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Las categorías de utilización clasifican los contactores eléctricos según las condiciones de conmutación que deben soportar al controlar tipos de carga específicos. Para aplicaciones de control de motores de media tensión, estas categorías definen la magnitud de la corriente, el factor de potencia y la frecuencia operativa que experimenta un contactor durante las operaciones de cierre y apertura, parámetros que determinan directamente si un contactor de vacío sobrevivirá a su vida útil prevista o fallará prematuramente.
La Comisión Electrotécnica Internacional estableció este sistema de clasificación en la norma IEC 60947-4-1, originalmente para contactores de baja tensión. Las aplicaciones de media tensión siguen las mismas definiciones de categoría, con requisitos de ensayo adaptados según la norma IEC 62271-106 para contactores de alta tensión y arrancadores de motor basados en contactores.
Cada categoría de utilización especifica cuatro parámetros críticos:
En el caso de los motores de inducción de jaula de ardilla, el tipo de motor predominante en aplicaciones industriales de media tensión, hay dos categorías que revisten especial importancia: AC-3 y AC-4. La distinción se centra en una pregunta: ¿en qué punto de la curva de aceleración del motor interrumpe la corriente el contactor? La respuesta determina si la erosión del contacto se acumula gradualmente a lo largo de cientos de miles de operaciones o rápidamente en decenas de miles.
La diferencia fundamental entre AC-3 y AC-4 radica en la tensión eléctrica que se aplica en el momento de la separación de los contactos. AC-3 se aplica al arranque de motores de jaula de ardilla y a su desconexión mientras funcionan a velocidad normal. AC-4 abarca las operaciones de arranque, conexión, avance lento y inversión, en las que los contactos deben interrumpir repetidamente la corriente del rotor bloqueado.
AC-3: Conmutación de motor para servicio normal
Cuando un motor alcanza su velocidad máxima, la corriente desciende a los niveles operativos nominales antes de que se abra el contactor de vacío. De acuerdo con la norma IEC 60947-4-1, sección 4.3.5.1, los contactores nominales AC-3 deben soportar corrientes de aproximadamente 6 veces la corriente nominal de funcionamiento (Ie) durante el arranque del motor, pero la interrupción se produce solo a 1 vez Ie. El factor de potencia durante la interrupción suele oscilar entre 0,85 y 0,90, lo que reduce considerablemente la energía del arco durante la separación de los contactos.
En implementaciones de campo en instalaciones petroquímicas y plantas de tratamiento de agua, AC-3 representa el escenario de conmutación más común. La fuerza contraelectromotriz del motor reduce significativamente la tensión de recuperación que aparece en el espacio de vacío. Las pruebas de campo en contactores de vacío de 7,2 kV muestran corrientes de ruptura que oscilan entre 200 A y 400 A para aplicaciones típicas de motores, con distancias de contacto de 6 a 10 mm que proporcionan una rigidez dieléctrica adecuada.
AC-4: Conmutación de motores para servicio pesado
En condiciones AC-4, el contactor de vacío debe interrumpir la corriente a 6× Ie con un factor de potencia de solo 0,35 a 0,40. No existe asistencia de fuerza contraelectromotriz porque el rotor permanece estacionario o se invierte. El interruptor de vacío debe extinguir los arcos con la corriente prospectiva completa fluyendo a través de las superficies de contacto de CuCr a la tensión de línea completa.
La relación entre el arco y la energía explica la gravedad:
Energía del arco ∝ I² × t × (1 – cos φ)
El bajo factor de potencia significa que la corriente y el voltaje están significativamente desfasados, y que los cruces por cero de la corriente se producen bajo una tensión de recuperación más alta. Esto se traduce en un intenso calentamiento por arco, una mayor erosión del material de cobre y cromo por operación y una acumulación más rápida del desgaste del espacio de contacto.
