Arranque de Motores eléctricos Asíncronos

El arranque es el proceso de puesta en marcha de un motor que lo lleva desde una velocidad nula a la del punto de funcionamiento estable que corresponda

El arranque es el proceso de puesta en marcha de un motor que lo lleva desde una velocidad nula a la del punto de funcionamiento estable que corresponda al par resistente de la carga que tiene que mover.

Por: Miguel Angel Rodríguez Pozueta | Doctor Ingeniero Industria

Para que pueda realizarse esta maniobra debe cumplirse la condición de arranque: durante el arranque el par del motor debe ser superior al par resistente. De no cumplirse esta condición, el par motor es insuficiente para mover la carga mecánica que tiene acoplada y no se puede producir el arranque.

LIMITACIONES EN LA CORRIENTE DE ARRANQUE

En el instante de iniciar el arranque, cuando la velocidad todavía es nula y el deslizamiento entonces vale1,la corriente que demanda el motor es varias veces superior a la asignada. Esta corriente elevada puede provocar caídas de tensión en la instalación eléctrica que alimenta al motor afectando a otros aparatos conectados a ella. Por esta razón existen normas que establecen las máximas corrientes de arranque permitidas.


Esto obliga a utilizar en muchas ocasiones procedimientos que reduzcan la corriente de línea que se demanda a la red eléctrica durante el arranque con respecto a la que circula en el arranque directo.

ARRANQUE DIRECTO

Este método de arranque es el más sencillo de todos y se emplea en motores de pequeña potencia (o en motores grandes si están conectados a una red eléctrica independiente, de tal manera que su corriente de arranque no afecte a otros consumidores).
• Consiste en arrancar el motor simplemente conectándolo a su tensión asignada V1NL
• En este método de arranque (y también en los de tensión reducida, que se van a estudiar más adelante) la corriente del rotor reducida al estator I’2a va a ser lo suficientemente grande comparada con la de vacío I0 ( I cero)como para despreciar esta última.


Por lo tanto,se va aconsiderar que la corriente de arranque Ia (i a) (que circula por el estator) es prácticamente igual a la del rotor reducida al estator:

ARRANQUES CON TENSIÓN REDUCIDA

Existen varios procedimientos de arranque que consisten en alimentar al motor con una tensión inferior a la asignada en el momento del arranque para después, cuando el rotor ya está girando, irla aumentando hasta alcanzar su valor asignado.

arranque con tensión reducida

La corriente de arranque disminuye, pero también el par de arranque. Luego, hay que
comprobar que se cumple la condición de arranque. Por esta razón, estos procedimientos de
arranque sólo se pueden utilizar si el motor se arranca sin carga o con cargas mecánicas que no ejerzan un par resistente elevado a bajas velocidades.

ARRANQUE POR INSERCIÓN DE IMPEDANCIAS EN EL ESTATOR

Es un método de arranque con tensión reducida. En este circuito la maniobra de arranque consiste en:

  1. los interruptores I2 e I3 abiertos: arranque a tensión reducida (con toda la impedancia en serie con el estator).

2. Cerrar el interruptor I2: se deja solamente una fracción de la impedancia en serie, lo que
aumenta la tensión del estator.

3. Cerrar el interruptor I3: el motor recibe la totalidad de la tensión de la red.

CÁLCULO DEL ARRANQUE POR INSERCIÓN DE IMPEDANCIAS EN ELESTATOR

La impedancia que se conecta en serie con cada fase del estator en el momento de iniciar el arranque es:

CÁLCULO DEL ARRANQUE POR INSERCIÓN DE IMPEDANCIAS EN EL ESTATOR

La impedancia que se conecta en serie con cada fase del estatoren el momento de iniciar el arranque es:

Ze   = R e  + j Xe

Luego, R1  y X1 se incrementan en Re y Xe, respectivamente. Lo mismo sucede con Rcc y Xcc:

CÁLCULO DEL ARRANQUE POR INSERCIÓNDE IMPEDANCIAS EN EL ESTATOR (2)

Tanto en este arranque como en el directo, el motor conserva la misma conexión, estrella o triángulo. Por lo tanto:

Se define el parámetro adimensional z (inferior a 1) así:

ARRANQUE POR AUTOTRANSFORMADOR (1)

Se trata de un método de arranque con tensión reducida. El autotransformador suministra una tensión reducida V al motor en el momento de arrancarlo. Cuando este ya empieza a girar, se le pasa a alimentar a su tensión asignada V1NL

En el momento de arrancar el motor, el autotransformador le suministra una
tensión de línea V1,motorL , inferior a su tensión asignada V1NL ,lo que hace que
la tensión de fase del motor sea V1,motor <V1N.
En el arranque del motor,el autotransformador demanda una corriente de línea Ia,autL
y el motor consume una corriente de línea Ia,motorL, lo que hace que su corriente de fase sea Ia,motor

ARRANQUE POR AUTOTRANSFORMADOR (2)

1) Teniendo previamente cerrado el interruptor I3 y abierto el interruptor I1 se cierra el interruptor I2.La máquina arranca a la tensión reducida que le proporciona el autotransformador trifásico AT.

