Instal·lacions de receptors escalfadors, motors i transformadors

Els aparells elèctrics d’escalfament són els que transformen l’energia elèctrica en calor.

Com qualsevol part de la instal·lació elèctrica, els materials s’han d’usar de la manera i amb la finalitat per a les quals van ser fabricats. Els aparells d’escalfament no són una excepció, tot al contrari, la qualitat dels materials i les comprovacions perquè aquests no arribin a ser un perill per a persones i béns és molt important. És fàcil deduir els problemes de seguretat que es poden derivar d’un equip que arriba a temperatures elevades, des del deteriorament dels materials aïllants fins a un consum excessiu d’energia i, en el pitjor dels casos, accidents, cremades a persones o, fins i tot, incendis greus.

Els materials i equips que utilitzarem a les instal·lacions d’escalfament han de contenir com a mínim les indicacions següents:

• Identificació del fabricant, representant legal o responsable de la comercialització
• Tensió i potència (o intensitat assignades)
• Qualsevol altra indicació referida a l’ús específic del material o de l’equip assignats pel fabricant

Els organismes i les entitats certificadores de les administracions de les comunitats autònomes han de verificar que es compleixen les exigències tècniques dels materials i equips que s’instal·len a la seva comunitat. La verificació es pot fer per mostreig.

Això vol dir que no cal verificar totes les instal·lacions, només cal verificar-ne unes quantes i desprès extrapolar el resultat al total de les instal·lacions. Així es poden estalviar recursos i alhora obtenir resultats semblants als que s’assolirien si es fes un estudi de totes les instal·lacions.

El principi físic en què es basen els escalfadors elèctrics es el conegut efecte Joule, que és una aplicació del principi de conservació de l’energia, la transformació de l’energia elèctrica en calor.

on Q és la quantitat t de calor expressada en joules (J); R és la resistència expressada en ohms (Ω); I és la intensitat expressada en amperes (A), i t és l’interval de temps expressat en segons.

En l’àmbit domèstic s’utilitza l’energia elèctrica per a l’escalfament. Cal tenir en compte que els aparells d’escalfament, que aprofiten l’efecte Joule, és a dir, aparells que disposen d’una resistència que s’escalfa quan hi passa un corrent elèctric, tenen un consum molt elevat. El consum elevat es tradueix en un corrent elèctric elevat, i els corrents elèctrics elevats comporten cables amb unes grans seccions i un consum d’energia elèctrica elevat.

Els aparells d’escalfament d’ús domèstic tenen un consum elèctric elevat, és a dir, potències elevades, la qual cosa significa consums energètics elevats.

És per això que si els sistemes d’escalfament de la casa funcionen amb energia elèctrica cal que ho facin aprofitant la tarifa nocturna per treure més rendiment econòmic a la instal·lació al llarg del seu temps d’utilització.

Aparells que escalfen líquids (domèstics). Per escalfar els líquids el normal és aprofitar l’escalfament d’una resistència submergida en el líquid que es vol escalfar. Aquest sistema pot plantejar problemes de seguretat. La resistència ha d’estar aïllada elèctricament del líquid que escalfa. Si el líquid que escalfa la resistència és conductor com ho és, per exemple, l’aigua, es podria quedar en tensió i provocar accidents. És per això que les resistències d’escalfaments han d’estar aïllades elèctricament.

La major part dels sistemes elèctrics d’escalfament utilitzen el termo o escalfador elèctric d’aigua (figura), el qual escalfa l’aigua i l’emmagatzema calenta. Hi ha altres tipus d’escalfadors com ara la bomba de calor, però aquestes instal·lacions s’utilitzen amb més freqüència en instal·lacions centralitzades del sector serveis i no per fer-ne un ús domèstic.

La figura mostra un acumulador elèctric d’aigua calenta i les seves parts.

L’acumulador d’aigua calenta està format pels components bàsics següents:

• Dipòsits d’acumulació de l’aigua*, els quals poden ser d’acer, coure, acer inoxidable o material plàstic; en general, són d’acer amb un recobriment anticorrosiu de tipus galvanitzat, a base d’esmalt vitrificat o de resines elàstiques.
• Resistència elèctrica d’escalfament, la qual és de tipus blindat, normalment submergida a l’aigua.
• Termòstat, el qual controla la temperatura de l’aigua, segons el valor que l’usuari ha escollit o que el fabricant ha establert.
• Recobriment d’aïllament tèrmic, per mantenir la temperatura de l’aigua emmagatzemada. El material més comú per a aquest revestiment tèrmic és l’espuma de poliuretà.
• Embolcall exterior, el qual és fabricat en xapa d’acer pintada, generalment de blanc, i que tanca tot el conjunt.

Quan el dipòsit és d’acer galvanitzat o esmaltat, convé que l’escalfador incorpori un ànode de magnesi per garantir la protecció contra la corrosió, sobretot si l’aigua té molta calç. Aquest ànode es desgasta amb el temps i cal canviar-lo de manera periòdica.

Alguns escalfadors disposen d’un comandament que permet regular el termòstat, la qual cosa fa possible que l’usuari seleccioni la temperatura de l’aigua. En altres models, el termòstat no és accessible a l’usuari i està regulat pel fabricant a una temperatura fixa entorn dels 60 °C.

Els escalfadors elèctrics tenen típicament les capacitats que apareixen en la taula.

La temperatura d’ús de l’aigua calenta sempre és més baixa que la temperatura de l’aigua acumulada. Aquesta temperatura més baixa s’aconseguix barrejant l’aigua freda de la xarxa amb la calenta de l’escalfador. Així, un escalfador pot proporcionar un volum d’aigua superior al de la seva capacitat. Per exemple, si necessiteu 36 l d’aigua a 40 °C per a una dutxa, en realitat utilitzeu 20 l d’aigua de l’escalfador a 60 °C, la resta és aigua freda de la xarxa de subministrament.

