Relé de factor de potencia 55 en motores síncronos

Respuesta corta

El relé de factor de potencia (ANSI 55) opera cuando el factor de potencia de un circuito pasa de un valor ajustado. Su aplicación clásica es el motor síncrono: cuando pierde el sincronismo o la excitación, deja de trabajar con factor de potencia unitario o en adelanto y pasa a absorber reactivos, y la 55 lo detecta y saca la máquina antes de que se dañen el devanado amortiguador y el campo.

Qué protege la 55

En IEEE C37.2 el número 55 es el relé de factor de potencia: opera cuando el factor de potencia de un circuito de corriente alterna sube o baja de un valor predeterminado.

Su aplicación como protección es el motor síncrono. En operación normal trabaja con factor de potencia unitario o en adelanto, porque su campo está sobreexcitado. Si pierde el sincronismo (pull-out) por una sobrecarga mecánica, una caída de tensión o una reducción del campo, el rotor se desliza respecto del campo del estator y la máquina:

absorbe potencia reactiva de la red, con factor de potencia en atraso;
toma corrientes altas y pulsantes;
somete al eje a pares oscilantes;
calienta el devanado amortiguador, que no está diseñado para trabajo continuo;
induce tensiones en el devanado de campo.

La pérdida total de la excitación produce el mismo síntoma: la máquina pasa a absorber reactivos. La 55 reconoce ese cambio y saca el motor, o lo deja intentar volver al sincronismo durante un tiempo limitado.

Es una función de motores síncronos grandes, como los de molinos de minería y cemento, compresores y bombas de gran potencia. No hay que confundirla con el control de factor de potencia de un banco de condensadores, que es una regulación y no una protección; ese caso está en control automático de bancos de condensadores.

Dónde se aplica

Equipo	BT	MT	AT y EAT	Comentario
Motor síncrono con excitación por escobillas o sin escobillas	No es habitual	Sí	No aplica	Aplicación principal
Generador síncrono	No aplica	Se prefiere la 40 y la 78	Se prefiere la 40 y la 78	La pérdida de campo y de sincronismo tienen funciones propias
Motor de inducción	No aplica	No aplica	No aplica	Trabaja siempre en atraso; la 55 no tiene sentido
Banco de condensadores	Control, no protección	Control, no protección	Control, no protección	Regulación del factor de potencia de la instalación

Principio de medida

El relé recibe las tensiones de sus transformadores de tensión (PT) y las corrientes de sus transformadores de corriente (CT) y calcula el ángulo entre ambas, es decir, el factor de potencia del motor. Necesita CT y PT.

Para no actuar con corrientes pequeñas, donde el ángulo es poco fiable, la función se supervisa con una corriente mínima. Se habilita solo con el campo aplicado: durante el arranque el motor síncrono funciona como uno de inducción, con factor de potencia en atraso, y la 55 debe estar bloqueada.

Por qué el factor de potencia delata el problema. En un motor síncrono la corriente de campo fija la potencia reactiva: sobreexcitado entrega reactivos a la red, subexcitado los absorbe. Es lo que muestran las curvas en V del fabricante, que relacionan la corriente del estator con la de campo para cada carga. Mientras el motor está en sincronismo y bien excitado, el factor de potencia se mantiene en el valor de diseño aunque cambie la carga. Si el campo se pierde o el rotor se desliza, la máquina ya no puede sostener esa reactiva y el factor de potencia se va hacia el atraso. Ese cambio es mucho más claro que el de la corriente, que en un deslizamiento sube y baja con cada polo.

Algunos controladores combinan la 55 con un detector de sobrecorriente rápido para reconocer el deslizamiento por las pulsaciones de corriente.

La característica

Se dibuja en el plano P–Q, con la convención de motor:

El punto de operación normal está en el cuadrante de potencia activa consumida y potencia reactiva entregada (adelanto) o cerca del eje de factor de potencia unitario.
Una recta trazada con el ángulo de ajuste separa la zona normal de la zona de disparo, en el lado de reactiva absorbida (atraso).
Si el punto de operación cruza esa recta y se mantiene más que el retardo, la función opera.

Cuando el motor pierde el sincronismo, el punto de operación no se queda quieto: gira y oscila con cada deslizamiento de polo, entrando y saliendo de la zona de disparo. Por eso el retardo y la forma de contar las entradas son tan importantes como el ángulo.

Modos de actuación. Algunos controladores ofrecen dos modos: quitar el campo durante un tiempo para que el motor vuelva a sincronizar al reaplicarlo, y disparar si no lo logra, o disparar directamente. El modo lo define el proceso y el fabricante del motor.

Criterios de ajuste

Ángulo: en el lado de atraso, con margen frente al punto de operación normal, incluido el de menor excitación previsto.
Retardo: suficiente para no actuar con oscilaciones transitorias por impactos de carga, como en molinos; menor que el tiempo que el devanado amortiguador tolera deslizando.
Corriente mínima de supervisión y bloqueo de arranque hasta la aplicación del campo.
Modo de resincronización o de disparo, acordado con el fabricante del motor.

