Relé térmico: principio de funcionamiento, tipos, diagrama de conexión + ajuste y marcado

La durabilidad y fiabilidad en la operación de cualquier instalación con motor eléctrico dependen de diversos factores. Sin embargo, las sobrecargas de corriente afectan en gran medida la vida útil del motor. Para prevenirlas, se conecta un relé térmico que protege el órgano de trabajo principal de la máquina eléctrica.

Explicaremos cómo seleccionar un dispositivo que anticipe la aparición de situaciones de emergencia con exceso de los valores máximos permitidos de corriente. En el artículo presentado describimos el principio de funcionamiento, mostramos las variedades y sus características. Se ofrecen consejos sobre la conexión y el ajuste adecuado.

¿Para qué sirven los aparatos de protección?

Incluso si el accionamiento eléctrico está diseñado correctamente y se utiliza sin violar las reglas básicas de operación, siempre existe la posibilidad de que surjan fallas.

Los modos de operación de emergencia incluyen cortocircuitos monofásicos y polifásicos, sobrecargas térmicas del equipo eléctrico, bloqueo del rotor y destrucción del conjunto de cojinetes, y rotura de fase.

Al funcionar en modo de cargas elevadas, el motor eléctrico consume una gran cantidad de energía eléctrica. Y cuando se superan regularmente los valores de tensión nominal, el equipo se calienta intensamente.

Como resultado, el aislamiento se desgasta rápidamente, lo que lleva a una reducción significativa de la vida útil de las instalaciones electromecánicas. Para evitar estas situaciones, se conecta un relé de protección térmica en el circuito de corriente eléctrica. Su función principal es garantizar el modo normal de funcionamiento de los consumidores.

Desconectan el motor con un cierto retardo de tiempo, y en algunos casos instantáneamente, para evitar la destrucción del aislamiento o el daño de partes individuales de la instalación eléctrica.

El relé de corriente protege constantemente el motor eléctrico contra rotura de fase y sobrecargas tecnológicas, así como contra el frenado del rotor. Estas son las principales causas por las que surgen modos de emergencia.

Con el fin de evitar la disminución de la resistencia del aislamiento, se utilizan dispositivos de protección diferencial, y si se trata de prevenir la interrupción del enfriamiento, se conectan aparatos especiales de protección térmica incorporada.

Dispositivo y principio de funcionamiento del relé térmico

Estructuralmente, un relé térmico eléctrico estándar es un pequeño aparato que consta de una lámina bimetálica sensible, una espiral calefactora, un sistema de palancas y resortes, y contactos eléctricos.

La lámina bimetálica se fabrica a partir de dos metales diferentes, generalmente invar y acero cromo-níquel, firmemente unidos mediante soldadura. Un metal tiene un mayor coeficiente de expansión térmica que el otro, por lo que se calientan a diferentes velocidades.

En caso de sobrecarga de corriente, la parte no fija de la lámina se curva hacia el material con menor coeficiente de expansión térmica. Esto ejerce una fuerza sobre el sistema de contactos en el dispositivo de protección y activa la desconexión de la instalación eléctrica en caso de sobrecalentamiento.

En la mayoría de los modelos de relés térmicos mecánicos hay dos grupos de contactos. Un par son normalmente abiertos, el otro son normalmente cerrados. Cuando el dispositivo de protección se activa, el estado de los contactos cambia. Los primeros se cierran y los segundos se abren.

En los relés térmicos electrónicos se utilizan sensores especiales y sondas sensibles que reaccionan al aumento de corriente. En el microprocesador de estos dispositivos de protección se programan parámetros que determinan las situaciones en las que es necesario interrumpir el suministro eléctrico.

La corriente es detectada por un transformador integrado, y luego la electrónica procesa los datos obtenidos. Si el valor de la corriente en el momento actual es mayor que el valor de ajuste, el impulso se transmite instantáneamente directamente al interruptor.

Al abrir el contactor externo, el relé con mecanismo electrónico bloquea la carga. El propio relé térmico para motor eléctrico se instala en el contactor.

La lámina bimetálica puede calentarse directamente, por efecto de la corriente de carga pico sobre la tira metálica, o indirectamente mediante un termoelemento separado. A menudo estos principios se combinan en un solo aparato de protección térmica. Con calentamiento combinado, el dispositivo tiene mejores características de funcionamiento.

Después de enfriarse, la lámina vuelve a su estado original. Los contactos de conmutación se cierran automáticamente o es necesario forzarlos al estado cerrado.

Características básicas del relé de corriente

La característica principal del conmutador de protección térmica es la pronunciada dependencia del tiempo de actuación respecto a la corriente que circula por él: cuanto mayor es el valor, más rápido actúa. Esto indica una cierta inercia del elemento de relé.

