Arranque de Motores

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ARRANQUE DE MOTORES. (Versión impresa no controlada) Este documento es para uso interno del personal de WOODGROUP PSN, con fines académicos. Se prohíbe su reproducción parcial o total con otros fines.

Cargo: Técnico Electricista

Elemento: ARRANQUE DE MOTORES

Asesor: Rubén Darío Soler Triana

Asesor interno: Sergio David Bacca Moreno

En las guías de motores AC y DC se presentó información referente al funcionamiento de los motores. En esta guía se presenta el primer aspecto que se debe considerar a la hora de utilizar motores. Como se verá a lo largo de esta guía, un mal arranque de un motor puede afectar negativamente al sistema de suministro de energía y a los equipos de control de motores. En esta guía se explica la forma de arrancar adecuadamente un motor para no dañar los demás sistemas.

Después del estudio de esta guía el entrenado deberá ser capaz de:

Reconocer el funcionamiento de los motores cuando

arrancan. Entender cómo el arranque de los motores puede afectar a

los sistemas de alimentación y control de los motores. Identificar las estrategias de arranque y control de motores

DC. Identificar las estrategias existentes para arrancar motores

AC.

ARRANQUE DE MOTORES

1. INTRODUCCIÓN

2. OBJETIVOS

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Para un óptimo entendimiento de esta guía se recomienda el estudio de:

Motores DC Motores AC Factor de potencia. Circuitos polifásicos

3.

En términos de circuitos, un motor se modela como se muestra en

la Figura 1. La resistencia del conductor es la resistencia del embobinado. En el caso de un motor DC corresponde a la resistencia de los embobinados del rotor. En el caso de un motor AC, corresponde a la resistencia de los embobinados que forman los polos en el estator.

Figura 1, Circuito equivalente de un motor DC. Tomado de [1]

Cuando el rotor de un motor se encuentra quieto, cualquier motor

puede verse como una resistencia de bajo valor ya que el embobinado tiene una resistencia del orden de los ohmios. En otras palabras, como no hay FEM inducida porque el rotor no se está moviendo, la carga es vista como una resistencia. Como la resistencia es pequeña el consumo de corriente en este punto va a ser muy alto. A medida que el rotor empieza a moverse por la corriente en el rotor para un motor DC o por el campo magnético oscilante en un motor AC, la FEM aumenta. Ese aumento en la FEM, como se observa en la Figura 1, hace que la diferencia de potencial en la resistencia disminuya a

3. PRERREQUISITOS

4. DESCRIPCIÓN

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medida que el motor acelera; hay que recordar que la FEM que induce el rotor depende de la velocidad del mismo. Esa disminución de potencial hace que la corriente del motor disminuya.

Para el caso ideal de un motor DC, el comportamiento de la

corriente cuando se arranca el motor se muestra en la Figura 2. En ese pico de corriente el motor ejerce una buena cantidad de torque. Luego el llega a un valor estable de consumo de corriente el cual depende de la carga mecánica que se le aplique. Si el motor no tiene carga, su valor de corriente final será cercano a 0.

Figura 2, Curva de arranque de un motor DC. Tomado de [1]

En el caso de un motor AC, el consumo de corriente es alto cuando

el deslizamiento tiene valores cercanos a 1; como cuando el motor arranca. A diferencia de un motor DC, un consumo excesivo de corriente no significa que el motor está ejerciendo una buena cantidad de torque. En la Figura 3 se muestra la curva de arranque de corriente de un motor AC junto al torque ejercido por el mismo. Cabe resaltar que el motor arranca con un deslizamiento de 1 y cuando se acerca al valor de la velocidad síncrona (NS) el deslizamiento es cercano a 0.

En la Figura 3 se puede observar con claridad que un motor cuando

arranca puede alcanzar a valores de hasta el 500% del valor corriente máximo de operación. La situación es similar con un motor DC.

