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RELES TERMICOS

INTRODUCCION: Los relés térmicos bimetálicos constituyen el sistema más simple y conocido de la protección térmica por control indirecto, es decir, por calentamiento del motor a través de su consumo.

MARCO TEORICO A) DEFINICIÓN Son los que realizan una maniobra mediante el principio de la ley de Joule (calor producido por el paso de una corriente). B) SIMBOLOGÍA: Según contenga un solo contacto (NC), un contacto conmutado (NCNO) o dos contactos (NC + NO), distinguimos los tres tipos más usuales de relé térmico.

Las tres líneas quebradas que contiene el rectángulo representan los tres elementos bimetálicos detectores de sobreintensidad. Los trazos que las unen con los contactos representan la conexión mecánica entre ellos. El pequeño triángulo con una traza encima representa la retención a que queda sometido el grupo dé contactos cuando ha habido un disparo térmico. Para una mayor simplificación quedan suprimidos estos trazos y las letras L y T, en el esquema principal. Existen diversos modos de representar la conexión entre los elementos bimetálicos y los contactos. En la Fig. 3.2 ofrecemos algunos de ellos. El último símbolo de la derecha lo encontramos en las Normas I.E.C. (o C.E.I.: Comisión Electrotécnica Internacional). Su forma simplificada y el símbolo de sus contactos separados se muestra en la parte inferior. C)PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Un relé electrotérmico o simplemente térmico, es aquel que esté formado por dos láminas de metales diferentes y soldadas; estos metales (generalmente ínvar y ferroniquel) se eligen con coeficientes de dilatación térmica lineal muy diferentes ( λ1 ≠ λ2 ). El relé térmico se basa en la dilatación de los metales al calentarse. Tras cierto tiempo de permanecer un relé térmico atravesado en sus bimetales por la

intensidad a controlar y si ésta fuera elevada (sobrecarga), se producirá un curvamiento hacia el lado opuesto al metal que más se dilata (sentido del de menor coeficiente λ). Igual efecto se produce si la intensidad no la recorre, pero la calienta indirectamente

Esta deformación de la lámina bimetálica es aprovechada para accionar uno o dos contactos auxiliares, es decir, que el NC abre y el NO cierra . Existen tres láminas, una por fase, que actúan sobre un bloque de empuje. Si hay una sobreintensidad en una de las láminas o en las tres simultáneamente, el bloque se desplaza y cambia de posición ("activa") un par de contactos.

El contacto NC (95 - 96) se coloca en serie con la bobina del contador y lo desactiva, provocando la desconexión del motor de la red. El contacto NO (97 - 98) puede utilizarse con una lámpara de señalización, cuyo encendido indica que ha habido una desconexión por sobrecarga (en la figura). Designaremos en lo sucesivo con las letras KM a los contadores que conmutan los motores, y al relé térmico con la letra F.

D) COMPONENTES Un relé térmico dispone en su parte frontal de los siguientes dispositivos:  

    

1 Ajuste Ir. Escala o dial para fijar la intensidad de régimen del motor. 2 Pulsador Test. Accionando el pulsador Test es posible: – Controlar el cableado del circuito de control. – Simular el disparo del relé (acción sobre los 2 contactos “NC” y “NA”). Este mando, que puede no existir en algunos modelos, sirve para verificar el correcto desactivado del contador. 3 Pulsador Stop. Actúa sobre el contacto “NC” y no tiene efecto sobre el contacto “NA”. 4 Pulsador de rearme para llevar los contactos a su posición de trabajo tras una desconexión térmica. 5 Visualización de la activación. 6 Testigo del Enclavamiento mediante precintado de la tapa. 7 Selector entre rearme manual y automático. En manual, se rearma con el pulsador anterior. En automático, cuando se enfrían las láminas.El paso a la posición automática se realiza mediante acción voluntaria.