Si utilitzem les tarifes amb discriminació horària cal posar més capacitat d’aigua, encara que la potència sigui més petita, perquè tenim les hores de tarifa reduïda per escalfar l’aigua. Per a aquest tipus de tarifes es recomanen les capacitats d’aigua que assenyala la taula.

Aquesta quantitat d’aigua calenta emmagatzemada es pot aconseguir amb dos esclafadors, segons la distància fins als punts de consum. Si la distància és superior a 8 m o 10 m, és preferible col·locar dos aparells per limitar les pèrdues de calor a les canonades.

L’escalfador d’aigua elèctric es pot instal·lar a qualsevol local, no cal que hi hagi ventilació, ni xemeneia, ni sortida de gasos. Només cal tenir en compte les canalitzacions d’aigua i les d’electricitat.

Per millorar el rendiment i que les pèrdues de calor siguin poques cal situar-lo al més a prop possible dels punts de consum. Sempre tenint en compte que és un aparell elèctric i que ha de respectar els volums de prohibició dels locals que tenen banyera o dutxa (ITC-27).

Aparells que escalfen locals. Els aparells d’escalfament de locals, evidentment, no s’han d’instal·lar en nínxols o caixes construïdes o revestides de materials combustibles. S’han diinstal·lar d’acord amb les instruccions del fabricant pel que fa a la distància mínima que els ha de separar de les parets, sòls superfície o altres superfícies o objectes combustibles.

Encara que la paret sembli d’un material no combustible, els revestiments com són les pintures plàstiques o fins i tot els papers decoratius fan que la paret tingui una certa capacitat per inflamar-se.

En absència d’instruccions per part del fabricant de l’aparell escalfador elèctric, l’aparell s’ha d’instal·lar mantenint una distància mínima de 8 cm respecte a altres superfícies.

En el cas d’aparells de calefacció amb elements calefactors lluminosos darrera d’obertures reixades, heu de deixar una distància entre aquestes obertures i una altra superfície de 50 cm com a mínim.

Cuines i forns. Les cuines i forns elèctrics són elements que tenen un gran consum elèctric, és per això que la ITC-BT-25 obliga a fer un circuit, el C3, per a aquests elements de la instal·lació. Aquests aparells han d’estar connectats a la seva font d’alimentació per mitjà d’interruptors de tall omnipolar i les preses de corrent destinats únicament a ells mateixos.

Els elements dels forns i aparells de cocció que incorporen elements incandescents no tancats no es poden instal·lar en llocs que presentin risc d’explosió.

Per a la indústria s’utilitza l’escalfament de moltes maneres, per escalfar líquids dels processos industrials, aparells de cocció i aparells per a soldadura elèctrica per arc. Cal tenir en compte que els aparells d’escalfament industrial destinats a estar en contacte amb matèries combustibles o inflamables han d’estar proveïts de les limitacions de temperatura que interrompi o redueixi l’escalfament abans que la temperatura arribi a ser perillosa, fins i tot en condicions d’avaria o mal ús.

Els aparells i màquines industrials són molt diversos i complexos, i normalment són fruït de moltes investigacions per part dels fabricants i proveïdors. En aquest tipus d’aparells és molt importat la documentació tècnica. En cas de qualsevol dubte sobre la temperatura a la qual pot arribar qualsevol màquina, el millor és consultar la documentació de la màquina o fins i tot posar-se en contacte amb els fabricants de la màquina, que us poden suggerir la millor manera de fer la instal·lació elèctrica, i també advertir sobre els possibles perills que representen temperatures màximes de funcionament entre altres qüestions.

Els aparells d’escalfament o reescalfament de líquids combustibles o inflamables, dotats d’un limitador de temperatures que interrompi o redueixi l’escalfament dels líquids abans que es pugui arribar a una temperatura perillosa fins i tot en condicions d’avaria o mal ús. Tot seguit trobareu assenyalats els principals, com també l’especificació de les prescripcions que el Reglament estableix:

Escalfadors d’aigua en els quals l’aigua forma part del circuit elèctric. Els escalfadors d’aigua en els quals l’aigua forma part del circuit elèctric no s’han d’utilitzar en instal.lacions d’ús domèstic ni quan se n’hagin d’utilitzar els serveis. El personal no especialitzat no els ha d’utilitzar. Les persones que utilitzin aquest tipus d’escalfadors han de rebre una formació específica perquè no es produeixin accidents laborals. Per a la instal·lació d’aquests aparells, cal tenir en compte les prescripcions següents:

• Aquests aparells s’han alimentar només amb corrent altern amb una freqüència igual o superior a 50 Hz.
• L’alimentació ha d’estar controlada per mitjà d’un interruptor automàtic construït i instal·lat amb les condicions següents:
  • Ser de tall omnipolar simultani.
  • Estar proveït de dispositius de protecció contra sobrecàrregues en cada conductor que es connecti a un elèctrode.
  • S’ha de col·locar de manera que es pugui accionar fàcilment des del mateix emplaçament en el qual s’instal·li, bé directament o bé per mitjà d’un dispositiu de comandament a distància. En aquest cas cal instal·lar llums de senyalització que indiquin la posició d’obert o tancat de l’interruptor.
  • El dipòsit o caldera metàl·lica ha d’estar connectat a la presa de terra. La secció del conductor de posada a terra no ha de ser inferior a la secció dels conductors de l’alimentació, i en cap cas no ha de ser inferior a 4 mm². Segons el tipus d’aparell cal complir, a més, els requisits següents:
  • Si els elèctrodes estan connectats directament a una instal·lació trifàsica de més de 440 V, s’ha d’instal·lar un interruptor diferencial que desconnecti l’alimentació dels elèctrodes quan es produeixi un corrent de fuita a terra superior al 10% de la intensitat nominal de la caldera en condicions normals de funcionament. Es pot admetre fins a un 15% d’aquest valor si cal assegurar l’estabilitat del funcionament. El dispositiu esmentat ha d’actuar en retard per evitar el seu funcionament innecessari en cas d’un desequilibri de curta durada.
  • Si els elèctrodes estan connectats a una font d’alimentació a una tensió entre 50 V i 440 V, el dipòsit de la caldera estarà connectat al neutre de l’alimentació i a terra. La capacitat nominal del conductor del neutre no ha de ser inferior a la del conductor més gruixut de la font d’alimentació.

