Protección térmica.

 El funcionamiento de un relé térmico se basa en el alargamiento que tiene los metales al ser calentados. Dos materiales con coeficiente de dilatación térmica diferente se unen y se calientan simultáneamente. El material de menor dilatación térmica se coloca en la parte superior y el de mayor se coloca en la parte inferior, al calentarse los dos metales por medio de una resistencia estos se elongan de forma diferente, lo que permite que el relé bimetálico se curve y desactive el mecanismo de anclaje del relé.

Un relé térmico sirve como dispositivo de seguridad para evitar una sobrecarga en la corriente de cualquier aparato eléctrico, especialmente en motores eléctricos.  El tiempo que demoran los metales en alcanzar las distancias de disparo es el que se usa para activar el relé. Esto implica que el relé térmico no actúe apenas se produce la sobrecorriente sino después de un tiempo. Los relés térmicos bimetálicos constituyen el sistema más simple y conocido de la protección térmica por control indirecto, es decir, por calentamiento del motor a través de su consumo de energía eléctrica.

En la figura siguiente se ve la curva de disparo de un relé térmico comercial. Lo primero que se le debe observar al relé es la corriente Ir que es la corriente nominal de trabajo. En algunos relés esta corriente viene programable y se deje ajustar a las características del motor. Para nuestra simulación la corriente Ir=10A. 

El eje independiente viene marcados con una escala logarítmica desde 0.1 hasta 20. Esta describe la relación que hay entre la corriente que maneja el motor con respecto a la corriente que maneja la protección. Si el estator está consumiendo 10A y la corriente de protección es de 10A, significa que la corriente Ir=1. Si al corriente es de 24 A, Ir=2.4 A, etc.

En el eje dependiente se tiene el tiempo de disparo de la protección, esta escala también es logarítmica y viene marcada en segundos, minutos y horas. La curva en azul representa la curva de disparo del relé y es hiperbólica, es decir si se tiene una baja corriente, el tiempo de disparo es de horas, y si la corriente es alta, el tiempo de disparo es en segundos.

Por ejemplo si un motor toma 24 A de la fuente, se tiene una corriente de 2.4Ir, lo que implica que la protección se dispara al rededor de 15 segundos. Si la corriente en el motor es de 12A, se tiene una 1.2Ir lo que implica que el tiempo de dispara es alrededor de 1 minuto. Si la corriente de carga del motor es una fracción de Ir se supone que la protección no se debe disparar.

El relé térmico es un elemento que se conecta aguas abajo de un contactor y por él debe pasar la corriente que consume el motor. El relé térmico funciona a partir de temperaturas, una temperatura importante es la ambiente, en nuestro caso esta temperatura se de 23°C que es la temperatura donde debe operar la máquina; la otra temperatura importante es la de disparo que para nuestro caso es de 50°C, si la temperatura interna del relé está por debajo de esta, el relé no se dispara, si se sobrepasa, el relé se disparará y habrá necesidad de dejar que baje su temperatura para que vuelva a rearmarse. 

La temperatura de disparo debe estar por debajo de la temperatura máxima de operación de los devanados. Esta es una temperatura a la cual el conductor, con que están hechos los devanados, pierde sus características dieléctricas y el aislante se convierte en conductor o empieza a dejar pasar pequeñas corrientes de fuga que son perjudiciales para la máquina y para el operario, especialmente para el último.

En el momento del arranque la máquina asíncrona toma una corriente cercana a 24 A que equivale a tener 2.4Ir, pero el tiempo de arranque debe ser bajo para que no se dispare la protección. Por el contrario, si el rotor se atasca, esta corriente nunca bajará y las protecciones deben actuar.

Si la máquina está funcionando y se coloca demasiado torque de carga, la corriente en el estator aumenta, el rotor pierde velocidad y por ende capacidad de refrigeración. En este caso la protección térmica debe empezar a funcionar y proteger la máquina.

Bajo condiciones transitorias como lo es el arranque, inversión de giro, frenados, las protecciones no deben actuar.  Pero si alguna de estas condiciones se extiende por periodos largos de tiempo el relé debe proteger el motor.