MÁQUINAS

ÉLECTRICAS

ANDRÉS LOOR

ecuatareas.com

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

Analizar el funcionamiento de arranque de los motores

trifásicos por resistencia y reactancia estatorica.

OBJETIVOS ESPECIFICOS

Determinar la corriente de arranque.

Determinar el par de arranque.

Indicar el rango de potencia.

Analizar la curva características.

Realizar diagramas eléctricos.

Determinar las ventajas y desventajas

Determinar el cálculo de la resistencia

METODOS DE ARRANQUE DE LOS MOTORES ASINCRONOS

INTRODUCCION

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.

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.

Durante la puesta en marcha de un motor, la corriente solicitada es considerable y puede provocar una caída de tensión que afecte al funcionamiento de los receptores, especialmente en caso de insuficiencia de la sección de la línea de alimentación. En ocasiones, la caída de tensión puede llegar a ser perceptible en los aparatos de alumbrado.

Para poner remedio a estos inconvenientes, ciertos reglamentos sectoriales prohíben el uso de motores de arranque directo que superen cierta potencia. Otros se limitan a imponer la relación entre la corriente de arranque y la nominal en base a la potencia de los motores.

Los motores de jaula son los únicos que pueden acoplarse directamente a la red por medio de un equipo simple.

Tan sólo las extremidades de los devanados del estator sobresalen de la placa de bornas. Dado que el fabricante determina de manera definitiva las características del rotor, los distintos procesos de arranque consisten principalmente en hacer variar la tensión en las bornas del estátor. En este tipo de motores, cuya frecuencia es constante, la reducción de la punta de corriente conlleva de manera automática una fuerte reducción del par.

En las zonas residenciales como industriales, los pequeños motores asíncronos de hasta pocos caballos pueden arrancarse conectándolos directamente a la red con caídas de tensión de poca importancia en la tensión de alimentación y con escaso o nulo retraso en su aceleración hasta alcanzar su velocidad nominal. Los grandes motores pueden arrancarse directamente sin ningún daño o la variación perjudicial en la tensión de la alimentación suponiendo que las líneas de alimentación son de capacidad suficiente grande.

Cuando las líneas de alimentación son de capacidad limitada en comparación con la corriente de arranque absorbida por un motor asíncrono existe la posibilidad que

debido a la gran corriente, la caída de tensión será grande y la tensión en las bornas del motor será reducida esto hará que el motor no pueda desarrollar el suficiente par para acelerar la carga, y como resultado, pueden absorber corriente excesiva en el rotor y en el estator. Y el equipo de protecciones del motor y de la línea tras un corto intervalo pueden desconectar el motor, se requiere que el motor arranque una vez mas y de nuevo con la correspondiente perturbaciones en la tensión de línea. Las fluctuaciones de tensión frecuentes también pueden afectar al equipo electrónico y de alumbrado de tal grado que se precisa algún método alternativo de arranque del motor a fin de limitar la corriente de arranque.

Hay varias excepciones entre las diversas clasificaciones de los motores, ordinariamente un motor asíncrono absorbe aproximadamente 6 veces su corriente nominal cuando a su estator se aplica la tensión nominal.

Al momento del arranque la corriente del rotor en consecuencia a la corriente del estator está determinada por su impedancia a rotor bloqueado. Si la tensión del estator se reduce a la mitad la corriente de arranque también se reduciría a la misma proporción aproximada a tres veces la corriente nominal.

TIEMPO DE ARRANQUE

La intensidad de arranque de un motor de inducción es siempre mucho más alta que la intensidad nominal, y un exceso en el tiempo de arranque produce una elevación de temperatura que puede ser perjudicial para el motor.

Además, esta sobreintensidad lleva consigo esfuerzos electromecánicos. Los fabricantes suelen establecer un tiempo de arranque máximo en función del tamaño del motor y de la velocidad. La norma IEC 34-12 (Las Características de arranque de los motores trifásicos de inducción tipo jaula de ardilla de una sola velocidad), en lugar del tiempo de arranque, especifica el momento de inercia permitido de la máquina accionada.

