Motor de inducción y sus protecciones: 49, 46, 50/51, 37, 66, 87M

Respuesta corta

El motor de inducción es la carga más común de la industria: bombas, compresores, ventiladores, molinos y bandas. Su protección se centra en el calentamiento, con un modelo térmico (49) que considera el arranque y el desbalance (46), y se completa con sobrecorriente (50/51), falla a tierra (50N), baja corriente (37), limitación de arranques (66) y, en motores grandes, diferencial (87M).

Qué es un motor de inducción

El motor de inducción, o asíncrono, es la máquina más usada en la industria. El estator, alimentado con corriente alterna trifásica, crea un campo magnético giratorio; ese campo induce corrientes en el rotor y produce el par. El rotor gira un poco más despacio que el campo: esa diferencia, el deslizamiento, es la que permite inducir corriente y crece con la carga.

En el arranque el deslizamiento es máximo, la corriente es varias veces la nominal y el factor de potencia es bajo. El rotor se calienta mucho más rápido que en servicio normal. Por eso el arranque es la condición que más define la protección del motor.

Partes principales

Estator: núcleo laminado, devanado trifásico y carcasa. En motores de media tensión suele llevar detectores de temperatura (RTD) embebidos.
Rotor: de jaula de ardilla (barras y anillos de cortocircuito) en la gran mayoría de casos, o rotor devanado con anillos rozantes en aplicaciones de arranque pesado.
Rodamientos o cojinetes, a veces con RTD y sensores de vibración.
Sistema de enfriamiento y caja de bornes.
Arrancador: directo, estrella-triángulo, autotransformador, arrancador suave o variador de frecuencia. En media tensión, contactor con fusibles o interruptor.

Cómo funciona el arranque

Los datos que el ingeniero necesita para proteger el motor son: corriente de arranque (rotor bloqueado), tiempo de aceleración, tiempo seguro con rotor bloqueado en frío y en caliente, número de arranques permitidos y curva térmica del fabricante. La regla básica es que el tiempo de aceleración real debe quedar por debajo del tiempo seguro con rotor bloqueado, y la protección debe ubicarse entre los dos.

Un desbalance de tensión pequeño produce un desbalance de corriente mucho mayor, porque la impedancia de secuencia negativa del motor es cercana a la de rotor bloqueado. Esas corrientes de secuencia negativa inducen en el rotor corrientes de casi el doble de la frecuencia de red, que lo calientan.

Durante una falla en la red, el motor también aporta corriente de cortocircuito por unos pocos ciclos.

Tipos

Baja tensión: la gran mayoría de motores de una planta, protegidos con guardamotores, relés térmicos o relés electrónicos integrados en centros de control de motores.
Media tensión: motores grandes de bombas, compresores, molinos, ventiladores de tiro y trituradoras, alimentados desde celdas con contactor o interruptor y protegidos con relés de motor multifunción.
Accionados por variador: el variador protege en gran parte al motor, y el relé aguas arriba ve el variador, no el motor.
En subestaciones y centrales: motores de servicios auxiliares como bombas de enfriamiento y ventiladores.

Protecciones asociadas

La guía IEEE C37.96 es la referencia. Las funciones principales son:

Sobrecarga térmica 49: un modelo térmico que integra la corriente, con más peso a la secuencia negativa, y que puede corregirse con RTD. Lleva memoria: recuerda que el motor está caliente después de un arranque o una parada. Ver sobrecarga térmica 49.
Desbalance o secuencia negativa 46: detecta pérdida de una fase, fusibles fundidos y desbalances de tensión. Ver secuencia negativa 46.
Sobrecorriente 50/51: el 50 instantáneo para cortocircuitos, ajustado por encima de la corriente de arranque con margen para la asimetría. Si el motor se alimenta con contactor, el 50 debe bloquearse para corrientes mayores que la capacidad de interrupción del contactor y dejar actuar a los fusibles. Ver sobrecorriente de fases y tierra.
Falla a tierra 50N: de preferencia con CT toroidal, que da sensibilidad y evita disparos falsos en el arranque.
Baja corriente o pérdida de carga 37: detecta una bomba que trabaja en vacío, una banda rota o un acople suelto. Se bloquea durante el arranque.
Limitación de arranques 66: cuenta arranques por hora y el tiempo entre arranques, e inhibe un nuevo arranque cuando se excede lo que permite el fabricante.
Diferencial de motor 87M: para motores grandes, según el criterio del usuario y la importancia de la máquina. Puede ser autobalanceada, con un CT toroidal por fase que abraza los dos extremos del devanado, o porcentual con CT en ambos lados. Ver diferencial de motor 87M.
Otras: rotor bloqueado o arranque incompleto (48, 51LR), subtensión 27, secuencia de fases 47 y temperatura por RTD.

