Arranque de Motores Trifásicos

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE MEXICO

Escuela Nacional de Estudios Profesionales

A R A G O N

Materia: Maquinas Eléctricas

Pobresor: Jalil El Ryad “Focolin”

Alumno: Chaveliv Tiburonov

Trabajo: Arranque de Motores Trifásicos

Motores trifásicos de inducción

Índice:1.- Introducción2.- Arranque directo de la red3.- Arranque mediante disminución de la tensión en el estator4.- Arranque por resistencias estatóricas5.- Arranque por autotransformador (obsoleto)6.- Arranque estrella-triángulo7.- Devanado partido (part-winding)8.- Arrancadores estáticos9.- Inversión de giro

1.-IntroducciónLos motores trifásicos de inducción presentan una intensidad en el momento del arranque del orden de entre 4 y 7 veces la nominal, para motores de jaula sencilla. Esta sobre intensidad decrece rápidamente conforme el motor adquiere velocidad, hasta estabilizarse en un valor razonable en su punto de trabajo. No obstante esta “punta de corriente de arranque” provoca caídas de tensión y perturbaciones en la red que puede afectar a otros receptores. El REBT en la instrucción ITC-BT-47, obliga a incorporar sistemas adecuados que limiten la intensidad en el arranque.

ITC-BT 47 apdo. 6“En general, los motores de potencia superior a 0,75 kilovatios (1CV) deben estar provistos de reóstatos de arranque o dispositivos equivalentes que no permitan que la relación de corriente entre el período de arranque y el de marcha normal que corresponda a su plena carga, según las características del motor que debe indicar su placa, sea superior a la señalada en el cuadro siguiente:

MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA

MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA

Potencia Nominal del Motor

Constante máxima de proporcionalidad entre la Intensidad de la corriente de arranque y la de plena

carga

Potencia Nominal del Motor

Constante máxima de proporcionalidad entre la

Intensidad de la corriente de arranque y

la de plena cargaDe 0.75 KW a 1.50 KWDe 1.50 KW a 5.00 KW

Mas de 5.00 KW

2.52.01.5

De 0.75 KW a 1.50 KWDe 1.50 KW a 5.00 KWDe 5.00 KW a 15.00 KW

Mas de 15.00 KW

4.53.02.01.5

En la Fig. puedes recordar la forma de la curva de intensidad de un motor trifásico asíncrono y observar en ella la elevada corriente en el punto de arranque, donde la velocidad del rotor es 0 (rpm) y el deslizamiento del 100%.

Los sistemas de arranque más habituales para cumplir con el REBT son los siguientes:

En los siguientes apartados vamos a desarrollar los métodos de arranque más usados, prescindiendo de los que actualmente están casi obsoletos.

ActividadUn motor de 3,3 CV e intensidad de arranque 4 veces la intensidad de plena carga, se arranca directamente desde la red. ¿Es correcto?

Respuesta: Según El REBT en la instrucción ITC-BT-47, apdo. 6 no.

2.-Arranque directo de la redComo su propio nombre indica, el motor se conecta directamente a la red de su tensión nominal, y con la conexión adecuada para dicha tensión (estrella o triángulo). En el caso de que su potencia supere 1 (CV), debe de ser un motor cuya relación IA/IN no supere los valores establecidos por el REBT en ITC-BT- 47 (IA: corriente de arranque).

Puedes ver en la Fig. el esquema de un arranque directo. Normalmente el responsable de la conexión entre el motor y la red es un contactor tripolar de la clase AC3 (para cargas inductivas), gobernado por un circuito de mando o control, que puede ser cableado o programable.Antes del contactor tripolar es habitual algún dispositivo de corte para aislar el motor de la red; en este caso es un seccionador. Además de aislar el seccionador incorporafusibles, para la protección frente a cortocircuitos.El relé térmico es un dispositivo de protección frente a sobrecargas de intensidad, producidas por pares de carga mayores del nominal que originan que el motor funcione a menos velocidad, más deslizamiento y más intensidad. Este dispositivo en el caso de detectar una sobrecarga, desconecta la bobina del contactor y este a su vez, desconecta el motor de la red. Existen también otras alternativas, como el uso de guardamotores, que protegen frente a cortocircuitos y frente a sobrecargas, sustituyendo al seccionador-fusibles y al relé térmico.

Puedes probar el funcionamiento del automatismo de arranque mediante pulsadores, en la siguiente animación, cortesía de www.aulaelectrica.es

El circuito de mando para controlar el arranque directo de un motor trifásico, realizando la protección frente a sobrecargas mediante relé térmico, puedes verlo en el siguiente video. La maniobra marcha paro se realiza mediante el contacto SPST de un termostato.

