Mientras que una instalación de fabricación puede tener interruptores de alta calidad, un sistema de distribución correctamente diseñado y un transformador de tamaño adecuado, un equipo significativo aún podría estar fuera de servicio debido a la incapacidad de encontrar la fuente de una falla de sobrecorriente que ocurrió debido a un circuito de control de motor defectuoso en un motor de bombeo de 30kW (por ejemplo). Como tal, los centros de control de motores (MCC) fueron diseñados como un medio para consolidar múltiples (docenas/cientos) instalaciones de motores en un área, con interruptores automáticos individuales, sobrecarga y detección de fallas para cada motor, mientras que solo requieren un bus para conectarse al servicio eléctrico. Esta guía explicará las funciones de los centros de control de motores, sus capacidades y los requisitos contenidos en el Código Eléctrico Nacional.
En resumen, el NEC define un centro de control de motores (MCC) como un agrupamiento de múltiples secciones cerradas que comparten un bus de potencia común, así como que contienen varias unidades de control de motor. La función principal de un MCC es permitir el arranque, parada, protección y monitoreo de muchos motores que operan dentro de un área común. Un MCC también sirve para proporcionar los siguientes beneficios: reducción del cableado en campo; simplificación de la solución de problemas; mayor seguridad (unidades extraíbles); y mayor capacidad para agregar capacidad de motor a la planta (adición de ‘cubos’), en lugar de comprar motores adicionales. Típicamente, cada unidad de control de motor contendrá un interruptor/fusible, contactor y relé de sobrecarga. En este momento, los MCC inteligentes poseen capacidades de comunicación que están en red y, por lo tanto, proporcionan una multitud de información al sistema de control, mientras controlan la operación de los motores.
Qué es un centro de control de motores
La definición según el Artículo 100 del Código Eléctrico Nacional explica un MCC como una colección de segmentos cerrados con un bus de potencia compartido y que consta principalmente de dispositivos de control de motor. La claridad de esta explicación es evidente en tres lugares diferentes dentro del texto. El término segmentos cerrados muestra que el modelo es intercambiable porque las secciones pueden ensamblarse juntas o expandirse según sea necesario. Bus de potencia compartido indica la presencia de una línea de suministro de energía que conecta todas las secciones juntas en lugar de una línea separada para cada sección. La tercera parte de la definición menciona específicamente que las unidades de control de motor muestran que el modelo es distinto del panel de distribución y del tablero de conmutación, que se utilizan solo en la distribución eléctrica.
Este diseño ha convertido al MCC en un dispositivo híbrido, ya que tiene características tanto de un sistema de distribución como de un aparato. Debido a eso, ha adoptado las ideas de los tableros de conmutación en términos de la especificación de construcción y también proporciona requisitos adicionales para la construcción de los dispositivos destinados a circuitos de motor, lo que hace necesario tener el Artículo 430, Parte VIII como un escrito independiente y no solo como parte de los artículos relacionados con los tableros de conmutación.
Para qué sirve un MCC: los propósitos que justifican el costo
Un MCC es típicamente más caro que el valor total de sus arrancadores. Esta prima tiene seis componentes. Cada uno de los cuales es una razón de ingeniería válida por derecho propio.
- Control centralizado. Todos los motores en un área determinada pueden ser apagados y encendidos de forma remota, lo que facilita mucho la resolución de cualquier falla. En caso de un transportador de banda fuera de línea, el operador sabe exactamente dónde encontrar el arrancador: en el compartimento etiquetado de un MCC en lugar de en la caja de conexión de la máquina.
- Coordinación y selectividad. Un ajuste del dispositivo de ruptura, aplicado a todo el sistema de bus, permite la coordinación entre todos los accionamientos eléctricos para la eliminación efectiva de fallas eléctricas: cuando un motor se apaga, todos los demás accionamientos pueden seguir funcionando.
- Menos cables. Los cables de distribución y control se suministran ya cableados y probados; todo lo que se necesita en el sitio es instalar un cable de alimentación principal, cables especiales para cada motor y un cable de conexión de control.
- Mantenimiento seguro. Las unidades reemplazables pueden ser reparadas o reemplazadas sin cortar la energía a todo el MCC; esta característica es la más importante para las plantas de proceso.
