Arranque del motor asíncrono trifásico

Los motores eléctricos, cuando arrancan conectados directamente a la red, consumen una corriente muy elevada, que puede ser varias veces mas grande que la corriente nominal, de funcionamiento en régimen. Aunque este fenómeno es breve y dura unos pocos segundos, puede perjudicar a los conductores de conexión o provocar disturbios en la red o en el mismo motor por caídas de tensión. Esto generalmente no es un inconveniente con motores pequeños pero si debe evitarse con motores que tengan un consumo importante. En este artículo nos centraremos en motores asíncronos trifásicos con rotor en cortocircuito y veremos, además del arranque directo, distintos métodos con tensiones y corrientes reducidas, en todos los casos simulando el funcionamiento de los circuitos con CADe_Simu.

Arranque directo

Este método se emplea para motores pequeños y de poca potencia, de menos de 4 o 5 KW como criterio práctico, aunque deben observarse las sobrecorrientes permitidas por las reglamentaciones de cada país. El estator se conecta de forma directa a la red y la operación se hace a través de un contactor, interruptor o llave termomagnética (que incluye protecciones contra sobrecarga y cortocircuito).

La corriente de arranque es alta, entre 5 y 8 veces la corriente nominal, lo que obliga a sobredimensionar los conductores de alimentación a fines de evitar daños y perturbaciones por caídas de tensión. En general el torque de arranque es alto, lo cual a veces puede ser un problema ya que somete a un estrés mecánico a los elementos de acople entre el motor y la carga. Los motores previstos para arranque directo suelen venir de fábrica conectados en estrella, con sólo tres bornes de conexión.

Fig.1. Arranque directo con interruptor (izquierda) y llave termomagnética (derecha)
Fig. 2. Arranque directo con contactor

Arranque estrella-triángulo

Consiste en arrancar el motor con el bobinado del estator en la conexión estrella y una vez que alcanzó la velocidad de trabajo (o un porcentaje cercano), conmutarlo a la conexión triángulo. De esta manera, en el arranque la tensión aplicada a cada bobinado es inferior a la tensión de línea (√3 veces) y por lo tanto la corriente también es inferior en la misma magnitud, así que la corriente de arranque es 1/3 de la corriente en un arranque directo. Cuando el motor queda conectado en triángulo, la tensión en cada bobinado es igual a la tensión de línea y el motor opera a su tensión nominal.

En el arranque, como consecuencia de la disminución de la tensión y la corriente también disminuye el torque (al 33%), lo que puede ocasionar que el motor sea incapaz de mover mecanismos que tengan un alto torque de arranque, por lo que este método es mas apropiado para motores que arrancan en vacío o con carga parcial.

Fig. 3. Arranque estrella-triángulo

Un sistema de arranque estrella triángulo (Y∆) puede verse en la Fig. 3. Como se puede apreciar, el motor debe tener disponible los dos extremos de cada bobinado en la caja de bornes (6 bornes).

El funcionamiento es el siguiente: primero se cierran el contactor K1, que conecta el motor a la red y K3, que dispone los bobinados en conexión estrella uniendo U2, V2 y W2. Luego, se debe abrir K3 y cerrar K2 con lo que se conectan U1 con W2, V1 con U2 y W1 con V2, quedando los bobinados en triángulo.

Para no complicar el ejemplo no he desarrollado apropiadamente el circuito de control, que se hace habitualmente con módulos de timer.

Fig. 4. Módulo de arranque estrella-triángulo de la firma Siemens

Arranque por resistencias estatóricas

Este método consiste en arrancar el motor a una tensión reducida mediante la conexión en serie de unas resistencias con las bobinas del estator. Una vez estabilizada la velocidad, se eliminan las resistencias y el motor se acopla directamente a la red de alimentación. Tiene como ventaja que se pueden escoger los valores de resistencia para regular la corriente y el par de arranque. Como contrapartida, las resistencias disipan mucho calor por efecto Joule, así que deben montarse de manera adecuada para que disipen correctamente el calor y no se dañen por exceso de temperatura.

Fig. 5. Arranque por resistencias estatóricas

En relación a la Fig. 5, el funcionamiento consiste en conectar primero el motor a través de las resistencias (R) cerrando K1. Una vez alcanzada la velocidad deseada, se abre K1 y se cierra K2, dejando el motor directamente a la tensión de red.

Otra vez, a los fines de la explicación he simplificado el circuito de control, que suele emplear un timer para realizar la conmutación de los contactores.

Arranque por auto transformador

Con este método se reduce la tensión aplicada al motor por medio de un auto transformador, cuya tensión de salida es una fracción de la tensión de entrada. Tiene la ventaja de que es flexible, pudiéndose elegir la tensión de arranque al variar la relación de transformación (o disponer de varias tensiones si el auto transformador tiene varias derivaciones). Dado el elevado costo del auto transformador generalmente se reserva a motores de gran potencia (ej; 100 KW)

Fig. 6. Arranque con auto transformador

El circuito para este tipo de arranque puede verse en la Fig. 6. Durante el arranque se cierra K1, aplicando al motor una fracción de la tensión de red a través del auto transformador (T). Luego, se abre K1 y se cierra K2 con lo que el motor se conecta a la red de forma directa.

Fig. 7. Autotransformador con tres derivaciones para motores de 10 HP a 100 HP (fuente: www.todotrafo.com.ar)

Arranque con arrancador suave

El arrancador suave (soft starter) es un dispositivo electrónico que produce una tensión de amplitud y frecuencia variable que permite controlar la intensidad de la corriente de arranque mientras el motor desarrolla el torque adecuado para la carga a la cual está conectado. Como es electrónico no tiene partes mecánicas sujetas a desgaste e incorporan funciones adicionales como frenado, desaceleración y distintas protecciones.

Fig. 9. Arrancador suave Siemens hasta 10 HP

El circuito puede verse en la Fig. 10. Como se aprecia en la simulación, el arrancador está programado para llegar al 100% de la tensión de red (400V) en 4 segundos cuando se arranca el motor y también para pararlo en 4 segundos.

Fig. 10. Arranque con soft starter

Conclusión

Existen varios métodos para arrancar un motor trifásico, siendo el mas simple el arranque directo, con el inconveniente de la sobrecorriente de arranque. Con la finalidad de evitar este pico de consumo y sus efectos se emplean distintos métodos que arrancan el motor a tensiones y corrientes reducidas. Vimos cuatro métodos alternativos de arranque y sus principales características, simulando los circuitos de potencias con el software CADe_Simu.

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