En el caso de realizar la protección frente a sobreintensidades de forma integra mediante un guardamotor, el circuito de mando es el siguiente.

3.-Arranque mediante disminución de la tensión en el estatorTodos los métodos que vamos a ver en este apartado se basan en disminuir la tensión de alimentación durante el arranque, con lo cual disminuye el flujo del campo magnético estatórico y el motor se convierte en un motor más débil. De esta forma se reducen los valores de par y de intensidad, para los mismos valores de velocidad del rotor.

Puedes observar en la figura como se reduce la intensidad en el arranque (punto de velocidad nula); pero que también disminuye el par, con lo cual estos métodos pueden no servir ante cargas de elevado par de arranque (cargas a las que cuesta arrancar). Se demuestra matemáticamente que las variaciones del par y de la intensidad con la tensión, en el arranque son:

donde: V: tensión inferior a la nominal.VN: tensión nominal.MA: par de arranque a la tensión V.MAN: par de arranque la tensión nominal.IA: corriente de arranque a la tensión V.IAN: corriente de arranque la tensión nominal.

Estas ecuaciones quieren decir que la IA disminuye de igual forma que la tensión y MA lo hace de forma cuadrática. Por ejemplo si la tensión se reduce la mitad tenemos:

Por tanto si la tensión disminuye la mitad, I A disminuye la mitad y MA la cuarta parte.

Los métodos de arranque que usan este sistema son: Arranque por resistencias rotóricas Arranque por autotransformador. Arranque estrella-triángulo (con matices) Arrancadores estáticos.

ActividadSi un método de arranque por disminución de tensión la reduce en un 75 %, ¿cuánto disminuyen en porcentaje el par y la corriente de arranque respecto a sus valores a tensión nominal?

4.-Arranque por resistencias estatóricasSi en el momento del arranque conectamos en serie resistencias, estas producirán una caída de tensión que consigue que latensión del motor sea inferior a la nominal. Una vez que este se acerca a la velocidad de funcionamiento, las resistencias secortocircuitan y el motor queda alimentado a tensión nominal. La secuencia de funcionamiento es la siguiente:

1. Se cierra el contactor KM1, quedando el motor a tensión nominal2. Después de un tiempo prefijado, se cierra KM2 cortocircuitando las resistencias

Ventajas Muy sencillo y barato.Desventajas El par de arranque disminuye de forma cuadrática, luego solo es

válido ante cargas de bajísimo par de arranque.

Hoy está casi obsoleto

5.-Arranque por autotransformador (obsoleto)En este método la reducción de tensión se realiza mediante un autotransformador. Normalmente durante el proceso de arranque el número de espiras del secundario no se varía, luego la relación de transformación (rt) es constante, aunque puede regularse de cara a un siguiente arranque en función del par resistente de la carga.

La secuencia de funcionamiento es la siguiente:1. Se cierra KM1 y KM2, haciéndose la estrella en el secundario del autotransformador y

alimentándose el motor a la tensión del secundario (punto 1). El punto de funcionamiento evoluciona desde 1 hacia 2.

2. Tras un tiempo prefijado, se abre KM2 y se cierra KM3 de forma casi simultánea, conectando el motor a su tensión nominal. El motor pasa del punto 2 al 3.

3. Finalmente se estabiliza en el punto de funcionamiento (4) a su tensión nominal

Ventajas Automatismo muy sencilloDesventajas

El par de arranque disminuye de forma cuadrática, luego solo es válido ante cargas de bajísimo par de arranque. Hoy se utiliza poco.

Es más caro debido al precio del autotransformador.

ActividadSi un autotransformador de tensiones 400/230 (V) se utiliza para arrancar un motor asíncrono, ¿cuánto se reducen la corriente y el par de arranque?

6.-Arranque estrella-triángulo (estrella-delta: Y-Δ)Este arranque se basa en conectar el motor en estrella sobre una red donde debe de conectare en triángulo. De esta forma durante el arranque los devanados del estator están a una tensión √3 veces inferior a la nominal. Supongamos que tenemos un motor de 400/230 y una red de 230 (V). El motor debe sobre esta red, de conectarse en triángulo y sus devanados soportan 230 (V). Fíjate en la Fig. donde podemos ver que su corriente de arranque es 15 (A), si se arranca de forma directa en triángulo sobre 230 (V).

Pero ¿qué pasa si lo conecto en estrella en la red de 230 (V) y procedemos al arranque? ¿Cuál será su corriente de arranque?