- Escalabilidad. Se pueden agregar más motores conectando nuevas placas de relé al MCC.
- Limitación de fallas y protección del personal. Con la estructura cerrada, separadores y diseños resistentes a arcos en su lugar, las consecuencias de la falla pueden limitarse a un compartimento en lugar de extenderse a toda la sala.
La justificación comercial de todas estas ventajas rara vez se expresa en términos de ahorro de costos, sino más bien como el costo calculado del tiempo de inactividad. El taller que sufre paradas no programadas que cuestan decenas de miles por hora recuperará el costo de un MCC inteligente simplemente al tener que gastar menos tiempo en reparaciones.
Cómo funciona un MCC: bus horizontal, bus vertical y cubos.
En términos de electricidad, un MCC no es complejo y en términos de ingeniería, el diseño de ingeniería lo hace funcional. La energía fluye hacia la unidad y se distribuye entre dos niveles de barra colectora. El bus horizontal representa la barra colectora en forma de una barra recta que conecta la fuente de energía con todas las secciones verticales de la unidad. Dentro de las secciones, el bus vertical proporciona energía a los controladores de motor que están ubicados en esta sección.
Las especificaciones de construcción se basan en códigos de construcción y son importantes de conocer porque se muestran en dibujos y documentos de regulación.
- El refuerzo del bus no debe confundirse con la clasificación del bus. La clasificación del bus significa la capacidad de corriente del bus. Mientras que el refuerzo del bus significa la máxima fuerza mecánica que el bus puede soportar durante una situación de cortocircuito y se expresa en corriente (por ejemplo, 65 kA o 100 kA). Un bus que tiene una clasificación suficiente y un refuerzo insuficiente puede ser destruido bajo corriente de falla.
- La disposición de fases es constante. En un sistema trifásico, los buses horizontal y vertical deben estar dispuestos de acuerdo con la secuencia A, B, C desde la vista frontal — eso significa desde el frente hacia atrás, desde la parte superior hacia abajo, o de izquierda a derecha. Para un circuito delta trifásico de cuatro hilos, la fase con el voltaje más alto con tierra se llama B.
- El espaciado está definido por el código. En instalaciones de hasta 600 V, la tabla de espaciado requiere un mínimo de 25.4 mm entre el bus vivo y la tierra, 25.4 mm entre los cables de fase opuestos a través del aire y 50.8 mm a través de la superficie.
- El espacio de doblado de cables es obligatorio. El espacio mínimo de doblado en terminales y espacio de canal es el mismo que para tableros de distribución; la razón de esta recomendación es que si el conductor se dobla fuera del radio de curvatura especificado incluso una vez durante la instalación, su aislamiento puede dañarse permanentemente.
- Las barreras separan los buses de servicio de otros dispositivos en cualquier MCC de entrada de servicio para proteger al personal que trabaja en secciones adyacentes de situaciones peligrosas.
Una unidad que ocupa el lugar de una sección vertical en el MCC se denomina cubo y es aquí donde se realizan trabajos eléctricos. La interfaz de la unidad con el bus indica qué tipo de MCC se utiliza: ya sea una unidad fija o extraíble. Fijo significa que la unidad está atornillada en su lugar y desconectada de la fuente de alimentación durante los trabajos de mantenimiento, mientras que la extraíble puede ser retirada del compartimento sin desenergizar el bus.
Lo que va dentro de un cubo: desde arrancadores DOL hasta VFDs.
El arrancador de combinación primaria consta de tres componentes: un dispositivo de protección contra cortocircuitos (disyuntor o fusible), un contactor para controlar el motor y un relé de sobrecarga para proteger contra sobrecorrientes continuas. Todo lo demás en un arrancador de combinación es solo una versión diferente de ese tema.
