Métodos de arranque de motores asíncronos: directo, estrella-triángulo y otros

Métodos de Arranque para Motores Asíncronos

1. Arranque Directo

En el arranque directo, el motor se conecta directamente a la red. Al momento de la puesta bajo tensión, el motor actúa como un transformador cuyo secundario, formado por la jaula de poca resistencia del rotor, está en cortocircuito. La corriente inducida en el rotor es significativa, y tanto la corriente primaria como la secundaria son prácticamente proporcionales.

• Par de arranque (Pa): Es proporcional al cuadrado de la intensidad. Al 90% de la tensión nominal, el par suministrado es del 75 al 79% del par de arranque nominal. Si la tensión se desvía de la nominal, el par del motor variará aproximadamente en proporción al cuadrado de la tensión.
• Corriente de arranque (Ia): 5 a 8 veces la corriente a plena carga (Im).
• Momento de aceleración: Se obtiene cuando el Pa es superior al par resistente (Pr) de la carga, obligando al motor a girar a una velocidad cada vez más elevada hasta alcanzar el régimen permanente cuando se igualan los pares motor y resistente.
• Características: Sencillez del equipo, elevado par de arranque, arranque rápido, bajo coste.
• Aplicaciones: Se utiliza cuando la potencia del motor es débil con respecto a la red, no se requiere un control progresivo de velocidad y existe un dispositivo mecánico que impide un arranque brusco.

Es imprescindible recurrir a algún procedimiento para disminuir la corriente solicitada o el par de arranque si:

• La caída de tensión provocada por la corriente solicitada puede perturbar el buen funcionamiento de otros aparatos conectados a la misma red.
• La máquina accionada no puede admitir sacudidas mecánicas.
• La seguridad o la comodidad de los usuarios se ve comprometida.

Nota: La corriente de arranque varía proporcionalmente a la tensión de alimentación, y el par de arranque varía proporcionalmente al cuadrado de las tensiones.

2. Arranque Estrella-Triángulo

En el arranque estrella-triángulo, los dos extremos de cada uno de los tres devanados estatóricos están conectados en la placa de bornes. El bobinado debe realizarse de manera que el acoplamiento en triángulo corresponda con la tensión de la red. Por ejemplo, para una red trifásica de 380 V, es preciso utilizar un motor bobinado a 380 V en triángulo y 660 V en estrella.

Procedimiento:

1. Arrancar el motor acoplando los devanados en estrella a la tensión de la red, lo que equivale a dividir la tensión nominal del motor en estrella por √3.
2. La punta de corriente durante el arranque se divide por 3.
3. El par de arranque se divide igualmente por 3, ya que es proporcional al cuadrado de la tensión de alimentación.
4. La corriente de arranque es de 1,5 a 2,6 veces la nominal, y el par de arranque es de 0,2 a 0,5 veces el nominal.
5. La velocidad del motor se estabiliza cuando se equilibran el par del motor y el par resistente, entre el 75 y 85% de la velocidad nominal.
6. En ese momento, los devanados se acoplan en triángulo y el motor rinde según sus características.

Mediante un temporizador se controla el tiempo de cambio del acoplamiento en estrella al acoplamiento en triángulo. El cierre del contactor de triángulo se produce con un retardo de 30 a 50 ms tras la apertura del contactor de estrella, lo que evita un cortocircuito entre fases.

2.1 Consideraciones Adicionales

El paso al acoplamiento en triángulo va acompañado de una punta de corriente transitoria, debida a la fuerza contraelectromotriz del motor.

El arranque estrella-triángulo es apropiado para máquinas cuyo par resistente es débil o que arrancan en vacío.

• Temporización de 1 a 2 segundos al paso estrella-triángulo: Permite disminuir la fuerza contraelectromotriz (F.C.E.M.) y la punta de corriente transitoria. Solo puede utilizarse en máquinas cuya inercia sea suficiente para evitar una deceleración excesiva durante la temporización.
• Arranque en tres tiempos: estrella-triángulo + resistencia-triángulo: El corte se mantiene, pero la resistencia se pone en serie aproximadamente durante tres segundos con los devanados acoplados en triángulo. Esta medida reduce la punta de corriente transitoria.
• Arranque en estrella-triángulo + resistencia-triángulo sin corte: La resistencia se pone en serie con los devanados inmediatamente antes de la apertura del contactor de estrella. Esta medida evita cualquier corte de corriente y, por tanto, la aparición de fenómenos transitorios.