Según la figura en conexión estrella sobre una red de 230(V) cada devanado soporta 127 (V), con lo cual el estator genera un campo giratorio de menos inducción, el motor es débil y la curva de par presenta valores mas bajos a la misma velocidad.

Se puede demostrar que el par de arranque se reduce un tercio. Respecto a la corriente de arranque esta también se reduce un tercio; recuerda uno de los “dogmas” del trifásico que estudiaste:

“tres impedancias en triángulo consumen el triple de corriente de línea que en estrella, a la misma tensión de red”.La tensión de la red es la misma ya sea que el motor se arranque en estrella-triangulo o bien directamente en triangulo, con lo que en estrella la I A es tres veces mas pequeña.

La secuencia de funcionamiento es la siguiente:1. Se cierra KM1 y KM2 conectándose el motor en estrella y arrancando con los valores de

par e intensidad del punto 1(fíjate que KM2 cortocircuita X-Y-Z). A continuación la velocidad va aumentando y el punto de funcionamiento del motor evoluciona hacia el punto 2.

2. Transcurrido un pequeño tiempo (de 2 a 5 S), se abre KM2 y simultáneamente se cierra KM3 (que cortocircuita U-Z, V-X, W-Y) con lo cual el motor se conecta en triangulo (salto del punto 2 al 3). Observa en la Fig. que la caja de conexiones no tiene chapas puesto que los puentes los realizan los contactores (KM2 para la estrella y KM3 para el triangulo).

3. Finalmente el motor evoluciona en triangulo desde el punto 3 al 4, donde el motor se estabiliza a la velocidad que corresponda en función del par de carga.

Ventajas Automatismo muy sencillo y barato, se utiliza mucho. Menor reducción de par que los métodos anteriores, para la misma

limitación de IA. En la tabla puedes ver una comparación en el caso de que los arranques mediante resistencias y autotransformador se regulen para limitar la IA en ⅓

MÉTODO DE ARRANQUE

RESISTENCIAS ESTATÓRICAS

AUTOTRANSFORMADOR ESTRELLA-TRIÁNGULO

Reducción corriente de

arranque

Regulado a 1/3 Regulado a 1/3 1/3

Reducción 1/9 1/9 1/3

par de arranque

Desventajas

El par y la corriente de arranque disminuyen siempre en 1/3 sin posibilidad de regulación.

Debe utilizarse solo ante cargas de bajo par de arranque.

No siempre es posible ejecutarlo porque debemos disponer de una red cuya tensión coincida con la tensión nominal mas baja del motor. Para un motor de 400/230 (V), el arranque Y-Δ debe realizarse sobre una red de 230 (V), casi obsoleta hoy en día. Necesitaríamos un motor de 690/400 (V).

ActividadUn motor presenta las siguientes características y se arranca en estrella-triangulo. 400/690 V

400/690 V 5,6/3,2 A 50 Hz 1450 rpmcos j=0.82 3,5 CV 4 polos IA=6 IN

1. ¿Que tensión debe de tener la red trifásica de alimentación y por qué?2. ¿Cual es la punta de intensidad en el arranque?

8.-Arrancadores estáticosEl término estático designa a todo aquello construido a base de electrónica de potencia, por tanto podríamos también llamarlos “arrancadores electrónicos”. Se basan también en la disminución del valor eficaz de la tensión que alimenta al motor, al igual que en los métodos vistos.Sin embargo, esta reducción de tensión eficaz la realizan troceando la onda senoidal y no disminuyendo su amplitud.

Por tanto estos arrancadores llamados también “choppers” trocean la onda senoidal y consiguen alimentar el motor a la tensión adecuada. Además sus circuitos de regulación calculan cual es la evolución apropiada de la tensión para realizar arranques suaves en función del par resistente de la carga.

Ventajas Arranques suaves con aceleración programable por el usuario. Los precios de la electrónica de potencia bajaron esta última

década, con lo cual su compra es asequible.Desventajas

Aunque los arrancadores no son caros, el arranque estrella-triángulo es mucho más barato y en algunas casos suficientemente efectivo.

Están siendo eclipsados por los variadores de frecuencia (ver variación de velocidad).

9.-Inversión de giroPara invertir el giro del motor habrá que invertir el giro del campo magnético creado por el estator; de esta forma el rotor tenderá a seguirlo y girará en sentido contrario. Para conseguirlo, basta con invertir un par de fases cualesquiera de la línea trifásica de alimentación al motor, lo que en la práctica se realiza con dos contactores de conexión a red.