El movimiento dirigido de las partículas portadoras de carga a través de cualquier dispositivo eléctrico, una bomba de circulación y una caldera eléctrica, genera calor. Con la corriente nominal, su duración permitida tiende al infinito.

Y cuando los valores superan los indicadores nominales, la temperatura del equipo aumenta, lo que provoca un desgaste prematuro del aislamiento.

La interrupción del circuito bloquea instantáneamente el aumento posterior de los indicadores de temperatura. Esto permite prevenir el sobrecalentamiento del motor y evitar una falla de emergencia de la instalación eléctrica.

La carga nominal del motor es el factor clave que determina la elección del dispositivo. Un indicador en el intervalo de 1,2-1,3 indica una activación exitosa ante una sobrecarga de corriente del 30% en un período de 1200 segundos.

La duración de la sobrecarga puede afectar negativamente el estado del equipo eléctrico: con una exposición breve de 5 a 10 minutos, solo se calienta el devanado del motor, que tiene una masa pequeña. En cambio, con sobrecargas prolongadas, se calienta todo el motor, lo que conlleva averías graves. O incluso puede ser necesario reemplazar el equipo quemado por uno nuevo.

Para proteger al máximo el objeto de la sobrecarga, se debe utilizar específicamente para él un relé de protección térmica cuyo tiempo de activación corresponda a los indicadores de sobrecarga máximos permitidos del motor eléctrico en cuestión.

En la práctica, no es práctico ensamblar un relé de control de voltaje para cada tipo de motor. Se utiliza un solo elemento de relé para la protección de motores de diferentes diseños. Sin embargo, es imposible garantizar una protección confiable en todo el rango de trabajo, limitado por la carga mínima y máxima.

El aumento de los indicadores de corriente no conduce de inmediato a un estado de peligro de emergencia del equipo. Antes de que el rotor y el estator se calienten hasta la temperatura límite, pasará un tiempo.

Por lo tanto, no es estrictamente necesario que el dispositivo de protección reaccione ante cada aumento, incluso insignificante, de la corriente. El relé debe desconectar el motor eléctrico solo en aquellos casos en que exista peligro de desgaste rápido de la capa aislante.

Tipos de relés de protección térmica

Existen varios tipos de relés para proteger motores eléctricos contra la pérdida de fase y sobrecargas de corriente. Todos se diferencian por sus características constructivas, el tipo de MP utilizado y su aplicación en diferentes motores.

TRP. Aparato de conmutación unipolar con sistema de calentamiento combinado. Está diseñado para proteger motores eléctricos asíncronos trifásicos contra sobrecargas de corriente. El TRP se utiliza en redes eléctricas de corriente continua con tensión base en condiciones normales de funcionamiento no superior a 440 V. Se caracteriza por su resistencia a vibraciones y golpes.

RTL. Proporcionan protección a los motores en los siguientes casos:

• en caso de pérdida de una de las tres fases;
• asimetría de corrientes y sobrecargas;
• arranque prolongado;
• bloqueo del mecanismo actuador.

Se pueden instalar con terminales KRL por separado de los arrancadores magnéticos o montar directamente en los PML. Se montan en rieles de tipo estándar, clase de protección – IP20.

RTT. Protegen máquinas asíncronas trifásicas con rotor de jaula de ardilla contra el arranque prolongado del mecanismo, sobrecargas prolongadas y asimetría, es decir, desfase de fases.

Los RTT pueden ser utilizados como componentes en varios esquemas de control de accionamientos eléctricos, así como para integración en arrancadores de la serie PMA

TRN. Conmutadores bifásicos que controlan el arranque de la instalación eléctrica y el modo de funcionamiento del motor. Prácticamente no dependen de la temperatura ambiente, tienen solo un sistema de retorno manual de contactos al estado inicial. Se pueden utilizar en redes de corriente continua.

RTI. Aparatos eléctricos de conmutación con un consumo de energía constante, aunque pequeño. Se montan en contactores de la serie KMI. Funcionan junto con fusibles/interruptores automáticos.

Relés de corriente de estado sólido. Son pequeños dispositivos electrónicos trifásicos, en cuya construcción no hay partes móviles.

Funcionan según el principio de cálculo de los valores promedio de temperatura del motor, realizando para ello un monitoreo constante de la corriente de trabajo y de arranque. Se caracterizan por ser insensibles a los cambios en el entorno, por lo que se utilizan en zonas explosivas.

RTK. Conmutadores de arranque para control de temperatura en el gabinete del equipo eléctrico. Se utilizan en esquemas de automatización donde los relés térmicos actúan como componentes.

