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El diseño de instalaciones eléctricas y las corrientes de corto circuito.

7/11/2017

 
La Corriente Máxima de Corto Circuito (I”K) es la corriente máxima que circulará en una instalación en caso de falla por cortocircuito. La Capacidad de Ruptura de un Dispositivo de Protección (PdCcc) es la cantidad de corriente que un componente puede interrumpir con seguridad en caso de una falla, y debe ser mayor que I”K. Los componentes de la instalación eléctrica que están protegidos por este Dispositivo de Protección, deben poder soportar sin inconveniente esta corriente (I”K). I”K se aplica a para dimensionar todos los elementos que componen los tableros eléctricos.
La Asociación Electrotécnica Argentina (AEA), en su Reglamentación para la Ejecución de Instalaciones Eléctricas en Inmuebles AEA90364, requiere una protección en los tableros eléctricos para proteger al personal y al equipamiento de los riesgos que surgen en caso de un evento de cortocircuito. Los criterios establecidos por la AEA con este fin son a menudo adecuadamente aplicados en los aparatos eléctricos de protección y los componentes del tableros, pero a menudo se malinterpretan o se aplican incorrectamente.
Esta nota de aplicación reflexiona sobre la necesidad de determinar adecuadamente la Potencia de Corto Circuito) PdCcc, así como describir conceptos básicos para definir una estrategia de dimensionamiento de los elementos de la instalación eléctrica frente a los corto circuitos. Es importante señalar que cada instalación debe considerar sus necesidades y circunstancias específicas al desarrollar esta estrategia para su equipamiento.
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La AEA 90364 indica que “los dispositivos de protección estarán previstos para interrumpir toda corriente de corto circuito que pueda producir daños térmicos y/o mecánicos en los conductores, sus conexiones y en el equipamiento de la instalación”. Sostiene que la corriente de corto circuito máxima será establecida en base a lo informado por la compañía de energía en bornes del medidor y la corriente de cortocircuito máxima presunta, será determinada en aquellos puntos de la instalación que se considere conveniente. Todo dispositivo que proteja a la instalación contra corto circuitos, deberá cumplir con las condiciones de “Regla del poder de corte” y “Regla del tiempo de corte”. Establece que en los tableros se deberá indicar la Intensidad de Corriente de Corto Circuito Máxima. Recomienda que los tableros cumplan con la norma IEC 61439 o IEC 62208 según corresponda.
En caso de un evento de cortocircuito, los dispositivos de protección, como termomagnéticas o interruptores compactos, abrirán el circuito. No es suficiente que estos dispositivos cumplan con “Regla del poder de corte”, es decir I”K ≤ PdCcc . Se deben verificar los conductores con la “Regla del tiempo de corte”.
Los otros dispositivos del circuito, contactores, seccionadores, barras de distribución de energía etc., también soportarán la corriente de falla o al menos una parte de ella. La corriente de falla que estos dispositivos experimentan es la cantidad de corriente y la energía que el dispositivo de protección de sobrecorriente "deja pasar" antes de abrir completamente el circuito (comúnmente denominado "corriente o energía de paso") y los aportes que otros elementos de la instalación puedan realizar, por ejemplo grandes motores.
La magnitud de la corriente de paso variará en función del valor de la corriente de defecto, el tipo de dispositivo de protección, de su corriente nominal y otros factores como las características limitadoras y las regulaciones del dispositivo de protección.
Es importante que los componentes no destinados a interrumpir las corrientes de falla estén adecuadamente coordinados con los dispositivos de protección contra sobrecorrientes, de modo que no sufran daños y no generen riesgos para los usuarios, operadores y la instalación .
La selección de estos componentes se realiza mediante parámetros como: Poder de Cierre, Poder de corte, Intensidad asignada de corta duración admisible (Icw). Se aplican típicamente a componentes que no proporcionan protección contra sobrecorrientes o que retardan su actuación para lograr selectividad. Estos parámetros se establecen y certifican mediante pruebas de cortocircuito reales que validan el valor brindado por el fabricante y las condiciones mediante las cuales se alcanza la clasificación.
La capacidad de los dispositivos para interrumpir o soportar cortocircuitos depende de sus propias características y de factores externos (sección y longitud de los conductores, tensión del sistema, tipo de carga, criterios de diseño, etc.). Estos factores externos se deben determinar y aplicar correctamente para lograr un diseño adecuado de la instalación.
Los tableros de potencia deben tener una indicación de la corriente de cortocircuito que soportan. La IEC 61439-1/2 establece el procedimiento para determinar Intensidad asignada de corta duración admisible (Icw) por el tablero eléctrico en su conjunto, es decir considerando todos sus componentes.