2) Se abre el interruptor I3. El autotransformador AT deja de funcionar como tal y ahora se convierte en unas reactancias puestas en serie con cada fase del inducido.
Las caídas de tensión en estas reactancias dan lugar a que el motor tenga mayor tensión que antes, pero aún está a una tensión inferior a la de la red.

3) Se cierra el interruptor I1 (dejando abierto a I3). La máquina recibe la totalidad de la tensión de la red (es decir, queda a su tensión asignada) y acaba su arranque alcanzando una velocidad cercana a la de sincronismo.

ARRANQUE ESTRELLA-TRIÁNGULO (1)

• Es otro método de arranque con tensión reducida.
• El arranque estrella-triángulo sólo se puede utilizar si el motor está conectado a una red eléctrica cuya tensión de línea sea igual a latensión asignada de fase del motor. Esto obliga a
que para que el motor funcione a su tensión asignada deba conectarse en triángulo:


• En este caso el arranque se realiza con el motor conectado en estrella. Cuando el motor ha adquirido cierta velocidad se conmutan las conexiones y se lo conecta en triángulo para que pase a funcionar con su tensión asignada.

ARRANQUE ESTRELLA-TRIÁNGULO (2)

• Al arrancar en estrella, la tensión de fase del motor ya no es la asignada
sino √3 veces menor:

Esto provoca que la corriente defase en este arranque  

sea √3 veces menir que la corriente de fase IaL. Por otra parte, en este caso el arranque de fase Ia es √3 veces menor que la corriente de línea IaL; mientras que en la conexión estrella las corrientes de arranque de fase y de línea son iguales y ambas las denominamos:

Además, el par de arranque es proporcional al cuadrado de la tensión de fase del motor.
En consecuencia, tanto la corriente de línea en el arranque estrella- triángulo


como el par de arranque correspondiente M la tercera parte de sus respectivos valores en el arranque directo:


son iguales a la tercera parte de sus respectivos valores en el arranque directo:

ARRANCADOR ESTRELLA-TRIÁNGULO

La figura muestra la forma de conectar un arrancador estrella-triángulo,el cual permite conectar el motor tanto en estrella como en triángulo.
El motor se arranca en estrella y poco tiempo más tarde, cuando ya ha alcanzado cierta velocidad, se le conmuta a triángulo.
En algunos arrancadores la conmutación de estrella a triángulo se realiza automáticamente y en otros se efectúa de forma manual.

CURVAS DE PAR EN EL ARRANQUE ESTRELLA-TRIÁNGULO

La figura muestra las curvas de par cuando el motor está conectado en triángulo (arranque directo) y cuando está en estrella (arranque estrella-triángulo).
En triángulo la tensión de fase es igual a la asignada V1N y en estrella es √3 veces menor.

ARRANCADOR ELECTRÓNICO O ESTÁTICO (1)

  • • Es un método de arranquecon tensión reducida.
  • • Un arrancador electrónico permite variar el valor eficaz de la tensión del estator durante el arranque.
  • • La frecuencia se mantiene constante.
  • • La onda de tensión se deforma.

Estos arrancadores constan de un puente con tres parejas de interruptores electrónicos (tiristores, transistores, GTOs, etc.) en oposición. Modificando el ángulo de disparo α de estos interruptores electrónicos se controla el valor eficaz de la tensión que se suministra al motor. Estos arrancadores deforman la tensión, que ya no es perfectamente sinusoidal, pero consiguen un control continuo y fácil del valor eficaz de la tensión que recibe el motor.

ARRANCADOR ELECTRÓNICO O ESTÁTICO (2)

• El arrancador puede suministrar una tensión que durante el arranque aumenta desde un valor inicial hasta la tensión asignada del motor siguiendo una rampa (relación lineal) ajustable. Normalmente, el arrancador controla la corriente del motor durante el arranque,de forma que si es demasiado elevada (2,5 a 4,5 veces I1NL ) reduce la tensión transitoriamente.
Otra posibilidad es que el arrancador proporcione una tensión tal que la corriente del motor sea constante durante el arranque hasta que estorequiera que la tensión sea igual a la asignada V1NL
.A partir de ese momento, el arranque prosigue a tensión constante e igual a la asignada.

• Una vez que ha terminado el arranque, el arrancador queda fuera de servicio y el motor se conecta directamente a la red mediante un contactor.