[Perspectiva experta: Observaciones de campo sobre el rendimiento de AC-3/AC-4]
El marco IEC define múltiples categorías de utilización de CA, cada una de las cuales aborda tipos de carga y condiciones de conmutación específicos. Para los contactores de vacío de media tensión que controlan motores de inducción de jaula de ardilla, las especificaciones AC-3 y AC-4 son las más importantes, aunque comprender la familia completa proporciona contexto.
| Categoría | Solicitud | Actualización | Rompiendo la corriente | cos φ |
|---|---|---|---|---|
| AC-1 | Cargas no inductivas o ligeramente inductivas | 1,5 × Ie | Es decir | 0.95 |
| AC-2 | Motores de anillos colectores: arranque, desconexión | 2,5 × Ie | 2,5 × Ie | 0.65 |
| AC-3 | Motores de jaula de ardilla: arranque, funcionamiento, parada | 6 × Ie | Es decir | 0.35 |
| AC-4 | Motores de jaula de ardilla: conexión, avance lento, avance por impulsos | 6 × Ie | 6 × Ie | 0.35 |
La diferencia fundamental radica en la columna de corriente de ruptura. AC-3 asume la interrupción de un motor que funciona a una velocidad casi máxima: la corriente ha descendido a los niveles operativos nominales. AC-4 asume la interrupción en condiciones de rotor bloqueado o casi bloqueado: una corriente seis veces mayor con una energía de arco significativamente mayor que extinguir.
AC-2 se aplica específicamente a los motores de anillo colector (rotor bobinado), que tienen características de arranque diferentes y son menos comunes en las instalaciones de media tensión modernas. AC-1 cubre cargas resistivas y ligeramente inductivas, como los elementos calefactores, que rara vez son la principal preocupación a la hora de seleccionar un contactor de vacío en aplicaciones de control de motores.
Los parámetros críticos del AC-3 incluyen: resistencia eléctrica ≥ 1 × 106 ciclos de funcionamiento a la corriente nominal, resistencia mecánica de hasta 3 × 106 operaciones y tasas de erosión de los contactos típicamente < 0,1 μg por amperio-segundo de duración del arco.Para los ingenieros que especifican contactores de vacío de media tensión, la pregunta es sencilla: ¿se detendrá alguna vez este motor antes de alcanzar la velocidad máxima? Si la respuesta es afirmativa, se aplica AC-4. Si el motor siempre alcanza la velocidad máxima antes de detenerse, basta con AC-3.
Los contactos de CuCr (cobre-cromo) del interruptor de vacío soportan toda la carga eléctrica del servicio AC-4. Comprender el mecanismo de desgaste explica por qué la selección de la categoría de utilización influye directamente en los intervalos de mantenimiento y el coste de vida útil.
Durante la interrupción AC-3, el arco difuso al vacío se extiende por toda la superficie de contacto, distribuyendo la energía térmica de manera relativamente uniforme. La magnitud de la corriente es baja (1× Ie) y el factor de potencia favorable hace que la duración del arco antes de que la corriente llegue a cero sea breve. La pérdida de material de contacto por operación sigue siendo mínima.
Las condiciones AC-4 crean un comportamiento del arco fundamentalmente diferente. A 6× Ie con un factor de potencia de 0,35, el arco pasa del modo difuso al modo restringido. La energía se concentra en puntos localizados de la superficie de contacto, lo que provoca:
Los contactos CuCr estándar con un contenido de cromo de 25-50% proporcionan la base para la conmutación de motores. Para un servicio AC-4 severo, los fabricantes pueden especificar:
El espacio de contacto, que suele ser de 8 a 12 mm para los contactores de media tensión de 7,2 kV, debe mantener una rigidez dieléctrica adecuada incluso cuando se acumula la erosión. Un nivel de vacío inferior a 10⁻³ Pa permite una rápida desionización de los arcos de vapor metálico, pero las repetidas interrupciones de alta energía degradan gradualmente el entorno interno debido a la contaminación del blindaje y al agotamiento del getter.
Para comprender mejor la estructura de los interruptores de vacío y la física de la extinción del arco, consulte nuestra guía completa: ¿Qué es un interruptor de vacío y cómo funciona?
