Principios básicos de diseño para centro de control de motores

Los sistemas de distribución de energía utilizados en grandes aplicaciones comerciales e industriales pueden ser complejos.

La potencia puede distribuirse a través de conmutadores, cuadros de distribución (Tableros), transformadores. La potencia distribuida en una aplicación comercial o industrial se utiliza para una variedad de sistemas como calefacción, refrigeración, iluminación y maquinaria motorizada.

A diferencia de otros tipos de equipos de distribución de energía, que se utilizan con una variedad de tipos de carga, los centros de control de motores controlan principalmente a los motores eléctricos.

Conocimientos básicos de control de motores:

Dondequiera que se utilicen motores, deben ser controlados. Los componentes de control se utilizan en varios productos para controlar el funcionamiento de los motores. Por ejemplo, el tipo de control de motor de AC más básico consiste en encender y apagar el motor. Esto se logra a menudo utilizando un arrancador de motor formado por un contactor y un relé de sobrecarga.

control basico motor

Los contactos del contactor están cerrados para arrancar el motor y se abren para detener el motor. Esto se hace de manera electromecánica y, a menudo, requiere el uso de los botones de arranque y parada y otros dispositivos conectados para controlar el contactor.

El relé de sobrecarga protege el motor al desconectar la alimentación cuando existe una condición de sobrecarga. Aunque el relé de sobrecarga proporciona protección contra sobrecargas, no proporciona protección contra cortocircuitos para el cableado que suministra energía al motor. Por esta razón, también se utilizan un disyuntor (Breaker) o fusibles.

Normalmente, un arrancador controla el motor. Cuando solo se usan unos pocos motores de AC dispersos geográficamente, los componentes de control y protección del circuito pueden estar en un recinto montado cerca del motor.

Centros de Control de Motores

En muchas aplicaciones comerciales e industriales, se requieren bastantes motores eléctricos, y a menudo es deseable controlar algunos o todos los motores desde una ubicación central. El aparato diseñado para esta función es el centro de control de motores (CCM).

Los centros de control de motores son simplemente agrupaciones físicas de arrancadores de combinación en un tablero. Un arrancador combinado es un gabinete único que contiene el arrancador de motor, fusibles o disyuntores (Breaker o protecciones), y un dispositivo para desconectar la alimentación. También se pueden incluir otros dispositivos asociados con el motor, como los pulsadores y las luces indicadoras.

centro de control de motores

Fuentes de alimentación

La principal fuente de energía eléctrica utilizada por los centros de control de motores es un generador de AC ubicado en una instalación de generación de energía.

Los generadores de AC funcionan según la teoría de la inducción electromagnética. Esto simplemente significa que cuando los conductores se mueven a través de un campo magnético, se induce una tensión en los conductores. Un generador básico consiste en un campo magnético, una armadura, anillos deslizantes, cepillos y algún tipo de carga resistiva.

Una armadura es cualquier número de cables conductores enrollados en bucles que giran a través del campo magnético. Por simplicidad, se muestra un bucle.

funcionamiento basico motor
Control de rotación del motor

El voltaje trifásico se utiliza en grandes instalaciones comerciales e industriales para hacer funcionar motores de AC. Un motor de AC está formado por un sistema estacionario, llamado estator, y un sistema giratorio, llamado rotor. La alimentación de AC trifásica se aplica al estator a través de las conexiones de alimentación.

estator y rotor
La dirección en que gira un rotor de un motor de AC trifásico depende de la secuencia de fases de la fuente de alimentación de entrada. En el siguiente ejemplo, L1 (A) está conectado al conductor del motor T1, L2 (B) está conectado al conductor del motor T2, y L3 (C) está conectado al conductor del motor T3. Cuando se aplica energía a través de los contactos «F», el motor gira en el sentido de las agujas del reloj (hacia adelante).