¿Cuál es el riesgo?
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Los tableros con un diseño no acorde a la corriente máxima de cortocircuito, cuando estén sujetos a un evento de cortocircuito pueden exponer al personal y al equipo a graves peligros. En un tablero mal diseñado, es probable que los dispositivos dentro del panel sufran y causen daños en su interior, y también es posible que el daño pueda extenderse fuera del tablero y genere riesgos a los usuarios y operadores de la instalación. Una mala determinación de la corriente máxima de corto circuito puede generar los siguientes peligros:
  • Choque eléctrico y quemaduras
  • Quemaduras asociadas con el arco voltaico (arc flash) y el contacto con superficies calientes
  • Lesiones asociadas con proyección esquirlas
  • Daños en el equipo o en la instalación
  • Arco eléctrico explosivo (ondas de choque, metralla, etc.)
  • Metal vaporizado a altas temperaturas
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Estrategia de diseño para I”k
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Puede ocurrir que los requerimientos de las regulaciones para una protección contra eventos de cortocircuito no se aplican correctamente en la instalación de nuevo equipamiento.
Puede haber una diferencia significativa entre la corriente de falla real disponible y el nivel de corriente de falla que interrumpen o soportan los componentes de los tableros de potencia, poniendo en peligro al personal y el equipamiento. Es conveniente revisar los criterios de diseño y entender las situaciones que pueden hacer más difícil el cumplimiento de la normativa.
La gran mayoría de las instalaciones eléctricas en la Argentina no requieren un permiso especial por parte de autoridades específicas. En estas situaciones, la responsabilidad del cumplimiento de lo indicado en las reglamentaciones pertinentes (Reglamentación de la AEA 90364 y la Ley de Seguridad e Higiene en el Trabajo N° 19587) incumbe al propietario o su agente. Es posible que no conozcan los requisitos de la corriente máxima de corto circuito que puede soportar el equipamiento ni el nivel de corriente de falla disponible que está presente donde está instalado el equipo. Como resultado, el equipo se instala a menudo sin verificar que exista una protección adecuada contra un evento de cortocircuito.
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Problemas asociados
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Hay varios aspectos a tener en cuenta para una determinación adecuada de la corriente máxima de corto circuito y el equipamiento para soportarla. Es común que se encuentren las siguientes situaciones:
• Desconocimiento de los requerimientos de las normas pertinentes.
• No se conocen los niveles de corriente de falla.
• Equipamiento existente no soporta la corriente máxima de corto circuito.
• Falta de requerimiento de corriente de corto circuito en las especificaciones.
• Dificultad para verificar la corriente de corto circuito que soportan los componentes los de tableros.
• Incremento de los niveles de corriente de falla disponibles por cambio de equipamiento.
Falta de conocimiento de los requerimientos de las normas pertinentesLos requisitos que los tableros y sus componentes eléctricos deben satisfacer están establecidos en la reglamentación AEA 90364. Sin embargo, muchos pueden no comprender plenamente los requisitos, la terminología, los métodos de evaluación o las implicancias.
Niveles de corriente de falla disponiblesLos estudios de corriente de falla a veces se realizan durante el diseño de las instalaciones de distribución eléctrica (tales como Tableros Generales de Baja Tensión), pero a menudo se ignoran en el equipamiento aguas abajo. El cálculo de la corriente de falla disponible puede ser complejo, lo que puede requerir el soporte de herramientas de cálculo y / o un tercero cualificado para realizar esta tarea, o incluso mediciones de campo.

Falta de requisitos en las especificaciones
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Muchas de las especificaciones suministradas a los fabricantes o instaladores de equipamiento eléctrico carecen de un requisito mínimo de corrientes de corto circuito. Por lo tanto a menudo se proporciona un diseño estándar del equipamiento por defecto de corriente de corto circuito del orden de los 3, 4.5 o 6kA. Muchos fabricantes no están seguros de qué nivel corto circuito deben normalizar, ya que la corriente de falla disponible varía para cada sitio de instalación. Una vez instalado, a menudo es muy difícil y costoso elevar el nivel de corto circuito que el equipamiento puede soportar o interrumpir.
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Dificultad para verificar la I”k que soportan los componentes los tableros eléctricos​
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A menudo, los proyectistas de equipamiento eléctrico tienen cierto grado de dificultad para certificar las corrientes de cortocircuito que pueden soportar o interrumpir los diferentes elementos que utilizan en sus tableros eléctricos. Disponer de certificaciones puede resultar en incrementos de costos de diseño y demoras en el proyecto. Los ingenieros que no tienen acceso a la información completa de la I”k a menudo toman decisiones de diseño que resultan en especificar dispositivos que son más grandes de lo necesario para la aplicación y resultan en mayores costos de materiales y posiblemente en un recinto más grande. Es importante que se apliquen las soluciones de los componentes correctos para lograr satisfacer los requerimientos frente a corto circuitos de una manera eficiente.
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Cambios en el sistema de distribución eléctrica​
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El nivel de corriente de falla está influenciado por una gran cantidad de factores. Los cambios dentro del sistema de distribución eléctrica pueden elevar o reducir los niveles de corriente de falla disponibles aguas abajo. La corriente de falla disponible está sujeta al tipo de conexión a la red en el punto de falla. Algunos cambios que producen beneficios positivos para la eficiencia de la distribución eléctrica o la capacidad de suministro eléctrico pueden aumentar inadvertidamente los niveles de corriente de falla disponibles. Por ejemplo, reemplazar un transformador de potencia aguas arriba con una mayor potencia o mayor eficiencia, producirá un incremento en la corriente de corto circuito disponible. Otro ejemplo podría ser la sustitución de conductores eléctricos con conductores de mayor sección o un ducto de barras más eficiente (con menor impedancia). Un ejemplo más común de cambiar los niveles de corriente de falla disponibles es reubicar el equipo existente dentro de la instalación a un lugar con menos impedancia de circuito total. Cualquiera de los ejemplos anteriores puede dar lugar a una corriente de falla disponible más alta. El diseño de las instalaciones debe tener en cuenta los cambios futuros que pueden aumentar los niveles actuales de falla.

