ARANQUE DE MOTORES ELECTRICOS Se denomina arranque de un motor
al rgimen 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 rgimen permanente. El conjunto que se pone en marcha
es inercial y disipativo, incluyendo en este ltimo concepto a las
cargas tiles, pues consumen energa.
El estudio del arranque de los motores tiene una gran
importancia prctica, ya que la eleccin correcta de las
caractersticas de los motores elctricos y arrancadores a instalar
estn basados en el conocimiento de las particularidades de ste
rgimen transitorio.
Como la cupla motora es el producto de la corriente absorbida
por el flujo del campo magntico, adems de un factor que caracteriza
al tipo de mquina, este mayor par de arranque generalmente est
asociado a una mayor corriente de arranque, la que no debe superar
determinado lmite por el calentamiento de los conductores
involucrados.
Aunque se suele enfocar el diseo de estos sistemas de arranque
en atencin a las corrientes y cuplas involucradas, no deben dejarse
de lado otros aspectos que tambin resultan importantes, como por
ejemplo el consumo de energa disipada en forma de calor y las
perturbaciones sobre la red de baja tensin.
Estas perturbaciones incluyen principalmente las cadas de tensin
(muy notables en los elementos de iluminacin), que pueden afectar
el funcionamiento de otros elementos conectados a la misma, lo que
resulta crtico en las instalaciones con muchos motores que realizan
frecuentes arranques.
Por otro lado, los dispositivos de arranque pueden ser de
operacin manual o por contactores. Estos ltimos permiten efectuar
el mando a distancia del motor con cables de secciones pequeas (slo
se requiere la corriente necesaria para la bobina del contactor),
lo que facilita el accionamiento y diseo del dispositivo de control
por trabajar con intensidades reducidas.
Arranque de motores asincrnicos con rotor en jaula
Los motores de corriente alterna con rotor en jaula de ardilla
se pueden poner en marcha mediante los mtodos de arranque directo o
a tensin reducida (excluimos de esta exposicin a los motores
monofsicos).
En ambos casos, la corriente de arranque generalmente resulta
mayor que la nominal, produciendo las perturbaciones comentadas en
la red de distribucin. Estos inconvenientes no son tan importantes
en motores pequeos, que habitualmente pueden arrancar a tensin
nominal.
Por ejemplo, el cdigo municipal fija los lmites de corriente en
el arranque indicados en la tabla siguiente:
Hasta 3 HP 4,0 . In
Ms de 3 hasta 6 HP 3,5 . In
Ms de 6 hasta 9 HP 3,1 . In
Ms de 9 hasta 12 HP 2,8 . In
Ms de 12 hasta 15 HP 2,5 . In
Ms de 15 hasta 18 HP 2,3 . In
Ms de 18 hasta 21 HP 2,1 . In
Ms de 21 hasta 24 HP 1,9 . In
Ms de 24 hasta 27 HP 1,7 . In
Ms de 27 hasta 30 HP 1,5 . In
Ms de 30 HP 1,4 . In
La mxima cada de tensin en la red no debe superar el 15% durante
el arranque.
Los circuitos con motores deben contar con interruptores que
corten todas las fases o polos simultneamente y con protecciones
que corten automticamente cuando la corriente adquiera valores
peligrosos.
En los motores trifsicos debe colocarse una proteccin automtica
adicional que corte el circuito cuando falte una fase o la tensin
baje de un valor determinado.
Arranque directo de motores asincrnicos con rotor en jaula Se
dice que un motor arranca en forma directa cuando a sus bornes se
aplica directamente la tensin nominal a la que debe trabajar.
Si el motor arranca a plena carga, el bobinado tiende a absorber
una cantidad de corriente muy superior a la nominal, lo que hace
que las lneas de alimentacin incrementen considerablemente su carga
y como consecuencia directa se produzca una cada de tensin. La
intensidad de corriente durante la fase de arranque puede tomar
valores entre 6 a 8 veces mayores que la corriente nominal del
motor. Su principal ventaja es el elevado par de arranque: 1,5
veces el nominal.
Siempre que sea posible conviene arrancar los motores a plena
tensin por la gran cupla de arranque que se obtiene, pero si se
tuvieran muchos motores de media y gran potencia que paran y
arrancan en forma intermitente, se tendr un gran problema de
perturbaciones en la red elctrica.