Para motores pequeños el esfuerzo térmico es mayor en el devanado del estátor, mientras que en motores grandes es mayor en el devanado del rotor.

PAR EN FUNCIÓN DE LA VARIACIÓN DE LA TENSIÓN

Casi sin excepción, la intensidad de arranque disminuye algo más que proporcionalmente respecto a la tensión. Así, a 90% de la tensión nominal el motor consume entre el 87 y el

89%. El par de arranque es proporcional al cuadrado de la intensidad. El par suministrado al90% de la tensión nominal es, por tanto, del 75 al 79% del par de arranque nominal.

Si la tensión se desvía de la tensión nominal del motor, el par del motor variará aproximadamente en proporción al cuadrado de la tensión. Es, por tanto, vital que los cables que suministran energía al motor estén dimensionados generosamente para asegurar que no haya caída de tensión significativa durante el arranque o cuando el motor está en marcha.

ARRANQUE DE MOTORES ASÍNCRONOS TRIFÁSICOS

Denominamos arranque al proceso de puesta en marcha de una máquina eléctrica. En el caso de los motores asíncronos, para que esta operación pueda llevarse a cabo, es preciso, que el par de arranque sea superior al par resistente de la carga, de esa forma se obtiene un momento de aceleración que obliga a girar al motor a una velocidad cada vez más elevada, alcanzando el régimen permanente cuando se igualan los pares motor y resistente.

Los límites de la relación corriente de arranque/corriente de plena carga, según se indica en la siguiente tabla:

De acuerdo a la potencia del motor vamos a obtener una elevación de corriente en el momento del arranque.

Para reducir las corrientes en el momento de la puesta en marcha de un motor, se emplean métodos especiales de arranque, según que la máquina tenga su rotor en forma de jaula de ardilla o con anillos. Los principales métodos de arranque son los siguientes:

Arranque directo Arranque estrella triángulo Arranque estatórico por resistencias Arranque por autotransformador Arranque de los motores de rotor bobinado Arranque electrónico

ARRANQUE DE MOTORES ASINCRÓNICOS CON ROTOR EN JAULA

Los motores de corriente alterna con rotor en jaula de ardilla se pueden poner en marcha mediante los métodos de arranque directo o a tensión.

En ambos casos, la corriente de arranque generalmente resulta mayor que la nominal, produciendo las perturbaciones comentadas en la red de distribución. Estos inconvenientes no son tan importantes en motores pequeños, que habitualmente pueden arrancar a tensión nominal.

La máxima caída de tensión 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 simultáneamente y con protecciones que corten automáticamente cuando la corriente adquiera valores peligrosos.

En los motores trifásicos debe colocarse una protección automática adicional que corte el circuito cuando falte una fase o la tensión baje de un valor determinado.

MÉTODO DIRECTO

Se aplica a aquellos motores de una potencia nominal menor de 5KW (6.8 C.V.), aunque en la práctica sólo se aplica para motores de potencia nominal menor de5C.V.

MÉTODO DE ARRANQUE POR AUTOTRANSFORMADOR

Se aplica a motores cuya potencia nominal es mayor que 5KW

ARRANQUE ESTRELLA-TRIÁNGULO.

El principio consiste en arrancar el motor acoplando los devanados en estrella a la tensión de la red, lo que equivale a dividir la tensión nominal del motor en estrella por 3 (en el ejemplo anterior, la tensión de la red 380 V = 660 V / 3). La punta de corriente durante el arranque se divide por 3: Id 1,5 a 2,6 In

PROCEDIMIENTO: consiste en aplicar en el arranque la tensión nominal del motor en laconexión de triángulo cuando éste está conectado en estrella, con lo que la tensión de alimentaciónse reduce en √3 y el par de arranque en 1/3. Una vez que el motor ha empezado a girar (se aconsejano pasar de la conexión estrella a la conexión triángulo hasta que el motor no haya adquirido, almenos, una velocidad del 80% de la nominal), se conmuta la conexión de los devanados a triángulo,con lo que se le está aplicando la tensión nominal de alimentación.

La corriente de arranque se reduce en 1/√3= 0.6 en relación con la corriente de arranque directo.