Estrategias de diseño para la determinación de la I”k de una instalación

Hay dos casos principales que deben tenerse en cuenta al determinar una estrategia para el equipamiento frente las corrientes de corto circuito:

• Equipamiento ya instalado
• Nuevo equipamiento


Las soluciones para resolver estos casos pueden variar en el enfoque y los costos de implementación. Todos los aspectos que influyen en los niveles de corriente de falla disponibles y las características del equipamiento deben ser cuidadosamente considerados para cada sitio y situación. No debe pensarse que una metodología particular funcionará igualmente bien en todas las situaciones. Sin embargo, pueden aplicarse ciertos conceptos que resultan en el desarrollo de una estrategia para la determinación de especificaciones que proporcionará protección a los empleados y al equipamiento teniendo en cuenta las necesidades inmediatas y futuras. Para esto, es recomendable:
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• Determinar los niveles reales de corriente de falla disponibles. Esto incluye la corriente de falla disponible en cada lugar haya equipamiento instalado y en los diferentes puntos de red de distribución eléctrica, tales como tableros principales y de distribución. Eaton ofrece el programa Xspider, una herramienta para el cálculo de corto circuitos (http://www.xspider.eaton.eu/index.php?id=2)
• Considerar los factores que pueden afectar los futuros niveles de corriente de falla, como: Necesidades futuras de energía que resultan en un aumento en el tamaño de transformadores o fuentes de alimentación aguas arriba; Mejora en la eficiencia del transformador o fuente de alimentación aguas arriba; Incremento de la sección de conductores en el sistema de distribución eléctrica; Disminución de la longitud del conductor; Instalación de cargas que aporten a las corrientes de corto circuito, como motores eléctricos, entre otros.
• Considerar soluciones típicas para resolver la insuficiencia de un equipamiento frente a las corrientes de orto circuito y su implementación. Tales soluciones pueden incluir la instalación de un transformador de aislación aguas arriba del equipamiento con una corriente de corto circuito inadecuado. Pueden utilizarse otras formas de impedancia.
•Agrupar tipos de equipamiento por su demanda de energía o por su ubicación. Por ejemplo, equipos con alta demandas de potencia con mayores niveles de I”k . Es probable que estos tipos de equipos tengan mayores necesidades de protección frente a los corto circuitos que otros equipamientos. Equipamientos como los de HVAC, pueden estar ubicados sin inconveniente lo suficientemente lejos de la fuente de energía más cercana de manera que la corriente de falla disponible sea menor.
• Especificar que los proveedores o instaladores de equipamiento proporcionen documentación detallada de la resistencia de los mismos frente a los corto circuitos. Los interruptores compactos, termomagnéticas, protecciones diferenciales, contactores, relés térmicos, seccionadores tienen claramente indicado sobre el producto y en la información técnica asociada las características frente a los corto circuitos.
• Requisitos de documentación. La documentación es un paso crítico en la comunicación de los requerimientos para las corrientes de corto circuito del equipamiento tanto para los proveedores como al personal. La documentación debe considerarse en forma de especificaciones para el proveedor, procedimientos relacionados con el mantenimiento o la gestión que podría afectar el nivel corrientes de corto circuito de la instalación para el personal de la empresa. Etiquetas que indican la corriente de falla disponible (la fecha de estimación) y los requisitos mínimos del equipamiento frente al corto circuito, incluyendo equipamiento aguas abajo. Considere colocar estas etiquetas en cada punto del sistema de distribución eléctrica donde se pueda instalar equipamiento, como un tablero de distribución o un transformador.
• Manuales de operación y mantenimiento del equipo incluyendo texto específico que impide la sustitución de componentes que pueden invalidar la resistencia al corto circuito del equipamiento y posiblemente anular su garantía.
• Documentación de capacitación para el personal de mantenimiento y otros.
• Capacitar al personal apropiado sobre los requisitos reglamentarios, y los estándares de la compañía con respecto de las corrientes de corto circuito
 ​                                                                      Conclusión 
La AEA reconoce la necesidad de proveer una adecuada protección contra los eventos de corrientes de corto circuito en las instalaciones eléctricas. Esto solo puede lograrse entendiendo las corrientes de falla disponibles, comunicando estos requerimientos al personal y a los proveedores de equipamiento y una correcta selección de los componentes en los tableros eléctricos. La ejecución de una buena estrategia de diseño para las corrientes de corto circuito proveerá la protección requerida a los usuarios, los operadores y la instalación.  

Protección de Motores IE3

11/9/2017

 
Introducción

En el campo de la producción industrial, los motores eléctricos constituyen aproximadamente dos tercios del total de la energía consumida por el sector.
Se calcula que las tecnologías en el uso de unidades de control y motores podrían reducir significativamente el consumo de energía y en consecuencia de emisiones de CO₂, es decir promoviendo iniciativas destinadas a alcanzar un mayor respeto con el medio ambiente.

La Unión Europea ha reconocido estas ventajas y emitió el Reglamento (CE) Nº 640/2009 de la Comisión relativo a los motores eléctricos.
Esta regulación requiere al sector industrial aumentar constantemente la eficiencia de los motores.
El resultado es que el uso de eficiencia motores IE3 (o motores IE2 combinados con sistemas de control de velocidad) podría convertirse en obligatorio.

