Detector de falta de fase (ART1011S)

Si una de las fases faltar en la alimentación de un motor trifásico serios problemas de funcionamiento pueden ocurrir, incluso la quema de los devanados. Es por lo tanto una preocupación de las mayores para cualquier industria u otras instalaciones que posean tales tipos de motores el monitoreo constante de las fases de la red de energía que los alimenta. En este artículo describimos el montaje de un detector de falta de fase que activará un dispositivo de protección o una alarma (o ambos) cuando ocurra la falta de una de las fases de la alimentación de la red.

Los motores de potencias altas usados en la industria y en muchos otros tipos de aplicaciones de mayor tamaño normalmente se alimentan a partir de una red trifásica, como se muestra en la figura 1.

 

 


 

 

 

El desfase de sólo 120 grados entre los tres devanados posibilita no sólo un arranque y funcionamiento más suave, sino también otras importantes ventajas mecánicas que deben tenerse en cuenta en sus aplicaciones y que se detallan a continuación.

Para ello podemos hacer una analogía con los motores a pistón para mostrar las ventajas de los motores trifásicos.

Los motores de una fase sólo son como motores de un cilindro que poseen un funcionamiento pulsante y por lo tanto menos suave cuando se compara a los trifásicos que serían los equivalentes a los motores de tres cilindros.

Otro punto importante es que los motores monofásicos no poseen torque en la partida llevando la necesidad de enrollamientos adicionales de partida que los encarecen.

 

Finalmente, podemos obtener hasta un 50% más de potencia de un motor trifásico cuando comparado a un motor equivalente de una fase sólo del mismo tamaño. En otras palabras, tenemos una economía considerable en la cantidad de cobre usada en los devanados cuando usamos una alimentación trifásica.

 

Protecciones

Sin embargo, estos motores también tienen algunos puntos críticos en su funcionamiento, habiendo para ello diversos tipos de protección que pueden ser usados.

Dos tipos de protección deben ser resaltados:

 

a) térmica

Bajo condiciones adversas de funcionamiento, la temperatura de un motor puede elevarse más allá de los límites aceptables. Los materiales usados ??en el aislamiento de los hilos de las bobinas y otras partes tienen temperaturas límite y si se superan puede ocurrir su quema.

La elevación de la temperatura puede ocurrir por diversos motivos que van desde la ventilación ambiente precaria acompañada de calor ambiente excesivo hasta una sobrecarga del propio motor en la carga que él debe mover.

Normalmente se utilizan dispositivos de protección del tipo termomagnético que desconectan la alimentación en caso de elevación excesiva de temperatura.

 

b) Falta de Fase

Si una de las fases faltar puede tanto ocurrir el sobrecalentamiento de los devanados con dado el aumento de la carga como hasta una parada indebida debido a esta sobrecarga que culmina con la quema del motor.

Esto significa que la supervisión constante de las fases del motor es algo que debe implementarse en su instalación con recursos para su apagado inmediato cuando esto ocurra.

Para este propósito podemos usar un detector de falta de fase, un circuito que constantemente verifica si existe tensión en las tres fases que alimentan el circuito. A falta de una o más de estas fases el circuito se acciona actuando sobre un relé.

Este relé se puede conectar tanto a un sistema de protección que apague inmediatamente el motor y también a un sistema de advertencia. Por supuesto, se pueden utilizar los dos recursos al mismo tiempo.

Si el lector trabaja en una industria que posee un motor de este tipo, o posee en su negocio un motor trifásico y desea velar tanto por su buen funcionamiento como por su integridad, el proyecto que describimos debe ser de su interés.

 

 Como funciona

El circuito propuesto monitorea constantemente las tres fases que alimentan el motor a través de tres pequeños transformadores. La tensión en el secundario de cada uno de estos transformadores tiene dos utilidades.

Una de ellas es, después de la rectificación, alimentar el circuito protector para mantener el relé final de control energizado.

La otra es proporcionar una señal que muestre cada uno de los tres comparadores que la fase correspondiente está presente.

Los tres comparadores no son más que amplificadores operativos rápidos que se ajustan para proporcionar una salida alta cuando las fases están presentes.

Este ajuste se realiza individualmente en cada uno de los tres trimpots de las entradas no inversoras.

En un comparador, como muestra la figura 2, la salida estará en el nivel alto cuando la entrada no inversora esté con tensión por encima de la usada como referencia y irá al nivel bajo cuando la tensión de la entrada no inversora caiga por debajo de este nivel.

 


 

 

 

La tensión de referencia es dada por la fuente de 12 V con un circuito regulador del tipo 7812.

  Como las salidas de los comparadores son del tipo "open collector", pueden ser unidas para formar una función lógica "E".

Si una de las salidas de los comparadores es al nivel bajo por la ausencia de la fase que monitorea, los transistores conectados a las salidas son cortados y con ello el relé de control es desenergizado cortando la alimentación del motor o haciendo sonar un sistema de aviso.

Entonces, el relé permanece energizado si las tres fases están presentes.

 

Montaje

En la figura 3 tenemos el diagrama completo del detector de falta de fase para motores trifásicos.

 

 


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El montaje puede realizarse sobre la base de una placa de circuito impreso cuya sugerencia de disposición de componentes se muestra en la figura 4.

 


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La perforación para la instalación del relé depende del tipo usado el cual, a su vez, depende de la corriente que debe ser controlada por el motor. Una posibilidad es utilizar un relé con zócalo para altas corrientes instalado fuera de la placa de circuito impreso.

Otra posibilidad interesante a ser analizada es el uso de un pequeño relé de baja potencia en este circuito el cual controla un relé mayor fuera del circuito junto al motor que debe ser monitoreado.

