Arranque de motores eléctricos

Arranque de motores eléctricos

Se denomina arranque de un motor al régimen transitorio en el que se eleva la velocidad del mismo desde el estado de motor detenido hasta el de motor girando a la velocidad de régimen permanente.

El conjunto que se pone en marcha es inercial y disipativo, incluyendo en este último concepto a las cargas útiles, pues consumen energía.

Importancia

El estudio del arranque de los motores tiene una gran importancia práctica, ya que la elección correcta de las características de los motores eléctricos y arrancadores a instalar están basados en el conocimiento de las particularidades de éste régimen transitorio.

Teniendo en cuenta que el comportamiento dinámico del conjunto motor-maquina accionada esté regido por la siguiente ecuación diferencial:

Tm - Tr = J . dw / dt

Donde Tm es el par motor, Tr el par resistente, J es el momento de inercia del conjunto motor-maquina accionada y w es la velocidad angular de dicho conjunto.

Por lo tanto, para que el conjunto comience a girar se necesita que el par motor supere al par resistente, de manera de generar una aceleración angular de arranque. El proceso de arranque finaliza cuando se equilibra el par motor con el par resistente, estabilizándose la velocidad de giro del motor.

Como la cupla motora es el producto de la corriente absorbida por el flujo del campo magnético, además de un factor que caracteriza al tipo de máquina, este mayor par de arranque generalmente está asociado a una mayor corriente de arranque, la que no debe superar determinado límite por el calentamiento de los conductores involucrados.

Aunque se suele enfocar el diseño de estos sistemas de arranque en atención a las corrientes y cuplas involucradas, no deben dejarse de lado otros aspectos que también resultan importantes, como por ejemplo el consumo de energía disipada en forma de calor y las perturbaciones sobre la red de baja tensión.

Estas perturbaciones incluyen principalmente las caídas de tensión (muy notables en los elementos de iluminación), que pueden afectar el funcionamiento de otros elementos conectados a la misma, lo que resulta crítico en las instalaciones con muchos motores que realizan frecuentes arranques.

Por otro lado, los dispositivos de arranque pueden ser de operación manual o por contactores. Estos últimos permiten efectuar el mando a distancia del motor con cables de secciones pequeñas (sólo se requiere la corriente necesaria para la bobina del contactor), lo que facilita el accionamiento y diseño del dispositivo de control por trabajar con intensidades reducidas.

Arranque directo a línea.

La manera más sencilla de arrancar un motor de jaula es conectar el estator directamente a la línea, en cuyo caso el motor desarrolla durante el arranque el par que señala su característica par- velocidad. En el instante de cerrar el contactor del estator, el motor desarrolla el máximo par de arranque y la corriente queda limitada solamente por la impedancia del motor. A medida que el motor acelera, el deslizamiento y la corriente disminuye hasta que se alcanza la velocidad nominal. El tiempo que se necesita para ello depende de la carga impuesta a la maquina, de su inercia y de su fricción. La carga de arranque no afecta al valor de la corriente de arranque sino simplemente a su duración. En cualquier motor de jaula, la corriente y el par dependen solo del deslizamiento. Cuando un motor de jaula se conecta directamente a la línea en vacío, según su potencia, puede adquirir la velocidad nominal en un segundo. Cuando la maquina arranca con carga de poca inercia, el tiempo de arranque del mismo motor podría aumentar a 5 ó 10 segundos. Aunque la potencia de la línea aumenta y se están desarrollando muchos arrancadores de baja corriente para los motores de jaula, los arrancadores directos se usan cada vez más debido a su simplicidad y bajo precio. Al montar una nueva planta se suele hacer la instalación eléctrica a partir de la línea de alta tensión, de manera que los motores de jaula se pueden conectar directamente. Por otra parte, como los motores forman parte de la instalación, se presentan problemas derivados del arranque de las maquinas que se deben estudiar cuidadosamente. Los factores limitativos a considerar son la potencia contratada, la posición de la caja de distribución más próxima así como los cables de alimentación y el sistema de protección. También se ha de estudiar el efecto de la corriente de arranque con bajo factor de potencia en la tensión de los transformadores y de los alternadores. La sencillez del arranque directo hace posible el arranque con un simple contactor, por lo que suele efectuar rara vez mediante arrancador manual. Los arrancadores automáticos comprenden el contactor trifásico con protección de sobrecarga y un dispositivo de protección de sobrecarga de tiempo inverso. El arranque y la parada se efectúan mediante pulsadores montados sobre la caja, pudiéndose también disponer de control remoto si fuera necesario.