Algunos fabricantes recomiendan, sin embargo, que cuando el motor tenga que mover cargas pequeñas, muy inferiores a la asignada, se lo alimente a tensión reducida mediante el arrancador, ya que así se ahorra energía y se mejora el factor de potencia.

Esto se basa en que al reducir la tensión conservando la misma frecuencia se reduce el campo magnético del motor,con lo que se reduce la potencia reactiva que consume y las pérdidas en el hierro. También se reduce el par que puede proporcionar el motor, pero esto no importa porque está moviendo una carga pequeña que demanda un par reducido.

ARRANQUE POR INTRODUCCIÓN DE RESISTENCIAS EN SERIE CON EL ROTOR (1)

  • • Este sistema de arranque sólo se puede usar en motores de rotor bobinado y consiste en conectar una resistencia Rx en serie con cada una de las fases del rotor. Una vez arrancado el motor, se va disminuyendo progresivamente el valor de estas resistencias hasta que el rotor queda cortocircuitado.
  • • Este método de arranque es mejor que los de tensión reducida porque, además de reducir la corriente de arranque, se consigue aumentar el par de arranque. Incluso se puede conseguir el par máximo en el arranque.

ARRANQUE POR INTRODUCCIÓN DE RESISTENCIAS EN SERIE CON EL ROTOR (2)

Esta figura muestra el proceso de arranque de un motor de rotor bobinado en el que se utiliza un reóstato trifásico que permite dar cuatro valores distintos a Rx. El mayor de estos valores es Radic ,que origina el par máximo en el arranque, yel menor (Rxa=0) deja el rotor en cortocircuito.

El motor se arranca con Rx=Radic y se disminuye el valor de Rx cada vez que el par se reduce hasta un valor mínimo Mmin predefinido (puntos B, C y D). Al final queda que Rx = 0 y con este valor se finaliza el arranque. De esta forma el par no baja de Mmin durante el arranque. Esto hace que esta maniobra se produzca rápidamente porque se realiza con el motor proporcionando unos pares elevados.

SISTEMAS DE CONEXIÓN DE RESISTENCIAS VARIABLES EN SERIE CON LAS FASES DEL ROTOR.

Variación de resistencia rotórica mediante un reóstato trifásico (a), un reóstato monofásico (b) y variación estática mediante un chopper (c)

Nota: Una breve introducción a los circuitos chopper

El chopper consiste en un interruptor electrónico que se abre y cierra en rápida sucesión y de forma cíclica. Si está permanentemente cerrado la resistencia es cero y si permanece abierto la resistencia es R. Si se abre y cierra periódicamente la resistencia efectiva toma un valor intermedio entre 0 y R, dependiente de la fracción del tiempo que está abierto y que está cerrado.

En la figura superior se muestran varias formas de conectar resistencias variables en serie con las fases del rotor de una máquina asíncrona de anillos:

a) El sistema más sencillo consiste en utilizar un reóstato trifásico variable, que está formado por tres resistencias idénticas Rx variables.

b) Otro sistema consiste en utilizar una única resistencia variable Rm conectada al rotor a través de un rectificador trifásico de diodos.

c) Una mejora del sistema anterior consiste en que al rectificador de diodos se conecte una resistencia R fija, pero un circuito electrónico -basado en un chopper- permite variar su valor efectivo.

Hay varios circuitos electrónicos que permiten hacer esto, uno de los cuáles es el mostrado en la figura superior. En este montaje se puede variar la resistencia efectiva en el lado de
corriente continua del rectificador entre 0 y R, lo que se consigue modificando la fracción de tiempo en el que chopper está cerrado frente a la que está abierto.

ARRANQUES USANDO LOS SISTEMAS DE CONTROL DE VELOCIDAD

• En los motores asíncronos provistos de un equipo de control de velocidad, se puede utilizar este para arrancarlos.
• Lo habitual es que la instalación de estos equipos no se justifique económicamente si solo se van a emplear para el arranque.
• Si el motor se alimenta a través de un convertidor de frecuencia,el arranque se realiza aumentando de forma continua y paulatina la frecuencia en el estator f1 a la vez que se varía la tensión(o la corriente)para que el flujo magnético no varíe durante toda la maniobra.

La frecuencia f1 aumenta desde un valor reducido hasta su valor asignado, por lo tanto, la velocidad síncrona también va creciendo hasta su valor asignado y se consigue que la velocidad de giro aumente de forma suave y controlada.