| Tipo de unidad. | Lo que hace | Donde se utiliza |
|---|---|---|
| Arrancador directo a línea (DOL). | Arranque a voltaje completo; disyuntor, contactor, sobrecarga. | Motores pequeños y cargas que toleran el arranque a voltaje completo. |
| Arrancador inversor. | Dos contactores que proporcionan rotación hacia adelante y hacia atrás. | Transportadores, grúas, cualquier proceso que requiera cambio de dirección. |
| Arrancador estrella-triángulo. | Reduce la corriente de arranque comenzando en estrella y cambiando a triángulo. | Motores más grandes donde la capacidad de suministro limita la corriente de arranque. |
| Arrancador suave | Rampas de voltaje basadas en tiristores para controlar el par de arranque y la corriente. | Bombas, ventiladores y transportadores donde el choque mecánico es importante. |
| Variador de frecuencia (VFD). | Control de velocidad continuo y optimización de energía. | Control de procesos, HVAC, cualquier cosa con demanda de flujo variable. |
| Cubo de alimentación. | Protección y conmutación solamente, sin control de motor. | Suministrando paneles, transformadores o equipos en otros lugares. |
| Unidad inteligente. | Arrancador en red con diagnóstico y medición a bordo. | Plantas que integran datos de motores en un sistema de control o mantenimiento. |
Esta capa contiene dos funciones de protección que no se pueden encontrar en el alimentador. La primera función es la protección contra sobrecargas, que está diseñada aproximadamente de acuerdo con el rendimiento del motor y el factor de mantenibilidad. Un motor que funciona bajo una sobrecarga severa durante mucho tiempo puede fallar antes de que un dispositivo de cortocircuito cumpla su función. La segunda función es la protección contra fallos a tierra, que es responsable de detectar corrientes que viajan a través de una ruta inesperada. En una planta con muchos motores en un solo bus, el diseño de esa protección debe ser selectivo, y los principios detrás de ella se establecen en los fundamentos de protección contra fallos a tierra, que se aplica de manera idéntica ya sea que el fallo se detecte en el alimentador o dentro de un solo cubículo.
Tipos, recintos y el MCC inteligente
Además de ser categorizados en función de si son fijos o extraíbles, los MCC se clasifican en función del recinto que utilizan y el estándar al que se ajustan. Si bien las calificaciones eléctricas son factores importantes, los tipos de recinto NEMA utilizados también juegan un papel importante en las operaciones de la planta que pueden involucrar lavado, polvo y humedad. Esto se debe a que la falla en un ensamblaje inadecuadamente cerrado ocurre debido a la ruptura del aislamiento resultante de la contaminación en lugar de por un fallo eléctrico limpio.
En términos de estándares, América del Norte tiene sus propios estándares UL 845 y NEMA ICS 18. Además, el rendimiento de los arrancadores se establece en el estándar NEMA ICS 2. Los proyectos internacionales deben cumplir con tipos que están sujetos a pruebas IEC 61439-1 e IEC 61439-2 para verificar los aumentos de temperatura, los parámetros de resistencia a cortocircuitos y los límites de separación y creepage. Esto muestra que un MCC conforme no es una calificación genérica, ya que debe cumplir con un estándar particular; por lo tanto, si una oferta no indica qué estándar debe cumplirse, no puede ser tratada como legítima.
Los MCC inteligentes representan el logro más significativo en las últimas décadas. El cableado de cada contacto auxiliar de vuelta al PLC en el panel de marshalling fue reemplazado por la práctica donde cada cubo tiene un módulo de comunicación y se convierte en parte de la red de la planta. En primer lugar, permite reducir significativamente el cableado de control; en segundo lugar, permite obtener el consumo de energía para cada motor y datos de horas de funcionamiento sin dispositivos adicionales; en tercer lugar, permite obtener datos de condición para el mantenimiento predictivo en lugar del mantenimiento reactivo. Sin embargo, también conduce a nuevos desafíos para garantizar que un MCC inteligente funcione como parte del sistema de red, mientras que el mantenimiento eléctrico al mismo tiempo incluye responsabilidades para la ciberseguridad, gestión de direcciones, versiones de piezas de repuesto, etc.
Equipos de servicio, puesta a tierra y los requisitos del código
Según el Artículo 430 Parte VIII, se deben cumplir varias condiciones desde la primera reunión de diseño. En caso de que el MCC actúe como equipo de servicio, debe tener un dispositivo de desconexión principal para todos los conductores de servicio no aterrizados. También debe haber un dispositivo de unión principal de tamaño adecuado según las reglas de unión en caso de que esté presente un conductor aterrizado, además de que se deben proporcionar barreras que establezcan una separación entre las barras de bus de servicio y otras partes del MCC.