Por lo tanto, de existir algn inconveniente, se debe recurrir a
alguno de los mtodos de arranque por tensin reducida que se
describen a continuacin.
Arranque de motores asincrnicos con rotor en jaula por
conmutacin estrella-tringulo El arranque estrella-tringulo es el
procedimiento ms empleado para el arranque a tensin reducida debido
a que su construccin es simple, su precio es reducido y tiene una
buena confiabilidad.
El procedimiento para reducir la tensin en el arranque consiste
en conmutar las conexiones de los arrollamientos en los motores
trifsicos previstos para trabajar conectados en tringulo en la red
de 3 x 380 V.
Los bobinados inicialmente se conectan en estrella, o sea que
reciben la tensin de fase de 220 V, y luego se conectan en tringulo
a la tensin de lnea de 380 V; es decir que la tensin durante el
arranque se reduce 1,73 veces.
Por ser sta una relacin fija, y dado que la influencia de la
tensin sobre la corriente y la cupla es cuadrtica, tanto la
corriente como el par de arranque del motor se reducen en tres
veces.
Adems, es necesario que el motor est construido para funcionar
en tringulo con la tensin de la lnea (380 / 660 V). Si no es as, no
se lo puede conectar.
Adems el estator debe tener sus seis bornes accesibles (situacin
que no se da en todos los motores, como por ejemplo en las bombas
sumergibles). Para ello se abren los circuitos de las bobinas del
estator y se las conecta al conmutador. En este caso al motor
ingresan 6 cables, ms el de puesta a tierra.
La conmutacin de estrella a tringulo generalmente se hace en
forma automtica luego de transcurrido un lapso (que puede
regularse) en el que el motor alcanza determinada velocidad.
En el caso ms simple tres contactores realizan la tarea de
maniobrar el motor, disponiendo de enclavamientos adecuados. La
proteccin del motor se hace por medio de un rel trmico. El trmico
debe estar colocado en las fases del motor. La regulacin del mismo
debe hacerse a un valor que resulta de multiplicar la corriente de
lnea por 0,58. La proteccin del circuito ms adecuada tambin es el
fusible.
Algunas indicaciones que se deben tener en cuenta sobre el punto
de conmutacin son: el pico de corriente que toma el motor al
conectar a plena tensin (etapa de tringulo) debe ser el menor
posible; por ello, la conmutacin debe efectuarse cuando el motor
est cercano a su velocidad nominal (95% de la misma), es decir
cuando la corriente de arranque baje prcticamente a su valor normal
en la etapa de estrella.
Asimismo, el rel de tiempo debe ajustarse para conmutar en este
momento, no antes ni mucho despus. Habitualmente, un arranque
normal puede durar hasta 10 segundos, si supera los 12 segundos se
debe consultar al proveedor del equipo. Si no se cumple con lo
anterior, el pico de corriente que se produce al pasar a la etapa
de tringulo es muy alto, perjudicando a los contactores, al motor y
a la mquina accionada. El efecto es similar al de un arranque
directo.
Finalmente digamos que el dispositivo estrella-tringulo tiene el
inconveniente de que la cupla de arranque que se obtiene a veces no
es suficiente para hacer arrancar mquinas con mucho momento de
inercia, en cuyo caso se utilizan los dos mtodos que se describen a
continuacin. Ambos permiten conectar motores trifsicos con motor de
jaula, los cuales traccionan, por ejemplo, bombas sumergibles.
Arranque de motores asincrnicos con rotor en jaula por
autotransformador de arranque El autotransformador de arranque es
un dispositivo similar al estrella-tringulo, salvo por el hecho de
que la tensin reducida en el arranque se logra mediante bobinas
auxiliares que permiten aumentar la tensin en forma escalonada,
permitiendo un arranque suave.
Su nico inconveniente es que las conmutaciones de las etapas se
realizan bruscamente, produciendo en algunas ocasiones daos
perjudiciales al sistema mecnico o a la mquina accionada. Por
ejemplo, desgaste prematuro en los acoplamientos (correas, cadenas,
engranajes o embragues de acoplamiento) o en casos extremos roturas
por fatiga del eje o rodamientos del motor, producidos por los
grandes esfuerzos realizados en el momento del arranque.
Una variante menos usada es la conexin Kusa, en la que durante
el proceso de arranque se intercala una resistencia en uno de los
conductores de lnea.