Para garantizar un funcionamiento confiable del equipo eléctrico, el elemento de relé debe poseer cualidades como sensibilidad, rapidez de acción y selectividad

Es importante recordar que ninguno de los tipos de dispositivos considerados anteriormente es adecuado para proteger circuitos contra cortocircuitos.

Los dispositivos de protección térmica solo previenen modos de emergencia que surgen durante un funcionamiento anormal del mecanismo o sobrecarga.

El equipo eléctrico puede quemarse incluso antes de que el relé se active. Para una protección integral, se deben complementar con fusibles o interruptores automáticos compactos de construcción modular.

Conexión, ajuste y marcado

El dispositivo de conmutación de sobrecarga, a diferencia del interruptor automático, no corta directamente el circuito de potencia, sino que solo envía una señal para la desconexión temporal del objeto en caso de emergencia. Su contacto normalmente cerrado funciona como el botón de 'parada' del contactor y se conecta en serie.

Esquema de conexión de los dispositivos

En el diseño del relé no es necesario repetir absolutamente todas las funciones de los contactos de potencia cuando se activa con éxito, ya que se conecta directamente al MP. Esta configuración permite ahorrar significativamente materiales para los contactos de potencia. Es mucho más fácil conectar una corriente pequeña en el circuito de control que desconectar tres fases con una grande.

En muchos esquemas de conexión del relé térmico al objeto se utiliza un contacto normalmente cerrado. Se conecta en serie con el botón de «parada» del panel de control y se denomina NC – normalmente cerrado, o NC – normal connected.

El contacto abierto en este esquema puede utilizarse para iniciar la activación de la protección térmica. Los esquemas de conexión de los motores eléctricos en los que está conectado el relé de protección térmica pueden variar significativamente según la presencia de dispositivos adicionales o características técnicas.

En un esquema simple estándar, el RT se conecta a la salida del contactor de baja tensión hacia el motor eléctrico. Los contactos auxiliares del dispositivo se conectan obligatoriamente en serie con la bobina del contactor.

Esto garantizará una protección fiable contra sobrecargas del equipo eléctrico. En caso de superación inadmisible de los valores límite de corriente, el elemento de relé abrirá el circuito, desconectando instantáneamente el MP y el motor de la alimentación eléctrica.

La conexión e instalación del relé térmico generalmente se realizan junto con el contactor magnético, destinado a la conmutación y arranque del accionamiento eléctrico. Sin embargo, existen tipos que se montan en un carril DIN o en un panel especial.

Detalles del ajuste de los elementos de relé

Uno de los principales requisitos para los dispositivos de protección de motores eléctricos es la actuación clara de los aparatos cuando se producen modos de emergencia del motor. Es muy importante seleccionarlo correctamente y ajustar las configuraciones, ya que las activaciones falsas son absolutamente inaceptables.

El relé electrotérmico que se adapta de manera óptima a un tipo específico de motor según todos los parámetros técnicos, es capaz de proporcionar una protección fiable contra sobrecargas en cada fase, prevenir un arranque prolongado de la instalación y evitar situaciones de emergencia con bloqueo del rotor.

Entre las ventajas del uso de elementos de protección de corriente también cabe destacar la velocidad bastante alta y el amplio rango de disparo, así como la facilidad de montaje. Para garantizar la desconexión oportuna del motor eléctrico en caso de sobrecarga, es necesario ajustar el relé de protección térmica en una plataforma/banco especial.

En tal caso, se elimina la inexactitud debida a la dispersión natural desigual de las corrientes nominales en los NE. Para verificar el dispositivo de protección en el banco se utiliza el método de cargas ficticias.

Se pasa una corriente eléctrica de baja tensión a través del termoelemento para simular una carga térmica real. Luego, mediante un temporizador, se determina con precisión el tiempo exacto de disparo.

Al ajustar los parámetros básicos, se deben buscar los siguientes valores:

• Con una corriente 1,5 veces mayor, el dispositivo debe desconectar el motor a los 150 s;
• Con una corriente de 5 a 6 veces mayor, debe desconectar el motor a los 10 s.

Si el tiempo de disparo no corresponde a la norma, se debe ajustar el elemento de relé mediante el tornillo de ajuste.

Para un funcionamiento correcto, es necesario ajustar el dispositivo a la corriente eléctrica máxima admisible del motor y a la temperatura del aire.

Esto se hace en los casos en que los valores de la corriente nominal del termoelemento y del motor difieren, y también si la temperatura ambiente es inferior a la nominal (+40 ºC) en más de 10 grados Celsius.

La corriente de disparo del conmutador electrotérmico disminuye al aumentar la temperatura alrededor del objeto en cuestión, ya que el calentamiento de la tira bimetálica depende de este parámetro. Si hay diferencias significativas, es necesario ajustar adicionalmente el relé térmico o seleccionar un termoelemento más adecuado.