3. Arranque Estatórico por Resistencia

En el arranque estatórico por resistencia, el motor se arranca bajo tensión reducida mediante la inserción de resistencias en serie con los devanados. Una vez estabilizada la velocidad, las resistencias se eliminan y el motor se acopla directamente a la red mediante un temporizador.

• Características: El acoplamiento de los devanados del motor no se modifica, por lo que no es necesario que los dos extremos de cada devanado lleguen a la placa de bornes.
• Cálculo de la resistencia: Se calcula en base a la punta de corriente que no se debe superar durante el arranque, o al valor mínimo del par de arranque necesario teniendo en cuenta el par resistente de la máquina accionada.
• Valores típicos: Corriente de arranque (Iarr) = 4,5 veces la corriente nominal (In), par de arranque (Marr) = 0,75 veces el par nominal (Mn).
• Tensión en bornas del motor: Durante la fase de aceleración con las resistencias, la tensión aplicada a las bornas del motor no es constante. Equivale a la tensión de la red menos la caída de tensión en la resistencia de arranque. La caída de tensión es proporcional a la corriente absorbida por el motor.
• Evolución del par: Dado que la corriente disminuye a medida que se acelera el motor, también lo hace la caída de tensión en la resistencia. Por tanto, la tensión aplicada a las bornas del motor es mínima en el momento del arranque y aumenta progresivamente. El par, proporcional al cuadrado de la tensión en las bornas del motor, aumenta más rápidamente que en el arranque estrella-triángulo.
• Aplicaciones: Ventiladores.
• Inconveniente: La punta de corriente es relativamente importante durante el arranque. Se puede reducir aumentando el valor de la resistencia, pero esto conllevaría una caída de tensión adicional en las bornas del motor y una considerable reducción del par de arranque.
• Ventaja: La eliminación de la resistencia al finalizar el arranque se lleva a cabo sin interrumpir la alimentación del motor, evitando fenómenos transitorios.

4. Arranque por Autotransformador

En el arranque por autotransformador, el motor se alimenta a tensión reducida mediante un autotransformador que, una vez finalizado el arranque, queda fuera del circuito. El arranque se lleva a cabo en tres tiempos:

1. Primer tiempo: El autotransformador comienza por acoplarse en estrella y, a continuación, el motor se acopla a la red a través de una parte de los devanados del autotransformador. El arranque se lleva a cabo a una tensión reducida que se calcula en función de la relación de transformación. Generalmente, el transformador está dotado de tomas que permiten seleccionar la relación de transformación y, por tanto, el valor más adecuado de la tensión reducida.
2. Segundo tiempo: Antes de pasar al acoplamiento a plena tensión, la estrella se abre. En ese momento, la fracción de bobinado conectada a la red crea una inductancia en serie con el motor. Esta operación se realiza cuando se alcanza la velocidad de equilibrio al final del primer tiempo.
3. Tercer tiempo: El acoplamiento a plena tensión interviene a partir del segundo tiempo, normalmente muy corto (una fracción de segundo). Las inductancias en serie con el motor se cortocircuitan y, a continuación, el autotransformador queda fuera del circuito.

• Relación de transformación: Ured2 / Ureducida.
• Valores típicos: Corriente de arranque (Iarr) = 1,4 a 4 veces la corriente nominal (In), par de arranque (Marr) = 0,5 a 0,85 veces el par nominal (Mn).
• Ventaja: El arranque se lleva a cabo sin interrupción de corriente en el motor, lo que evita que se produzcan fenómenos transitorios.
• Precauciones: Si no se toman ciertas precauciones, pueden aparecer fenómenos transitorios de igual naturaleza durante el acoplamiento a plena tensión. El valor de la inductancia en serie con el motor tras la apertura de la estrella es importante si se compara con la del motor, lo que produce una caída de tensión considerable que acarrea una punta de corriente transitoria elevada en el momento del acoplamiento a plena tensión.