Escalfadors proveïts d’elements d’escalfament nus submergits en l’aigua. S’admeten en instal·lacions industrials sempre que no hi pugui haver una diferència de potencial superior a 24 V entre l’aigua accessible o les parts metàl·liques accessibles en contacte amb ella, els elements conductors situats a prop seu, i que no consti que estiguin aïllats de terra.

Aparells de cocció i forns industrials. Les parts accessibles dels forns que poden arribar a una temperatura perillosa han d’estar dotades d’un dispositiu de protecció o de senyals visibles d’atenció amb una inscripció. Quan els forns presentin corrents de fuita importants, com en els forns de resistències, s’han d’alimentar segons l’esquema TN-C. Els aparells de cocció i els forns que incorporin elements incandescents no tancats no s’han de col·locar en locals que presentin riscos d’explosió.

Aparells per a soldadura elèctrica per arc. Els aparells destinats a la soldadura elèctrica han de complir en la seva instal·lació i utilització les prescripcions següents:

• Les masses d’aquests aparells han d’estar posades a terra. És admissible la connexió d’un dels pols del circuit de soldadura a aquestes masses quan, per a la seva posada a terra, no es provoquin corrents vagabunds d’intensitat perillosa. En cas contrari, el circuit de soldadura estarà posat a terra únicament en el lloc de treball.
• Els borns de connexió per als circuits d’alimentació dels aparells manuals de soldar han d’estar aïllats curosament.
• Quan als aparells hi ha ranures de ventilació, han d’estar disposades de manera que al seu interior no es puguin assolir parts sota tensió.
• Cada aparell ha de portar incorporat un interruptor de tall omnipolar que interrompi el circuit d’alimentació, com també un dispositiu de protecció contra sobrecàrregues, regulat, com a màxim, al 200% de la intensitat nominal de la seva alimentació, excepte en els casos en què els conductors d’aquest circuit estiguin protegits en la instal·lació per un dispositiu igualment contra sobrecàrregues, regulat a la mateixa intensitat.
• Les superfícies exteriors dels porta-elèctrodes a mà, i en tot el possible les seves mandíbules, estaran completament aïllades. Aquests portaelèctrodes han d’estar proveïts de discos o pantalles que protegeixin la mà dels operaris contra la calor que emeten els arcs.

Les instal.lacions de cables elèctrics i folis radiants en calefactors es fan a tensions nominals entre 300 V i 500 V, i la instal·lació es fa encastada als forjats. Malgrat que el Reglament permet la instal·lació als sostres, com que la calor tendeix de manera natural a pujar, ja que l’aire calent pesa menys que el fred, normalment no s’instal·len calefaccions al sostre.

Aquestes instal·lacions no s’han de fer dins dels volums de prohibició dels banys (figura), i les unions fredes no han d’estar en el volum de prohibició ni en el de protecció.

L'element calefactor no es pot instal·lar per sota de cap unió de les canonades de distribució d'aigua o desguassos.

El circuit d’alimentació dels terres radiants, com tots els circuits de l’edifici ha de respondre a les prescripcions que estableix el REBT, especialment en relació a les canalitzacions i les seccions mínimes de conductors, a la protecció contra sobreintensitats, els contactes indirectes i les sobretensions.

A més, els dispositius de comandament i maniobra han de ser de tall omnipolar, encara que es permet que els dispositius de control, com termòstats, no ho siguin.

El circuit de calefacció se subdivideix en circuits segons els criteris establerts en la ITC-BT-25, en funció de la simultaneïtat d’ús, distància i altres criteris de seguretat, etc.

Per a cada circuit de calefacció per cables calefactors o foli radiant és obligatòria una protecció diferencial d’alta sensibilitat (30 mA).

Quan el cable calefactor tingui una armadura, o quan el termòstat tingui un embolcall metàl·lic, tant l’un com l’altre s’han de connectar a terra mitjançant un conductor de protecció que tingui una secció igual a la del conductor de fase.

El cable d’alimentació en el termòstat (la fase) ha de tenir la mateixa secció que el de la unió freda, i s’ha d’allotjar en un tub de diàmetre adequat.

Abans de cobrir l’element calefactor, s’ha de comprovar la continuïtat del circuit. Una vegada cobert el cable, i abans de col·locar el paviment, s’ha de comprovar l’aïllament elèctric respecte a terra, que ha de ser igual o superior a 250.000 Ω.

Les connexions dels cables calefactors o dels panells de foli radiant amb les unions fredes s’han de fer i disposar de manera que la transmissió de la calor produïda per aquells a les unions esmentades i al cable d’alimentació es mantingui en uns límits compatibles amb les temperatures màximes admissibles en servei continu, les quals són les que fixa la norma UNE 20460-5-523. Per a això, i excepte en cas d’avaria, les unions fredes han de venir fetes de fàbrica, i no és permès ni autoritzat executar-les en obra.

Les seccions de les unions fredes han d’estar determinades per les intensitats màximes admissibles del corrent, que són les que fixa per a servei permanent la ITC-BT-19.

La canalització o tub ha d’acabar a 0,20 m com a mínim de la connexió amb el cable calefactor, una unió, que ha d’estar completament embeguda dins de la massa de formigó.

