Métodos de arranque a tensión reducida

Métodos de arranque a tensión reducida El arranque con tensión reducida de un motor de inducción CA permite incrementar la velocidad del motor en etapas pequeñas, lo que resulta en una menor cantidad de corriente requerida que en el caso de un arrancador tradicional. Debido a la tensión reducida, el par es también reducido, lo que resulta en un arranque más suave o más fácil. Los arrancadores de tensión reducida se utilizan en todos los tipos de motores CD y CA debido a su simplicidad, resistencia y confiabilidad. El arranque con tensión reducida se requiere por dos razones: 1.- Para evitar la sobrecarga para el sistema de distribución de energía eléctrica. 2.- Para evitar un desgaste innecesario del equipo mediante la reducción del par inicial de arranque. Para evitar la sobrecarga para el sistema de distribución de energía eléctrica. Un motor de diseño B según NEMA típico puede tomar 6 a 8 veces la corriente de operación de plena carga cuando arranca. Esta irrupción de corriente puede ser enorme cuando la operación del cliente tiene numerosos motores eléctricos grandes. Si la red de distribución de energía eléctrica ya está cerca de su capacidad, la irrupción de corriente causada por el arranque de grandes motores puede resultar en parpadeo de luces hasta reducción de la intensidad. (Puede también causar disparos de interruptores y dispositivos de protección en el sistema). Por esta razón, muchos proveedores de energía eléctrica imponen límites a la cantidad de energía que sus clientes pueden tomar en un momento dado, permitiendo mantener un equilibrio en sus sistema de distribución. La reducción de la tensión a las terminales de motor al arranque reduce el pico de corriente. Para evitar un desgaste innecesario del equipo Un motor de inducción B de diseño NEMA típico genera aproximadamente 150% de su par de carga de plena carga normal al arranque. Este par es aplicado casi instantáneamente al equipo excitado. En algunas ocasiones, la fuerza de este choque de arranque puede causar un desgaste excesivo del equipo. La reducción de la tensión aplicada al motor al arranque reduce también el par producido por el motor, y el choque transmitido a la carga.

Esta manera de arrancar los motores obedece a alguna de las siguientes razones: se desea disminuir la corriente de arranque demandada por el motor, o bien, acelerar suavemente la carga, esto es disminuir el par. Algunas cargas a las que somete un motor en la industria se deben arrancar en forma gradual, como es el caso de máquinas que procesan productos frágiles u otras aplicaciones donde no se pueden conectar los motores directamente a la línea debido a la gran corriente demandada. Este tipo de arranque consiste en suministrar al motor un voltaje menor al nominal en los arrollamientos del motor. Al reducirse la tensión se reduce proporcionalmente la corriente, la intensidad del campo magnético y el par. Por lo tanto, este método de arranque es utilizado en motores que no necesiten un gran par de arranque. Este tipo de arranque opera para potencias fraccionarias mayores a 10 HP y utilizan diversos métodos de arranque que en forma gradual, van aumentando la tensión de la carga a alimentar. A continuación se describen los más comunes.

Motor NEMA tipo B (Motor de Inducción Jaula de Ardilla)

1.- Resistencia en el Primario. En este tipo de arranque el lado primario o de alimentación de un motor se controla por dos grupos de contactos localizados en cada conductor de entrada. El conjunto de contactos que se cierra primero son los que están en serie con las resistencias. Como estas resistencias quedan en serie con las terminales del motor, se produce una caída de tensión originada por la corriente de arranque, así que el motor recibe un voltaje menor a su voltaje nominal y arranca con una velocidad reducida. Después de un tiempo predeterminado, un relé temporizado activa el otro conjunto de contactos, cortocircuitando a las resistencias primarias, sin interrumpir el circuito de alimentación y aplicando de esta manera voltaje pleno para acelerar el motor a su velocidad nominal. Por lo tanto, este tipo de arrancadores permiten que el motor arranque y acelere en forma muy suave, debido al incremento gradual de la tensión en las terminales del motor a medida que se va acelerando. Cuando arranca el motor, las resistencias resisten al flujo de la corriente, lo que resulta en una caída de tensión.