Las fluctuaciones bruscas de los valores de temperatura afectan en gran medida el funcionamiento del relé de corriente. Por lo tanto, es muy importante seleccionar un termoelemento capaz de realizar eficazmente las funciones principales teniendo en cuenta los valores reales.

Se recomienda ubicar los relés térmicos en la misma sala que la instalación eléctrica protegida. No deben montarse cerca de generadores de calor, hornos de calefacción u otras fuentes de calor.

Estas restricciones no se aplican a los relés con compensación de temperatura. El ajuste de corriente del dispositivo de protección se puede regular en un rango de 0,75 a 1,25 veces el valor de la corriente nominal del termoelemento. El ajuste se realiza por etapas.

En primer lugar, se calcula la corrección E₁ sin compensación de temperatura:

E₁=(I_nom-I_ne)/c×I_ne,

Donde

• I_nom – corriente nominal de la carga del motor,
• I_ne – corriente nominal del elemento calefactor de trabajo en el relé,
• c – valor de la división de la escala, es decir, del excéntrico (c=0,055 para arrancadores protegidos, c=0,05 para abiertos).

El siguiente paso es determinar la corrección E₂ por la temperatura del aire ambiente:

E₂=(t_a-30)/10,

Donde t_a (ambient temperature) – temperatura del ambiente exterior en grados Celsius.

La última etapa es encontrar la corrección total:

E=E₁+E₂.

La corrección total E puede tener signo «+» o «-». Si el resultado es un valor fraccionario, se debe redondear al entero por defecto o por exceso (en valor absoluto) según la naturaleza de la carga de corriente.

Para configurar el relé, se ajusta el excéntrico al valor obtenido de la corrección total. Una alta temperatura de disparo reduce la dependencia del funcionamiento del dispositivo de protección respecto a factores externos.

El relé de protección térmica permite un ajuste manual suave de la corriente de disparo del dispositivo dentro del ±25% del valor de la corriente nominal de la instalación electromecánica.

El ajuste de estos parámetros se realiza mediante una palanca especial, cuyo movimiento altera la curvatura inicial de la lámina bimetálica. La configuración de la corriente de disparo en un rango más amplio se realiza reemplazando los termoelementos.

En los modernos aparatos de conmutación de protección contra sobrecargas hay un botón de prueba que permite verificar el correcto funcionamiento del dispositivo sin un banco de pruebas especial. También hay una tecla para restablecer todos los ajustes. Se pueden poner a cero de forma automática o manual. Además, el producto se equipa con un indicador del estado actual del aparato eléctrico.

Marcado de los relés electrotérmicos

Los dispositivos de protección se seleccionan en función de la potencia del motor eléctrico. La mayor parte de las características clave están ocultas en la designación convencional.

Así es como se ve el marcado de los relés térmicos de la fábrica KEAZ. Es importante al elegir prestar atención al valor de la corriente nominal del modelo considerado, para que sea suficiente.

Se debe prestar atención a ciertos puntos:

1. El rango de valores de corriente de ajuste (indicado entre paréntesis) difiere mínimamente entre diferentes fabricantes.
2. Las designaciones alfabéticas del tipo de ejecución concreto pueden variar.
3. La versión climática a menudo se presenta como un rango. Por ejemplo, UJ3O4 debe leerse como: UJ3-O4.

Hoy en día se pueden comprar diferentes variantes del dispositivo: relés para corriente alterna y continua, monoestables y biestables, aparatos con retardo al encendido/apagado, relés de protección térmica con elementos aceleradores, relés térmicos (RT) sin bobina de retención, con una o varias bobinas.

Estos parámetros no siempre se muestran en el marcado de los dispositivos, pero deben figurar obligatoriamente en la ficha técnica de los productos electrotécnicos.

El siguiente artículo presenta el dispositivo, las variedades y el marcado del relé electromagnético, el cual recomendamos consultar.

Conclusiones y video útil sobre el tema

Estructura y principio de funcionamiento del relé de corriente para la protección eficaz del motor eléctrico, usando como ejemplo el dispositivo RTT 32P:

La protección adecuada contra sobrecargas y fallo de fase es la clave para un funcionamiento prolongado y fiable del motor eléctrico. Un video sobre cómo reacciona el elemento de relé en caso de funcionamiento anómalo del mecanismo:

Cómo conectar el dispositivo de protección térmica al MP, esquemas de principio del relé termoeléctrico:

El relé de protección térmica contra sobrecargas es un elemento funcional obligatorio de cualquier sistema de control de accionamiento eléctrico. Reacciona a la corriente que pasa al motor y se activa cuando la temperatura de la instalación electromecánica alcanza valores límite. Esto permite prolongar al máximo la vida útil de motores eléctricos ecológicos.

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