Arranque Estrella – Triángulo

Se trata de un método de arranque basado en las distintas relaciones de la tensión de línea y la compuesta, a la tensión de fase que representan los acoplamientos trifásicos estrella - triángulo. En consecuencia, el método solo será aplicado a motores trifásicos alimentados por una red trifásica cuyo devanado estatórico presente sus seis bornes accesibles. Tal circunstancia se da hoy en día en la generalidad de los motores de rotor de jaula, siendo la disposición general de la caja de bornes la que esquemáticamente representamos a continuación : Esta solución no solo permite la utilización del motor con dos tensión distintas, que estén en la relación de 1 a sino, también, el arranque del motor, normalmente previsto para trabajar con la conexión triángulo a la tensión nominal, con una tensión reducida. A este propósito sabemos que si U es la tensión compuesta de la red, ésta será también la tensión aplicad a cada fase del motor cuando esté trabajando normalmente con sus fases estatóricas conectadas en triángulo. Si el mismo devanado estuviera conectado en estrella la tensión de fase del motor sería, veces inferior. A base, pues, de un simple cambio de conexión de las fases de devanado estatórico, tenemos la posibilidad de reducir la tensión aplicada al motor en la puesta en marcha, limitando consecuentemente el golpe de corriente de arranque Es este simple principio está basado el método de arranque estrella - triángulo. En el momento del arranque el devanado conectado en estrella queda sometido a una tensión por fase igual a U / y cuando el motor alcanza una cierta velocidad de giro, se conecta en triángulo pasando la tensión de fase a ser igual a la U. El esquema de principio de este método es el representado a continuación, en el cual el paso de la conexión estrella a triángulo tiene lugar mediante un conmutador que en la posición 1 conecta los devanados en estrella y en la dos en triángulo. Normalmente, la puesta en servicio y el cambio de conexión se realiza mediante un conmutador manual rotativo de tres posiciones : paro - estrella - triángulo, si bien se refiere hoy en día confiar esta maniobra a dispositivos automáticos a base de tres contactores y un temporizador que fija el tiempo del cambio de la conexión estrella a la conexión triángulo a partir del instante de iniciarse el ciclo de arranque. Se obtienen así las mejores características posibles del ciclo de arranque, a tenor del momento de inercia y del par resistente de la maquina, con valores de la corriente transitoria en la conexión triángulo más limitados. En motores trabajando gran parte de su tiempo de servicio con un par reducido por bajo de un tercio de su par nominal, puede ser interesante el utilizar en estos periodos la conexión estrella, mejorándose con ello el rendimiento y, sobre todo, el factor de potencia.

Arranque por autotransformador

Este método utiliza un autotransformador para reducir la tensión en el momento del arranque, intercalado entre la red y el motor, según el esquema que muestra a continuación : A ) Esquema de principio de arranque por autotransformador En la primera posición de arranque se aplica al motor la tensión reducida del autotransformador y una vez el motor en las proximidades de su velocidad de régimen se le conecta a la plena tensión de la red quedando el autotransformador fuera de servicio. Un esquema normalmente usado para el arranque por autotransformador de motores de gran potencia es el que se muestra en el esquema B, conocido por conexión Korndorfer. El arranque tiene lugar en tres tiempos sin interrupción de la corriente de alimentación del motor. Esquema de la conexión "Kormdorfer", para el arranque por autotranformador de un rotor asincrónico. El proceso se desarrolla como sigue : En el primer tiempo se cierran los interruptores 1 y 2, aplicándosele al motor la tensión reducida secundaria, U. En el segundo tiempo, que tiene lugar cuando el motor está ya en las proximidades de la plena marcha, se abre el interruptor 2, con lo que el autotransformador queda fuera de servicio y el motor bajo una tensión igual a la de la red menos la caída de tensión reactiva en las espiras del autotransformador (primarias) intercaladas en serie con el motor intermedia entre la secundaria del autotransformador U y la de la red U. Y, en el tercer tiempo, a unos pocos segundos del anterior, se cierra el interruptor 3, con lo que se cortocircuitan las espiras anteriores y el motor queda alimentado a la plena tensión de la red U.