En la col·locació d’un element o unitat de cable calefactor a terra es recomana que les espires estiguin disposades paral·lelament a la paret que tingui grans pèrdues. D’aquesta manera, es pot reforçar la franja entre 0,5 m i 0,6 m de plafó més proper al tancament exterior disminuint el pas entre espires tenint cura que no se superi la temperatura màxima admissible per cable.

Quan sigui possible, es recomana allunyar el cable calefactor, particularment els de terra, a 0,6 m de les parets interiors on es pugui preveure la instal·lació de mobles.

El cable calefactor ha d’estar completament recobert per un material que sigui un conductor tèrmic relativament bo, com guix, formigó, calç, etc., per afavorir la transmissió de la calor.

El cable calefactor s’ha de fixar mitjançant distanciadors no metàl·lics, col·locats a les extremitats on el cable canvia de direcció. El distanciador ha de ser d’un material resistent a la corrosió, que no pugui causar danys a l’aïllament del cable.

El radi de curvatura dels cables no pot ser inferior a sis vegades el seu diàmetre exterior, quan els cables no tinguin armadura, i deu vegades, quan en tinguin.

L’element calefactor s’ha d’instal·lar el més lluny possible dels cables elèctrics de distribució de la força i l’enllumenat perquè aquests cables no rebin calor. En un altre cas s’ha de calcular la temperatura de servei dels circuits de força i enllumenat tenint en compte la calor que emeten els elements calefactors, i adoptar la secció adequada en funció del tipus de cable.

En les condicions d’utilització previstes, la temperatura dels cables calefactors no ha de ser superior als límits que fixen les normes del cable aïllat de què es tracti (UNE 21155-1).

La capacitat tèrmica dels materials situats a la superfície de l’aïllament tèrmic i la superfície emissora ha de ser inferior a 120 kJ/m² k (29 kcal/m²°C).

Els cables posats a terra han d’estar embeguts en el morter o formigó. Si hi ha una primera capa de formigó, aquesta pot ser del tipus aïllant. La segona capa de formigó, de tipus no aïllant, ha de tenir un gruix mínim de 30 mm i és on s’encasten els cables calefactors. L’enduriment del formigó no es pot accelerar amb l’element calefactor, per bé que es pot utilitzar per assecar-lo.

A més del material aïllant que s’instal·la sobre el forjat, cal col·locar, en tot el perímetre del local, un sòcol aïllant que tingui un gruix igual o superior a 1 cm, amb una alçària igual a la capa de morter o formigó en la qual estigui encastat l’element calefactor.

En cas de possible humitat, el material aïllant ha d’anar proveït d’una barrera contra la humitat a la part inferior, i si també hi ha perill de condensacions ha de portar una barrera antivapor. El contorn dels cables ha d’estar situat a una distància mínima de 0,2 m de totes les parets exteriors del local.

Normalment no s’utilitzen els cables calefactors col·locats al sostre, però en llocs on és necessari una gran escalfador com, per exemple, als assecadors de carn, on la carn penja del sostre, aquest tipus d’instal·lació té el seu interès.

Si es tracta de sistemes de calefacció directa, és necessari reduir la massa de materials de construcció escalfada pel cable.

La capacitat tèrmica dels materials situats entre la superfície de l’aïllament tèrmic i la superfície emissora ha de ser inferior a 180 kJ/m² K (43 kcal/m²°C).

Tot seguit s’examinaran les particularitats en els seus diferents aspectes.

Col·locació. L’alçària mínima dels locals condicionats per aquest sistema és de 3,5 m. El contorn dels cables calefactors instal·lats al sostre ha de tenir una distància mínima de 0,4 m respecte a les parets exteriors i de 0,2 m respecte a les parets interiors.

Els eventuals punts de llum al sostre, entre ells els conjunts de llums si es poden encastar, han de tenir al voltant un espai lliure de 0,1 m com a mínim.

Els elements col·locats al sostre han d’estar embeguts a la capa de recobriment que, com a mínim, ha de tenir un gruix entre 15 mm i 20 mm, i s’ha d’aplicar en sentit paral·lel als cables. Cal tenir molt cura que no es formin bosses d’aire en el recobriment en contacte amb el cable.

Control. El termòstat de control de les condicions ambientals s’ha de situar preferentment en una paret interior, a 1,5 m de terra i no ha d’estar exposat a la radiació ni solar ni dels llums ni d’electrodomèstics entre d’altres, ni tampoc a corrents d’aire procedents de portes, finestres o ventiladors.

El diferencial de temperatura del termòstat no ha de ser superior a 1,5 K. Si la intensitat de corrent de l’element calefactor és superior al poder de tall del termòstat o si es tracta d’un circuit trifàsic, el termòstat ha d’actuar sobre la bobina d’un contactor de poder de tall suficient situat al quadre de distribució aigües avall de l’interruptor automàtic.

En locals de grans dimensions, el projectista ha de justificar la col·locació de més d’un termòstat mirant, en qualsevol cas, d’optimitzar el consum energètic.

La instal·lació de motors i eines portàtils té unes característiques particulars que cal tenir en compte a l’hora de dimensionar i fer el muntatge de la instal·lació. Les instal·lacions de motors s’han de fer de conformitat amb el Reglament electrotècnic de baixa tensió (REBT) i la norma UNE 20.460, a més de les especificacions aplicables als emplaçaments i locals on s’instal·lin.

La perillositat dels motors es deu al seu moviment i a l’escalfament dels bobinatges. Així doncs, els motors s’han d’instal·lar de manera que apropar-se a les seves parts en moviment no sigui cap causa d’accident i no entrin en contacte amb matèries fàcilment inflamables.

