Download Circuit Breaker vs Contactor Cover

Programa Digital de
Especificación
Contactores vs. Interruptores para
cargas de motores en media tensión
Jorge Oliveira
Ingeniero Especificador para Venezuela
imaginación en acción
geindustrial-latam.com
En este artículo se pretende conocer los dispositivos más comunes de maniobra y protección para
los motores eléctricos de media tensión, tales como la combinación contactor-fusible y el
interruptor. Identificar el tipo de carga y la aplicación es fundamental para escoger el mejor equipo.
Las cargas como transformadores, generadores, motores, capacitores, alimentadores de
distribución son comunes en la industria y en este caso en particular, nos enfocaremos en las cargas
del tipo motores eléctricos de corriente alterna.
El motor eléctrico es parte esencial en cualquier complejo industrial, el cual tiene sus solicitudes y
diferencias que dependen básicamente del tipo de proceso en el cual se utilizan. En ocasiones, los
motores entran en operación una vez arrancado el proceso y sólo se le hacen maniobras en casos
excepcionales, sin embargo, en otro tipo de procesos es necesario que los motores se sometan a
maniobras frecuentes. Para estos escenarios, las soluciones más adecuadas para las maniobras y la
protección de los motores son distintas, por lo que es importante conocer las diferencias y virtudes
de los dispositivos más comúnmente usados para este tipo de aplicaciones con motores eléctricos
de corriente alterna.
1) Introducción
Un motor eléctrico es un dispositivo que transforma la energía eléctrica en energía mecánica por
medio de la acción de los campos magnéticos generados en sus bobinas. Son máquinas eléctricas
rotatorias compuestas básicamente por un estator y un rotor.
Son utilizados en infinidad de sectores; instalaciones industriales, comerciales, particulares; como
ventiladores, bombas, máquinas, aparatos electrodomésticos, herramientas eléctricas entre otras
aplicaciones. Los motores eléctricos pueden ser impulsados por fuentes de corriente continua (DC),
tales como baterías de automóviles o rectificadores de corriente, y por fuentes de corriente alterna
(AC), que puede ser alimentado directamente de la red eléctrica. Los motores de uso general con
dimensiones y características más estandarizadas proporcionan la potencia adecuada al uso
industrial. Los motores eléctricos más grandes se usan para propulsión de trenes, compresores y
aplicaciones de bombeo y sus potencias alcanzan valores superiores a los 100 megavatios.
Es evidente entonces el valor del motor eléctrico en los procesos industriales más importantes que
lleva al cabo el ser humano para su bienestar y desarrollo. Es así como proteger a este significativo
elemento se ha vuelto a su vez un objeto de estudio por los principales fabricantes de la industria
eléctrica a nivel mundial.
Para cargas asociadas a motores industriales en media tensión lo más común es que dentro del
mecanismo de operación del motor se incluya un interruptor o un contactor-fusible para realizar
funciones de maniobra (conexión y desconexión) con el sistema.
Medium Voltage AC Induction Totally Enclosed Fan Cooled Motor
2) Tecnología en vacío
Los equipos de maniobras y protección han venido evolucionando con el correr del tiempo y los
avances de la tecnología. Esto ha confluido a que en la actualidad, la tecnología más aceptada y
usada en lo que corresponde la media tensión sea la tecnología de vacío, por lo que nos
proponemos a profundizar un poco más sobre ella para una mejor comprensión.
Para el equipamiento de media tensión, la estructura de los contactos de interrupción al vacío se
encuentran dentro de una botella cerámica sellada completamente al vacío, donde cualquier arco
que ocurra entre los contactos al momento de la apertura es extinguida instantáneamente, ya que
al no haber presencia de aire, este no se ioniza, y no puede, por ende, mantenerse el arco eléctrico.
Para cada uno de los polos del equipo corresponde una botella independiente y con la tecnología
actual se ha logrado que la posibilidad de pérdida del vacío sea casi nula sobre todo en el momento
de operación de los contactos que es cuando más solicitudes mecánicas tiene el sistema.
De los dispositivos en vacío, el interruptor fue el primero en arribar a la escena. Como cualquier
dispositivo de maniobra, la mayor dificultad que tuvo que enfrentar fue proporcionar una rápida
interrupción de altas corrientes de falla con un mínimo desgaste en sus contactos. Presentado al
mundo hace más de cincuenta años por General Electric, el interruptor en vacío ofrece estos
beneficios al suprimir de aire sus contactos, tomando en cuenta que la formación del arco eléctrico
implica la ionización del aire. El calor que se produce luego de un arco eléctrico puede mantener un
flujo de corriente durante más de un ciclo completo, ya que el aire una vez sobrecalentado queda
ionizado, incluso después que la corriente en el ciclo de la forma de onda haga su paso por cero.
