¿Cómo Calcular y Seleccionar un Relé Térmico?

La protección de los motores eléctricos es fundamental para garantizar su vida útil, eficiencia y la seguridad de las instalaciones. Uno de los dispositivos más importantes en esta tarea es el relé térmico. Este componente actúa como un guardián, detectando sobrecargas y cortando la alimentación antes de que el motor sufra daños irreparables por sobrecalentamiento. Sin embargo, seleccionar y calcular el relé térmico adecuado no es una tarea trivial; requiere comprender los parámetros clave del motor y las condiciones de operación.

A menudo, una selección incorrecta puede llevar a disparos intempestivos que detienen la producción sin motivo, o peor aún, a una protección insuficiente que deja al motor vulnerable a fallos prematuros. Este artículo te guiará paso a paso en el proceso de cálculo y selección, asegurando que tu motor esté protegido de manera óptima.

¿Qué es un Relé Térmico y Por Qué es Indispensable?

Un relé térmico es un dispositivo de protección diseñado específicamente para motores eléctricos. Su función principal es proteger el motor contra sobrecargas prolongadas que podrían causar un calentamiento excesivo en sus bobinados. A diferencia de un disyuntor, que protege principalmente contra cortocircuitos y sobrecargas muy elevadas, el relé térmico está optimizado para detectar sobrecorrientes que, aunque no sean lo suficientemente grandes como para disparar un disyuntor de inmediato, sí pueden generar un aumento gradual de temperatura que, con el tiempo, degradaría el aislamiento del motor y, en última instancia, lo destruiría.

La necesidad de un relé térmico radica en la vulnerabilidad de los motores al calor. El aislamiento de los bobinados de un motor tiene una clasificación de temperatura máxima. Si esta temperatura se excede de forma continua, el aislamiento se deteriora rápidamente, lo que lleva a cortocircuitos internos y fallas del motor. Las causas comunes de sobrecarga incluyen:

• Carga mecánica excesiva sobre el eje del motor.
• Baja tensión de alimentación.
• Fallas en el bobinado del motor.
• Atascamiento del rotor.
• Falta de una fase en motores trifásicos (aunque algunos relés básicos no la detectan directamente).
• Arranques muy frecuentes o prolongados.

Un relé térmico bien dimensionado y ajustado protege contra estas condiciones, interrumpiendo el circuito de control del contactor y deteniendo el motor antes de que el daño sea irreversible. Es, por tanto, una inversión crucial para la longevidad y fiabilidad de cualquier sistema motorizado.

Principios de Funcionamiento del Relé Térmico

La mayoría de los relés térmicos operan bajo el principio de la dilatación térmica de metales. Los más comunes son los bimetálicos, que constan de dos tiras de metales diferentes unidas. Estos metales tienen coeficientes de expansión térmica distintos, lo que significa que se expanden a diferentes velocidades cuando se calientan.

Cuando la corriente que alimenta el motor pasa a través de elementos calefactores (resistencias) dentro del relé, estos elementos irradian calor. Este calor es absorbido por las tiras bimetálicas. Si la corriente excede el valor establecido y se mantiene durante un tiempo, el calor generado provoca que una de las tiras bimetálicas se curve más que la otra. Esta deformación acciona un mecanismo que abre un contacto auxiliar (normalmente cerrado) en el circuito de control del contactor, provocando que este se desenergice y, por consiguiente, el motor se detenga.

Una vez que el relé se ha disparado, el mecanismo permanece en la posición de disparo hasta que se enfría lo suficiente. Algunos relés tienen un botón de rearme manual, lo que permite al operador investigar la causa de la sobrecarga antes de reiniciar el motor. Otros tienen un rearme automático, que restablece el circuito una vez que la temperatura desciende, aunque esto puede no ser deseable en todas las aplicaciones por razones de seguridad.

Es importante destacar que la curva de disparo de un relé térmico está diseñada para emular la curva de calentamiento de un motor. Esto significa que el relé permite que el motor maneje corrientes de arranque elevadas durante un corto período sin dispararse, pero si una corriente excesiva persiste más allá de ese tiempo, el relé actuará.

Parámetros Clave para la Selección y Cálculo

La selección precisa de un relé térmico depende de varios parámetros específicos del motor y de la aplicación. Ignorar cualquiera de estos puede resultar en una protección inadecuada o en disparos innecesarios.