Arranque de motores asincrnicos con rotor en jaula por
dispositivos electrnicos Los arrancadores electrnicos son una mejor
solucin que los autotransformadores gracias a la posibilidad de su
arranque suave, permitiendo un aumento en la vida til de todas las
partes involucradas.
Los mismos consisten bsicamente en un convertidor esttico
alterna-continua-alterna alterna-alterna, generalmente de
tiristores, que permiten el arranque de motores de corriente
alterna con aplicacin progresiva de tensin, con la consiguiente
limitacin de corriente y par de arranque. En algunos modelos tambin
se vara la frecuencia aplicada.
Al iniciar el arranque, los tiristores dejan pasar la corriente
que alimenta el motor segn la programacin realizada en el circuito
de maniobra, que ir aumentando hasta alcanzar los valores nominales
de la tensin de servicio.
La posibilidad de arranque progresivo, tambin se puede utilizar
para detener el motor, de manera que vaya reduciendo la tensin
hasta el momento de la detencin
Estos arrancadores ofrecen seleccin de parada suave, evitando
por ejemplo, los dainos golpes de ariete en las caeras durante la
parada de las bombas; y detencin por inyeccin de corriente contina
para la parada ms rpida de las masas en movimiento.
Adems poseen protecciones por asimetra, contra sobre temperatura
y sobrecarga, contra falla de tiristores, vigilancia del tiempo de
arranque con limitacin de la corriente, control de servicio con
inversin de marcha, optimizacin del factor de potencia a carga
parcial, maximizando el ahorro de energa durante el proceso y
permiten un ahorro en el mantenimiento por ausencia de partes en
movimiento que sufran desgastes.
Arranque de motores asincrnicos con rotor bobinado En un motor
asincrnico, la velocidad a la que se produce la mxima cupla es
funcin de la resistencia del circuito rotrico. En particular, la
mxima cupla de arranque se tiene cuando dicha resistencia es
aproximadamente igual a la reactancia del motor.
En los motores de corriente alterna con rotor bobinado, para
efectuar el proceso de puesta en marcha se instala un restato de
arranque conectado a los anillos rozantes del motor de manera de
aumentar a voluntad la resistencia rotrica total.
En este mtodo, el motor arranca con toda la resistencia en serie
con el circuito del rotor. Luego por medios manuales o automticos,
en forma continua o escalonada, se va reduciendo la resistencia a
medida que la mquina gana velocidad, hasta que en rgimen permanente
el restato queda en cortocircuito.
Cabe acotar que se construyen rotores tipo jaula del tipo de
ranura profunda que produce una cupla de arranque algo similar a la
de un rotor bobinado con restato de arranque. En el momento del
arranque la circulacin de corrientes secundarias localizadas en las
cercanas del entrehierro tienen una mayor densidad de corriente,
bloqueando el flujo magntico hacia el interior del ncleo, por lo
que el conjunto se comporta como si tuviera mayor resistencia
efectiva. Al aumentar la velocidad, disminuye la frecuencia
secundaria y cesa ese efecto transitorio.
3 - Arranque de motores sincrnicos
Una mquina sincrnica "pura" no tiene par de arranque. Por lo
tanto, en general se fabrican de forma de que pueda desarrollar un
suficiente par de induccin para el arranque por medio de jaulas
auxiliares, hasta una velocidad prxima al sincronismo en la que la
corriente de excitacin desarrolle un par de sincronizacin
conveniente. En algunos casos, las corrientes parsitas en los polos
proveen el par asincrnico suficiente para el arranque, pero en
otros casos debe instalarse un bobinado especial.
Las formas de arranque son semejantes a las del motor
asincrnico, aunque se suele coenectar una resistencia intercalada
en el bobinado de excitacin, para evitar sobretensiones en los
terminales cuando hay movimeinto relativo entre el flujo del
inducido y el bobinado del campo. Si el campo del motor es excitado
por rectificadores, esta tensin inducida podra producir una
componente de continua y un par pulsatorio, que podria causar
transtornos en el arranque.
Cuando se necesita un par de arranque muy elevado, los bobinados
de arranque (amortiguadores) se disponen con anillos rozantes para
intercalar resistencias externas.
4 - Arranque de motores de corriente continua
Con los medios de rectificacin de que se dispone actualmente
resulta fcil y prctico la utilizacin de motores de corriente
continua, debido a la facilidad que tienen para arrancar y regular
su velocidad.