Aspecto exterior de un rele termico

E) CURVA CARACTERÍSTICA. La característica tiempo-corriente de un relé térmico (en la figura siguiente) nos indica en el eje de abscisas el valor de la intensidad de la corriente en múltiplos de la intensidad ajustada Ir en el dial del relé y en el eje de ordenadas los tiempos de disparo. Generalmente se indican dos curvas, una se obtiene a partir de los bimetales en estado frío y la otra a partir de los bimetales en caliente.

a)

b)

Para el caso en concreto del relé témico de la figura a) deducimos que un consumo de valor 2 · Ir provoca una desconexión al cabo de: 70 segundos – para el caso de que bimetal esté frío 40 segundos – para el caso de que bimetal esté caliente. En estado "caliente", es decir, cuando tiene lugar una sobreintensidad estando el motor en marcha, los tiempos son menores. Mostramos, a título orientativo, los valores segundos de los tiempos máximos admisibles para motores de jaula a 400 V con el rotor bloqueado, de un determinado fabricante. Dado que en estas condiciones el consumo es del orden de 5 In a 7 In, vemos que los térmicos desconectan en tiempos inferiores (figura b)). F) PROTECCIÓN Un relé térmico protege a la instalación de un receptor (motor en las figuras) frente a las sobreintensidades producidas por: - Sobrecargas. - Arranques demasiado largos. - Ciclos paro-arranque demasiado frecuentes. - Agarrotamiento mecánico del motor, bajo tensión (calado).

Para la protección de receptores trifásicos, se coloca una lámina bimetálica por fase y así, cualquiera de ellas, o las tres a la vez, nos producirán la apertura del circuito mediante un elemento de material aislante denominado yugo.  

Un relé térmico no protege de cortocircuitos. Si el relé dispone de sistema diferencial, también protege de: - Desequilibrios de intensidad entre las fases. - Marcha a dos fases (por fusión de un fusible, corte de un conductor... ).

Por tanto además de la protección contra sobrecargas, los relés térmicos están preparados para detectar las asimetrías que se producen en sus bimetales cuando alguna de las fases que alimenta al receptor no transporta corriente,( fenómeno que en el caso de motores trifásicos se conoce como «marcha en monofásico» ) o cuando las intensidades en las fases son muy diferentes, anomalías que pueden ser muy perjudiciales para receptor en un breve espacio de tiempo. G) CONEXIÓN Un relé térmico actúa asociado a un contactor. Los bornes L1(1), L2(2), L3(3), van conectados directamente al contactor formando un bloque y así, en la Figura tenemos el conjunto contactor y protección térmica con el tornillo de regulación y el botón o pulsador de rearme. En el esquema de la Figura vemos el circuito principal de las conexiones habituales entre ambos.

Si el relé térmico está acoplado al contactor por medio de espigas o pletinas rígidas, se omiten en su símbolo las bornas 1, 3 y 5, ya que no existen. En la imagen tenemos los esquemas principal y de mando (esquema desarrollado) de un circuito de motor trifásico de arranque directo. Un desconectador Q contiene los fusibles principales y un contacto de precorte de la tensión de mando. La conmutación se realiza por contador y la protección, por relé térmico. No se utiliza el contacto NA de éste.

Los contactos del relé térmico conectados en serie con la bobina del contactor, produce que la apertura del NC desactiva el contactor KM y el motor, ya sin tensión, se desconecta (se parará) y por tanto el motor quedará protegido.

