calculadora de proteccion motores NEC: cálculo rápido

Calculadora para protección de motores según NEC: guía técnica para cálculo rápido y seguro.

Explicación detallada de fórmulas, tablas, ejemplos y normativa aplicable para ingeniería eléctrica.

Antecedentes normativos y alcance técnico

El Código Eléctrico Nacional (NEC, National Electrical Code) establece criterios precisos para la protección de motores eléctricos en forma de dispositivos de sobrecorriente, protecciones térmicas y protecciones contra fallas. Esta guía aplica los artículos relativos a motores (principalmente Art. 430 del NEC) y adapta procedimientos de cálculo para selección rápida de dispositivos de protección: fusibles, disyuntores termomagnéticos, relés térmicos y protectores electrónicos.

Se cubren cálculos para motores monofásicos y trifásicos, arranques directos, con variador de frecuencia, motores de alta inercia, y condiciones de servicio continuo o intermitente.

Resumen de parámetros primarios y definiciones

• Corriente nominal del motor (IN): corriente a plena carga (Full Load Current, FLC) según placa o tablas del fabricante.
• Tensión nominal (V): tensión de alimentación del motor, p. ej. 230 V, 400 V, 480 V.
• Factor de servicio (FS): multiplicador permitido por el fabricante para carga adicional continua.
• Factor de servicio del disyuntor (FSD o allowable conductor ampacity): relación entre la capacidad del dispositivo y la corriente del conductor/motor.
• Porcentaje de sobrecorriente de arranque (IA): múltiplo de IN durante el arranque.
• Tipo de protección: protección contra sobrecarga (motores), protección contra cortocircuito/malas conexiones (fusibles, disyuntores), protección por falla a tierra.

Para un cálculo correcto, se requiere la corriente de placa o tablas FLC del NEC, la temperatura ambiente, el tipo de conductor y la longitud del circuito para cálculo de caída de tensión.

Tablas de referencia: Corrientes a plena carga (FLC) y múltiplos comunes

Las siguientes tablas incluyen valores más comunes de motores trifásicos y monofásicos según NEC y fabricantes. Son tablas responsivas para lectura en escritorio y móvil.

Las corrientes indicadas son aproximaciones basadas en tablas comunes; siempre verifique la placa del motor y la tabla específica del NEC Tabela 430.247 para FLC exactos.

Fórmulas esenciales para cálculo rápido de protección de motores

Presentamos las fórmulas clave con representación estructurada y explicación de variables y valores típicos por variable.

Todas las fórmulas anteriores permiten calcular corrientes, seleccionar conductores, ajustes de relés y coordinación de fusibles/disyuntores. Aplique correcciones de temperatura, factor de agrupamiento y rigidez dieléctrica según normas locales.

Explicación detallada de variables y valores típicos

• P (kW): Consulte placa del motor o tabla del fabricante; NEC Tabla 430.247 ofrece FLC estándar en amperios por HP/kW.
• V (V): Línea a línea nominal; asegúrese de usar la tensión real del sistema.
• Eff: Depende del diseño; motores pequeños ~0.75–0.9, grandes >0.92.
• PF: motores asíncronos típicos 0.75–0.95 a plena carga.
• k_inrush: para arranques con arrancador suave o variador, k_inrush puede ser <2; para arranque directo 3–8.
• R: resistencia total del circuito entre alimentador y motor (Ω), calculada por sección y longitud del conductor.

Procedimiento paso a paso para cálculo rápido

1. Obtener datos del motor: P (HP/kW), V, IN de placa o tabla NEC.
2. Calcular I_FLC si no está disponible: usar fórmula de potencia con Eff y PF.
3. Determinar tipo de arranque y k_inrush.
4. Seleccionar conductor: I_conductor ≥ I_FLC × 1.25 (ajustar por correcciones).
5. Seleccionar dispositivo de sobrecarga (relé): ajuste entre 115%–125% de I_FLC según NEC Art. 430 y fabricante.
6. Seleccionar disyuntor/fusible: coordinar con corrientes de arranque; usar múltiplos de I_FLC y tablas de interruptores/fusibles.
7. Verificar caída de tensión y ajustar sección conductor si V_drop% > 3%.
8. Verificar protección contra falla a tierra y selección de relé de falla a tierra si requerido.

Este flujo permite una selección rápida y consistente con el NEC, incluyendo ajustes por temperatura y condiciones de servicio.

Ejemplos prácticos desarrollados

Caso 1: Motor trifásico 10 HP (7.5 kW) a 480 V, arranque directo

Datos: P = 7.5 kW, V = 480 V, Eff = 0.90 (estimada), PF = 0.88, k_inrush = 6 (arranque directo), servicio continuo.

Paso 1: calcular I_FLC si no tuviera valor de placa.

Paso 2: conductor y protección contra sobrecarga: I_conductor ≥ 1.25 × 11.4 = 14.25 A. Seleccionar conductor AWG 14 (15 A) es borderline; mejor usar AWG 12 (20 A) ajustando por temperatura.

Paso 3: ajuste de relé de sobrecarga: set ≈ 115%–125% × 11.4 ⇒ rango 13.1–14.3 A. Seleccionar relé ajustable y fijar a 13.5 A para operación continua con FS corresponder.

Paso 4: selección del disyuntor: considerar corriente de arranque I_inrush ≈ 6 × 11.4 = 68.4 A. Seleccionar disyuntor con retardo magnético que permita 68 A durante arranque, p. ej. disyuntor de 20 A con disparo magnético ajustable o disyuntor de 50 A con coordinación depende de curvas. Mejor seleccionar disyuntor termomagnético calibrado para motores según tablas del fabricante que soporte el inrush y coordine con relé.