Interacción con otras funciones

Pérdida de excitación 40: vigila la impedancia o la corriente de campo. Complementa a la 55 cuando la pérdida de campo es parcial.
Pérdida de sincronismo 78: en máquinas grandes, una protección de deslizamiento de polos por impedancia puede reemplazarla.
Aplicación del campo: el controlador de excitación del motor, que aplica el campo al llegar cerca de la velocidad de sincronismo, habilita la 55.
Subtensión 27: una caída de tensión profunda puede sacar al motor de sincronismo; la 27 y la 55 se coordinan para que actúe la que corresponde.
Sobrecarga 49 y sobrecorriente 50/51: cubren el calentamiento del estator y las fallas; la 55 cubre el deslizamiento.
Salidas: el disparo va al interruptor del motor y, según el modo, a la remoción del campo.

Cómo la implementa cada fabricante

Controladores de motor síncrono: el SPM de GE Vernova vigila el factor de potencia con retardo y ofrece los modos de resincronización y de aguante, además de la pérdida de corriente o tensión de campo.
Relés de motor: varios fabricantes incluyen elementos de factor de potencia en sus relés de motor; la declaración IEC 61850 del SEL-849 incluye el nodo de factor de potencia POPF.

Las diferencias prácticas están en la convención de signos (atraso y adelanto, motor o generador), en cómo se habilita la función después del arranque y en los modos de actuación.

Nodo lógico IEC 61850

IEC 61850-7-4 incluye el nodo POPF, de factor de potencia, que relés de motor como el SEL-849 declaran en su documentación de conformidad. Otros fabricantes resuelven la función con nodos genéricos o propios. Como en cualquier función de protección, publica el arranque (Str) y la operación (Op), y el disparo pasa por PTRC hacia el interruptor (XCBR).

Cómo se prueba

En general, con inyección secundaria se verifica:

El ángulo de operación, girando la corriente respecto de la tensión con magnitudes constantes.
La convención de signos: que el punto de operación normal, en adelanto, no opere.
El retardo y la reposición.
La corriente mínima de supervisión.
El bloqueo durante el arranque y su habilitación con la señal de campo aplicado.
Con una secuencia de estados, la respuesta a un punto de operación que oscila.

En la puesta en servicio se registra el factor de potencia real del motor en distintas cargas y excitaciones.

Errores típicos

Convención de signos equivocada: el relé interpreta como atraso la operación normal en adelanto y dispara con el motor sano.
Polaridad de CT o PT invertida, con el mismo efecto.
Sin bloqueo de arranque: disparo en cada arranque.
Retardo muy corto en cargas con impactos, como molinos.
Modo de resincronización sin coordinar con el controlador de excitación.
Ángulo copiado de otra máquina con otra excitación nominal.

Configuramos su relé de motor síncrono

¿Su motor síncrono dispara por factor de potencia sin causa clara? Revisamos de forma remota los eventos, la convención de signos, los bloqueos y los ajustes del relé o del controlador. Díganos la marca y el modelo en configuración remota de relés o escríbanos.

Guías relacionadas

Referencias

IEEE C37.2, Standard for Electrical Power System Device Function Numbers, Acronyms, and Contact Designations (dispositivo 55).
IEEE C37.96, Guide for AC Motor Protection: protección de motores de inducción y síncronos.
IEC 61850-7-4, Compatible logical node classes and data object classes: nodos POPF y PTRC.
GE Vernova, SPM Synchronous Motor Protection System: protección de pérdida de sincronismo por factor de potencia.
SEL, declaración de conformidad IEC 61850 (MICS) del SEL-849.

Preguntas frecuentes

¿Por qué la 55 se bloquea durante el arranque del motor síncrono?

Porque el motor síncrono arranca como uno de inducción, sin campo aplicado, y en ese tramo absorbe reactivos con factor de potencia en atraso. Si la 55 estuviera activa, dispararía en cada arranque. Se habilita cuando se aplica el campo y el motor entra en sincronismo.

¿Qué diferencia hay entre la 55 y la protección de pérdida de excitación 40?

La 40 vigila la impedancia que ve la máquina, o la corriente de campo, y es la protección habitual de pérdida de campo en generadores. La 55 vigila el factor de potencia, que cambia tanto con la pérdida de campo como con la pérdida de sincronismo por sobrecarga o por una caída de tensión. En motores síncronos se usan juntas o se elige una según el tamaño y el controlador.

¿El controlador de factor de potencia de un banco de condensadores es una 55?

Usa la misma magnitud, pero no es una protección: conecta o desconecta escalones para mantener el factor de potencia de la instalación. La 55 como protección saca de servicio un equipo cuando el factor de potencia indica una condición anormal.