Los pequeños transformadores usados ??deben tener un enrollamiento primario de acuerdo con la tensión de cada fase (117 VAC o 127 VAC) y secundario de 12 + 12 V con 500 mA de corriente o más.

Los diodos son todos del tipo 1N4002 o equivalentes. Los transistores admiten equivalentes siendo el circuito previsto para accionar relés con hasta 500 mA de corriente.

En la entrada de cada transformador se prevén fusibles de protección y los trimpots de ajuste son comunes.

Los capacitores electrolíticos deben tener tensiones de trabajo de al menos 25 V y el circuito integrado regulador de tensión debe tener un pequeño radiador de calor, conforme a la corriente de accionamiento del relé usado.

Es interesante utilizar un zócalo para el circuito integrado LM339 y sólo instalarlo después de que todo el montaje esté completo.

Si bien el circuito se puede instalar en una pequeña caja de plástico u otro material, nada impide que su placa con el relé quede en la propia caja de control del motor.

 

Ajuste y uso

Inicialmente aplica 110 V (117 o 127 VAC) en una de las entradas del circuito (*).

Mida entonces la tensión en el pasador de salida de la alimentación del circuito integrado regulador de tensión. Se debe encontrar una tensión de 12 V. Si esto no ocurre, compruebe su montaje.

(*) Tenga cuidado con todos los procedimientos que impliquen el montaje, la calibración y el uso de este circuito, ya que opera directamente con la tensión de la red de energía.

Al comprobar la alimentación correcta, el circuito integrado LM339 puede instalarse ahora y la fase de calibración estará lista para iniciarse.

Para la calibración utilice el circuito de la figura 5.

 

 


 

 

 

El transformador de aislamiento es interesante para proteger al operador contra golpes en caso de un toque accidental.

El variac debe inicialmente ser ajustado para su menor tensión de entrada. Observe que en este procedimiento el terminal de neutro (N) sólo se utiliza como referencia de tensión durante la fase de prueba de funcionamiento y calibración del sistema de protección.

Véase también que en este caso, sólo para efecto de ajuste no necesitamos que las tensiones de entrada estén desfasadas de 120 grados. La finalidad de nuestro circuito es sólo detectar cuando están ausentes y no el instante que eso ocurre. Así, a efectos de calibración sólo necesitamos que el circuito detecte su ausencia y por eso podemos interconectar las entradas A, B y C para este propósito.

En primer lugar, ajuste el variac lentamente hasta la tensión:

   V = Vnom x 0,9 / 1,73

Donde: Vnom es la tensión nominal que debe ser aplicada a las armaduras del motor

           0,9 es el valor elegido para obtener la conmutación del motor (90% de la tensión nominal de la armadura)

           1,73 es la raíz cuadrada de 3 para obtener el valor rms de la tensión

 

El valor 0,9 se puede cambiar para obtener el accionamiento con otras tensiones.

Si al hacer este ajuste cualquiera de los fusibles se quema, apague todo y compruebe su montaje.

Si todo va bien hasta aquí, pase a la siguiente fase del ajuste.

Ajuste los trimpots en las entradas de referencia de los comparadores de modo que apliquen la máxima tensión de entrada (todos abiertos). En este ajuste el relé deberá ser energizado lo que significa que la lámpara se mantendrá encendida.

Luego pase al primer trimpot y vaya reduciendo la tensión aplicada a la entrada correspondiente del comparador hasta el momento en que el relé desenergice (la lámpara se apaga). Vuelva un poco el ajuste de este trimpot de modo que el relé vuelva a energizar y la lámpara se encienda.

Haz lo mismo con los otros dos trimpots.

Para comprobar la acción del circuito, desconecte cualquiera de las entradas de monitoreo (A, B o C). El relé debe desenergizarse inmediatamente haciendo que la lámpara se apague.

Comprobado el funcionamiento el circuito ya podrá ser instalado en el motor el cual debe proteger.

En la figura 6 tenemos el circuito de instalación del protector en un motor trifásico convencional.

 


 

 

Es importante observar que el lector estará trabajando directamente con tensiones peligrosas de la red de energía cuando haga la instalación del sistema de protección.

En la conexión del circuito en cualquier motor la secuencia de las fases no es importante.

 

Semiconductores:

IC-1 - LM339 - cuádruple comparador - circuito integrado

IC-2 - 7812 - regulador de tensión de 12 V - circuito integrado

D1 a D13 - 1N4002 - diodos de silicio

Q1 - BC558 o equivalente - transistores PNP de uso general

Q2 - BD136 o equivalente - transistores PNP de uso general

LED - LED rojo común (o de otro color)

Z1 - 6,0 V o 6,6 v - diodo zener de 400 mW

 

Resistores: (1/8 W, 5%)

R1, R2, R3- 4,7 k ohms

R4, R5, R6 - 47 k ohms

R7, R8, R9 - 4,7 M ohms

R10, R11 - 18 k ohms

R12, R13 - 1 k ohms

P1, P2, P3 - 10 k ohms - trimpots

 

Capacitores:

C1, C2, C3 - 47 uF x 25 V - electrolíticos

C4 - 470 uF x 25 V - electrolítico

C5 - 10 uF x 16 V - electrolítico

C6 - 470 nF - cerámica

 

Varios:

F1, F2, F3 - 500 mA - fusibles

T1, T2, T3 - Transformadores con primario de acuerdo con la tensión de fase y secundaria de 12 + 12 V x 500 mA o más

K1 - Relé de 12 V hasta 500 mA

Placa de circuito impreso, radiador de calor para CI-2, hilos, soldadura, soporte para fusibles, etc.