[Opinión de expertos: Contact Life Management]
La adecuación de la categoría de utilización al ciclo de trabajo real evita tanto fallos prematuros como un sobredimensionamiento innecesario. El perfil de la aplicación, y no solo la placa de características del motor, determina la especificación correcta.
Aplicaciones típicas de AC-3 en sistemas de media tensión:
Estas aplicaciones comparten una característica común: el motor acelera hasta alcanzar la velocidad de funcionamiento antes de la orden de parada. El contactor solo interrumpe la corriente nominal en condiciones favorables de factor de potencia.
Aplicaciones típicas del AC-4 en sistemas de media tensión:
Las operaciones mineras presentan un reto particular. Los sistemas transportadores pueden funcionar principalmente en modo AC-3, pero requieren un funcionamiento intermitente ocasional para el posicionamiento de mantenimiento. Un contactor especificado exclusivamente para servicio AC-3 sufrirá un desgaste acelerado durante estos ciclos AC-4.
Cálculo de derechos mixtos
Las aplicaciones del mundo real suelen combinar ambos tipos de servicio. El enfoque de la IEC permite calcular el desgaste equivalente:
Operaciones AC-3 equivalentes = operaciones AC-3 + (k × operaciones AC-4)
El multiplicador k suele oscilar entre 3 y 10, según los datos de las pruebas del fabricante. Para una grúa que realiza 50 arranques/paradas normales y 5 ciclos de avance lento al día, el desgaste AC-3 equivalente podría ser de 50 + (5 × 8) = 90 operaciones al día, en lugar de 55.
Explore nuestra gama completa de contactores de vacío diseñados para servicio AC-3 y AC-4: Fabricante de contactores de vacío
La selección adecuada de la categoría requiere analizar el perfil operativo real en lugar de aplicar factores de seguridad genéricos. Cuatro preguntas guían la evaluación:
La realidad de la reducción de potencia
Un contactor clasificado para servicio AC-3 no puede simplemente servir para aplicaciones AC-4 con la misma intensidad nominal. Los enfoques estándar incluyen:
| Parámetro | Clasificación AC-3 | Clasificación AC-4 (mismo marco) |
|---|---|---|
| Corriente nominal de funcionamiento | 400 A | 200 Un típico |
| Resistencia eléctrica | 500 000-2 000 000 operaciones | 100 000-500 000 operaciones |
| Erosión por contacto por cada 1000 operaciones | 0,002-0,005 mm | 0,01-0,02 mm |
Seleccionar un tamaño de marco más grande mantiene la intensidad nominal requerida en condiciones AC-4. Algunos fabricantes ofrecen materiales de contacto mejorados, como tungsteno-cobre (WCu) o carburo de plata-tungsteno (AgWC), para aplicaciones de servicio severo en las que no es práctico aumentar el tamaño del marco.
Verificación de normas
Los fabricantes deben demostrar el cumplimiento mediante ensayos de tipo según la norma IEC 62271-106 [VERIFICAR NORMA: confirmar que la edición actual se aplica a la clase de tensión específica]. Los ensayos de tipo verifican la capacidad de conexión y desconexión en los valores nominales de la categoría, la resistencia eléctrica mediante ciclos de ensayo reducidos extrapolados a la vida útil nominal y la resistencia dieléctrica después de las operaciones de conmutación.
Al preparar las especificaciones para la adquisición de contactores de vacío, consulte nuestra guía detallada: Lista de verificación de la solicitud de presupuesto de VCB: Requisitos técnicos
XBRELE fabrica contactores de vacío de media tensión con potencias nominales de entre 3,6 kV y 12 kV, diseñados para ofrecer un rendimiento fiable en las categorías de utilización AC-3 y AC-4. Nuestros interruptores de vacío cuentan con materiales de contacto CuCr optimizados con un contenido de cromo controlado para ofrecer unas características de erosión por arco constantes a lo largo de toda su vida útil.