Con el fin de poder alcanzar niveles cada vez más altos de eficiencia energética, los motores asíncronos estándar han tenido que someterse a una serie de cambios. Y esto no sólo ha tenido un amplio impacto en los propios motores, sino también en los componentes y los correspondientes sistemas de protección del motor.
En relación con motores eléctricos uno de los objetivos de la política medioambiental de la Unión redujo significativamente sus emisiones de gases de efecto invernadero y su consumo de energía.

La UE se compromete a lograr lo siguiente en 2020:
  • Reducir las emisiones de gases de efecto invernadero el 30%.
  • Incrementar la participación de las energías renovables el 20%.
  • Aumentar la eficiencia energética en el 20% en general.

Por su parte, el Reglamento (CE) nº 640/2009 establece niveles mínimos de eficiencia para una amplia variedad de motores asíncronos trifásicos de baja tensión. Este tipo de motor está muy extendido en el comercio y la industria.

Las clases definidas en la norma IEC 60034-307 para motores de inducción son las siguientes.
  • IE1: eficiencia estándar
  • IE2: alta eficiencia
  • IE3: eficiencia premium
  • IE4: super premium


Reformas en el diseño del motor por la categoría IE3

Los cambios afectan a las características eléctricas de los motores, entre las cuales se señalan, cables más gruesos en el bobinado magnético del estator, barras de rotor más gruesas como también anillos de cortocircuito que aumentan la resistencia. También una laminación optimizada reduce las pérdidas de carga y de histéresis. Todos estos cambios significan que los motores de alta eficiencia disponen de niveles de inductancia, que deriva que las pérdidas de cobre (Pv = I²R) sean menores.
Esto a su vez hace que las corrientes de arranque de los motores sean más altas. En consecuencia los contactores, interruptores de protección y dispositivos de arranque requerien modificarse.
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Impacto de corrientes de arranque más altas en dispositivos de protección


Eaton, como uno de los principales expertos mundiales en seguridad de conducción, conmutación y protección de motores, ha desarrollado recientemente un estudio para examinar de cerca el comportamiento de estos dispositivos. Para comprobar cómo los cambios de diseño en los motores IE3 afectaría a sus dispositivos de protección, la empresa llevó a cabo pruebas utilizando motores IE3 de varios fabricantes conocidos.

Una comparación entre los resultados del estudio y las especificaciones técnicas de los modelos probados reveló que las corrientes de arranque medidas durante las pruebas fueron mayores que las especificadas por los fabricantes . Además, los ensayos mostraron que dichas corrientes de arranque eran más altas que las de los motores IE2, e incluso 1,25 veces más altas que las corrientes de arranque de los motores IE1.
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Las corrientes de arranque más altas que caracterizan a los motores IE3 también han llevado a los comités responsables a comenzar a discutir el cambio a una norma importante: IEC / EN 60947. El cambio consistire en aumentar los factores iniciales mínimos requeridos para los dispositivos de protección. La norma IEC / EN 60947 describe las características de diseño, las propiedades funcionales y las pruebas de dispositivos de baja tensión, y a su vez su contenido se reproduce en la norma alemana VDE 0660.

Desafíos para los fabricantes de dispositivos de conmutación y protección

Los desarrollos que se han señalado obligan a los fabricantes de dispositivos de conmutación a revisar y optimizar sus productos. Por ese motivo, Eaton realizó un estudio para probar sus contactores y protecciones de motores en arranques directos y estrella-triángulo, para comprobar si estaban preparados para la categoría IE3, asegurándose de probarlos en combinación con arrancadores suaves y convertidores de frecuencia.
Además, el estudio también se utilizó para probar el funcionamiento de los interruptores automáticos de protección de motores.

A continuación se describe el impacto que las corrientes de arranque más altas tenían sobre los diversos dispositivos de conmutación y protección, así como posibles soluciones.
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• Contactores

Los ensayos revelaron que los contactores deben ser optimizados para las corrientes de arranque más altas que presentn los motores IE3. Una posible solución es aumentar la fuerza de presión de contacto. En este caso, el desafío es encontrar y asegurar un equilibrio ideal entre una energía necesaria para el accionamiento lo suficientemente baja (eficiencia energética) y una mayor fuerza de presión de contacto (seguridad) para que las corrientes de arranque más altas de los motores de alta eficiencia no planteen tampoco un problema.

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• Interruptores electromagnéticos y electrónicos de protección del motor

A pesar de las corrientes de arranque más altas, no hubo ningún disparo intempestivo durante las pruebas. Sin embargo, las tolerancias actuación magnética deben tenerse en cuenta dentro del rango de intensidad de pico de arranque, ya que debido a estas tolerancias pueden producirse actuaciones inoportunos.
Con el fin de evitar dichos fallos cuando se arranca un motor, se debe aumentar el umbral de respuesta de la actuación por cortocircuito. Dependiendo de la gama de corriente en cuestión, esto puede hacerse usando un resorte más fuerte o ajustando un punto de disparo más alto para la actuación del disparo magnético. También puede lograrse desplazando hacia arriba la curva característica de disparo en las protección electrónicas para cortocircuito (bloque de disparo) modificando el transformador de corriente, o haciendo modificaciones en el hardware electrónico y / o software (característica de disparo).