Paso 5: ver caída de tensión: suponer longitud 50 m, conductor AWG 12 (resistencia ~5.21 Ω/km => R≈0.261 Ω para 50 m ida+vuelta 100 m → 0.521 Ω?). Calcule V_drop% y optimice sección si >3%.

Caso 2: Motor trifásico 50 HP (37 kW) a 400 V con variador de frecuencia

Datos: P = 37 kW, V = 400 V, Eff = 0.94, PF = 0.9, variador aplicado (VFD) reduciendo corriente de arranque a 1.5×IN, servicio intermitente.

Paso 1: I_FLC = 37 × 1000 / (1.732 × 400 × 0.94 × 0.9) ≈ 37000/(1.732×400×0.846) ≈ 37000/ (586.1) ≈ 63.12 A

Paso 2: conductor: I_conductor ≥ 1.25 × 63.12 = 78.9 A → seleccionar conductor con ampacidad ≥ 90 A (p. ej. cable de sección adecuada, 4×25 mm² o AWG apropiado según tabla local).

Paso 3: relé de sobrecarga: con VFD, la protección típica se implementa en el VFD, ajustar protección de motor en el VFD a 100%–110% de I_FLC según fabricante, p. ej. set 63 A–69 A.

Paso 4: disyuntor: corriente de arranque reducida k_inrush ≈ 1.5 → I_inrush ≈ 94.7 A. Seleccionar disyuntor con capacidad de permitir arranque del VFD o fusibles con clasificación de capacidad de interrupción coordinada; usar curva retardada para permitir picos de arranque.

Paso 5: ver caída de tensión y distancias largas: para 200 m, calcular R y V_drop%; aumentar sección de conductor para mantener ≤3%.

Detalles adicionales y consideraciones avanzadas

Correcciones por temperatura: las tablas de ampacidad requieren multiplicar por el factor de corrección según la temperatura ambiente; por ejemplo, para conductores a 75 °C y ambiente 40 °C, usar factor 0.91 (consultar tabla del fabricante).

• Corrección por agrupamiento: cuando varios conductores en el mismo conducto, aplicar factor de reducción según número de circuitos.
• Protección contra recirculación de corriente en VFD: seleccione fusibles tipo gG o limitadores específicos, y coordinar con varistor y filtros.
• Coordinación selectiva: usar curvas tiempo-corriente para asegurar selectividad entre protección de motor y protección upstream.
• Temperatura de arranque frecuente: si el motor arranca muchas veces, incrementar margen de selectividad y duración térmica.

Protección de falla a tierra: medir y seleccionar relés diferenciales con sensibilidad según la criticidad; para equipos industriales sensibles, se usan sensibilidades de 100–300 mA o menos para detección temprana.

Implementación práctica de una calculadora rápida

Una calculadora debe incorporar entradas: P (HP/kW), V, Eff, PF, método de arranque, longitud del circuito, sección de conductor y temperatura ambiente. Debe devolver I_FLC, I_conductor mínimo, ajuste de relé, selección de disyuntor/fusible, V_drop% y recomendaciones de coordinación.

Además, incluya tablas locales del NEC Art. 430 para FLC por HP y la posibilidad de seleccionar motores con factor de servicio distinto y variadores de frecuencia.

Referencias normativas y recursos de autoridad

• NEC (NFPA 70) — Artículo 430: Motores, unidades motrices y generadores. Disponible en: https://www.nfpa.org
• IEEE Std 141 (Red Book) — Buenas prácticas en sistemas de potencia y selección de protección.
• IEC 60204-1 — Seguridad de maquinaria — Requisitos eléctricos.
• Manual del fabricante del motor — tablas FLC específicas y recomendaciones de ajuste de protecciones.

Use las fuentes anteriores para validación de cálculos, tablas exactas y requisitos de coordinación y prueba en su jurisdicción.

Checklist para verificación final antes de puesta en servicio

1. Confirmar corriente de placa y FLC con fabricante.
2. Verificar ajuste de relé de sobrecarga (115%–125% según NEC y fabricante).
3. Confirmar ampacidad del conductor con correcciones por temperatura y agrupamiento.
4. Calcular y verificar caída de tensión ≤3% para motor.
5. Seleccionar disyuntor/fusible con capacidad de interrupción y coordinación con sacrificalidad.
6. Probar arranques en sitio y ajustar parámetros en VFD cuando aplique.
7. Registrar ajustes y pruebas para cumplimiento normativo.

Cumplir con el NEC y normas locales, realizar pruebas de aceptación y documentar ajustes y pruebas de coordinación antes de operar.

Ampliaciones y tópicos avanzados

• Protección de motores en ambientes clasificados: selección de equipos con certificación ATEX/IECEx y consideraciones de calentamiento y purga.
• Protección de motores síncronos y de alto par de arranque: diferencias en k_inrush y estrategias de limitación de corriente.
• Integración con sistemas de monitoreo: uso de sensores de corriente, analizadores de calidad de energía y sistemas SCADA para detección temprana de sobrecarga o pérdida de fase.
• Impacto armónico en motores con VFD: dimensionamiento de filtros de entrada y selección de filtros de salida para reducir calentamiento adicional.

Estos tópicos requieren análisis más profundo por aplicación y deben incluir pruebas de aceptación y evaluación de riesgos eléctricos específicos del sitio.

Fuentes y lecturas recomendadas

• NFPA 70, National Electrical Code — Art. 430. Disponible en nfpa.org
• IEEE Std 141 — The Red Book: Power Distribution for Industrial Plants.
• Manuales técnicos de fabricantes: Siemens, ABB, Schneider Electric — guías de protección de motores y selección de fusibles/disyuntores.
• IEC 60034 — Máquinas eléctricas: especificaciones y ensayos.

Consulte siempre la edición vigente del NEC y las normas locales para asegurar cumplimiento y seguridad.