A l’hora de calcular les seccions mínimes que han de tenir els conductors de connexió perquè no s’escalfin, cal tenir en compte les recomanacions següents del Reglament:

• Si la instal·lació alimenta un sol motor, els conductors de connexió han d’estar dimensionats per a una intensitat del 125% de la intensitat a plena càrrega del motor.
• Als motors de rotor debanat, els conductors que connecten el rotor amb el dispositiu d’arrencada -conductors secundaris- han d’estar dimensionats, així mateix, per al 125% de la intensitat a plena càrrega del rotor.
• Si el motor és per a servei intermitent, els conductors secundaris poden tenir una secció inferior segons el temps de funcionament continuat, però en cap cas no han de tenir una secció inferior a la que correspon al 85% de la intensitat a plena càrrega al rotor.

• Els conductors de connexió que alimenten diversos motors han d’estar dimensionats per a una intensitat no inferior a la suma del 125% de la intensitat a plena càrrega del motor de més potència, més la intensitat a plena càrrega de tots els altres.

Una vegada conegut el valor de la intensitat, el càlcul de la secció del conductor és com el de qualsevol altre tipus de línia.

Els conductors de connexió que alimenten motors i altres receptors han d’estar previstos per a la intensitat total requerida pels receptors, més la requerida pels motors, calculada com s’ha indicat abans.

Els motors han d’estar protegits contra curtcircuits i contra sobrecàrregues en totes les fases, i aquesta última protecció ha ser de tal naturalesa que cobreixi, en els motors trifàsics, el risc de la manca de tensió en una de les fases.

En el cas de motors amb engegador estrella-triangle, s’assegura la protecció tant per a la connexió en estrella com en triangle. Les característiques dels dispositius de protecció han d’estar d’acord amb les dels motors a protegir i amb les condicions de servei previstes per a aquests, i s’han de seguir les indicacions del fabricant.

Funcionament amb falta de fase. Entre les múltiples causes del funcionament amb falta de fase d’un motor asíncron trifàsic cal esmentar, per exemple, el fet que la línia d’alimentació tingui una fase interrompuda (funcionament amb falta d’una fase d’alimentació), o que hi hagi la interrupció d’un debanament (funcionament amb falta d’un debanament).

Les conseqüències genèriques i més habituals poden ser un escalfament excessiu del motor, el funcionament amb un fort brunzit i vibracions de tipus mecànic.

A continuació veureu de quina manera el funcionament amb falta de fase repercuteix en termes de potència i corrent sobre el motor amb els enrotllaments (també anomenats debanaments) connectats en estrella i en triangle.

En un motor asíncron trifàsic, la relació entre els paràmetres de funcionament nominals en les condicions normals de funcionament (alimentació trifàsica) s’expressa mitjançant la fórmula següent:

Motor connectat en estrella. Analitzem les condicions d’un motor connectat en estrella i funcionament o amb falta de debanament o amb falta de fase d’alimentació (figura).

De l’anàlisi de la fórmula obtinguda es dedueix que en el funcionament amb falta de fase, quan es demana al motor la mateixa potència que subministra en el funcionament trifàsic, el corrent I_e que absorbeix el motor resulta ser √3 vegades el corrent I_e sol·licitat en el funcionament normal.

Per tant, un motor en el funcionament amb falta de fase hauria d’absorbir un corrent que seria un 73% més gran que la intensitat nominal en el funcionament trifàsic per subministrar la mateixa potència. És a dir, hauria de treballar en condicions de sobrecàrrega que resultarien crítiques pel que fa al reescalfament i, en general, en relació amb la vida elèctrica del mateix motor.

De fet, la presència de la protecció tèrmica impedeix el funcionament amb corrents tan elevats. La protecció tèrmica està regulada com a llindar de disparament sobre la intensitat nominal del motor. Aquesta protecció intervé per salvaguardar el motor dels efectes deguts a un corrent absorbit superior al llindar ajustat.

Al motor amb enrotllaments connectats en estrella, el corrent associat als enrotllaments del motor és el mateix que l’associat a la protecció tèrmica en qualsevol condició de funcionament.

Així doncs, el relé de sobrecàrrega protegeix el motor d’una absorció superior respecte de la intensitat nominal en les dues modalitats de funcionament considerades.

En aquest cas, si durant el funcionament normal es verifiqués la pèrdua d’una fase en la línia d’alimentació o la pèrdua d’un enrotllament, el motor trifàsic passaria a funcionar en monofàsic, ja que un únic corrent recorreria els enrotllaments (no hi ha diferència de valor ni de fase).

Per tant, en el funcionament genèric amb falta de fase, el parell motor es redueix i, si el parell resistència es manté constant, s’obté una reducció de la velocitat del motor. Això comporta un augment del lliscament amb l’increment consegüent del corrent absorbit, el qual provoca un escalfament del motor molt perjudicial.

Cal assenyalar que, d’acord amb el principi de funcionament del camp magnètic giratori, en el funcionament monofàsic d’un motor asíncron trifàsic no hi ha un parell d’arrencada, per la qual cosa resulta impossible arrencar el motor amb falta de fase.

Si, en canvi, es posa el motor en rotació mitjançant el recurs a qualsevol artifici, el motor s’hauria de posar a girar en el mateix sentit imposat per l’acció externa, i funcionar amb els límits i els problemes exposats anteriorment.

Motor connectat en triangle (figura). En el funcionament normal en trifàsic el motor absorbeix en línia la intensitat nominal, la qual cosa significa que en els tres enrotllaments connectats en triangle circula un corrent igual a:

L’anàlisi del funcionament amb falta d’una fase d’alimentació porta a la conclusió que el relé de sobrecàrrega no intervé perquè es veu afectat pel corrent nominal, encara que en realitat un enrotllament és sobrecarregat (15% més respecte al funcionament normal) sense que la protecció tèrmica ho adverteixi. Per tant, el motor podria no estar protegit adequadament.

En el cas del motor connectat en triangle i funcionament amb falta de debanament, cal considerar l’esquema de la figura.