¿Qué deben tener en cuenta los usuarios al seleccionar los dispositivos de protección?

La mayoría de los cambios producidos por la implementación de los motores IE3 son de interés principalmente para los fabricantes de motores eléctricos y dispositivos. Sin embargo, los usuarios de estos motores también deben tener en cuenta ciertas consideraciones al intentar seleccionar los aparatos de protección y maniobra adecuados. Por ejemplo, las tolerancias de los disparos magnéticos antes mencionados dentro del rango de intensidad de pico de arranque, ya que estas tolerancias pueden alcanzar incrementos de hasta 20%. Para asegurarse de que la característica de disparo y la característica del motor no se crucen a pesar de las corrientes de arranque más altas (lo que daría lugar a un disparo inoportuno), los dos deben equilibrarse de antemano. Herramientas como el programa Eaton's Curve Select pueden resultar invaluables dentro de este contexto. Además, los usuarios deben asegurarse de que los dispositivos de conmutación y de protección utilizados en aplicaciones con motores de alta eficiencia estén realmente preparados para IE3.

En consecuencia, es importante tener mucho cuidado cuando se seleccionan proveedores de dispositivos de protección y sólo se usen productos que han demostrado cumplir con los nuevos requisitos. Adicionalmente Eaton presenta una práctica herramienta de selección: "Motor Starter Configurator" con una función que permite a los usuarios estar absolutamente seguros de que sus productos están preparados para IE3. En pocas palabras, esto hace que sea un juego de niños encontrar la solución de arranque de motor adecuada para cualquier aplicación.

Por último, los usuarios deben utilizar productos de marcas confiables. La razón de esto es que sólo con fabricantes reconocidos se puede garantizar la realización de suficientes pruebas para asegurar que sus productos están preparados para IE3. Además, se recomienda elegir únicamente contactores y protecciones de motores probados en aplicaciones IE3. Esto es especialmente importante en los contactores y contactores especiales que se encuentran en aplicaciones como sistemas de calefacción e iluminación y motores con frecuencias de conmutación más bajas no tienen una fuerza de presión de contacto suficientemente grande, lo que significa que no son adecuados para arrancar motores IE3. Las herramientas de selección, como las proporcionadas por Eaton, son la manera perfecta de evitar cometer un grave error.

Límites de disparo más altos

Después de exhaustivas pruebas, Eaton ha optimizado sus contactores DIL y sus interruptores automáticos PKZ y PKE, según se requiera para los nuevos retos que IE3 impone al motor. Con el fin de garantizar niveles máximos de fiabilidad y seguridad, los expertos en soluciones de protección de motores han aumentado el umbral de respuesta para cortocircuitos.
Como el factor de inicio anterior de 8 (corriente de arranque a corriente de funcionamiento), tal como se especifica actualmente en DIN EN 60947-4-1 no fue suficiente para motores IE3, Eaton ha aumentado el factor de partida de sus productos a valores de 12 a 15,5 para establecer un margen de precaución, y ser capaz de garantizar que sus dispositivos serán a prueba de exigencias a futuro.
Por otra parte, la compañía ha perfeccionado un delicado equilibrio con sus contactores, que tienen una potencia de retención que es lo más baja posible para optimizar la eficiencia energética, sin dejar de poder conmutar con seguridad las corrientes de arranque más altas que caracterizan a los motores IE3.


Identificación clara

Tanto los contactores de la serie DIL como los interruptores automáticos de las líneas de productos PKZ y PKE son una opción perfecta para el funcionamiento seguro de los motores IE3.
Y para que los usuarios puedan seleccionar sus productos con mayor facilidad, la empresa está utilizando una etiqueta que indica claramente que estos productos están "preparados para IE3". Además, la etiqueta es particularmente importante, porque la construcción de máquinas está implementando gradualmente motores de mayor eficiencia. Y aquí es donde la etiqueta puede ayudar a evitar el error costoso de usar componentes totalmente inadecuados para motores tipo IE3.


Una solución global para todos los casos

Eaton es uno de los primeros fabricantes en ofrecer una solución que ha demostrado satisface los requerimientos de los motores IE2 e IE3 en todo el mundo. En otras palabras, el uso de productos Eaton garantiza que los usuarios no tienen que preocuparse de averiguar qué productos deben utilizarse según la clase de eficiencia energética del motor. Además, el hecho de que una sola línea de productos cubra tanto las aplicaciones IE2 como IE3 elimina la necesidad de trabajos adicionales de ingeniería y almacenamiento.


A prueba de futuros cambios

Actualmente se está trabajando en un proyecto de norma para la actualización de la norma IEC/EN 60947-4-1 para motores IE3.
Esta es la razón por la cual los dispositivos de protección de Eaton están diseñados como unidades a prueba futura, garantizados para satisfacer cualquier nuevo requisito añadido a las normas pertinentes.
Esto también significa que los usuarios no tienen que preocuparse por complejidades adicionales de ingeniería, ya que Eaton se ha encargado de todo el trabajo de desarrollo para evitar estos problemas.

                                                                  Conclusión

Durante más de 100 años, una de las principales competencias de Eaton ha sido el desarrollo de equipos de conmutación de calidad, incluyendo contactores, arrancadores de motores e incluso sus nuevos variadores de velocidad variable PowerXL DE1 (VSS) y PowerXL. Eaton, uno de los principales fabricantes de conmutadores del mundo, no sólo ha probado exhaustivamente su gama de productos para asegurarse de que son adecuados para su uso con motores de eficiencia premium IE3, sino que también ha tomado todas las medidas necesarias para garantizarla.