Cada contactor se somete a pruebas rutinarias para verificar la tensión soportada a frecuencia industrial, la resistencia del circuito principal y los parámetros de funcionamiento mecánico. Los informes de pruebas de tipo que hacen referencia a categorías de utilización específicas están disponibles bajo petición, proporcionando la documentación necesaria para las especificaciones del proyecto y los programas de garantía de calidad.
Para aplicaciones que implican un servicio mixto AC-3/AC-4 o perfiles de funcionamiento inusuales, nuestro equipo de ingeniería ofrece asesoramiento técnico para determinar el tamaño adecuado y la selección del material de contacto. Tanto si su aplicación implica el control estándar del motor de una bomba como si se trata de operaciones exigentes con grúas con ciclos frecuentes de avance lento, la adecuación de la categoría de utilización garantiza un rendimiento de conmutación fiable e intervalos de mantenimiento predecibles.
Para obtener orientación sobre las consideraciones relativas al entorno de instalación, consulte nuestro recurso de selección: Guía de selección de VCB para interiores y exteriores
Para conocer los requisitos completos de las pruebas y las definiciones de las categorías de utilización, consulte las normas publicadas por la Comisión Electrotécnica Internacional.
P1: ¿Qué determina si mi aplicación requiere contactores con clasificación AC-3 o AC-4?
R1: El factor clave es si el motor alcanza la velocidad máxima de funcionamiento antes de que se abra el contactor. Si el motor siempre acelera completamente antes de detenerse, se aplica AC-3. Si las operaciones incluyen avance lento, avance gradual, bloqueo o cualquier parada antes de alcanzar la velocidad máxima, los requisitos de AC-4 rigen la selección del contactor.
P2: ¿En qué medida la función AC-4 reduce la vida útil del contactor de vacío en comparación con AC-3?
A2: La resistencia eléctrica en condiciones AC-4 suele reducirse a entre el 10 % y el 30 % de la vida útil AC-3 para marcos de contactores idénticos, debido principalmente al aumento de seis veces en la corriente de ruptura y la energía de arco asociada en cada operación.
P3: ¿Puedo aplicar un factor de seguridad a un contactor clasificado como AC-3 para operaciones ocasionales AC-4?
R3: Las operaciones AC-4 ocasionales requieren cálculos de desgaste equivalentes en lugar de simples factores de seguridad. Multiplique el número de ciclos AC-4 por 3-10 (según los datos del fabricante) y súmelos a las operaciones AC-3 para estimar la acumulación real de desgaste por contacto.
P4: ¿Qué materiales de contacto son los más adecuados para condiciones de trabajo severas AC-4 en contactores de vacío de media tensión?
A4: Las aleaciones CuCr con alto contenido en cromo (50-75% Cr) y microestructuras de grano refinado proporcionan una resistencia superior a la erosión por arco, mientras que las geometrías de contacto de campo espiral distribuyen la energía del arco por toda la superficie de contacto para reducir el desgaste localizado.
P5: ¿Cómo puedo verificar que un contactor de vacío tiene la clasificación adecuada para mi categoría de utilización específica?
A5: Solicite certificados de ensayo que hagan referencia a la categoría de utilización específica y a la clasificación actual para su aplicación. Los ensayos realizados según la norma IEC 62271-106 deben demostrar la capacidad de conexión, la capacidad de corte y la resistencia eléctrica en la categoría declarada.
P6: ¿Afecta el voltaje de funcionamiento a los requisitos de la categoría de utilización?
R6: Las definiciones de las categorías de utilización se aplican de manera uniforme en todas las clases de tensión, pero las tensiones más altas del sistema aumentan la tensión de recuperación durante la interrupción, lo que hace que la selección adecuada de la categoría sea aún más importante para las aplicaciones de 7,2 kV y 12 kV.
P7: ¿Qué indicadores de mantenimiento sugieren que un contactor ha superado su categoría de utilización nominal?
A7: El aumento de las mediciones de resistencia de contacto, los tiempos de arco más largos durante la interrupción, la erosión visible del contacto más allá de los límites del fabricante y la reducción de la capacidad de resistencia dieléctrica indican una acumulación de tensión que podría superar las hipótesis de diseño para la categoría nominal.