Les condicions de funcionament reals es caracteritzen per l’aparició d’harmònics que generen camps magnètics giratoris parasitaris directes o inversos que influeixen en el rendiment, la velocitat de rotació i la potència disponible. Per això, la situació de funcionament real no es presta a una explicació lineal i simple com s’ha exposat anteriorment, encara que igualment resulta vàlida per indicar quins són els corrents que afecten el motor i per entendre que el funcionament amb falta de fase genera conseqüències que porten el motor a patir danys.

Els motors han d’estar protegits contra la falta de tensió per un dispositiu de tall automàtic de l’alimentació, quan l’arrencada espontània del motor, com a conseqüència del restabliment de la tensió, pugui provocar accidents o perjudicar el motor, tal com estableix la norma UNE 20.460-4-45.

Aquest dispositiu pot formar part del sistema de protecció contra les sobrecàrregues o del dispositiu d’arrencada, i pot protegir més d’un motor si es dóna una de les circumstàncies següents:

• Els motors a protegir estan instal·lats en un mateix local i la suma de potències absorbides no és superior a 10 kW.
• Els motors a protegir estan instal·lats en un mateix local i cada un queda automàticament en l’estat inicial d’arrencada després d’una falta de tensió.

No s’exigeix el dispositiu de protecció contra la falta de tensió quan el motor arrenca automàticament en condicions preestablertes, si bé ha de quedar exclosa la possibilitat d’un accident en cas d’arrencada espontània.

Els motors han de tenir limitada la intensitat absorbida en l’arrencada, quan es poden produir efectes que perjudiquin la instal·lació o ocasionin pertorbacions inacceptables en el funcionament d’altres receptors o instal·lacions.

Quan els motors han de ser alimentats per una xarxa de distribució pública, la seva utilització ha de tenir la conformitat de l’empresa distribuïdora quan es tracti de:

• Motors de gran inèrcia
• Motors d’arrencada lenta en càrrega
• Motors d’arrencada o augments de càrrega repetida o freqüent
• Motors per a frenada
• Motors amb inversió de marxa

En general, els motors de potència superior a 0,75 kW han d’estar proveïts de reòstats d’arrencada o dispositius equivalents que no permetin que la relació de corrent entre el període d’arrencada i el de marxa normal que correspongui a la seva plena càrrega en el motor sigui superior a l’assenyalada en la taula per a motors a corrents continus i alterns.

Els motors de rotor en gàbia són els més utilitzats tant en el món domèstic com en el món industrial per la facilitat de construcció i manteniment. Un dels pocs inconvenients d’aquests motors és que en engegar-los es consumeix molt corrent per passar de la posició d’aturat a la velocitat nominal. Cal però examinar els diferents tipus d’arrencada.

Arrancada directa. Quan un motor té arrancada directa circula un corrent de pic instantani inicial molt elevat (rush) i desprès d’aquest pic es manté un corrent d’arrancada (I_an. Quan el temps d’arrancada és molt llarg s’anomena arrancada pesada. El corrent de pic inicial(de molt poca durada) té un valor màxim de .

És a dir, té un valor màxim d’aproximadament tres vegades el corrent d’arrancada, que ja és diverses vegades superior al nominal. El corrent de pic és pràcticament un curtcircuit però que dura molt poca estona. És per això que moltes vegades en el moment de connexió d’un motor es dispara l’interruptor magnetotèrmic que el protegeix, i perquè això no passi els magnetotèrmics han de ser de corba D.

El corrent d’arrancada és entre quatre i vuit vegades el corrent nominal, i en casos excepcionals pot arribar a ser tretze vegades el corrent nominal.

La durada d’aquest corrent en condicions normals és de deu segons, si dura més de deu segons es considera una arrancada pesada i cal controlar l’escalfament del rotor.

No podem saber de manera exacta el corrent d’arrancada del motor perquè no sols depèn de factors elèctrics, sinó també de factors mecànics, del parell motor que hagi de fer per posar-se en moviment i arribar a la velocitat nominal.

Cal tenir en compte que, en motors on s’inverteix el sentit del gir, els pics de corrent inicial encara poden ser més alts.

Evidentment, l’arrancada directa no es pot utilitzar en motors grossos perquè els corrents de pic inicials i d’arrancada són tan elevats que causen problemes a la resta de la instal·lació. Per aquesta raó el REBT obliga a posar altres sistemes d’arrancada que redueixin el corrent en l’engegada del motor.

Connexió en estrella-triangle. En tots el sistemes d’arrancada en els quals es redueix la tensió al motor, també reduïm el parell de força. La reducció de la força en l’arrancada és el quadrat de la reducció de la tensió, mentre que la reducció de corrent és lineal. És a dir, si reduïm dues vegades la tensió d’alimentació, el corrent es redueix dues vegades, mentre que el parell de força del motor es reduïx 2 × 2, és a dir, quatre vegades.

Aquest valor és el resultat de la reducció lineal de la tensió i del corrent de fase en un factor de: Aquest tipus d’engegada només es pot utilitzar en motors que tinguin una tensió assignada en connexió en triangle igual a la tensió de la xarxa, a més a més, els extrems de totes les bobines de fase han de ser a la caixa de borns.

La reducció en un valor equivalent a l’arrel quadrada de tres de la tensió aplicada fa que el parell motor es redueixi fins a un terç del valor que tindria mitjançant l’arrancada directa. Amb aquesta arrancada es garanteix una acceleració suau de la màquina accionada que no està sotmesa a esforços sobtats que redueixen la vida útil de qualsevol màquina.

L’arrancada en estrella-triangle només es pot usar quan el parell resistent aplicat al motor no és gaire elevat, de vegades, l’engegada en estrella-triangle no es pot utilitzar o s’utilitza incorrectament.

Quan en l’arrancada (posició en estrella) el parell resistent és tan elevat que no permet arribar com a mínim al 90% de la velocitat del motor, i passa a triangle, està utilitzant incorrectament l’arrancada estrella-triangle.