Arranque Wauchope.

El arranque wauchope es una modificación del arranque estrella-triángulo. Introduce una resistencia al cambiar de la posición estrella a la de triángulo, evitando los picos de corriente. Además de no desconectar el motor de la línea durante la conmutación, proporciona un impulso adicional de aceleración. En la siguiente figura mostramos el diagrama de conexiones de un arranque Wauchope de par constante estrella - triángulo. En la parte "a" de la figura, el motor está conectado en estrella a la línea. Durante el paso a la parte " b " queda conectada una resistencia en paralelo con cada fase del devanado del motor. la corriente de línea aumenta en la cantidad que absorbe la resistencia, pero la del devanado permanece constante. Este paso preparatorio solo dura una fracción de segundo. En la parte " c " el neutro del devanado queda desconectado con lo que se logra conectar el devanado del motor en triángulo con una resistencia en serie en cada fase. Finalmente en la parte " d " las resistencias se cortocircuitan y el motor queda conectado a la línea en triángulo. Este método de arranque no solamente evita los transitorios de corriente, sino que logra un par continuo durante el periodo de arranque sin disminución de la velocidad durante la conmutación.

Arranque mediante resistencias en el estator

Este método de arranque consiste en conectar el motor a la línea mediante una resistencia en serie en cada una de las fases. La resistencias se puede graduar en secciones para limitar la corriente de arranque a un valor pretendido según las normas de la compañía y el par que necesita la maquina de carga. Los arrancadores de resistencias manuales de diferentes posiciones son normalmente del tipo de disco. En los arrancadores de contactor se puede disponer uno de estos para obtener una aceleración adicional cortocircuitando la resistencia de arranque. Corrientemente, sin embargo se emplea solamente una sección de la resistencia que se cortocircuita cuando el motor adquiere la velocidad deseada. Un motor dado desarrolla el mismo par de arranque a una tensión reducida ya sea mediante autotransformador o mediante resistencias de arranque. Sin embrago, mediante este ultimo método, el motor puede acelerarse casi hasta la velocidad nominal, porque a medida que la velocidad aumenta la corriente disminuye y la caída de tensión en las resistencias también, aumentando la tensión aplicada y el par. Con este método la corriente de arranque es proporcional a la reducción de tensión y el par lo es al cuadrado de la tensión. Por lo tanto si se compara el funcionamiento del motor de otra clase con resistencias de arranque para el 65 % de tensión, la corriente de arranque seria : 5 veces la corriente nominal 93 % del par nominal Este ejemplo muestra claramente que el efecto de las resistencias de arranque en el arranque del estator es de aumentar la corriente de arranque, para un mismo par con respecto a la absorbida con la conexión estrella - triángulo o con autotransformador. Sin embrago, tiene la ventaja y es que evita los transitorios de corriente, porque el motor no se desconecta de la línea durante el periodo de arranque. El numero de arranques queda limitado por la potencia de sus resistencias y, como estas deben soportar la corriente rotórica con el motor parado, su precio y sus dimensiones físicas tienden a limitar su empleo con motores de baja potencia. El arranque mediante resistencias proporciona una aceleración suave puesto que la velocidad del motor aumenta a medida que disminuye la corriente y se reduce la caída de tensión en las resistencias, aumentando, por tanto, la tensión en los terminales del motor y aumentando el par a medida que el motor acelera. Cuando se necesita un arranque suave y gran par de arranque se puede conseguir esto mediante una resistencia única en cada una de las fases del estator. Cuando la resistencia tiene varios terminales se puede elegir el par de arranque mediante la posición del selector de las resistencias. Este método se emplea con motores de jaula de ascensores pequeños, donde, debido a la corta duración del periodo de carga, la resistencia se deja a menudo permanentemente al circuito