En vacío, pueden suceder algunos arcos eléctricos, sin embargo, estos son producidos por el metal
vaporizado que es generado al momento de la separación de los contactos. Por lo tanto, a diferencia
de los equipos aislados en aire, la extinción del arco y la completa interrupción de corriente se
producen en una fracción de ciclo.
Esta rápida acción de extinción se debe a que la unidad de vacío no cuenta con los componentes
más complicados, poco fiables y de alto consumo de energía que poseen los interruptores de aire. El
largo recorrido de los contactos y las voluminosas cámaras de corte, necesarias para enfriar y estirar
el pesado arco en el aíre no son requeridas en un equipo de vacío, así como tampoco las grandes
bobinas magnéticas de corte. Una fuerza de operación menor hace que un mecanismo sencillo de
apertura y cierre actúe sobre los contactos, adicionalmente, la ausencia de una prolongada
formación del arco eléctrico, aumenta considerablemente la vida útil de los propios contactos, dada
la menor exposición que estos tienen ante el arco eléctrico.
No obstante, un problema de funcionamiento surgió con el desarrollo de esta tecnología debido a la
rápida acción de interrupción de los contactos en vacío. En cualquier circuito que contenga una
inductancia, como por ejemplo un alimentador de motor, un aumento repentino de la tensión se
produce cuando la corriente deja de fluir. Mientras más abrupta es la interrupción de corriente,
mayor será el pico de tensión transitorio. Esto traerá como consecuencia que tarde o temprano,
esta condición rompa el aislamiento del bobinado del motor.
Considerando entonces, que cuando el medio de interrupción es en aire, la apertura de los
contactos al despejar una corriente es de cierta lentitud, en vacío la corriente es casi
instantáneamente “cortada” a cero, por lo que una peligrosa tensión transitoria aparece cada vez
que el interruptor hace una apertura.
Es por ello que en algunas ocasiones es recomendado colocar un dispositivo limitador de
sobretensiones en circuitos de motores alimentados a través de interruptores en vacío.
Esta solución puede contrarrestar las ventajas del costo de un equipo en vacío. Sin embargo, para el
control de motores, el interruptor de vacío, así como su contraparte en aire, tiene sus
inconvenientes. Sus contactos, los cuales están diseñados para la interrupción poco frecuente de
corrientes elevadas, no son apropiadas para las maniobras constantes de corrientes de arranque
mucho menores. Con la combinación de un arrancador, solución muy conocida entre los usuarios de
motores industriales, la protección contra fallas es proporcionada de una mejor manera por un
seccionador fusible o por un interruptor aguas arriba, mientras que las maniobras de encendido o
apagado del motor se manejan con un dispositivo más sencillo y simple como lo es el “contactor”.
Pero los contactores convencionales tienden a desgastarse por el uso frecuente, y requieren bobinas
de operación que consumen energía, por lo tanto el contactor de vacío fue desarrollado para reducir
esas desventajas.
Tecnología en vacío
3) La comparación.
4.1 Contactor
Un contactor es básicamente un dispositivo de maniobra. Son equipos cuya función es
establecer e interrumpir repetidamente un circuito de energía con un poder muy limitado de
cierre y corte en cortocircuito, para aplicaciones con maniobras muy frecuentes de hasta más de
un (1) millón de ciclos de maniobra.
Los contactores al vacío son especialmente adecuados para maniobras frecuentes de motores
ya que en la mayoría de los casos no se producen sobretensiones inadmisibles al maniobrar
motores durante su operación normal.
Los contactores estándar para arrancar motores industriales son operados bajo la influencia de
un imán y se mantienen cerrados por el efecto del mismo. Esto contribuye a la simplicidad del
diseño mecánico y aumenta la vida mecánica del contactor. Estos dispositivos suelen no requerir
ajustes o reparación mecánica durante muchos años, principalmente debido a la simplicidad
mecánica y robustez.
Los contactores operan electromecánicamente y utilizan una pequeña corriente de control para
abrir y cerrar el circuito, es decir, los dispositivos electromécanicos hacen el trabajo, no
interviene de manera directa con el equipo la “mano humana” como en el caso de un
controlador manual o una cuchilla.