Se trata, pues, de una protección contra fallos de fase muy relativa, ya que el tiempo de disparo depende de la intensidad que esté consumiendo el motor. Si en el momento del fallo de fase esta intensidad fuera inferior al valor ajustado en el relé, éste no dispararía o lo haría en un tiempo muy grande. En cualquier caso se trata de un disparo lento, ya que incluso con la intensidad nominal habría que esperar un tiempo de aproximadamente 100 segundos. H) TRABAJO A DIFERENTES TENSIONES Los contactos NC (disparo) y NO (alarma) de un relé térmico pueden trabajar a tensiones diferentes de la de línea y a tensiones diferentes entre sí. En la Fig. 3.11, la tensión de línea es de 400 V y la de contactos es de 230 V. En la Fig. 3.11 el control del contactor se realiza por interruptor S y la lámpara de señalización de disparo térmico se alimenta a 24 V en corriente continua. Como se indica en esquema separado, en este térmico coexisten tres tensiones diferentes: 400 V c/a, 230 V c/a y 24 V c/c.

I)REARME DEL RELÉ TÉRMICO Cualquier relé térmico moderno tiene dos tipos de rearme: - MANUAL - AUTOMÁTICO y un selector para escoger la forma de rearme que se desee del disparador, es decir, si después de un disparo es necesario pulsar el botón de rearme del relé o simplemente el relé se rearma automáticamente al enfriarse. El rearme MANUAL se reduce a presionar el pulsador R colocado en la parte frontal del aparato (Figura siguiente)

En algunos casos puede interesar que el rearme manual sea a distancia, por motivos funcionales o de comodidad. En este caso puede acoplarse al relé un pequeño dispositivo mecánico K activado por electroimán. La puesta en tensión de K a través de un pulsador S provoca el empuje del rearmador R (Fig. 3.13). Vemos en la misma figura las tensiones normales de activado de K.

Si el rearme es AUTOMÁTICO, una vez eliminada la causa que motivó la sobrecarga, el relé se rearma, es decir, los contactos NO y NC vuelven a la posición inicial tras el enfriamiento de los elementos bimetálicos. El receptor (motor en este caso) queda ya en condiciones de ser arrancado de nuevo. Este sistema es cómodo

porque evita una operación manual y puede ser práctico en instalaciones donde son previsibles frecuentes disparos térmicos. Puede, sin embargo, ser peligroso cuando el mando del contactor se realiza por interruptor o detectores diversos, ya que pueden producirse arranques inesperados (Fig. 2.14)

J) PULSADOR DE PRUEBA O TEST En ciertos térmicos existe también un pulsador de prueba (test), 0, cuyo presionado activa los contactos NC y NO. Sirve para verificar si las conexiones entre el térmico y el circuito de mando son correctas: su pulsado desactivará el contactor y pondrá un funcionamiento la alarma correspondiente. Este pulsador de prueba también puede ser accionado a distancia, por medio de un disparador K análogo al rearmador anterior (Figura anterior). Los pulsadores de rearme y prueba, el selector, el dispositivo diferencial, etc., son componentes habituales de cualquier modelo actual de relé térmico y por ello no figuran expresamente en su símbolo. Sin embargo, cuando alguno de estos dispositivos requiera un circuito adicional, habrá que representarlo en el esquema.

Ejemplo: La Fig. 3.16 corresponde a un motor trifásico de arranque directo y maniobra por pulsadores, con fusible de mando incorporado al desconectador Q. Se ha previsto un dispositivo de prueba a distancia, con un disparador a la misma tensión que todo el circuito de mando, es decir, a 24 Voltios.

K) REGULACIÓN DE UN RELÉ TÉRMICO Para que un relé térmico proteja adecuadamente a la instalación de un motor frente a sobrecargas y desequilibrios, dispone de una escala o dial para fijar la intensidad de régimen del motor In (aunque su intensidad habitual de funcionamiento sea menor). Como sería imposible hacer un relé para cada intensidad, se hacen varios tipos y cada uno cubre una gama de valores. Para ello los relés térmicos disponen de un dial o tornillo de regulación (TR) para ajustar la intensidad de funcionamiento. Cualquier térmico tiene una zona o margen de regulación de su intensidad de disparo, que abarca desde un valor mínimo a uno máximo. Damos en la Figura ejemplos de zonas de regulación.