4.1 Continuación del Arranque por Autotransformador

El circuito magnético del autotransformador incluye un entrehierro que disminuye el valor de la inductancia para paliar este problema. Dicho valor se calcula de modo que, al abrirse la estrella en el segundo tiempo, no haya variación de tensión en las bornas del motor. El entrehierro aumenta la corriente magnetizante del autotransformador, lo que a su vez aumenta la corriente solicitada en la red durante el primer tiempo del arranque.

Recomendado para motores con potencia superior a 100 kW.

5. Arranque de Motores de Rotor Bobinado

Un motor de anillos no puede arrancar en directo (devanados rotóricos cortocircuitados) sin provocar puntas de corriente inaceptables para la red. Es necesario insertar en el circuito rotórico resistencias que se cortocircuiten progresivamente, al tiempo que se alimenta el estator a toda la tensión de red.

• Cálculo de la resistencia: El cálculo de la resistencia insertada en cada fase permite determinar con rigor la curva de par-velocidad resultante. Para un par dado, la velocidad es menor cuanto mayor sea la resistencia.
• Proceso de arranque: La resistencia debe insertarse por completo en el momento del arranque, y la plena velocidad se alcanza cuando la resistencia está completamente cortocircuitada.
• Corriente absorbida: Es prácticamente proporcional al par que se suministra, como máximo, es ligeramente superior a este valor teórico.
• Aplicaciones: El motor de anillos con arranque rotórico se impone en todos los casos en los que las puntas de corriente deben ser débiles y cuando las máquinas deben arrancar a plena carga.
• Flexibilidad: Este tipo de arranque es sumamente flexible, ya que resulta fácil adaptar el número y el aspecto de las curvas que representan los tiempos sucesivos a los requisitos mecánicos o eléctricos (par resistente, valor de aceleración, punta máxima de corriente, etc.).
• Descripción del motor: Se trata de un motor asíncrono normal que lleva en el rotor un bobinado idéntico al del estator. El rotor no es de jaula de ardilla, sino bobinado.
• Conexión del rotor: El bobinado del rotor va conectado en estrella internamente, y los tres hilos restantes se conectan a unos anillos rozantes acoplados sobre el eje.
• Escobillas: Sobre los anillos frotan unas escobillas para la continuidad eléctrica. Aquí, en las escobillas, se conectan dos bloques de resistencias (formados por tres resistencias, una por cada fase).
• Limitación de corriente: Las resistencias se conectan en serie para limitar así la corriente rotórica. Los terminales con las letras KLM, debido a los anillos rozantes, permiten conectar resistencias en serie con las bobinas del rotor, de forma que al elevarse su impedancia se disminuya la corriente absorbida en el arranque.
• Control de velocidad: A medida que el rotor va adquiriendo velocidad, se va disminuyendo la resistencia mediante cortocircuito.

6. Arranque Electrónico Progresivo con Arrancador Suave

La alimentación del motor durante la puesta en tensión se realiza mediante una subida progresiva de la tensión, lo que posibilita un arranque sin sacudidas y reduce la punta de corriente. Para obtener este resultado, se utiliza un graduador de tiristores montados en oposición de dos por dos en cada fase de la red.

• Control de la tensión: La subida progresiva de la tensión de salida puede controlarse por medio de la rampa de aceleración, que depende del valor de la corriente de limitación, o vincularse a ambos parámetros.
• Arrancador-ralentizador progresivo: Es un graduador de seis tiristores que se puede utilizar para arrancar y parar de manera controlada los motores trifásicos de jaula.
• Garantías:
  • Control de las características de funcionamiento, principalmente durante los periodos de arranque y parada.
  • Protección térmica del motor y del arrancador.
  • Protección mecánica de la máquina accionada, mediante la supresión de las sacudidas de par y la reducción de la corriente solicitada.
• Regulación de corriente: La corriente puede regularse de 2 a 5 veces la corriente nominal (In), lo que proporciona un par de arranque regulable entre 0,1 y 0,7 del par de arranque en directo.
• Aplicaciones: Permite arrancar todo tipo de motores asíncronos. Puede cortocircuitarse para arrancar por medio de un contactor y mantener al mismo tiempo el dominio del circuito de control.
• Funcionalidades adicionales:
  • Deceleración progresiva.
  • Parada frenada.