Arrancada mitjançant resistències. El corrent d’arrancada del motor origina una caiguda de tensió a les resistències, és d’aquesta manera com el motor té un corrent reduït. La reducció del corrent és directament proporcional a la reducció de tensió. Normalment si l’arrancada es completa en una sola etapa, les resistències es calculen perquè el corrent d’arrencada sigui tres vegades més petit que el nominal. En arrancades de dues etapes es pot utilitzar una limitació del corrent d’arrancada d’entre 1,5 i 2 vegades el corrent assignat del motor, tot i que en aquest cas el parell d’arrancada és molt baix.

Arrancada amb autotransformadors. El motor es connecta durant l’arrancada a la sortida d’un autotransformador. En general, la tensió es un 70% de la nominal, i el corrent i el parell d’arrancada es redueixen un 49% respecte als valors que es produirien si el motor arranqués amb connexió directa. Un avantatge és que la connexió al motor es fa mitjançant tres conductors, mentre que en la connexió en estrella-triangle fan falta sis conductors.

Engegadors estàtics. L’arrancada ideal dels motors és aquella en què la intensitat agafa el valor just per arrancar el motor. Perquè el motor arranqui i es posi a la velocitat nominal cal que venci el parell resistent. Així doncs, és el parell resistent el que obliga a tenir més o menys intensitat d’engegada. Cada motor i cada càrrega necessita un tipus d’arrancada, i d’una durada determinada, una arrancada suau.

Els engegadors estàtics (electrònics) permeten una arrancada suau d’un motor asíncron de rotor en curtcircuit (gàbia). Augmenta progressivament la tensió des dels 0 V fins la tensió nominal, és a dir, regula la tensió durant el temps que es vol que duri l’arrancada.

Quan el motor necessiti un gran parell d’arrancada, els engegadors estàtics (figura) són la solució. Abans s’aconseguia amb resistències estatòriques perfectament calibrades per al tipus de motor i càrrega, o mitjançant autotransformadors regulats manualment.

Entre els avantatges dels engegadors estàtics cal assenyalar els següents:

• Limitació de la intensitat d’arrancada controlant la tensió aplicada reduint consum energètic i escalfaments que deterioren el motor.
• Control de la tensió subministrada al motor durant l’engegada i la parada, la qual cosa dóna més seguretat mecànica en la màquina que acciona el motor.
• Es poden ajustar a voluntat els paràmetres de rampa d’arrancada, parada i parell d’arrancada.
• Amb tot s’aconsegueix una reducció important del corrent en l’engegada, disminueixen les reparacions i s’allarga la vida del motor i de les instal·lacions.

Els engegadors estàtics (figura), però, també tenen alguns petits inconvenients. Els corrents elèctrics que surten dels engegadors estàtics, en no ser ones sinusoïdals pures, generen harmònics. Els harmònics generen escalfaments, sorolls i vibracions a les màquines. Pel que fa als desavantatges més rellevants dels engegadors estàtics, cal esmentar:

• Pèrdues al motor pels harmònics. Els corrents elèctrics que surten dels engegadors estàtics, en no ser ones sinusoïdals pures, generen harmònics, i els harmònics generen escalfaments, sorolls i vibracions a les màquines.
• Com que el valor de la tensió d’alimentació durant l’arrancada augmenta més a poc a poc, l’estator i el rotor s’escalfen més que amb una arrancada més ràpida.
• Els condensadors per millorar el factor de potència mai no poden estar situats després de l’engegador, sempre han d’estar situats abans (és a dir, aigües amunt).

Els engegadors estàtics cada vegada s’empren més en raó del seu cost econòmic, el qual equival a tres vegades el cost d’un contactor. El cost d’un engegador estrella-triangle amb tres contactors pot ser igual o superior al cost d’un engegador estàtic. Però amb l’engegador estàtic tenim moltes més possibilitats que es produeixi:

• Rampa d’acceleració (tensió aplicada en funció del temps)
• Control de la intensitat en l’arrancada
• Millora del factor de potència
• Visualització dels paràmetres
• Regulació del parell
• Regulació de la parada

Els reòstats d’arrencada i regulació de velocitat i les resistències addicionals dels motors s’han de col·locar de manera que estiguin separats dels murs uns 5 cm com a mínim.

La disposició d’aquest tipus de reòstats i aquesta classe de resistències ha de ser tal que no puguin causar deterioraments com a conseqüència de la radiació tèrmica o per l’acumulació de pols, tant en servei normal com en cas d’avaria.

Cal unir-los de manera que no puguin cremar les parts combustibles de l’edifici ni altres objectes combustibles i, si això no fos possible, els elements combustibles han de dur un revestiment ignífug.

Els reòstats i les resistències s’han de poder separar de la instal·lació per mitjà de dispositius de tall omnipolar, els quals poden ser els interruptors generals del receptor corresponent.

Les eines portàtils utilitzades en obres de construcció d’edificis, pedreres i, en general, a l’exterior, han de ser de classe 2 o de classe 3.

Les eines de classe 1 es poden utilitzar en els emplaçaments esmentats, i, en aquest cas, es poden alimentar per mitjà d’un transformador de separació de circuits.

Quan aquestes eines s’utilitzen en obres o emplaçaments molt conductors, com ara en treballs de formigonatge, a l’interior de calderes o de canonades metàl·liques, o altres d’anàlegs, les eines portàtils a mà han de ser de classe 3.

En realitat, el transformador no és un receptor normal. El consum elèctric del transformador es mínim. El transformador és un mitjà de pas del corrent elèctric o, amb altres paraules, és una font d’alimentació.

Els transformadors tenen unes peculiaritats que fan que calgui tenir en compte unes consideracions especials pel que fa a la instal·lació. Per exemple, igual que els motors tenen un corrent d’engegada molt elevat, és a dir, en el moment en què es tanca l’interruptor i el transformador es connecta a xarxa tenim com un petit curtcircuit que dura uns mil·lisegons, sense arribar a ser perillós però, en canvi, fa disparar les proteccions o crea pertorbacions a la resta de la instal·lació.