En la Figura anterior vemos que puede variar entre 0,75 A y 1 A. En nuestro caso está regulado a 0,75 A. Cuando se escoge un relé térmico para la instalación de un motor, es necesario que la intensidad nominal de éste, In, esté comprendida dentro de su zona de regulación.

Damos a continuación unos valores orientativos de las intensidades nominales de algunos motores de 1.500 r.p.m. (trifásicos, monofásicos y de c/c) (Fig. 3.19).

L) ¿COMO PROTEGER UN RELÉ TÉRMICO? Los relés térmicos no pueden proteger contra cortocircuitos, y cuando una corriente de cortocircuito atraviesa un relé térmico, puede destruir algunos de sus componentes en centésimas de segundo. Los fusibles son la protección más habitual contra esta eventualidad. El calibre máximo de éstos es un dato importante para cualquier relé térmico y figura frecuentemente en su placa de características. En la Figurapodemos ver esos calibres, para una determinada serie de térmicos. Según el tipo de que se disponga, pueden escogerse lentos (aM) o rápidos (gl o gG). Los circuitos principales de la Figura nos ofrecen un ejemplo de aplicación de las dos tablas anteriores

M) ¿DÓNDE SE COLOCA EL RELÉ TÉRMICO? Entre el contactor y el receptor (motor en las figuras anteriores), como hemos visto en las figuras anteriores. • Para el arranque directo o progresivo con resistencias En este caso el relé térmico se regulará para la intensidad nominal del motor,

• Para un motor de dos velocidades Si un motor tiene dos velocidades, tiene también dos intensidades nominales In1 e In2. Se colocará un térmico y un grupo de fusibles en la rama que corresponde a cada velocidad, y se escogerán según los criterios anteriores. Para velocidad n1: Ir1 = In1 del motor

Para velocidad n2: Ir2 = In2 del motor Vemos en la imagen siguiente una aplicación de lo antedicho en un motor de dos velocidades y devanados separados (estrella-estrella).

• Para un motor Dahlander Si se trata de un motor en conexión Dahlander, la conexión será la de la Figura siguiente. En este tipo de motor, la relación de intensidades (velocidad alta/velocidad baja) es del orden de 1,5/1 y en algún caso puede bastar con un solo grupo de fusibles para asegurar la protección de los dos térmicos.

• Para un arranque estrella – triángulo Si un motor trifásico está previsto para un arranque estrella-triángulo el relé térmico se colocará habitualmente según la Fig. 3.25. En este caso, se regulará a una intensidad de valor:

In = Intensidad nominal del motor a plena carga

NOTA: RELÉS TÉRMICOS BIMETÁLICOS Los relés térmicos tienen una curva de disparo fija y está prevista para motores con arranque normal, es decir, con tiempos de arranque del orden de 5 a 10 segundos. En los casos de arranque difícil (p.e. en centrifugadoras, molinos, grandes ventiladores, etc.), que tienen un mayor tiempo de arranque, la curva de disparo resulta demasiado rápida y el relé térmico dispararía durante el arranque. Para evitar esto hay que recurrir a algún procedimiento especial como puentear el térmico durante el arranque o alimentarlo a través de transformadores saturables. Esto además de encarecer considerablemente el arrancador, supone emplear procedimientos sin fundamento físico porque en realidad lo que se hace es engañar a la protección. Así pues, el sistema de protección por relés térmicos bimetálicos es generalmente utilizado por ser, con mucho, el más simple y económico, pero no por ello se deben dejar de considerar sus limitaciones, entre las cuales podemos destacar las siguientes: - Curva de disparo fija, no apta para arranques difíciles.

- Ajuste impreciso de la intensidad del motor. - Protección lenta o nula contra fallos de fase, dependiendo de la carga del motor. - Ninguna señalización selectiva de la causa de disparo. - Imposibilidad de autocontrolar la curva de disparo.

CONCLUSIONES