En la prctica se utilzan diversos motores de corriente continua
como:
-De excitacin independiente.
-De excitacin serie / universal.
-De excitacin derivacin (shunt).
-De excitacin compuesta en conexin adicional (compound).
-De imanes permanentes.
-Especiales.
Dentro de los motores de excitacin independiente, serie,
derivacin y compuesta, se distinguen los siguientes bobinados cuya
denominacin y e identificacin sealamos:
AB - Inducido.
GH - Polos auxiliares y de compensacin.
JK - Bobinado inductor independiente.
EF - Bobinado inductor serie.
CD - Bobinado inductor derivacin.
Un motor de corriente continua queda definido por:
-Red que alimenta al arrancador / variador (tensin y sistema de
c.a.).
-Tipo de motor en funcin de la c. c.
-Potencia en kW.
-Velocidad mxima en rpm.
-Gama de trabajo, mnima y mxima.
-Par a transmitir, en Nm.
-Tensin del inducido, en V.
-Tensin del inductor, en V.
-Intensidad del inducido, en A.
-Intensidad del inductor, en A.
-Grado de proteccin IP.
-Tipo de fijacin y salida del eje.
El tipo de convertidor necesario depende de la clase de servicio
que se requiera, las que pueden ser:
Servicio clase I
Empleo al 100% de In, sin posibilidad de sobrecarga.
Servicio clase II
Empleo al 100% de In, con posibilidad de 150% de In durante 1
minuto, que puede repetirse cada hora.
Servicio clase III
Empleo al 1 00% de In, con posibilidad de 125% de In durante 2
hs. y del 200% de In durante 10 seg.
A cada sobrecarga debe seguir el tiempo para que el motor
adquiera su temperatura de rgimen.
Las caractersticas ms destacables de los motores en corriente
continua son:
Motor de excitacin independiente
-Par de arranque muy elevado.
-Fcil control de velocidad en forma automtica.
-Requiere restato de arranque.
-Se utiliza en motores pequeos.
Motor de excitacin serie
-Par de arranque muy elevado.
-Difcil control de velocidad.
-Requiere restato de arranque.
-Se utiliza para traccin elctrica.
Motor con excitacin derivacin (shunt)
-Par de arranque menor que en el motor serie.
-Muy estable.
-Requiere restato de arranque en el inducido.
-Utilizado en mquinas herramientas.
Motor con excitacin compuesta
-Par de arranque ms elevado que el motor en derivacin.
-Muy estable.
-Requiere restato de arranque en el inducido.
-Utilizado en mquinas herramientas y para traccin.
En estos motores la FEM en reposo es cero, y por consiguiente,
la corriente y el par de arranque slo quedan limitados por la
resistencia del circuito de inducido.
Los motores de corriente continua pueden arrancar por diferentes
procedimientos actuando sobre la tensin. Los ms utilizados son el
restato de regulacin y los dispositivos electrnicos de rectificacin
controlada.
4.2 - Arranque de motores de corriente continua por restatos
Los restatos se conectan en serie con el inducido, de manera de
producir una caida que disminuya la tensin efectivamente aplicada
sobre el mismo.
En el caso del motor derivacin, se deduce que conservando
constantes el flujo y la tensin total, la pendiente de la
caracterstica velocidad / par es proporcional a la resistencia del
circuito de inducido. Aumentando esta resistencia, la caracterstica
cortar al eje de velocidad cero en un punto de menor par (y
corriente) de arranque. Por su parte en el caso del motor serie el
efecto de la resistencia adicional es semejante, obtenindose un
determinado par de arranque con una sobrecorriente menor que en el
motor derivacin, lo que lo hace adecuado para aplicaciones de
traccin.
4.2 - Arranque de motores de corriente continua por dispositivos
electrnicos
En estos arrancadores el equipo electrnico, generalmente de
tiristores, recibe un suministro de
corriente alterna monofsica o trifsica y lo convierte en un
suministro de tensin continua variable, que permiten el arranque
con aplicacin progresiva de tensin, con la consiguiente limitacin
de corriente y par de arranque.
En general se pueden hacer consideraciones anlogas a las
realizadas en el apartado 1.2.3.
Finalmente digamos que muchas veces el criterio de seleccin
entre el uso de los distintos sistemas de arranque pasa
fundamentalmente por una consideracin de tipo tcnico-econmica.