Los factores humanos en el diseño de un panel de control

10/7/2017

 
​Consejos básicos para hacer que los paneles sean más fáciles de usar con menos errores.

                                                                                                     Introducción
Sumergidos en la era de los microprocesadores, se pierde la importancia y la necesidad de seguir operando los equipamientos usando elementos discretos, como pulsadores, selectoras etc. montados en paneles. En algunos casos, estos elementos son controles críticos relacionados con sistemas de seguridad que sirven como respaldo para el control basado en microprocesador. El mal funcionamiento de estos elementos  puede traer consecuencias importantes para la seguridad de las personas, el medio ambiente y la integridad del equipo.
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​                                     Demarcación y Etiquetado Jerárquico

A pesar de su importancia, el diseño de los paneles cableados usualmente recibe poca atención desde  una perspectiva de los factores humanos. Si bien el panel debe ser diseñado considerando su uso previsto, hay algunos elementos básicos en el diseño que mejoran su utilización. Estos conceptos básicos implican cómo los seres humanos estamos preparados para procesar la información. Al combinar mejor el diseño con nuestras características inherentes de procesamiento, un diseño es más fácil de usar. Dos técnicas básicas para mejorar el diseño del panel son la  demarcación y el etiquetado jerárquico.
La demarcación ayuda a procesar la información al descomponer la interfaz en trozos, de manera que se hace más fácil de procesar. La memoria humana a corto plazo, nuestro procesamiento consciente, es un sistema de capacidad limitada. Podemos manejar unos siete grupos de información. Mediante la demarcación, colocar líneas alrededor de elementos relacionados, se facilita el procesamiento de la información permitiendo que todos los controles y señales unidos con líneas sean considerados como un grupo. Por otro lado el etiquetado jerárquico ayuda al procesamiento de la información, compatibilizando la forma en que los seres humanos almacenamos información. Una vez que una sección importante ha sido identificada y etiquetada, dicha información no necesita repetirse en las etiquetas dentro de esa sección o subsección. Creando etiquetas maestras se eliminan la necesidad de repetición en etiquetas individuales mediante el uso de fuentes más grandes para aumentar la legibilidad. La transferencia de información, bits por superficie, se incrementa. El tiempo de exploración del operador se reduce, ya que cada etiqueta no necesita inspeccionarse para colocar el interruptor o la señal luminosa en contexto en cuanto a su función y uso.
​                                                    
​                                                      Ejemplo de uso

Como caso de ejemplo consideraremos el de un panel de aislamiento de emergencia para un proceso con un catalizador altamente tóxico. El diseño original era una matriz de 8 filas por 16 columnas de pulsadores y señales luminosas. Se utilizaron los mismos tipos de botoneras, todos pulsadores, aunque con diferentes funciones, por ejemplo: (1) iniciación de un programa y (2) apertura / cierre de una válvula. Había algunas demarcaciones menores, con el panel dividido en tres áreas, aunque estas áreas eran de forma irregular. Con este diseño, el panel requería de una atención considerable para la operación de los controles e indicadores.
Figura 1
Figura 1
​Un examen de los grupos reveló posibilidades adicionales para la agrupación, lo que permitió el uso de un etiquetado más jerárquico. Sin embargo, para hacer grupos limpios, el panel no tenía suficiente espacio con los tipos de botoneras seleccionados en el diseño original. Dado que no se podía cambiar el tamaño del panel, la alternativa era utilizar botoneras de distinto tipo. Dado que los controles de las válvulas eran de naturaleza binaria (abierto / cerrado), se cambiaron los pulsadores por selectoras de dos posiciones. Esto permitió que una selectora tuviera la ​funcionalidad de dos pulsadores, utilizando la mitad del espacio. El resultado es el panel que se muestra en La Figura 2
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Figura 2
​El panel rediseñado puede procesarse rápidamente de una sola mirada. El panel ha sido desglosado tanto horizontal como verticalmente.  Con esta distribución está claro cuáles son las selectoras y pulsadores para las válvulas y cuáles son para el proceso. El usuario puede centrarse rápidamente en la sección de interés,  sin distraerse en otras secciones. La demarcación y el etiquetado jerárquico permiten al usuario identificar las secciones de interés rápidamente e ignorar las que no lo son. No es necesario leer cada etiqueta para entender las funciones que corresponden a cada sección. El cambio en las etiquetas individuales se ve en la Figura 3. El número de botonera se ha eliminado y la etiqueta coincide con la nomenclatura utilizada por el equipo. La función del pulsador o selectora y el sistema a afectar son manejados por las etiquetas de cada sección. La fuente es aproximadamente dos tercios más grande que en el diseño original, permitiendo la identificación desde mayor distancia o con menor iluminación.
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Figura 3
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                                                                                                    Conclusión
Los paneles de botoneras se utilizan usualmente en ambientes agresivos o donde la seguridad son críticos. Asegurar un uso apropiado del panel requiere un diseño que considere los factores humanos. Dos técnicas básicas para asegurar un uso sencillo son las de demarcación y etiquetado jerárquico. Si bien no son los únicos principios del diseño basado en factores humanos, son un buen comienzo. Ambos permiten un procesamiento más rápido  de como interactuar con el panel, mejorando la transferencia de información entre el operador y el panel. 