Con este sistema se puede mantener un par elevado durante todo el arranque, por lo que este se realiza rápidamente, y se reduce la energía disipada en el arranque (como se verá más adelante).
• Si se trata de un motor especial que tiene la posibilidad de variar su número de polos; es decir, que puede funcionar con varias velocidades síncronas distintas (de 2 a 4 velocidades síncronas), la energía disipada en el arranque se reduce si esta maniobra se hace por etapas: se inicia con el nº de polos más alto (velocidad síncrona más pequeña) y luego se bajando escalonadamente el número de polos hasta llegar a la velocidad síncrona más alta.

MOMENTO DE INERCIA Y MOMENTO GIRATORIO

El momento de inercia de un accionamiento; es decir, el momento de inercia del conjunto motor-carga mecánica más el acoplamiento mecánico entre ambos, se designa J. En elS.I. se mide en kg.m2
J se puede obtener así:

TIEMPO DE ARRANQUE DE UN MOTOR ASÍNCRONO

El proceso de arranque es un fenómeno cuyo análisis preciso requiere el uso de las ecuaciones del régimen transitorio. En un análisis simplificado se supone que el arranque se produce a una velocidad relativamente lenta, lo que permite considerarlo como una sucesión de distintos estados permanentes y, por lo tanto, se puede analizar empleando la curva de par de régimen permanente.

FÓRMULA DE KLOSS

ANÁLISIS DEL ARRANQUE DIRECTO EN VACÍ O MEDIANTE LA FÓRMULA DE KLOSS (1)

Aquí se estudia el arranque directo en vacío. Luego:

Por lo tanto, el tiempo que tarda el motor en pasar del deslizamiento sA al sB en el arranque se calcula ahora así:

ANÁLISIS DEL ARRANQUE DIRECTO EN VACÍ O MEDIANTE LA FÓRMULA DE KLOSS (2)

La constante de tiempo electromecánica π mec es el tiempo de arranque si durante todo el proceso de arranque el par se mantuviera constante e igual al par máximo Mmax y la velocidad final que se alcanzara fuera la de sincronismo Ω1:

Este parámetro πmec permite comparar entre motores para decidir cuál es de arranque más rápido.

ENERGÍA PERDIDA DURANTE EL ARRANQUE

Si se desprecian las pérdidas magnéticas y mecánicas y el arranque se realiza en vacío, sucede que la energía perdida en el arranque △Wa vale:

La energía perdida △Wa en un arranque en carga puede ser mucho mayor que en el arranque en vacío y depende,además de Wc´ del método de arranque; ya que △Wa se reduce si el par del motor se mantiene elevado durante el arranque. En carga, si ta aumenta también se incrementa △Wa La energía perdida en el arranque △Wa se disipa en forma de calor y eleva la temperatura de la máquina.
El arranque por inserción de resistencias en serie con el rotor tiene la ventaja de que gran parte de △Wa se disipa en el reóstato de arranque y no en el motor.

ARRANQUES PESADOS

· Un arranque es pesado si la constante de inercia total J es grande, lo que origina una energía perdida △Wa  alta. Si estos arranques se producen de forma frecuente la temperatura del motor se puede elevar excesivamente.

· En motores normales se puede considerar que un arranque es pesado si la constante de inercia total J supera en dos veces a la constante de inercia del motor solo.

· Estos arranques mejoran si se utilizan motores de construcción especial, de más longitud y menos diámetro, que presentan menos inercia.

· Otra posibilidad es utilizar dos motores colocados sobre el mismo eje, cada uno de la mitad de la potencia total. El conjunto de estos dos motores presenta menos inercia que un único motor de la potencia total.

· Otra forma de reducir la energía perdida en estos arranques es usar algúnsistema que disminuya la velocidad de sincronismo Ω1 durante el arranque (lo que reduce la energía cinética Wc y, por  tanto, △Wa). Por ejemplo, arrancar con un convertidor de frecuencia o utilizar un motor provisto de un devanado especial que permita modificar su número de polos.


Biografía:

[1] APARICIO MARZO, J. L. 1987. Criterios de diseño de convertidores estáticos para

accionamientos   regulados   en   corriente   alterna   con   motores   de   inducción. Santiago de Compostela. Saber Hoy, S.A. de Ediciones.

[2] CHAPMAN. 2005. Máquinas eléctricas. Madrid: McGraw-Hill Interamericana.

[3] KOSTENKO y PIOTROVSKI. 1979. Máquinas eléctricas. Moscú: Editorial Mir

[4] FITZGERALD,    KINGSLEY    Y    UMANS.    2004.    Máquinas    eléctricas.    Madrid: McGraw-Hill Interamericana

[5] SERRANO  IRIBARNEGARAY,  L.  1989.  Fundamentos  de  máquinas  eléctricas rotativas. Barcelona: Marcombo Boixareu Editores.

[6] WILDI,    T.    2007.    Máquinas    eléctricas    y   sistemas    de    potencia.    México: Pearson Educación






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