Cómo lo implementa cada fabricante

Las familias más comunes en industria son SEL-710, GE Multilin 469 y 869, ABB REM615, Siemens SIPROTEC 7SK y Schneider MiCOM P24x. Todas tienen modelo térmico, pero cambian cómo lo parametrizan (por curva del fabricante, por constantes de tiempo o por datos de rotor bloqueado), cómo pesan la secuencia negativa, cómo manejan la memoria térmica y qué condiciones inhiben el arranque. El software también cambia: AcSELerator QuickSet, EnerVista, PCM600, DIGSI o MiCOM S1.

Pruebas en puesta en servicio y mantenimiento

Motor: resistencia de aislamiento e índice de polarización (IEEE 43), resistencia de devanados y, en media tensión, factor de potencia o pruebas de impulso comparativas.
Protecciones: inyección secundaria para verificar el modelo térmico con los datos del motor, los tiempos de las funciones y las lógicas de bloqueo e inhibición.
Arranque real: se registra el arranque en el relé (corriente, tensión y tiempo de aceleración) y se compara con el tiempo seguro con rotor bloqueado. Es la mejor validación de los ajustes.

Disparos comunes en campo

49 al rearrancar en caliente, por la memoria térmica.
66 inhibiendo arranques y operadores que reponen el relé sin esperar.
46 por desbalance de tensión o por un fusible fundido aguas arriba.
50N en el arranque con tierra residual y CT saturados.
37 en el arranque cuando no está bloqueada.
87M en el arranque por CT de distinta clase o mal conectados.
50 en el arranque ajustado sin margen para la asimetría.

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Guías relacionadas

Referencias

IEEE C37.96: guía de protección de motores de corriente alterna.
IEEE 3004.8: protección de motores en sistemas industriales y comerciales.
IEC 60255-149: requisitos funcionales de relés térmicos eléctricos.
IEC 60034-1: máquinas eléctricas rotativas, características asignadas.
NEMA MG 1: motores y generadores.
IEEE 43: resistencia de aislamiento de máquinas rotativas.
IEEE C37.2: números de dispositivo.
J. L. Blackburn y T. J. Domin, Protective Relaying: Principles and Applications.

Preguntas frecuentes

¿Por qué el relé no me deja volver a arrancar el motor?

Casi siempre es la limitación de arranques 66 o la reserva térmica del 49: el relé calcula que el motor todavía está caliente y que otro arranque lo llevaría por encima de su límite. Hay que esperar el tiempo que indica el relé; reponer la memoria térmica a la fuerza acorta la vida del aislamiento.

¿Por qué disparó la 50N en el arranque si el motor está bien?

Con la tierra calculada como suma de tres CT de fase, la corriente de arranque asimétrica puede saturar los CT de forma desigual y crear una corriente residual falsa. Lo recomendable es usar un CT toroidal para la tierra o dar una temporización corta, según el estudio.

¿Por qué disparó la 46 si el motor no tiene falla?

Un pequeño desbalance de tensión en la red produce un desbalance de corriente varias veces mayor en el motor, porque su impedancia de secuencia negativa es baja. Revise primero las tensiones de alimentación, los fusibles y las conexiones antes de cambiar el ajuste.