Selección de sistemas de arranque para motores asincrónicos trifásicos

1/4/2014

 
En general se nos suelen presentar dudas al momento de elegir cual es el mejor sistema para arrancar un motor asincrónico trifásico ya que no solo depende de la carga nominal del motor sino también de otras variables como por ejemplo Tipo de Coordinación (definidas por la norma EN 60947-4-1), cantidad de arranques por hora, e inclusive las características del régimen de funcionamiento, de arranque y parada de ese motor.
Diferentes formas de arrancar un motor:Las distintas aplicaciones precisan distintos requisitos en cuanto a los accionamientos eléctricos:
  • En el más simple de los casos el motor se conecta con un contactor electromecánico. La combinación de protección de motores y protección de línea se denomina arranque directo de motor. Ofrecen un alto par de arranque, con altos picos de corrientes de arranque y un fuerte stress mecánico.
  • En el arranque estrella-triángulo, se producen picos de corriente e impactos mecánicos inferiores al arranque directo.
  • Los arrancadores suaves ofrecen un arranque que minimiza aún mas los picos de corriente y los impactos mecánicos, como el golpe de ariete.
  • Las exigencias para una velocidad con regulación controlada o un ajuste del par condicionado por la aplicación se resuelven con convertidores de frecuencia.
En general rige lo siguiente: “La aplicación define el accionamiento”.
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En este artículo vamos a ocuparnos de los arranques directos y los arranques estrella triángulo con las alternativas que ofrece Eaton para su implementación.


Arrancadores de motor directo e inversores de marcha con la técnica de combinación
Las combinaciones de arrancador de motor MSC están disponibles hasta 32 A. Los arrancadores de motor hasta 12 A están formados por un interruptor protector de motor PKZM0 y un contactor DILM. Ambos se unen mediante un módulo de conexión mecánico enchufable sin herramientas. Además, mediante una conexión eléctrica enchufable se crea el cableado del circuito principal. El interruptor protector de motor PKZM0 y los contactores DILM hasta 15 A poseen en este caso las correspondientes interfaces.
Las combinaciones de arrancador de motor MSC a partir de 16 A constan de un interruptor protector de motor PKZM0 y un contactor DILM 17 a DILM 32. Los dos están montados sobre una placa de carril DIN y están unidos con un módulo de conexión mecánico y eléctrico. Los MSC pueden ser arrancadores directos MSC-D y arrancadores inversores MSC-R. La ventaja de este sistema, consiste en que a base de elementos standard se logra una arranque directo o inversor de marcha muy compacto y sin necesidad de conexiones eléctricas manuales.
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Arrancadores de motor directo, inversores de marcha y combinaciones estrella triángulo a base de conjuntos contactor guardamotor.Estos conjuntos se resuelven usualmente, con conjuntos guardamotor - contactor o conjuntos fusibles - contactor - relé de protección térmica.
Los guardamotores o interruptores protectores de motor PKZM0 y PKZM4 ofrecen mediante los relés bimetálicos retardados en función de la corriente, una solución técnica probada para la protección de motores. Los disparadores son sensibles a defecto de fase y compensados en temperatura. Las intensidades asignadas en el PKZM0 hasta 32 A están distribuidas en 15 márgenes y en el PKZM4 hasta 63 A en 7 . Mediante los disparadores de cortocircuito, regulados fijos a 14 x Iu, permiten proteger con seguridad el cable de alimentación y el motor. El arranque del motor también se garantiza en todas las situaciones de servicio. La protección contra falta de fase de los PKZM0 y PKZM4 hace posible la utilización de motores EExe. 
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Bajo demanda puede presentarse una certificación ATEX. Para la protección de motores se regulan los interruptores protectores de motor a la intensidad asignada de motor. Los siguientes accesorios completan el interruptor protector de motor en las distintas subfunciones:
  • disparador de mínima tensión U,
  • disparador shunt A,
  • contacto auxiliar normal NHI,
  • señalizador de disparo AGM.
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Los Contactores de potencia DILM se fabrican y verifican según IEC/EN 60 947, VDE 0660. Se dispone de un contactor adecuado para cada potencia asignada de motor entre 3 kW y 560 kW. Debido a los nuevos accionamientos electrónicos, los contactores DC de 17 a 65 A poseen una potencia de retención de tan sólo 0,5 W. Incluso para 150 A sólo se necesitan 1,5 W. las conexiones de bobina se han dispuesto en la parte frontal de los contactores, evitando que estos bornes se cubran con el cableado del circuito principal o de potencia. Por su reducido consumo, ​
los contactores DILA y DILM hasta 32 A pueden accionarse directamente desde las salidas a transistor de un PLC. En todos los contactores DC (de corriente continua) DILM se ha incorporado un módulo de protección en el sistema electrónico. Para los contactores DILM7 a DILM150, se dispone de bornes de brida dobles. éstos proporcionan seguridad sin ningún tipo de compromiso para distintas secciones de cable.
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Los relés térmicos o de sobrecarga, pertenecen al grupo de los dispositivos de protección en función de la corriente. Supervisan la temperatura del devanado de motor indirectamente a través de la corriente que fluye por los cables de alimentación, ofreciendo una protección eficaz y a bajo coste contra daños causados por: rotor bloqueado, sobrecarga y defecto de fase. Este tipo de relé permite rearme manual o automático. Siempre que se disponga circuitos de comando con mando permanente, por ejemplo pulsadores con retención, presostatos, interruptores de posición etc. debe utilizarse la protección térmica con rearme manual, para impedir la reconexión automática. El rearme automático sólo se han de utilizar con mando por impulso (p. ej. pulsadores), ya que, de este modo, tras el enfriamiento de los bimetales ya no es posible una reconexión automática. Los relés térmicos precisan de un elemento de protección fusible o un interruptor automático, ​
tanto para proteger contra los efectos de cortocircuitos como para la protección del motor y del relé. Su tamaño máximo se indica en cada relé y debe tenerse en cuenta obligatoriamente. Los relés y disparadores bimetálicos disponen de devanados térmicos que actúan por calentamiento. Las corrientes de conexión y de desconexión del motor circulan a través de relés. Dependiendo de la categoría de empleo y del tamaño del motor, estas intensidades oscilan entre 6 y 14 x Ie (intensidad asignada de empleo).
Eaton ofrece una completa línea de relés temporizadores electrónicos, los que se utilizan en las maniobras de contactores en las que se exigen tiempos de retorno reducidos, buena precisión de repetición, elevada frecuencia de maniobra y alta longevidad del aparato. 
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En el caso de los arranques estrella triángulo, una solución para el comando de los contactores es utilizar un temporizador ETR4-51, con una ​función en la que cuando la tensión de accionamiento Us se aplica a A1 y A2, el contacto instantáneo pasa a la posición 17-18. Una vez transcurrido el tiempo regulado, el contacto instantáneo se abre; el contacto temporizado 17-28 se cierra tras un tiempo de transición tu de 50 ms., como se puede observar en la figura.