Este método presenta los siguientes inconvenientes:

• Disminuye el par de arranque al disminuir la tensión de alimentación en un factor de

1/3.

• El motor se deja de alimentar durante el cambio de la conexión de estrella a triánguloen los devanados del estator.

• Aumenta el tiempo de arranque

METODO DE ARRANQUE UTILIZANDO RESISTENCIA Y REACTANCIA

ESTATORICA EN EL PRIMARIO

Este método de arranque consiste en conectar el motor a la línea mediante una

resistencia o reactancia en serie en cada una de las fases en un solo tiempo, ya estando

en serie cada una de las resistencias con el estator o del primario se reduce la

corriente de arranque, la elevada corriente de arranque produce una inmediata

reducción de la tensión en los terminales el estator.

Los acoplamientos eléctricos de los devanados respecto a la red no se modifica

durante el arranque, la corriente de línea disminuye solamente en proporción a la

disminución de tensión aplicada al motor y el par motor disminuye

proporcionalmente al cuadrado de la tensión aplicada a los terminales del estator. Y

para producir una reducción suficiente de la tensión del estator en el momento del

arranque, pueden utilizarse o bien resistencias o bien bobinas de reactancia. En este

arranque se denomina “aceleración de la impedancia del primario”.

Cuando se utiliza la resistencia primaria o reactancia primaria hay una reducción de

tensión en el estator al momento del arranque, se produce la reducción del par.

Cuando acelera el motor, la tensión entre los terminales del estator aumenta debido a

la reducción de la corriente de línea es decir menor caída de tensión la impedancia

serie y el par aumenta según el cuadrado de la elevación de tensión.

El arranque a tensión reducida mediante una resistencia en serie en el estator

mejorara el factor de potencia en el arranque, pero se producen perdidas algo

mayores y el par máximo no será tan grande para la misma impedancia en serie que

se obtiene utilizando una reactancia equivalentes.

La tensión aplicada en los bornes del motor no es constante durante el período de

aceleración. La intensidad, máxima cuando se pone el motor en tensión, disminuye a

medida que el motor acelera; la caída de tensión en las bornes de la resistencia

disminuye y la tensión en los bornes del motor aumenta progresivamente.

Como el par es proporcional al cuadrado de la tensión, los valores obtenidos del par

son más elevados, para un par inicial dado, que con un sistema que suministra una

tensión reducida de valor fijo.

La velocidad va aumentando progresivamente y sin cambios bruscos. Por otra parte,

es posible modificar los va­lores de la intensidad y del par de arranque adaptando la

resistencia.

El arranque estatórico por resistencia es conveniente para realizar el arranque de las

máquinas con par resistente creciente o cerca de la mitad del par nominal e incluso en

las máquinas potentes y de gran inercia. La resistencia se puede graduar en secciones

para limitar la corriente de arranque a un valor promedio según las normas de la

compañía y el par que necesita la máquina de carga.

Circuito de arranque por resistencia o reactancia estatóricas en el primario.

Los arrancadores de resistencias manuales de diferentes posiciones son normalmente

del tipo de disco. En los arrancadores de contactor se puede disponer uno de estos

para obtener una aceleración adicional cortocircuitando la resistencia de arranque.

Corrientemente, sin embargo se emplea solamente una sección de la resistencia que

se cortocircuita cuando el motor adquiere la velocidad deseada.

Un motor dado desarrolla el mismo par de arranque a una tensión reducida ya sea

mediante autotransformador o mediante resistencias de arranque.

Sin embrago, mediante este ultimo método, el motor puede acelerarse casi hasta la

velocidad nominal, porque a medida que la velocidad aumenta la corriente disminuye

y la caída de tensión en las resistencias también, aumentando la tensión aplicada y el

par. Con este método la corriente de arranque es proporcional a la reducción de

tensión y el par lo es al cuadrado de la tensión. Por lo tanto si se compara el

funcionamiento del motor de otra clase con resistencias de arranque para el 65 % de

tensión, la corriente de arranque seria:

5 veces la corriente nominal

93 % del par nominal

El número de arranques queda limitado por la potencia de sus resistencias y, como

estas deben soportar la corriente rotórica con el motor parado, su precio y sus

dimensiones físicas tienden a limitar su empleo con motores de baja potencia.

