¿Por qué es necesaria la protección contra la reconexión automática de los motores AC?
Antes de conocer la importancia de la protección contra reconexión automática de los motores AC, es fundamental recordar cuáles son los escenarios por los que un motor AC puede sufrir una reconexión automática.
Escenarios de Reconexión Automática
Cuando hay una falla transitoria en la línea de distribución aérea que alimenta al motor, los relés de protección de la línea pueden abrir el interruptor de la línea para desenergizar la falla, y pueden volver a cerrar rápidamente el interruptor de la línea para mantener la continuidad del servicio.
Por otra parte, en las instalaciones industriales con seccionadoras de media tensión y con generadores de emergencia locales para mantener el servicio ante la ausencia de energía de la red eléctrica pública (utility), suelen usar sistemas de transferencia automática (ATS: Automatic Transfer System). Es decir, cuando el ATS detecta que la red eléctrica no está aportando energía, entonces enciende el generador local y vuelve a energizar automáticamente los equipos de la planta. Luego, cuando el ATS detecta que ha regresado la energía de la red eléctrica, transfiere la carga hacia la red eléctrica y apaga el generador de emergencia.
Naturaleza del Problema
Cuando desaparece la tensión de alimentación, los motores siguen girando por inercia inicialmente y conservan una tensión interna que decae con la velocidad del motor y el flujo interno.
Si el voltaje del sistema se restablece desfasado con respecto al voltaje interno remanente del motor, se producen altas corrientes de energización que pueden dañar los devanados del motor o producir pares que dañen el eje, la cimentación o el acoplamiento de transmisión, o los engranajes.
Uno de los mejores métodos para evitar el recierre rápido es consultar con la empresa de servicio eléctrico para acordar el retardo del recierre automático (por ejemplo, 2 segundos o más). Sin embargo, este método no cubre la reconexión del motor ocasionada por el ATS del generador de emergencia.
Alternativas de Protección contra Reconexión Automática de Motores
Existen varias alternativas para proteger a los motores contra la reconexión automática del alimentador. Unas de las alternativas más comunes consisten en añadir funciones de protecciones adicionales al relé de protección del motor evitar los daños provocados por la reconexión automática.
1. Añadir un Temporizador de Parada (ANSI 62)
Consiste el retardar el restablecimiento de la tensión en los bornes del motor utilizando un temporizador (identificado con el número ANSI 62) que mantenga abierto el interruptor del motor, e impida el cierre, durante un intervalo de tiempo suficiente para que la tensión interna del motor caiga a valores seguros para re-energizar (25% del voltaje nominal del motor).
2. Añadir la Función de Protección por Baja Frecuencia (ANSI 81)
Se recomienda añadir la función de protección por baja frecuencia (identificada con el número ANSI 81) en el esquema de protección del motor. Esto servirá para detectar la interrupción del suministro y disparar los motores antes de que se restablezca el voltaje de suministro. Posterior a esto, el operador deberá arrancar cada motor acorde a la secuencia de arranque de la planta.
3. Añadir la Función de Protección por Baja Tensión (ANSI 27)
Similar a la alternativa anterior, se recomienda añadir la función de protección por baja tensión (identificada con el número ANSI 27) en el esquema de protección del motor. De este modo, el relé detectará la interrupción del suministro y disparará los motores antes de que se restablezca el suministro.
4. Añadir la Función de Protección por Pérdida de Potencia (ANSI 37)
Se puede añadir la función de protección por pérdida de potencia (identificado por el número ANSI 37) que desconecte los motores cuando detecte la interrupción del suministro eléctrico y evitar que haya una reconexión rápida.
Problemas Mecánicos en el Motor
Cuando se realiza una transferencia rápida de motores grandes de un sistema eléctrico a otro sistema eléctrico podría causar corrientes de irrupción muy altas en el motor y un choque mecánico severo en el eje del motor. Provocando una sacudida mecánica que podría dañar físicamente el motor, el eje y los acoplamientos.
En este tipo de escenario, los motores de más de 37kW que impulsan cargas de alta inercia, como las bombas centrífugas o los ventiladores, pueden requerir una consideración especial.
Como ya se ha indicado en este artículo, el problema se puede eliminar si los circuitos del motor se pueden desenergizar el tiempo suficiente para permitir que el voltaje residual decaiga antes de que se vuelva a aplicar energía al motor.
Y, para lograrlo, además de incorporar las funciones de protección indicadas en el apartado anterior, se pueden hacer modificaciones en los dispositivos del Sistema de Transferencia Automática para agregar mecanismos que ejecuten el recierre temporizado e impidan el recierre instantáneo.
1. Relé de Retardo en Interruptor de Transferencia
Se puede incorporar un relé de retardo en el interruptor de transferencia automática que abra los circuitos de la bobina de retención del motor del interruptor, para que el cierre de la transferencia se retrase unos 3 segundos.
La desventaja de este método es que requiere intercableado entre el interruptor de transferencia y los arrancadores del motor y depende de la confiabilidad de un dispositivo de sincronización.
2. Interruptor de Transferencia con Posición de Apagado Temporizado.
Este método consiste en que, al iniciar la secuencia de transferencia, el interruptor se abre, pasa a la posición neutral o de apagado temporizado, en la que se cronometra para permanecer allí entre 3 y 10 segundos y, a continuación, completa la transferencia.
La ventaja de este enfoque es que elimina cualquier intercableado con los motores. El retardo de tiempo requerido debe establecerse cuidadosamente y puede variar a medida que cambian las condiciones del sistema.
La desventaja de este método es que la posición de «neutro» o de «apagado temporizado» crea el riesgo de que el interruptor de transferencia permanezca indefinidamente en una posición neutra en caso de mal funcionamiento del circuito de control o de los contactos.
3. Poner en Paralelo las dos Fuentes de Alimentación durante la Transferencia
Otra solución es poner momentáneamente en paralelo las dos fuentes de alimentación durante la transferencia, conectando ambas fuentes entre sí y luego dejando caer una. Con este método se logra que nunca se interrumpa la alimentación de los motores durante la transferencia.
Sin embargo, para lograr esta solución, se necesita implementar más dispositivos de control que sincronizen los voltajes de ambas fuentes en magnitud y ángulo. Por lo tanto, requiere mayor inversión de presupuesto que las soluciones anteriores.
Si una de las fuentes de alimentación es de una compañía de servicios públicos, puede existir la limitación legal de que no se permita la conexión en paralelo con otra fuente de energía. En otros casos, se requiere solicitar un permiso para el paralelismo de la compañía eléctrica de servicios públicos, que viene asociada con revisiones de diseño de los dispositivos y equipos que conforman el esquema de transferencia automática en cuestión.
Conclusión
Los sistemas de protecciones de motores no solo deben enfocarse en condiciones anormales de operación, sino que también deben enfocarse en condiciones de maniobras consideradas como «normales» pero que son inadecuadas para la operación continua de los motores. Como es el caso de los Sistemas de Transferencia Automática de las Plantas Industriales cuando la energía de la red eléctrica no está disponible y se transfiere la carga a los generadores internos de emergencia para mantener la continuidad de producción de la planta.
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Fuentes
Imagen de Banner: SIEMENS High Voltage Motor.
IEEE Std. 242. Recommended Practice for Protection and Coordination of Industrial and Commercial Power Systems.
Motores Eléctricos SIMOTICS – Tecnología de Accionamientos – Peru (siemens.com)