Resistencia a los cortocircuitos de los circuitos principales
En las denominadas coordinaciones de tipo (1 y 2), según IEC/EN 60947-1, se define el comportamiento admisible de arrancadores en condiciones de cortocircuito. En los aparatos de protección se indica qué tipo de coordinación de tipo pueden garantizar.

Coordinación tipo 1
En condición de cortocircuito, el material no debe causar daños a personas e instalaciones. No debe existir proyección de materiales encendidos fuera del sistema de arranque. Son aceptados daños en el contactor y el relé de sobrecarga; el arrancador puede quedar no operativo. El relé deberá ser reseteado para poner en marcha nuevamente el sistema. La combinación de arrancador de motor desconecta con seguridad la intensidad indicada de cortocircuito Iq. Ni personas ni instalaciones corren ningún peligro, tras una desconexión por cortocircuito será necesario verificar el sistema de arranque antes de una nueva puesta en marcha, si fuera necesario deberá cambiarse el contactor de potencia DILM y el relé de sobrecarga térmica Z

Características de los arranques:
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El arranque directo, presenta las características que se muestran a continuación. La tensión de alimentación es la de red (por ej. 380 VCA), desde el momento de la conexión. La corriente corresponde a la característica del motor. En el caso del arranque Estrella Triángulo, se aplica durante el tiempo de conexión de estrella una tensión fase-neutro inferior a la nominal (por ej. 220 VCA), que reduce consecuentemente la corriente y el par de arranque, respecto del arranque directo. Luego de este instante inicial de conexión en estrella, se conmuta a triángulo y la tensión aplicada es la nominal, de línea o fase-fase (por ej. 380 VCA).
Coordinación tipo 2
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En condición de cortocircuito el material no deberá ocasionar daños a las personas e instalaciones. No debe existir proyección de materiales encendidos fuera del sistema de arranque. El relé de sobrecarga no deberá sufrir ningún daño. Los contactos del contactor podrán sufrir alguna pequeña soldadura fácilmente separable, en cuyo caso no se reemplazan componentes, salvo fusibles si los hubiera. La combinación de arrancador de motor desconecta con seguridad la intensidad indicada de cortocircuito Iq . Ni personas ni instalaciones corren ningún peligro, tras su verificación, el sistema de arranque puede ponerse nuevamente en marcha, sin necesidad de cambiar ningún elemento.
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Solución Eaton
Para poder elegir los componentes de un sistema de arranque para motores asincrónicos Eaton propone ingresar al siguiente link:

http://www.moeller.net/en/support/slider/motorstarter_en.jsp
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Donde veríamos la siguiente pantalla:
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Tenemos la posibilidad de elegir arranque directo (Direct-on-line starter) u estrella triángulo (Star-delta starter). Seleccionando, a modo de ejemplo la opción de un arranque estrella triángulo y una coordinación tipo 1, obtenemos como resultado
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Si seleccionamos la opción de 7,5 kW asumiendo que queremos arrancar un motor de 10 Hp, podemos observar la siguiente pantalla:
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Con lo cual obtenemos las dos variantes posibles y el listado de componentes con sus códigos Eaton para cada caso.


CONCLUSIÓN
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Aún considerando que es indispensable contar con un acceso a internet, esta herramienta es altamente provechosa ya que nos permite con un simple click obtener los componentes para las distintas opciones de arranque de un motor asincrónico trifásico optimizando tiempos y con la seguridad de contar con una solución Eaton confiable y rápida.
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