La puesta a tierra generalmente se considera un asunto de último recurso y resulta ser la más peligrosa cuando se cometen errores en este aspecto. Todos los componentes del MCC deben estar unidos en un todo con un conductor de unión o bus que se encuentra bajo la tabla de conductores de unión de equipos dada. También es necesario asegurarse de que todos los cables de puesta a tierra cumplan con los requisitos establecidos para este bus y el punto correspondiente. En una situación en la que las secciones no están unidas adecuadamente, ocurre una situación en la que los marcos adyacentes del MCC se ven influenciados entre sí teniendo una cierta diferencia de voltaje. Los principios son los mismos que rigen cada sistema aterrizado, y vale la pena revisarlos en la etapa de diseño en lugar de en la inspección: la disposición de la puesta a tierra del transformador y del sistema determina a qué se refiere realmente el bus de puesta a tierra del MCC, y un esquema de puesta a tierra que sea adecuado aguas arriba aún puede dejar un marco de motor en un potencial inesperado si la unión interna está incompleta.
Hay dos requisitos adicionales para la placa de identificación y los dibujos. Primero, hay un requisito para que la clasificación de corriente del bus de potencia y la clasificación de cortocircuito del MCC estén claramente marcadas después de que el sistema haya sido instalado. Hay un requisito de que la corriente de falla del MCC debe ser documentada y estar disponible para cualquier persona que esté autorizada a inspeccionar, instalar y dar servicio al artículo, junto con la fecha en la que se calculó el cortocircuito.
Lo que alimenta un MCC: equipos aguas arriba y verificaciones de clasificación
No es posible definir un MCC por separado, ya que su clasificación no tiene significado a menos que se evalúe en conjunto con los parámetros aguas arriba. Como norma, la fuente de alimentación podría ser un transformador de distribución, un tablero de distribución principal o un alimentador de una subestación de mayor voltaje. Se deben obtener tres valores antes de determinar una clasificación, que incluye el voltaje de suministro y la configuración, el consumo de corriente por parte del usuario y la corriente de cortocircuito prospectiva en el sitio de conexión.
Sin embargo, es el último valor el que crea problemas para los proyectos. Un MCC construido en el sitio existente donde el transformador ya ha sido cambiado puede lidiar con un nivel de falla mucho mayor que el diseñado; el ejemplo más común es una renovación de la utilidad que trae más potencia de falla sin ninguna modificación importante en el proceso de producción. Esa es la razón por la cual se requiere proporcionar documentación de corriente de falla, y por qué cada operación de reparación significativa debe contener verificación de clasificación. Comprender lo que el suministro transformador de distribución contribuye — su impedancia, su configuración y su capacidad nominal — es el punto de partida para ese cálculo, porque la impedancia del transformador es generalmente el término dominante en la corriente de falla disponible en los terminales del MCC.
Protección, medición y el papel de los transformadores de corriente
Todo el equipo del MCC y numerosos grandes arrancadores de motores dependen de los transformadores de corriente para la detección de la corriente eléctrica real que fluye. El transformador de corriente reduce la alta corriente primaria a un nivel de su corriente secundaria estándar, normalmente 5 A o 1 A, que puede ser gestionado por relés de protección y medidores. Hay tres lugares en un MCC donde se aplican los TC: en la barra colectora de entrada para protección contra sobrecorriente y falla a tierra; en los grandes arrancadores de motores para protección diferencial o térmica; y en los paneles de medición donde se recopila la información sobre la energía consumida y la demanda de energía.