1. Corriente Nominal del Motor (In)

Este es el parámetro más crítico. La corriente nominal es la corriente que el motor consume cuando opera a su plena carga y tensión nominal. Se encuentra en la placa de características del motor (nameplate). Si no está disponible, se puede calcular utilizando las siguientes fórmulas:

• Para motores trifásicos:
  In = P / (√3 * V * cos φ * η)
  Donde:
  P = Potencia del motor en vatios (W) o multiplicando los HP por 746
  V = Tensión de línea en voltios (V)
  cos φ = Factor de potencia (normalmente entre 0.7 y 0.9)
  η = Eficiencia del motor (normalmente entre 0.8 y 0.95)
  √3 ≈ 1.732
• Para motores monofásicos:
  In = P / (V * cos φ * η)

Ejemplo: Un motor trifásico de 10 kW, 400V, con un factor de potencia de 0.85 y una eficiencia del 90% (0.9).

In = 10000 W / (1.732 * 400 V * 0.85 * 0.9)
In = 10000 / 529.092 ≈ 18.9 A

2. Factor de Servicio (SF)

Algunos motores tienen un factor de servicio (Service Factor o SF) indicado en su placa. Un SF de 1.15, por ejemplo, significa que el motor puede operar a una carga del 115% de su potencia nominal sin sufrir daños, siempre que no se excedan los límites de temperatura de aislamiento. Si un motor tiene un SF > 1, el relé térmico puede ajustarse a un valor ligeramente superior a la corriente nominal, multiplicando `In` por el SF. Sin embargo, es una práctica común y segura ajustar el relé a la corriente nominal del motor, a menos que la aplicación exija el uso constante del SF.

3. Temperatura Ambiente

La capacidad de un relé térmico para operar correctamente está influenciada por la temperatura ambiente. Si el relé y el motor están en entornos con temperaturas muy diferentes, podría ser necesaria una compensación. La mayoría de los relés modernos son "compensados por temperatura ambiente", lo que significa que su punto de disparo no se ve afectado significativamente por las variaciones de temperatura ambiente dentro de un rango específico. Si no lo son, o si la diferencia es extrema, se deben consultar las tablas del fabricante para ajustar el rango.

4. Clase de Disparo (Trip Class)

La clase de disparo define el tiempo máximo en el que el relé debe operar cuando se somete a una sobrecarga específica (generalmente 7.2 veces la corriente ajustada, que simula una condición de rotor bloqueado). Las clases más comunes son:

• Clase 10: Disparo en menos de 10 segundos. Ideal para arranques normales o ligeros (ej. bombas, ventiladores).
• Clase 20: Disparo en menos de 20 segundos. Para arranques de duración media o pesados (ej. compresores pequeños, cintas transportadoras).
• Clase 30: Disparo en menos de 30 segundos. Para arranques muy pesados o prolongados (ej. mezcladoras grandes, molinos).

La elección de la clase depende de la inercia de la carga y del tiempo de arranque del motor. Un arranque prolongado con un relé de Clase 10 causaría disparos intempestivos, mientras que uno de Clase 30 podría no proteger adecuadamente en un arranque rápido.

Pasos para el Cálculo y la Selección del Relé Térmico

Paso 1: Determinar la Corriente Nominal (In) del Motor

Como se mencionó anteriormente, este es el punto de partida. Obtén este valor directamente de la placa de características del motor. Si no está disponible, cálculalo usando las fórmulas proporcionadas. Asegúrate de usar los valores correctos de tensión, potencia, factor de potencia y eficiencia.

Paso 2: Seleccionar el Rango de Corriente del Relé

Los relés térmicos se fabrican con rangos de corriente ajustables. Por ejemplo, un relé podría tener un rango de 10 A a 16 A, o de 18 A a 25 A. La corriente nominal calculada o leída del motor (In) debe caer dentro del rango de ajuste del relé seleccionado. Es ideal que `In` se sitúe aproximadamente en la mitad del rango de ajuste del relé para permitir cierta flexibilidad en el ajuste fino.

Ejemplo: Para nuestro motor de 18.9 A:

• Un relé con rango de 10 A - 16 A sería demasiado pequeño.
• Un relé con rango de 18 A - 25 A sería adecuado, ya que 18.9 A cae dentro de este rango.
• Un relé con rango de 16 A - 22 A también podría ser una opción viable.