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control giro motor
Sin embargo, si se invierten dos de los tres cables de alimentación, el motor funciona en la dirección opuesta. En el
En el siguiente ejemplo, cuando los contactos F se abren y los contactos R se cierran, L1 (A) se conecta al conductor del motor T3, L2 (B) se conecta al conductor del motor T2 y L3 (C) se conecta al conductor del motor T1. (L1 y L3 se han invertido). Como resultado, el motor funciona en sentido contrario a las agujas del reloj (marcha atrás).

giro contratio motor
Muchas aplicaciones están diseñadas para operación directa e inversamente. Una grúa elevada, por ejemplo, podría usar la dirección hacia adelante para elevar la grúa y hacia atrás para bajar la grúa.

Estándares de diseño para los centros de control de motores:

Aunque varias organizaciones participan en el establecimiento de estándares para el diseño, la construcción y la aplicación de centros de control de motores, los estándares principales que se analizan son establecidos por UL, NEMA y NFPA.

UL Underwriters Laboratories (UL). Es una empresa privada reconocida a nivel nacional como un laboratorio de pruebas independiente. UL prueba los productos por seguridad y los productos que pasan las pruebas UL pueden llevar una marca UL. Los centros de control de motores de Siemens están diseñados A las normas UL 845.

NEMA La Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos (NEMA). Es una organización que, entre otras cosas, desarrolla estándares para equipos eléctricos.

NFPA La National Fire Protection Association (NFPA). Es una organización sin fines de lucro que publica National Electrical Code® (NEC®). La intención de NEC® es describir prácticas eléctricas seguras.

IEC La Comisión Electrotécnica Internacional (IEC). Es una organización con sede en Ginebra, Suiza, con más de 50 países miembros. IEC escribe normas para prácticas de equipos eléctricos y electrónicos.

Necesidad de protección para el circuito del CCM:

Algunos de los componentes de los CCM están diseñados para proteger los circuitos y/o motores de sobrecorrientes. Para comprender estos componentes, debe tener una comprensión clara de lo que es una condición de sobrecorriente y por qué es necesaria la protección de sobrecorriente.

Para empezar, el flujo de corriente siempre genera calor. La cantidad de calor generado es proporcional tanto al flujo de corriente como a la resistencia de la trayectoria conductora. Tenga en cuenta que los conductores pueden dañarse por el exceso de calor. Por esa razón, cada conductor tiene una corriente nominal, también llamada ampacidad.

La corriente excesiva se conoce como sobrecorriente. Una sobrecorriente puede resultar de un cortocircuito, sobrecarga o falla a tierra. Los primeros dos tipos de condiciones de sobrecorriente son pertinentes a esta discusión.

Sobrecargas:

Una sobrecarga ocurre cuando se operan demasiados dispositivos en un solo circuito o cuando se hace que el equipo eléctrico trabaje más que su capacidad nominal. En la siguiente ilustración, un paquete se ha atascado en un transportador, lo que hace que el motor trabaje más y consuma más corriente. Debido a que el motor está consumiendo más corriente, se calienta. El motor sufrirá daños en poco tiempo si el problema no se corrige o si el circuito no se apaga por un dispositivo de protección contra sobrecorriente.

sobrecarga

Aislamiento del conductor:

Los motores, por supuesto, no son los únicos dispositivos que requieren protección del circuito para una condición de sobrecarga. Cada circuito requiere alguna forma de protección contra sobrecorriente.

El calor es una de las principales causas de falla del aislamiento de cualquier componente eléctrico. Los altos niveles de calor en el cable aislado pueden hacer que el aislamiento se rompa, se derrita o se desprenda, exponiendo los conductores.

Corto circuitos:

Cuando dos conductores desnudos se tocan, se produce un cortocircuito. Cuando se produce un cortocircuito, la resistencia cae a casi cero. La corriente de cortocircuito puede ser miles de veces más alta que la corriente de funcionamiento normal.