Cuando se necesita un arranque suave y gran par de arranque se puede conseguir esto

mediante una resistencia única en cada una de las fases del estator. Cuando la

resistencia tiene varios terminales se puede elegir el par de arranque mediante la

posición del selector de las resistencias. Este método se emplea con motores de jaula

de ascensores pequeños, donde, debido a la corta duración del periodo de carga, la

resistencia se deja a menudo permanentemente al circuito

Esta forma de arranque de motores, se utiliza para la puesta en marcha de motores de mediana y gran potencia cuyo par resistente en el arranque es bajo.

CARACTERÍSTICAS DEL ARRANQUE POR RESISTENCIAS

ESTATÓRICAS:

N° punto de arranque

Tensión en motor con 1er punto

Corriente absorbida con 1er punto

Par de arranque en el 1er punto

2 58% De VL 58% de Ia 33% del par

3 52% De VL 52% de Ia 27% del par

4 47% De VL 47% de Ia 22,5% del par

CÁLCULO DE LA RESISTENCIA POR FASE

Rf= resistencia de fase.

VL= tensión de la línea.

In= Intensidad nominal de motor

DATOS NECESARIOS PARA HACER EL CÁLCULO DEL EQUIPO DE ARRANQUE

Arranque con un sentido de giro o con inversión de giro.

Tensión y frecuencia de la red. Potencia del motor. Intensidad de motor (nominal). Número de puntos de arranque. Tipo de máquina a accionar. Número de maniobras por hora. Intervalo entre los arranques consecutivos

Este tipo de arranque no presenta algunos de los inconvenientes que se dan en la conexión Y-D, tal y como se indica:

Al pasar de un punto de resistencia a otro, no hay cortes de la corriente que alimenta al motor.

El par de arranque crece más rápidamente con la velocidad. Las puntas de intensidad también son más reducidas. Esta forma de arranque se utiliza para motores trifásicos con rotor en

cortocircuito. Duración media del arranque: de 7 a 12 segundos. Se utiliza esta forma de arranque para máquinas con fuerte inercia, sin

problemas específicos originados por su par e intensidad de arranque. No hay corte de corriente al pasar de un punto a otro, como sucede en D-Y. La intensidad de arranque puede llegar hasta 4,5 In.

APLICACIONES HABITUALES

Máquinas de elevada inercia sin problemas especiales de par ni de corriente en el

arranque

DEMOSTRACION DEL PAR DE ARRANQUE POR RESISTENCIA

ESTATORICA

Pa= m2E2I2cosφ2=Pcu2/S

Pcu2= m2I22R2= m1I22R´2

Admitiendo, en primera aproximación, I2 = I1, tendremos:

Pa= m1I12R`2/S = K (I12/S)

El par nominal, correspondiente a la corriente y al resbalamiento nominal del motor

Sn será:

Pan= K (In2/S)

Y el par de arranque, con la corriente de arranque Ia y el resbalamiento igual a uno:

Paa = K I2a

La relación entre el par de arranque y el nominal resulta ser:

En el caso del arranque directo, sin reóstato alguno interpuesto:

Ia =I cc

Y en consecuencia:

2 Sn

En un motor cuya relación sea igual a 6 y el resbalamiento nominal, a plena carga

4%, la relación anterior nos daría:

62 X 0,04 =1,44

Si por imposición se tuviera que limitar la corriente de arranque a un valor igual a dos

veces la corriente nominal, a=2, la relación anterior se reducirá a:

0,04x 22= 0,16

se comprende, al ser tan exiguo este valor, que este método de arranque se utilice solo

en los casos de arranque en vacio, o para motores muy pequeños en los que el

resbalamiento nominal es del orden del 6% al 8% y el par de arranque exigido del

orden de la mitad del nominal como máximo.