Arranque mediante resistencias en el rotor

Para este tipo de arranque se ha de utilizar un motor con el rotor bobinado. Se trata de conectar a las bobinas del rotor unas resistencias en serie y cortocircuitadas a su salida. En el primer tiempo se conectan todas las resistencias, en el segundo se elimina la mitad de las resistencias y en el tercero se cortocircuitan las bobinas del rotor funcionando el motor a su plena tensión como si fuera una jaula de ardilla.

Arranque por bobina

A veces se emplea también el arranque por bobina aunque ésta no se pueda dividir fácilmente en secciones. Las características de arranque son muy parecidas a las del arranque por resistencias estatoricas, pero el aumento de tensión en bornes a medida que el motor va adquiriendo la velocidad de sincronismo, lo que produce un mayor par máximo. Un bajo factor de potencia del motor en el arranque da lugar a una resistencia más pequeña de la bobina para una reducción dada de la tensión con rotor parado, que la que se obtiene con resistencia estatórica. A medida que la velocidad del motor aumenta no solamente disminuye la corriente, sino que el factor de potencia aumenta y la tensión que cae de la bobina se desfasa con respecto a la caída de tensión en el motor, a medida que el motor va adquiriendo la velocidad nominal, mientras que la tensión en Bornes y el par aumenta por encima del valor que se obtiene con arranque o resistencia para las mismas condiciones iniciales.

Arranque de dos velocidades

Son motores trifásicos con dos devanados separados normalmente conectados cada uno en estrella y teniendo también cada uno de ellos distinto numero de polos para obtener una velocidad por cada bobinado. Estos tipos de motores solo se pueden conectar a una tensión y solamente se puede realizar el tipo de arranque directo. También se pueden utilizar motores en conexión Dahlander que consiste en un bobinado en triángulo con seis salidas : las tres de la conexión triángulo y una mas por cada bobina que parte del centro de la misma. La primera velocidad se conecta el motor en estrella y las otras salidas se dejan libres, y la velocidad rápida consiste en conectar la tensión a través de las conexiones nuevas y conectando en estrella las conexiones del triángulo. La velocidad rápida es el doble que la velocidad lenta.

Arranque de tres velocidades

Estos motores tienen dos devanados que son. Uno independiente y otro en conexión Dahlander. La primera velocidad es la primera de la conexión Dahlander, la segunda es la del devanado independiente y la velocidad rápida es la segunda de la conexión Dahlander.

Selección del método de arranque para motores de jaula de ardilla

El método más sencillo y seguro de arranque de un motor normal trifásico de jaula es el directo, que debe emplearse siempre que se pueda. Cuando no es aceptable, se debe estudiar la posibilidad de colocar otro rotor y arrancar con el mismo procedimiento. Solamente debe emplearse el arranque a tensión reducida cuando no se pueda obtener de otra manera las características referidas. La otra posibilidad muy usada es el arranque estrella - triángulo, excepto para los motores de 150 a 200 HP para los que se recomienda el arranque autotransformador y conexión Korndorfer. Debido al alto par de arranque que de los motores modernos de jaula de la gama normal, se ha reducido bastante el empleo de autotransformadores de arranque. Finalmente si no se puede conseguir las características de arranque requeridas mediante el motor de jaula y el mecanismo de regulación elegido, se debe emplear un motor de anillos rozantes. Los otros métodos de arranque citados se emplearan en aplicaciones especiales o siguiendo las reglas y la norma establecida en el extranjero.

Fuentes

• http://www.tuveras.com/maquinaasincrona/motorasincrono1.htm
• http://www.tuveras.com/.../motorasincrono1.htm
• http://www.monografias.com/trabajos10/motore/motore.shtml
• http://www.weg.net/mx/Productos-y-Servicios/Motores/Motores-Electricos-Monofasicos