Paso 3: Ajustar el Relé Térmico

Una vez que tienes el relé con el rango adecuado, el siguiente paso es ajustarlo. La regla general es ajustar la perilla o dial del relé a un valor entre 1.0 y 1.25 veces la corriente nominal (In) del motor. La mayoría de los fabricantes recomiendan ajustar el relé al valor de la corriente nominal del motor que se encuentra en la placa.

Ajuste del Relé = In * (1.0 a 1.25)

Para el motor de 18.9 A:

• Ajuste recomendado (1.0 * In): 18.9 A
• Ajuste máximo (1.25 * In): 18.9 A * 1.25 = 23.6 A

Si la aplicación es estándar y el motor no tiene un factor de servicio superior a 1, o si se desea una protección más estricta, un ajuste de 1.0 a 1.1 veces In es lo más común y seguro. Si el motor tiene un factor de servicio superior a 1, y la aplicación requiere operar cerca de ese límite, se podría considerar un ajuste más cercano a 1.15 * In (si el SF es 1.15).

Es crucial que el ajuste no supere la corriente máxima permitida por el cableado del motor, que debe ser seleccionada para la corriente nominal del motor.

Tabla Comparativa: Clases de Disparo de Relés Térmicos

Consideraciones Adicionales y Preguntas Frecuentes

¿Qué sucede si el relé está sobredimensionado?

Si el relé térmico se selecciona con un rango de corriente demasiado alto o se ajusta por encima del valor necesario, no ofrecerá la protección adecuada. El motor podría operar en condiciones de sobrecarga durante períodos prolongados, lo que llevaría a un sobrecalentamiento gradual, degradación del aislamiento y, finalmente, la falla del motor sin que el relé se dispare.

¿Y si está subdimensionado?

Un relé subdimensionado o ajustado a un valor demasiado bajo se disparará con demasiada frecuencia, incluso bajo condiciones de operación normales o durante el arranque legítimo del motor. Esto provoca interrupciones innecesarias en el proceso, pérdida de producción y frustración, llevando a veces a que los operadores 'puenteen' el relé, eliminando toda protección.

¿Puede un relé térmico proteger contra cortocircuitos?

No. Un relé térmico no está diseñado para proteger contra cortocircuitos. Su función es la protección contra sobrecargas prolongadas. Para la protección contra cortocircuitos, se deben utilizar fusibles o disyuntores magnéticos o termomagnéticos, los cuales actúan instantáneamente ante corrientes muy elevadas.

¿Necesito un relé térmico si uso un Variador de Frecuencia (VFD)?

La mayoría de los variadores de frecuencia modernos incorporan protección electrónica de sobrecarga para el motor. Sin embargo, en algunas aplicaciones críticas o si el VFD no ofrece una protección completa para todas las condiciones (por ejemplo, fallos de fase en el lado de la carga), o si se requiere una coordinación de protección específica, un relé térmico externo puede ser una capa adicional de seguridad. Siempre consulta el manual del VFD y las normativas locales.

¿Cómo sé si mi motor tiene un factor de servicio?

El factor de servicio (SF) se indica en la placa de características del motor, generalmente con un valor como "1.0", "1.15", "1.25", etc. Si no se especifica, se asume un SF de 1.0.

¿Qué significa "Clase X" en un relé térmico?

Como se explicó, la "Clase" (10, 20, 30) se refiere al tiempo máximo de disparo del relé bajo una condición de sobrecarga específica (7.2 veces la corriente ajustada). Es crucial elegir la clase adecuada para las características de arranque de la carga del motor, para evitar disparos intempestivos durante el arranque o una protección insuficiente si el arranque es muy rápido.

¿Cómo se instala y mantiene un relé térmico?

Los relés térmicos generalmente se montan directamente debajo de un contactor en un sistema de control de motor. Los terminales de potencia del relé se conectan en serie con el motor, y los contactos auxiliares (normalmente cerrados) se conectan en el circuito de la bobina del contactor. Para el mantenimiento, es importante limpiar el polvo y la suciedad periódicamente y verificar que los tornillos de los terminales estén apretados. Algunos relés permiten una prueba manual del mecanismo de disparo para verificar su funcionamiento.

La selección y el ajuste correctos de un relé térmico son pasos fundamentales para asegurar la operación confiable y segura de cualquier motor eléctrico. No subestimes la importancia de esta pequeña pero poderosa pieza de protección. Al seguir los pasos y consideraciones detalladas en este artículo, podrás tomar decisiones informadas que prolongarán la vida útil de tus motores, reducirán los tiempos de inactividad no planificados y, en última instancia, optimizarán tus procesos industriales.

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