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La ley de Ohm demuestra la relación de corriente, voltaje y resistencia. Por ejemplo, un motor de 240 voltios con 24 Ω (ohmios) de resistencia normalmente consumiría 10 amperios de corriente. Pero en cortocircuito, la resistencia cae. Si la resistencia cae a 24 miliohms, la corriente será de 10.000 amperios.

cortocircuito calculo
Corriente de cortocircuito en circuitos eléctricos no protegidos:

Cuando se produce un cortocircuito, la corriente continuará fluyendo en un circuito eléctrico desprotegido. La corriente máxima de cortocircuito del primer ciclo es la mayor y se denomina corriente máxima de paso (IP). La fuerza de esta corriente puede causar daños a los cables y componentes del circuito.

Asociada con la corriente máxima de paso está la energía máxima de paso a través del equipo (I2t). Para un circuito desprotegido, esta energía es a menudo capaz de una destrucción dramática del equipo y es un serio problema de seguridad.

corriente máxima de paso está la energía máxima de paso a través del equipo (I2t)
Corriente de cortocircuito en circuitos eléctricos protegidos:

Afortunadamente, si un circuito tiene un dispositivo de protección contra sobrecorriente correctamente diseñado e instalado, el dispositivo abrirá el circuito rápidamente cuando se produzca un cortocircuito, lo que limitará la corriente de paso máximo (IP) y la energía (I2t).

proteccion ante cortocircuito
Artículos de la NEC aplicables a los CCM (Art. 240 y Art. 430.94), Dispositivos de protección de sobrecorriente principal:

El artículo 240 del NEC® cubre los dispositivos de protección contra sobrecorriente con valores nominales de voltaje de 1000 voltios o menos. Este artículo se aplica a muchos tipos de equipos y proporciona importantes pautas de protección contra sobrecorriente. Consulte este artículo para más detalles.

Como se describe más adelante, se utilizan varios tipos de dispositivos de protección contra sobrecorriente en las unidades de control de motores combinados que se encuentran en los centros de control de motores, así como en otros tipos de
circuitos.

Además, el Artículo 430.94 de NEC® requiere que un centro de control de motores tenga un dispositivo principal de protección contra sobrecorriente ubicado en o delante del centro de control de motores. Por delante del centro de control del motor, el MCC y su fuente de suministro.

Este dispositivo principal debe proporcionar protección contra sobrecorriente de acuerdo con el Artículo 240 de NEC® y debe tener una clasificación de corriente continua o configuración que no exceda la clasificación de amperios del bus principal de los CCM.

Un dispositivo de protección contra sobrecorriente debe poder reconocer la diferencia entre una sobrecarga y un cortocircuito y responder de la manera adecuada. Se puede permitir que las sobrecorrientes leves continúen durante un período de tiempo, pero, a medida que aumenta la magnitud de la corriente, el dispositivo de protección debe abrirse más rápido. Los cortocircuitos se deben interrumpir al instante.

Centros de Control de Motores:

Definición de NEMA:

De acuerdo con la publicación de normas NEMA ICS-18-2001, un centro de control de motores es un conjunto montado en el piso con las siguientes características:

  • Una o más secciones verticales cerradas.
  • Buses horizontales y verticales para reparto de potencia.
  • Principalmente contiene unidades combinadas de control de motores.

CCM combinado
El hecho de que un CCM contenga principalmente unidades de control de motores combinados es lo que diferencia a un centro de control de motores de otros equipos de distribución de energía.
La definición de NEMA para un centro de control de motores es consistente con las definiciones que se encuentran en UL 845 y NEC®.

Secciones verticales:

Un centro de control de motores está formado por una estructura de acero que contiene las unidades de control de motores combinados, cables, cableado interno y barras de distribución. Como indica la definición de NEMA, un centro de control de motores es un conjunto montado en el piso compuesto por secciones verticales cerradas. Una sección vertical puede estar sola como un centro de control de motor completo, o varias secciones pueden atornillarse y colocarse juntas. Secciones verticales son en general de 20 «de ancho por 90» de alto, pero las estructuras de menos de 90 «están disponibles, y las estructuras de más de 20» se usan a veces.

secciones verticcales
Tipos de cerramiento:

Un envolvente rodea el equipo para proteger al personal del contacto con buses o conexiones energizadas y para proteger el equipo de condiciones externas. La cantidad de protección ambiental que proporciona un envolvente depende del tipo de envolvente.