Dos aspectos del diseño afectan el funcionamiento de la instrumentación. El primer aspecto es que la relación debe ser elegida adecuadamente: el TC debe estar por encima de la corriente primaria máxima, mientras que la corriente secundaria debe mantenerse a un nivel suficiente en carga normal para lecturas confiables. Por eso, los motores grandes suelen tener un TC destinado a la protección en lugar de a las mediciones. El segundo aspecto es el total de la carga secundaria: esta es la resistencia total de todos los relés, medidores y cables conectados al TC. Seleccionar un dispositivo para este deber es una cuestión de clase de precisión documentada, carga y clasificación térmica a corto plazo en lugar de tamaño físico, y un representante gama de transformadores de corriente muestra cómo se publican esos parámetros para una unidad específica. Los transformadores de corriente también introducen una regla que ningún técnico de mantenimiento debe olvidar: el circuito secundario nunca debe abrirse bajo carga, porque sin carga el TC desarrolla un voltaje peligroso en sus propios terminales.
Problemas comunes y práctica de mantenimiento
Las fallas del MCC rara vez son exóticas. Se agrupan en un puñado de causas recurrentes, y la mayoría de ellas son visibles en un cronograma.
| Problema | Causa raíz | Mitigación |
|---|---|---|
| Sobrecalentamiento en las conexiones del bus | Juntas atornilladas sueltas, ciclos térmicos, contaminación | Verificaciones de par en un cronograma; termografía infrarroja bajo carga |
| Fallo del contactor o del arrancador | Desgaste de contactos por alta frecuencia de operación | Contadores de operación en unidades inteligentes; reemplazo planificado de contactos |
| Disparos innecesarios | Configuraciones de sobrecarga incorrectas para el motor real; armónicos de los VFD | Verificar configuraciones contra la corriente de carga completa de la placa de identificación y el factor de servicio |
| Descomposición del aislamiento | Polvo, humedad, ingreso de lavado, escombros sueltos | Clase de envoltura correcta, juntas mantenidas, programas de limpieza |
| Modificaciones no documentadas | Cambios en el campo sin actualizaciones de dibujos | Revisión controlada de dibujos; verificar contra lo construido en cada auditoría |
| Arco eléctrico y exposición del personal | Trabajar en equipos energizados sin evaluación o EPP | Estudio de energía de incidente publicado, límites, EPP y procedimiento |
De hecho, la rutina de mantenimiento que logra la mayor parte de esto es uno de los tipos de mantenimiento más simples, que incluye actividades como par y termografía en el bus, inspección de contactos y conteo de funcionamiento para los arrancadores, monitoreo ambiental de la envoltura y verificación de que los dibujos coincidan con la instalación. En una planta donde el MCC es el único punto a través del cual se alimenta la mayor parte del proceso, ese programa debe estar en el mismo calendario que el mantenimiento del transformador y del equipo de conmutación en lugar de en un silo separado: un completo lista de verificación de mantenimiento de transformadores y un cronograma de inspección del MCC comparten la misma lógica de intervenciones programadas que capturan la degradación lenta antes de que se convierta en una interrupción forzada.
MCC comparado con equipos de conmutación, tableros de distribución y VFD
Las reuniones tienden a confundir cuatro terminologías que significan cosas diferentes, lo que causa un alto potencial de problemas de especificación.
- Tablero de distribución. Distribuye energía a una combinación de circuitos con protección contra sobrecorriente adecuada. No hay arranque de motor, no hay protección contra sobrecarga presente aquí.
- Tablero de conmutación o equipo de conmutación. Este ensamblaje está destinado a la distribución y protección de energía a mayor escala y ayuda con la distribución y protección de la energía.
- MCC. Este equipo está construido alrededor de sistemas de control de motores. Proporcionan protección, conmutación y protección contra sobrecarga en un bus en secciones modulares del ensamblaje.
- VFD. Esta es solo una unidad que controla una función de motor, que puede estar ubicada ya sea en un MCC o por separado. El principio de operación del VFD no es idéntico al del MCC.
Preguntas Frecuentes
¿Cuál es el propósito principal de un MCC?
El objetivo es poder gestionar, salvaguardar y monitorear varios motores desde un solo lugar central. En la práctica, esto significa conectar todos los arrancadores y alimentadores de un sector de fabricación a un bus de potencia común en construcciones modulares. Los sistemas están construidos de tal manera que los motores pueden ser iniciados, detenidos y protegidos de sobrecalentamiento y cortocircuito mucho más fácilmente que si estuvieran cableados por separado en el sitio. El segundo propósito: escalabilidad: en lugar de reconstruir todo el sistema, la capacidad necesaria se puede obtener añadiendo nuevos segmentos o conectando secciones.
