞ adquiera el 63% del incremento de temperaturas necesario para ; es decir, el tiempo que tardará en alcanzar, partiendo de θ0, la temperatura intermedia θi, donde:

Si hacemos θ0 origen de temperaturas en un momento dado, la temperatura viene dada por:

donde: θ: Incremento

23

45

Función 49T La clase de aislamiento de los motores estipula los límites de temperatura permitidos por el motor.

Como ejemplo, la clase de aislamiento F posee un límite de incremento de temperatura de 105°C y la temperatura máxima permisible para esta clase es de 155°C.

46

Valores sugeridos de alarma y disparo para el ajuste de RTD’s

En función del tamaño del motor, de su tensión y clase de aislamiento.

Basada en la Sección 430.32 (a) (4) del NEC.

24

47

PROTECCION DE MOTOR Fallas debido a la cargaRotor bloqueado

Causas : El torque de la carga es mucho

mayor que el torque motorEfectos :

Calentamiento del rotor y estatorSoluciones :

Limitación del tiempo del rotor bloqueado (51LR)

Medición de la velocidad cero (14)

M

51LR14

Sincrónico

Asincrónico

48

Daño por Rotor Bloqueado

Nota: Las corrientes de Rotor Bloqueado pueden oscilar entre 6 a 10 veces la corriente a plena carga del motor

Bobinados dañados por la corriente de rotor bloqueado

25

49

PROTECCION DE MOTOR Fallas debido a la cargaRotor bloqueado

Función : Rotor bloqueado después

del arranque o atascamiento mecánico (mechanical jam) 51LR

Ajustes : I51LR= (1,5 a 2) x INM

t51LR= 2 s.

M

51LR14

Sincrónico

Asincrónico

50

PROTECCION DE MOTOR Fallas debido a la cargaTiempo de arranque excesivo

Causas :

Sobrecarga durante la operación de arranque

Efectos :

Aumento de las pérdidas

Calentamiento del rotor y estator debido a excesivo tiempo de arranque

Solución :

Limitación del tiempo de arranque (48)

M

48

Sincrónico

Asincrónico

26

51


Esta función debe actuar si el motor no consigue arrancar, el retardo introducido debe permitir arrancar al motor.

I48=(1,5 a 2) INM

1,1 x Tarr < t48 < tLR

Sincrónico

Asincrónico

M

48

52


Sincrónico

Asincrónico

27

53

PROTECCION DE MOTOR Fallas debido a la cargaDemasiados arranques en un tiempo dado

Causas : Demasiados arranques en

un período de tiempo dado debido al proceso

Efectos : Aumento de las pérdidas Calentamiento del rotor y

estator.

M

66

Sincrónico

Asincrónico

54

PROTECCION DE MOTOR Fallas debido a la cargaDemasiados arranques en un tiempo dado

Soluciones : Limitación del N°de arranques (66)

–Arranques por hora–Arranques consecutivos en frío–Arranques consecutivos en caliente

Para el correcto ajuste de esta protección se debe verificar el “data sheet” del motor, el cual presenta el N°de arranques permitidos por hora, en función del régimen de funcionamiento para el cual el motor fue proyectado.

M

66

Sincrónico

Asincrónico

28

55

PROTECCION DE MOTOR Fallas debido a la cargaOperación sin carga

Causas : Funcionamiento en vacio de una

bomba Rotura de la transmisión

Efectos : Disminución de la corriente Riesgo de daño en la bomba No hay riesgo para el motor si hay

rotura de la transmisión (solo el efecto es sobre el proceso)

Soluciones : Detección de mínima corriente (37)

M

37

Pérdida de transmisión

Sincrónico

Asincrónico

56

PROTECCION DE MOTOR Fallas debido a la cargaOperación sin carga

29

57

PROTECCION DE MOTOR Fallas debido a la cargaVerificación de la velocidad de la carga

Causas : Sobrevelocidad o bajavelocidad

Efectos : Riesgo de daño mecánico

Soluciones : Detección de mínima velocidad (14) Detección de máxima velocidad

(12)M

1214

Sincrónico

Asincrónico

58

Motor AsincrónicoEjemplo de selección

Asincrónico Tipo Alta Baja Específica de

Falla potencia potencia la carga

Carga impulsada

Sobrecarga (estator)