Es fácil comprobar que el par de arranque es proporcional al cuadrado de la tensión

aplicada a los bornes de deducir:

Paa= KI2a

Por otra parte, la corriente de arranque podemos expresarla, según el circuito

equivalente de la máxima, por:

En donde V1m es la tensión aplicada al estator de motor y Zcc la impedancia de

cortocircuito, luego:

2 =K´ V21m

Cualquier método que reduzca la tensión aplicada al estator del método reducirá la

corriente derivada de la tensión y el par. La corriente en la misma relación que se

reduce la tensión y el par en relación cuadrática.

NOMENCLATURA

Ia=Corriente fase a. Corriente devanado auxiliar

Pa=Potencia electromagnética transferida al rotor

φ2 =Ángulo de desfasaje del rotor

Pan=Par nominal en vatios-síncronos

Paa=Par de arranque en vatios síncronos

Icc=Corriente de cortocircuito

V1m=Tensión aplicada al estator por fase

K=Constante. Números de ranuras

I1=Corriente del primario o del estator. Corriente sistema directo

I2=Corriente del secundario o del rotor. Corriente sistema inverso

R´2=Resistencia por fase del secundario, reducida al primario.

Pcu1= perdidas en el cobre del primario o del estator.

m1=Número de fases del primario (estator)

m2 =Número de fases del secundario (rotor)

CURVA DEL ARRANQUE

Esta es la curva del efecto de la impedancia del estator, se muestra el par-

deslizamiento o resbalamiento del motor a plena carga y va a ver la misma

impedancia, la corriente y el par de arranque en el momento del arranque son iguales

en el arranque por resistencia y por reactancia.

Explicación de la Curva de arranque bajo tensión reducida por reactancia

Este modo de arranque (ver esquema de potencia)es el modo más simple de reducir la punta de corriente en la red; el par motor de arranque es pequeño y por ello las máquinas arrastradas deben tener un par resistente relativamente débil durante la fase de lanzamiento: compresores, bombas centrífugas, grupos convertidores, etc. En efecto, el par de un motor asíncrono varía según el cuadrado de la tensión de alimentación, y la corriente absorbida es proporcional a esta tensión.

2

Siendo:

P`d= Par de arranque a tensión reducida

Pn=Par de arranque con tensión nominal

Vd=Tensión de arranque reducida

Vn=Tensión nominal de funcionamiento

Siendo:

= corriente de arranque a tensión reducida

Ia=corriente de arranque con tensión nominal

Estas relaciones se escriben también en valores relativos en base a las características

nominales:

La curva de la figuradan las variaciones de las relaciones en función de la relación

La tensión en bornes del motor se aumenta progresivamente en el curso del arranque: el lanzamiento obtenido es suave.

Funcionamiento y esquema de principio Primer tiempo marcha con tensión reducida por el cierre de CL: contactor de

línea, Segundo tiempo marcha nominal por el cierre de Cc: contactor de cortocircuito.

Curva de arranque bajo tensión reducida por reactancia

ETAPAS DEL ARRANQUE

La puesta en marcha o arranque en dos o más etapas:

PRIMERA ETAPA. RESISTENCIA INTERCALADA ENTRE EL MOTOR Y LA LÍNEA

Conexión del motor en estrella o triángulo, según la tensión de línea, y acoplamiento a través de unas resistencias intercaladas entre la línea de alimentación y el motor

En el siguiente esquema que se observa la punta de intensidad en el arranque se

reduce en la misma proporción en que queda reducida la tensión compuesta del

motor con resistencia del Vn con respecto a la tensión compuesta de la línea V, es

decir, la proporción Vn/V.

En cuanto al par de arranque, su valor queda reducido al cuadrado de la citada

relación, es decir, la proporción (Vn/V)2.

SEGUNDA ETAPA: ELIMINACIÓN DE LA RESISTENCIA APLICANDO LA TENSIÓN

COMPUESTA DE LÍNEA AL MOTOR (MARCHA NORMAL)

Finaliza el Arranque por la eliminación de las resistencias, una vez el motor haya

alcanzado una velocidad cercana a la nominal, con lo que la tensión de línea V queda

aplicada a los bornes del motor, funcionando ya con sus características naturales.