¿Cómo funciona un MCC?
La electricidad se suministra a través de un dispositivo principal (como un interruptor, un terminal o un interruptor de fusible) desde donde se distribuye a través de un bus de potencia común que abarca el ensamblaje. En cada sección, las barras verticales toman de este bus común y suministran energía a cada unidad de control de motor apilada por separado. Cada unidad (llamada cubo) está equipada con dispositivos de protección de circuito, contactores o un variador, así como un panel para protección contra sobrecargas. El cableado de control proporciona la conexión de las unidades ya sea a pulsadores o a una red de planta (en el caso de un MCC inteligente).
¿Cuáles son los problemas comunes con los paneles de MCC?
Los problemas repetitivos son aquellos debidos a buses mal conectados que causan puntos calientes, desgaste de contactores en interruptores accionados con frecuencia, configuraciones incorrectas de sobrecargas que causan desconexiones no deseadas, deterioro del aislamiento por suciedad y humedad, armónicos de motores conectados a VFD que afectan otras cargas, y cambios no documentados realizados por técnicos que hacen que los planos del equipo sean inútiles. La mayoría de los problemas se identifican mediante pruebas programadas de par, inspección termográfica, conteo de contactores utilizados y verificación ambiental en lugar de esperar a que ocurra una falla.
¿Cuál es la diferencia entre un VFD y un MCC?
Funcionan en diferentes niveles. Un MCC actúa como una colección de equipos que suministran energía y proporcionan cierta protección y capacidad de arranque para los variadores de motor. Mientras tanto, un VFD se refiere a un dispositivo único que modifica la velocidad de un motor variando la frecuencia y el voltaje. Dado que los variadores suelen estar montados en cubos de MCC, las personas tienden a confundir los dos conceptos; sin embargo, el MCC es el recinto, el bus y el dispositivo de protección para el conjunto completo de variadores, mientras que el VFD es responsable de controlar un motor. Si se reemplaza completamente el MCC con VFD, no habrá una protección adecuada de los variadores eléctricos en conjunto.
Referencias
- NFPA — NFPA 70 Código Eléctrico Nacional, Artículo 100 y Artículo 430 Parte VIII (Centros de Control de Motores)
- NFPA — NFPA 70E: Norma para la Seguridad Eléctrica en el Lugar de Trabajo
- UL Solutions — UL 845: Centros de Control de Motores
- NEMA — NEMA ICS 18: Centros de Control de Motores y NEMA ICS 2: Controladores de Control Industrial y Sistemas
- Comisión Electrotécnica Internacional — IEC 61439-1 e IEC 61439-2: Conjuntos de Equipos de Conmutación y Control de Baja Tensión
- IEEE — IEEE C37.20.7: Guía para la Prueba de Equipos de Conmutación Clasificados hasta 52 kV para Fallos de Arco Interno
Conclusión
Un Centro de Control de Motores (MCC) es donde termina la distribución común de energía eléctrica para el sistema de potencia. El bus es el equipo utilizado para la distribución, mientras que los cubos se utilizan para proteger, conmutar y monitorear la distribución de energía. Los grandes recintos metálicos y guardias han sido diseñados específicamente para mantener el equipo alejado de la exposición, mientras que las redes modernas de fábricas permiten que todo el MCC sirva como un operador de recolección de energía. Cada fabricante habrá desarrollado un código que incluye requisitos para el refuerzo del bus, orden de fase, espacio de curvatura y despeje, unión en intersecciones, marcado de placa de identificación y documentación de corriente de falla. La mayoría de los fabricantes tienen tres decisiones básicas que tomar para todos los MCC. Primero, los fabricantes deben hacer que el componente MCC extraíble esté disponible si los costos de inactividad son demasiado caros; segundo, los fabricantes deben verificar que la clasificación de corriente de falla para cada MCC sea igual o mayor que las corrientes de falla en los terminales; y finalmente, los fabricantes deben proporcionar monitoreo continuo de la documentación de ingeniería mientras su cliente está construyendo una instalación.