2.- Resistencia en el Secundario. Este tipo de arranque, en el lado primario del motor se usa 6 resistencias y se conectan de tal manera que cuando los contactos del relevador de arranque del motor cierran, la corriente circula por las 6 resistencias para arrancar el motor a baja velocidad. Después de un tiempo predeterminado, la primera serie de contactos cierran para cortocircuitar tres de las resistencias, lo que incrementa la velocidad del motor. Si se desea una velocidad mayor, se cerraran la segunda serie de contactos para eliminar el efecto de las otras tres resistencias, por medio de conectar en corto circuito a través de los contactos y es entonces cuando el motor estará operando a velocidad nominal. El motor puede nuevamente reducir su velocidad abriendo cualquiera de los conjuntos de contactos.

3.- Autotransformador. Este tipo de arranque consiste en alimentar el motor a tensión reducida a través de un autotransformador, de tal forma que las sucesivas tensiones aplicadas al motor tengan un valor creciente durante el proceso de arranque, hasta alcanzar el valor nominal, obteniéndose de esta forma una reducción en la corriente y del par del motor en la misma proporción. Generalmente los autotransformadores se equipan con tomas para el 55%, 65% y 80% de la tensión de línea. El número de puntos de arranque depende de la potencia del motor y de las características de la máquina accionada. En estas condiciones, las corrientes y el par de arranque obtenidos al escoger cualquiera de estas tensiones bajaran respectivamente al 25%, 42% y 64% de los valores correspondientes de la tensión plena. El arranque se lleva a cabo de la siguiente manera: • Primeramente, 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. Como se mencionó anteriormente, el transformador tiene tomas que permiten seleccionar la relación de transformación y, con esto, el valor más adecuado de la tensión reducida. • Antes del acoplamiento a tensión plena, la conexión 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. • El acoplamiento a tensión plena interviene a partir del segundo tiempo, normalmente muy corto. Las inductancias en serie con el motor se cortocircuitan y a continuación, el transformador queda fuera del circuito. La activación de cualquiera de estas tres derivaciones en los devanados permite suministrar cantidades diferentes de corriente al motor. Este tipo de arrancador puede suministrar más corriente al motor, mientras mantienen la tensión baja.

Los arrancadores a tensión reducida tipo autotransformador se utilizan para el arranque de motores con rotor de jaula de ardilla. Estos arrancadores limitan la corriente en la etapa de arranque, evitando alcanzar corrientes que puedan causar fluctuaciones perjudiciales en la línea de alimentación. Con el arrancador a tensión reducida tipo autotransformador, se reduce la tensión en los bornes de motor según la relación de transformación del autotransformador. Por lo general, se utilizan autotransformadores con derivaciones de 0, 50, 65 y 80% de la tensión nominal. La intensidad de corriente consumida por el motor en la etapa de arranque disminuye en un 42%, utilizando la relación de transformación del autotransformador al 65%.

4.- Estrella – Delta. Este tipo de arranque es sencillo y económico, sin embargo su empleo es solo aplicable cuando se dispone de motores especiales, en los cuales los dos extremos de cada uno de los tres devanados estatóricos salgan a la caja de conexiones del motor. Inicialmente se arranca el motor acoplando los devanados en estrella a la tensión de la red, lo que significa que el motor recibirá su tensión nominal dividido entre √ . Además, durante el arranque, la corriente y el par de arranque son aproximadamente el 33% de sus valores nominales. En los motores industriales la relación entre el par de arranque y nominal, varía entre 1.2 y 2; en consecuencia el par de arranque resultante oscila entre 0.4 y 0.67 del par nominal, por ello este procedimiento solamente se aplica en aquellos casos en los que el par resistente de la carga, en el momento de la puesta en marcha no excede, como media, del 50% del par nominal, como sucede en determinadas aplicaciones como, bombas centrífugas y ventiladores. La velocidad del motor se estabiliza cuando se equilibran el par del motor y el par resistente, normalmente entre el 75 y 85% de la velocidad nominal. En ese momento, los devanados se acoplan en triángulo y el motor rinde según sus características. Mediante un temporizador se controla el tiempo de transición del acoplamiento en estrella al acoplamiento en triángulo.