ELECCIÓN DE LOS COMPONENTES DEL ARRANCADOR

Los distintos elementos que componen un arrancador estatórico deben ser calculados

y elegidos por separados por el propio usuario, siendo necesario para ello disponer de

una serie de datos relativos a la línea de alimentación, motor y maquina accionada,

tenemos que fijarnos en los contactores y el relé térmico.

CONTACTORES

1er tiempo. Conexión del contactor KM2.

Este contactor deberá estar dimensionado para la corriente de arranque.

2o tiempo. Conexión del contactor KM1

Este contactor deberá estar dimensionado para una corriente nominal o par nominal.

Temporizador.

El temporizador tiene como función controlar el tiempo de arranque, limita el tiempo

en el cual la resistencia esta en serie con el estator (voltaje reducido en los bornes).

Una vez cumplido el tiempo de arranque el temporizador hace desconectar la

resistencia y conectar la tensión nominal hacia los bornes del motor

RELE TERMICO

El relé térmico en un arranque normal lo calibraremos para una corriente nominal.

Si el arranque es lento, conectaremos dos relés térmicos, uno a la salida de cada

contactor. De este modo, tendremos uno para el periodo de arranque, calibrado para

la corriente de arranque, y otro para el periodo de funcionamiento normal, calibrado

para In.

En el esquema de maniobra, está representado tres fusibles F3, un relé térmico F2,

dos interruptores S1 y S2, un temporizador KA1, y dos contactores KM1 y KM2.

En el esquema de potencia se puede ver la representación de las resistencias

estatóricas. No se pueden representar en el esquema de maniobra, porque no son un

elemento de control, además, todo el circuito de maniobra es precisamente para

controlar dichas resistencias.

Explicación de la maniobra:

S1:

Al pulsar sobre S1, entran en funcionamiento KM1 y KA1. Transcurrido un tiempo

KA1, temporiza y cambia KM1 por KM2, dejando desconectadas las resistencias

estatóricas y conectando el relé térmico de seguridad F2.

S2:

Desconecta a KM2 y F2. Inicio del paro del motor, tiene una inercia.

Esquema de potencia Esquema de maniobra

VENTAJAS

Es la reducción de pérdidas así como en el aumento del par máximo están algo

contrarrestadas por el corte superior de las reactancias

Tiene la ventaja y es que evita los transitorios de corriente, porque el motor no

se desconecta de la línea durante el periodo de arranque.

Con respecto al arranque estrella/triangulo, es el poder de tener continuidad

en la alimentación del motor sin existir corte de los arrollamientos, con lo que

la transición de arranque a marcha normal se efectúa sin pérdida de velocidad.

Posibilidad de ajuste de los valores de arranque.

No hay corte de la alimentación durante el arranque.

Importante reducción de las puntas de corriente transitorias.

Arranque configurable. Se puede elegir la Ia Arranque suave. La velocidad aumenta a tramos La alimentación es continua. No hay cortes. Necesidad de resistencias voluminosas.

DESVENTAJA

El par de arranque disminuye de forma cuadrática, luego solo es válido ante cargas de

bajísimo par de arranque.

Pequeña reducción de la punta de arranque.

Necesita resistencias.

Es caro Un método económico es utilizar resistencias líquidas (cubos de carbonato de

sodio) El par de arranque es pequeño Es un método ineficaz y con gran pérdida calórica. Circuito de potencia para 2 etapas. Maquinas de elevada inercia sin problemas de par ni de corriente en el

arranque.

CONCLUSIONES

En esta forma de arranque se utilizan para puesta en marcha de motores de mediana y

gran potencia cuyo par resistente en arranque es bajo.

Este tipo de arranque no presenta alguno de los inconvenientes que se da en la

conexión delta estrella.

Al pasar de un punto de resistencia otro, no hay cortes de la corriente que alimenta al

motor

El par de arranque crese más rápidamente con la velocidad

Las puntas de intensidad también son reducidas

También se utilizan esta forma de arranque para arranque maquinas con fuerte

inercia, sin problemas específicos originados por su par e intensidades de arranque.

Corriente inicial de 4.5In

Par (Cn) inicial de arranque: 0.6-0.85Cn

Duración media del arranque: 7 a 12 seg.