Básica 49RMS Sobrecarga térmica

Sobrecarga térmica

Opción 38/49T Temperatura

Excesivo tiempo de aranque

48 Arranque prolongado

Rotor bloqueado 51LR Rotor bloqueado

Pérdida de la bomba Rotura de transmisión

37 Mínimo de corriente

Arranques por hora 66 Número de arranque

Verificación de la velocidad

12/14 Control del proceso

30

59




Alimentación

Desbalance (rotor)

Básica 46 Secuencia inversa Secuencia inversa

Recierre Opción 27R Mínima tensión remanente

Mínima tensión remanente

Caída de tensión Opción 27 Mínima tensión Mínima tensión

(deslastre de carga) 27D Mínima tensión de secuencia directa

Mínima tensión de secuencia directa

Aumento de la tensión 59 Máxima tensión Máxima tensión

Sentido de rotación Opción 47 Dirección de rotación

Cambio de frecuencia Opción 81H Máxima frecuencia Máxima frecuencia

(deslastre de carga) 81L Mínima frecuencia Mínima frecuencia

60




Motor

Cortocircuito Básica 51 Sobrecorriente Sobrecorriente o fusibles

87M Diferencial

Falla a tierra Básica 51N Falla a tierra Falla a tierra

Opción 67N 67N si Icap 67N si Icap

Rotor (bobinado) Básica Vigilohm Vigilohm

Cojinetes Opción 49T Sensores de temperatura

31

61

MOTORES ASINCRONICOSMotor de baja potencia controlado por contactor

Funciones de protección adicionales según el tipo de carga:

Excesivo tiempo de arranque y rotor bloqueado (48/51LR)

Arranques por hora (66) Mínima corriente de fase

(37)

Asincrónico

Ejemplo: bomba 100kW

62

MOTORES ASINCRONICOSMotor de baja potencia controlado por interruptor

Funciones de protección adicionales según el tipo de carga:



(37)

Sepam serie 40 M41 si : Medición de I,U,P,Q 67N 27/59

Asincrónico

Ejemplo: ventilador 250kW

32

63

MOTORES ASINCRONICOSMotor de gran potencia

Asincrónico Funciones de protección

adicionales según el tipo de carga:



(37)

Ejemplo: molino 1MW

64

Motor SincrónicoEjemplo de selecciónTipo Alta Específica de

Falla potencia la carga

Carga impulsada

Sobrecarga Básica 49RMS Sobrecarga térmica

(estator) Opción 38/49T Temperatura

Excesivo tiempo de aranque 48 Arranque prolongado

Rotor bloqueado 51LR Rotor bloqueado

Pérdida de la bomba Rotura de transmisión

37 Mínimo de corriente

Arranques por hora 66 Número de arranque

Verificación de la velocidad 12/14 Control del proceso

Sincrónico

33

65



Alimentación

Desbalance (rotor)

Básica 46 Secuencia inversa

Pérdida de sincronismo Opción 78PS Pérdida de sincronismo

Recierre Opción 27R Mínima tensión remanente

Caída de tensión Opción 27 Mínima tensión

(deslastre de carga) 27D Mínima tensión de secuencia directa

Sentido de rotación Opción 47 Dirección de rotación

Pérdida de alimentación (operación como generador)

Básica 32P Retorno de P

Aumento de la tensión 59 Máxima tensión

Cambio de frecuencia Opción 81H Máxima frecuencia

(deslastre de carga) 81L Mínima frecuencia

Sincrónico

66



Motor

Cortocircuito Básica 51 Sobrecorriente

87M Diferencial

Falla a tierra Básica 51N Falla a tierra

Opción 67N 67N si Icap

Rotor (bobinado) Básica Vigilohm

Pérdida de Campo Básica 32Q Máxima Q direccional

40 Mínima impedancia

Cojinetes Opción 38/49T Sensores de temperatura

Sincrónico

34

67

MOTORES SINCRONICOSEjemplo

Sincrónico Funciones de protección

adicionales según el tipo de carga:



(37)

Sepam serie 40 : Motor de baja potencia

(sin 87M)

Ejemplo: compresor 2MW (prioritario)

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