Contactor en vacío de media tensión
4.2 Interruptor
Un Interruptor de vacío es utilizado para interrumpir flujos de corriente bajo condiciones
nominales y de falla, esto en combinación con un relé de protección´, quien ordena el disparo
automático en caso de falla. Cuando los contactos principales del interruptor en un ambiente de
vacío se separan, la corriente a ser interrumpida se convierte en un arco que se disipa en forma
de un plasma de vapor metálico, al pasar la forma de onda por cero el arco es totalmente
extinguido y el vapor se condensa en el orden de los micro-segundos, como resultado de esto
podríamos apuntar una alta fortaleza dieléctrica y una velocidad de interrupción muy rápida.
Ésta solución es una de las más populares actualmente para media tensión.
Al maniobrar pequeños motores durante el arranque, pueden surgir sobretensiones de
maniobra. La magnitud de estas sobretensiones puede reducirse a valores inofensivos mediante
limitadores de sobretensión especiales. Para motores con compensación individual no es
necesario ningún circuito de protección.
Interruptor en vacío de media tensión
4.3 Diferencias básicas entre un Interruptor y un Contactor
La principal diferencia desde el punto de vista operativo es que un interruptor es un equipo de
protección que despeja corriente de falla mientras el contactor es un equipo de maniobra que
no puede hacerlo, por lo que para poder proteger la carga, generalmente los contactores están
en serie con fusibles. De esta manera, durante un cortocircuito el fusible actúa como el
elemento interruptor de la corriente de falla. De manera básica un contactor es un seccionador
con mando a distancia y funciones automáticas. El interruptor se emplea para proteger el
circuito y el contactor sólo se utiliza para abrir y cerrar los contactos.
Principales características contactor e interruptor en media tensión
Característica
Interruptor
Contactor
Muy Alta (en el orden de los cientos de
miles)
Resistencia mecánica
Alta (típicamente 10.000 operaciones)
Resistencia eléctrica
Alta
Muy Alta
Corriente
Hasta 5000 A
Típicamente 400, 800 A
Aplicación
Mantenimiento
No apropiado para aplicaciones de gran Diseñado para aplicaciones con gran
cantidad de operaciones
cantidad de operaciones
Medio (largos periodos de
Bajo (mecanismo simple)
mantenimiento)
Costo
Relativamente elevado
Moderado
Operación
Operación eléctrica (manual en
condiciones de mantenimiento o
emergencia)
Operación eléctrica
Espacio requerido
Cerramiento grande
Cerramiento pequeño
Proceso
La continuidad del proceso es crítica
(ejemplo, no hay tiempo para el
reemplazo de fusibles)
Arranque de Motor
Arrancar a voltaje reducido no es
necesario
La continuidad del proceso es
compatible con el tiempo de reemplazo
de un fusible dañado.
Arrancar a voltaje reducido es
necesario para reducir el esfuerzo en el
arranque y la fluctuación de tensión en
el sistema
4) Resistencia mecánica.
Un concepto muy importante para conocer la mejor aplicación para cargas de motores en media
tensión es el de “Resistencia Mecánica”, el cual se define en el estándar IEC como el número de
operaciones que un equipo debe ser capaz de realizar durante su vida útil tomando en cuenta el
programa de mantenimiento del fabricante.
Para Interruptores ( IEC 62271-100):
Clase M1: Interruptor estándar 2.000 secuencias de operación.
Clase M2: Interruptor para requerimientos Especiales (Resistencia mecánica extendida) 10.000
secuencias de operación.
Para Contactores (IEC 62271-106):
Entre 10.000 y 3.000.000 ciclos de operación sin carga.
Un ejemplo de la importancia del concepto de Resistencia Mecánica, es que en la actualidad, es muy
común ver en distintos tipos de industrias usar por costumbre como elemento de protección y
maniobra contactor-fusible para sus cargas de motores de media tensión, especialmente en
procesos continuos de producción.
En este tipo de procesos las maniobras son excepcionales, pues la continuación del proceso es de
vital importancia para la industria. Si vamos un poco más allá, se puede comprobar que al final del
ciclo de vida de la instalación, el uso de interruptores puede ahorrarle una cantidad significativa de
dinero este tipo de industria, ya que la resistencia (mecánica o eléctrica) requerida era muy inferior
a la otorgada por el dispositivo usado, sin dejar a un lado que durante los periodos de falla, donde es
necesario el reemplazo de un fusible, se incurre en costos sustanciales de producción.
Este es sólo un ejemplo de la importancia que tiene escoger el dispositivo adecuado según sea el
tipo de proceso y de cargas a proteger y/o maniobrar, donde la óptima selección puede representar
a lo largo de la vida útil de un sistema un ahorro significativo de costos.