El consum que tenen els transformadors són les pèrdues d’energia en forma de calor, és a dir, generen calor, per la qual cosa ens assegurarem que disposin de ventilació suficient per a la seva refrigeració correcta.

Com a totes les instal·lacions cal tenir en compte les especificacions aplicables als locals (o emplaçaments) on s’hagin d’instal·lar.

Les connexions dels transformadors s’han de fer amb els elements de connexió adequats als materials a unir, és a dir, en el cas de bobinats d’alumini, amb peces de connexió bimetàl·liques.

Cal que els transformadors que puguin estar a l’abast de persones no especialitzades estiguin construïts o situats de manera que els borns de connexió, bobinatges i elements sota tensió, si aquesta és superior a 50 V, siguin inaccessibles.

Els transformadors en instal·lació fixa no s’han de muntar directament sobre parts combustibles d’un edifici, i quan sigui necessari instal·lar-los en proximitat a aquestes parts, cal utilitzar pantalles incombustibles com a element de separació.

La separació entre els transformadors i aquestes pantalles incombustibles ha de ser d’1 cm quan la potència del transformador és inferior o igual a 3.000 VA. Aquesta distància augmentarà de manera directament proporcional a com ho faci la potència quan aquesta sigui gran. Els transformadors en instal·lació fixa, quan la seva potència no supera els 3.000 VA, han d’anar proveïts d’un limitador de temperatura apropiat, i es poden muntar directament sobre parts combustibles.

L’ús d’autotransformadors no és admissible si els dos circuits connectats a aquests no tenen un aïllament previst per a la tensió més gran.

En la connexió d’un autotransformador a una font d’alimentació amb conductor neutre, el born de l’extrem de l’atropellament comú al primari i al secundari, s’unirà al conductor neutre.

La instal·lació de reactàncies i rectificadors ha de respondre als mateixos requisits generals que els assenyalats en el cas dels transformadors. En relació amb els rectificadors, però, a més a més caldrà tenir en compte:

• Quan els rectificadors no s’oposen, per si mateixos, al pas accidental del corrent altern al circuit que alimenten en corrent continu o al retorn d’aquest al circuit de corrent altern, s’han d’instal·lar associats a un dispositiu adequat que impedeixi aquesta eventualitat.
• Les canalitzacions corresponents als corrents de diferent naturalesa (continu o altern), han de ser diferents i estar convenientment senyalitzades o separades entre elles.
• Els circuits corresponents al corrent continu s’han d’instal·lar seguint les prescripcions que corresponguin a la seva tensió assignada.

Els condensadors que no porten alguna indicació de temperatura màxima admissible no es poden utilitzar en llocs on la temperatura ambient és de 50 °C o més alta.

Si la càrrega residual dels condensadors pot posar en perill les persones, han de portar un dispositiu automàtic de descàrrega o s’ha de col·locar una inscripció que adverteixi d’aquest perill. Els condensadors amb dielèctric líquid combustible han de complir els mateixos requisits que els reòstats i reactàncies.

Els condensadors han d’estar protegits adequadament, per suportar sobreintensitats superiors a 1,3 vegades el corrent normal a la tensió nominal de la xarxa, sense harmònics.

Els aparells de comandament i protecció dels condensadors han de suportar, en règim permanent, d’1,5 a 1,8 vegades la intensitat nominal assignada del condensador per tenir en compte els harmònics i les toleràncies sobre les capacitats.

Tot transformador ha d’estar protegit per un dispositiu de tall per sobreintensitat o un altre sistema equivalent. Aquest dispositiu ha d’estar d’acord amb les característiques que figuren en la placa del transformador i amb la utilització d’aquest transformador.

En el moment d’engegada del transformador, igual que passa en els motors, tenen un corrent d’arrancada molt elevat, quasi deu vegades superior al corrent normal. Si poseu una protecció magnetotèrmica normal (corba C), aquesta es dispararà quan engegueu el transformador. El que no hem de fer mai es posar un magnetotèrmic d’una intensitat molt superior a la nominal del transformador. Heu de posar un interruptor magnetotèrmic de corba D.

El consum elèctric del transformador són pèrdues que es transformen en calor. El millor manteniment que es pot fer d’un transformador consisteix a fer-lo estar refrigerat i mesurar la temperatura per detectar possibles mal funcionaments que puguin acabar en una avaria greu.

Està normalitzat que els transformadors treballen de manera permanent a una altitud inferior a 1.000 m i l’escalfament mitjà no ha de superar 65 °C a una temperatura ambient màxima de 40 °C.

La refrigeració dels transformadors es produeix de diferents maneres segons el tipus de construcció. Els transformadors de petita potència es refrigeren amb l’expulsió de l’aire directament a l’atmosfera. Si la refrigeració natural no és suficient, es pot afegir un ventilador. El manteniment d’aquest ventilador és fonamental per al bon funcionament del transformador. El normal en transformadors grossos és que estiguin a dintre d’una caixa i aquesta caixa tingui un ventilador.

El que també podem fer és mesurar la temperatura del transformador. Podem mesurar la temperatura interna del transformador:

• Termòmetre al nucli. Cal que el termòmetre estigui en contacte amb el metall del nucli.
• Variació de la resistència del bobinatge. Consisteix a mesurar les resistències en gelat i desprès de quatre o cinc hores de funcionament.
• Termòmetre intern. Consisteix a introduir, durant la construcció del transformador, uns sensors de temperatura, desprès aquests sensors de temperatura es connecten a sistemes de visualització, d’alarma, de desconnexió.

Una vegada es detecta que el transformador s’escalfa, heu de buscar-ne la causa: molta càrrega, baixa refrigeració, defecte intern. I, una vegada coneguda la causa, ja podeu trobar una solució.