El cierre del contactor de triángulo se produce con un retardo de 30 a 50 milisegundos tras la apertura del contactor de estrella, lo que evita un cortocircuito entre fases al no poder encontrarse ambos cerrados al mismo tiempo. Por lo tanto, el arranque estrella-triángulo es apropiado para las máquinas cuyo par resistente es débil o que arrancan en vacío. El arranque Y – Δ requiere que el motor tenga puntos de conexión con cada uno de los 3 devanados helicoidales. Deben ser especialmente devanados con seis conductores para permitir las conexiones Y – Δ. La conexión Y resulta en la aplicación de una tensión de línea aplicada a un devanado eléctricamente más grande, reduciendo la corriente de línea.

5.- Devanado Bipartido. Este tipo de motor está dotado de un devanado estatórico desdoblado en dos devanados paralelos con seis o doce bornes de salida. Equivale a dos “medios motores” de igual potencia. Durante el arranque, un solo “medio motor” se acopla en directo a plena tensión a la red, lo que divide aproximadamente por dos tanto la corriente de arranque como el par. No obstante, el par es superior al que proporcionaría el arranque estrellatriángulo de un motor de jaula de igual potencia. Al finalizar el arranque, el segundo devanado se acopla a la red. En ese momento, la punta de corriente es débil y de corta duración, ya que el motor no se ha separado de la red de alimentación y su deslizamiento ha pasado a ser débil. El método de devanado de partes requiere que el motor tenga sus devanados divididos en dos (o más) grupos separados. Estos grupos de devanados idénticos tienen el propósito de operar en paralelo. Al arranque, se suministra energía eléctrica solamente a un grupo de devanados. Conforme el motor gana velocidad, la energía eléctrica es aplicada al otro grupo de devanado para un funcionamiento normal. Cuando los devanados excitados de esta forma, producen una corriente de arranque reducida y un par de arranque menor. La mayoría de los motores con doble tensión (220V/440V) son compatibles con el arrancador de devanado de parte a 220 V.

6.- Estado Sólido. Los arrancadores de estado sólido son utilizados cuando se requiere un arranque suave y lento. En lugar de operarlos directamente a plena tensión, se arrancan con aumentos graduales de voltaje. Los arrancadores de estado sólido evitan disturbios de la red eléctrica y picos de corriente así como esfuerzos mecánicos que causan desgaste en el motor y la máquina que se acciona. Es el arrancador de tensión reducida más novedoso. Reemplaza los componentes mecánicos por componente electrónicos. La clave del arrancador de estado sólido es el Rectificador De Control De Silicio o SCR. Durante la aceleración del motor, este dispositivo controla la tensión, intensidad y par del motor. El SCR tiene la capacidad de conmutar rápidamente las corrientes fuertes. Esto permite al arrancador de tensión reducida de estado sólido ofrecer una aceleración suave, sin golpes. De hecho, ofrece la aceleración más suave de todos los métodos de arranque a tensión reducida.

Cuando arranca el motor, el orden de los eventos es el siguiente:    

Los contactos de arranque (C1) se cierran. Los SCR´s se encienden gradualmente, y controlan la aceleración del motor hasta que se acerca a su velocidad completa. Los contactos de operación (C2) se cierran cuando los SCR´s están totalmente encendidos. El motor es conectado directamente a través de la línea y funciona con energía completa aplicada a las terminales del motor.