5) Conclusiones
Entender el tipo de proceso industrial es fundamental para definir el mejor dispositivo de maniobra
y/o protección cuando de motores eléctricos de media tensión se trata. La importancia del proceso,
costos de parada, necesidad de arranque o parada de motores, son interrogantes que debemos
aclarar para conocer en cuales casos se puede ver favorecido el uso de un interruptor o de un
contactor-fusible.
Dentro de este contexto, hay que entender que los motores en media tensión tienen sus
particularidades desde el punto de vista de una carga eléctrica, por lo que conocer sus
características es fundamental para identificar el mejor dispositivo para su protección y/o maniobra.
Podemos decir a grandes rasgos que en procesos donde las maniobras no son frecuentes, donde la
continuidad del proceso es crítica y donde la corriente de carga continua es elevada, el uso de un
interruptor es la más adecuada.
Para el caso que las maniobras son muy frecuentes, la continuidad del proceso puede esperar el
reemplazo de los fusibles y donde el arranque a voltaje reducido es necesario, utilizar contactores es
sin duda la mejor opción.
Cuando la escogencia del dispositivo se hace con conciencia es probable que se provea al proceso de
muchos años de operación adecuada, en caso contrario, no se harán esperar los problemas
operativos.
6) Referencias
-
International Standard IEC 62271-100. High-voltage alternating-current circuit-breakers. 2006.
International Standard IEC 62271-106. High-voltage switchgear and controlgear –Part 106:
Alternating current contactors, contactor-based controllers and motor-starters
GE
Industrial Solutions
Oficinas Principales América Latina
México
790 N.W. 107th Avenue, Suite 200
Miami, FL 33172
T: +305 551 5155
F: +305 551 5129
[email protected]
http://www.geindustrial-latam.com/
Monterrey
Av. Churubusco 3900
Col. Ind. Benito Juárez
Monterrey N.L. 64517
T: +52 81 8318-5600
[email protected]
www.geindustrial.com.mx
Puerto Rico
El Mundo Office Building
Suite 205 383 F.D.
San Juan, PR 00918
T: +1 787 625 23 00
[email protected]
http://www.geindustrial-cca.com
Argentina
Nicolás de Vedía 3616, Piso 6,
Buenos Aires, Argentina
T: +54 11 5556 2000
T: +54 11 5556 2026
[email protected]
www.geindustrial.com.ar
Brasil
Minas Gerais
Av. General David Sarnoff, 4650
Cidade Industrial 32210-110
Contagem, MG Brasil
T: +55 31 21035400
[email protected]
www.geindustrial.com.br
Sao Paulo
Av. María Coelho Aguiar, 215
Bloco C - 6 Andar
Jd. São Luiz 05804-900, São Paulo
SP-Brasil
T: +55 11 36141900
[email protected]
www.geindustrial.com.br
Chile
Avenida Presidente Eduardo Frei Montalva 6001
Edificio No. 66, Comuna: Conchalí
Sector e Cortijo, Santiago, Chile
T: +56 2 29284710
T: +56 2 29284751
[email protected]
www.geindustrial.cl
Colombia
Av Carrera 72 No 80-94
Centro Empresarial Titan, piso 11 y 12
Bogotá, Colombia
T: +57 1 742 5621
[email protected]
www.geindustrial.com.co
México, D.F.
Antonio Dovali Jaime No. 70
Torre B, Piso 4 Col. Santa Fe
Del. Alvaro Obregón
Santa Fe, DF CP 01210
T: +52 55 5257-6400
[email protected]
www.geindustrial.com.mx
Panamá
Edificio Oceania, Torre 1000, Piso 26
Punta Pacifica,
Panama City, Rep. Panama
T: (507) 294-4500
[email protected]
www.geindustrial-cca.com
Perú
Av. Las Begonias 415, San Isidro
Torre Begonias, Piso 14
T: +51 1 5144347
T: +51 1 5144388
T: +51 1 5144385
[email protected]
www.geindustrial.com.pe
Venezuela
Av. Francisco Miranda
Torre Hewlett Packard
Piso 10, Torre A
Los Palos Grandes
T: +58 212 278 4101
[email protected]
www.geindustrial.com.ve
Centro América y Caribe
790 N.W. 107th Avenue, Suite 200
Miami, FL 33172
Tel: 305 551 5155
Fax: 305 551 5129
[email protected]
www.geindustrial-cca.com