Protecciones eléctricas para equipo industrial

¿Para qué proteger tus sistemas?

Una parte importante de cada proceso (industrial o doméstico) es la protección de los equipos eléctricos pues al estar en operación continua, son susceptibles a problemas con el suministro de energía como pueden ser sobrecargas y en menor medida, caídas de potencial (o voltaje).

¿Cómo proteger el equipo principal?

Cada vez es más común el uso de equipos con alimentación de 24 VCC (volts en corriente continua) en cambio de los típicos 120 VCA (volts en corriente alterna) pues representa mayor seguridad a los operarios y reduce sus requisitos de protección. Adoptar este sistema ha llevado a la creación de fuentes de alimentación que utilizan la técnica de conmutación (en lugar de las formas típicas con rectificación mediante diodos) para generar el voltaje mencionado anteriormente. Esto es importante pues dichas tecnologías contienen sistemas de autoprotección ante sobrecorrientes y el calentamiento excesivo que conlleva, lo cual, entre otros casos, podría ocasionar incendios y no solo dañar los distintos equipos de nuestro proceso, sino que pondría en riesgo a los operarios.

Se le conoce como fuente conmutada porque el voltaje de salida es controlado (con un lazo cerrado) mediante el ciclo de trabajo de un transistor (típicamente un MOSFET) que, dependiendo de la demanda de energía que se le haga, aumentará la frecuencia de la corriente, la cual pasa de oscilar a 60 [Hz] a más de 100 [kHz].

Fig. 1: Diagrama general de una fuente conmutada.

Fig. 2: Cuando la demanda de corriente es alta, el ciclo de trabajo es más grande y, por el contrario, al reducir la demanda, el ciclo de trabajo también se reduce.

Es una práctica común el adoptar nuevas tecnologías cuando se trata la automatización de procesos, sin embargo, existen infinidad de plantas en los distintos sectores que tienen equipo significativamente viejo y aún cuentan con la típica alimentación por corriente alterna y, ¿qué pasa en estos casos? ¿cómo podemos proteger dichos equipos? Pues bien, no hay una única respuesta. La primera idea o el primer elemento típico es la instalación de fusibles que, como todos sabemos, se funden ante una sobrecarga, abriendo el circuito y restringiendo que el exceso de corriente pase y dañe nuestros equipos.

Fig. 3: Fusibles a 600 [VAC] tipo CC (hasta 30 [A]) y tipo J (hasta 600 [A]).

Si bien los fusibles cumplen correctamente su función, tienen la contra de ser desechables y de un solo uso, es por eso que existen los disyuntores que son interruptores automáticos y que también corta el paso de la corriente de alimentación si ocurre un problema con la demanda de energía, pero, con la ventaja de poder ser reconectados cuando el problema con el suministro o la demanda se haya resuelto. Los tipos más utilizados en son, por lo general, termomagnéticos y diferenciales.

Los primeros están compuestos por dos partes fundamentales, un relevador magnético que protege ante cortocircuitos y un relevador térmico encargado de la protección contra sobrecargas.

Fig. 4: Disyuntor termomagnético.

El segundo tipo funciona en conjunto con las tomas de tierra de todos de la instalación. Se les llama diferenciales porque, internamente, realizan una comparación entre la intensidad que entra en los circuitos, con la que sale. Al ser iguales significa que no existe ninguna fuga de energía y, en consecuencia, el disyuntor permite el paso de energía, pero, en caso contrario, la corriente de salida sería menor, activando la protección del disyuntor y evitando la alimentación errónea de nuestros circuitos.

Fig. 5: Disyuntor diferencial.

¿Qué pasa con los dispositivos de campo?

Hasta el momento hemos protegido nuestro equipo principal como pueden ser PLCs, HMIs y otros elementos a partir del nivel de control de la pirámide de automatización, sin embargo, hay dispositivos de campo que, por la cantidad de corriente que manejan, necesitan protección para continuar con su correcto funcionamiento al ser quienes interactúan directamente con la materia prima de los procesos. En este aparto aparecen dispositivos como motores monofásicos y trifásicos, hidrobombas, ventiladores, agitadores o bandas transportadoras (conveyors).

Fig. 6: Dispositivos de campo.

El primer elemento de protección sería un arrancador de motor que, como su nombre lo indica, permite el encendido (y también el apagado) de motores eléctricos, además otorgan protección contra subidas y bajadas de tensión. De éstos existen dos tipos principales, el primer tipo es el arrancador directo o inversor que impide el paso de energía cuando se supera la corriente nominal (máxima demanda de corriente que realiza el motor equipo).

Fig. 7: Arrancador directo.

El segundo tipo son los arrancadores suaves, los cuales proporcionan una corriente de arranque limitada y una detención guiada, de este modo es posible evitar grandes demandas de energía en un periodo muy corto de tiempo.

Fig. 8: Arrancador suave.

También existen equipos de protección llamados guardamotores que son interruptores termomagnéticos (similares a los disyuntores) los cuales desconectan un motor cuando la demanda de energía llega a alcanzar valores críticos, por lo cual, proporciona protección frente a sobrecargas y cortocircuitos con la diferencia de que permiten regular la protección ante la corriente que demandará del motor.

Fig. 9: Guardamotor.

Conclusiones

Estos son los elementos típicos para proteger el sistema eléctrico, sin embargo, existe una gran variedad de sistemas clásicos y de tecnologías emergentes que revisaré en su momento, sin embargo, todas cumplirán (a su forma) que nuestro equipo tenga la alimentación necesaria para su correcta operación y la elección por uno u otro dependerá de factores como son: la tensión de alimentación y operación, la corriente nominal de cada elemento, el poder de corte y de cierre o el número de fases necesarias en nuestros procesos.

-AHN.