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La norma NEMA 250 y las publicaciones UL 50 y 508 proporcionan definiciones de tipo de encerramiento similares. Los siguientes tipos de caja están disponibles para los centros de control de motores tiastar (Siemens).

  • Tipo 1 – Estándar – Interior
  • Tipo 1A – Junta delantera – Interior
  • Tipo 2 – Prueba de goteo – Interior
  • Tipo 12 – DustTight – Interior
  • Tipo 3R – A prueba de lluvia – Al aire libre

Clasificación de voltaje de CCM:

Además de las diversas clasificaciones de componentes individuales utilizados en los centros de control de motores, los centros de control de motores también tienen una clasificación general de 600-1000 voltios. Esta es la tensión máxima que se puede aplicar a un centro de control de motores. Sin embargo, un centro de control de motores se puede conectar a una tensión más baja, y es común una tensión de alimentación trifásica de 480 VCA.

Hay varias formas de terminar la alimentación de entrada en un centro de control de motores. El cable se puede enrutar directamente a los terminales de alimentación de entrada, a los interruptores principales o a las desconexiones, a un
Bloque de terminales en una sección vertical. Además, los cables de alimentación de entrada pueden entrar y salir del centro de control del motor desde la parte superior o inferior, según la aplicación. Finalmente, la potencia entrante se puede proporcionar mediante busway.

Barraje de entrada:

Cuando se usan barra de entrada principales, la cantidad de espacio vertical requerido varía según la clasificación de amperaje y el refuerzo del bus. Cuando las entradas de barra principales están ubicadas en la parte superior, como en la siguiente ilustración, se necesita espacio vertical adicional en la parte superior. En este ejemplo, el barra de entrada principales con capacidad para 600 amperios están ubicadas en la parte superior del MCC, y se requieren 24 ”de espacio vertical. Un centro de control de motores también puede tener las entrada de barras ubicadas en la parte inferior.

espacio entrada de barras

Dispositivo de desconexión principal:

Cuando se usa un dispositivo de desconexión principal, la desconexión se monta en la propia unidad. La cantidad de espacio requerido depende del breaker de desconexion utilizado. El espacio puede variar de 12 «a 72».

La entrada del cable puede ser desde la parte superior o inferior de la sección vertical. Los MCC tiastar pueden acomodar una variedad de dispositivos de desconexión principales, incluido un interruptor de circuito principal (hasta 2000 amperios) o un interruptor fusible principal (hasta 1200 amperios).

Cuando se utiliza un disyuntor Siemens WL como dispositivo de desconexión principal, este dispositivo se puede configurar para utilizar su función Dynamic Cent Flash Sentry (DAS), que permite la configuración de interruptores alternativos con una energía potencial de destello de arco que se puede emplear cuando el personal está trabajando cerca de equipos energizados.

entrada de acometida

Aumento de la temperatura:

Las barras colectoras son los principales elementos de corriente del centro de control de motores. Antes de operar un centro de control de motores, las barras se encuentran a la temperatura del aire circundante. Esto se conoce como temperatura ambiente.

La temperatura aumenta en las barras del centro de control de motores durante la operación. La combinación de temperatura ambiente y aumento de temperatura permitido es igual a Temperatura máxima de las barras.

NEMA y UL tienen normas sobre el aumento de temperatura máximo de las barras colectoras utilizadas en los centros de control de motores.

La NEMA limita el aumento de temperatura a 65 ° C basándose en una temperatura ambiente de 40 ° C, para una temperatura de operación máxima de 105 ° C.

UL limita el aumento de temperatura a 50 ° C basado en una temperatura ambiente de 40 ° C, para una temperatura de operación máxima de 90 ° C. Los equipos eléctricos que lleven una marca UL deben cumplir o superar esta norma.

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