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Figura 3, Curva de arranque de un motor AC. Tomado de [1]

Además de consumir una cantidad elevada de corriente en el

arranque, los motores AC en particular tienen un factor de potencia descompensado. Es decir, el factor de potencia de estos no es cercano a 1. Como se explicó en la guía de factor de potencia, un factor de potencia alejado de 1 significa un alto consumo de potencia reactiva y una baja eficiencia del sistema. En la Figura 4 se muestra el ángulo del Voltaje aplicado y de la corriente consumida por un motor AC.

Figura 4, Fasores de Voltaje y de corriente en el estator. Tomado de [1]

Cuando el motor no tiene carga hay un consumo de corriente

pequeño asociado al pequeño deslizamiento que se produce por fricciones mecánicas en el motor. A esta corriente en el estator del motor sin carga se le conoce como corriente de magnetización (Im). En el caso del motor sin carga el factor de potencia es casi 0 ya que el motor se comporta como una carga inductiva neta. Cuando hay una

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carga mecánica movida por el motor, se puede notar que la corriente en el estator está dada por la suma de la corriente de magnetización y de la corriente de la carga. Por último, en la Figura 4 se muestran los fasores cuando la carga está en su punto máximo. En los 3 casos se puede observar que la corriente y el Voltaje no están en fase por lo que el factor de potencia requiere ser corregido.

Hasta el momento se ha mostrado el comportamiento de los

motores DC y AC en el arranque, a continuación se tratará en detalle el tema del arranque de los motores. En esta guía se hace énfasis en el arranque de los motores AC ya que el tema de arranque de motores DC se trató en la guía de motores DC.

4.1 NECESIDAD DE UN ARRANQUE CONTROLADO

La alta demanda de corriente en el arranque de los motores es un

problema que afecta a los sistemas de control de motores, a los sistemas de aislamiento y protecciones eléctricas, a los sistemas de distribución… Por ejemplo, cuando se utiliza un inversor para variar la frecuencia de alimentación de un motor AC se corre el riesgo que la sobrecorriente dañe los transistores del inversor. Adicionalmente, un motor AC con altos consumos de corriente requeriría de un switch-gear con una elevada cantidad de corriente.

Más allá de la capacidad de los dispositivos presentes en la

alimentación de los motores, un consumo alto de energía puede afectar la alimentación de otros equipos. Por ejemplo, un sistema de distribución tiene una impedancia Z como se muestra en la Figura 5. Si se le conecta un motor va a haber una caída de potencial asociada causada por el alto consumo de corriente del motor.

Figura 5, Sistema de suministro de energía. Tomado de [1]

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Si en la carga de la Figura 5, se tiene una facilidad un aumento en

la corriente hará que la caída de potencial en ZS sea grande por lo que el Voltaje que se le entrega a la carga va a disminuir. Esa caída momentánea de Voltaje en la carga puede afectar seriamente a otros equipos. En la guía de UPS se presenta a la caída de potencial como un efecto no deseado en la alimentación.

En ocasiones esas caídas de potencial momentáneas son

percibidas por los usuarios como una caída en la intensidad de un sistema de alimentación. Existen regulaciones gubernamentales que limitan esas caídas de potencial por lo que es importante controlarlas para evitar sanciones.

A continuación se presentan las distintas estrategias de arranque

de motores.

4.2 ESTRATEGIAS DE ARRANQUE DE MOTORES Cuando un motor ha arrancado y su comportamiento se encuentra

en el final de la curva de la Figura 4, el motor consumirá un nivel de corriente aceptable y será una carga más o menos resistiva. Es decir, en la mayoría de los casos, cuando un motor ha iniciado bien su consumo eléctrico dejará de ser un problema. El objetivo de esta sección es presentar las estrategias de arranque más utilizadas.

4.2.1 ARRANQUE ESTRELLA-DELTA

Para entender esta estrategia es importante recordar cómo llega el

suministro convencional desde la red eléctrica. Como se vio en la guía de circuitos polifásicos, la alimentación que llega de la red tiene 3 líneas y un neutro generalmente. Cuando una carga es trifásica, es decir se utilizan las 3 líneas para su alimentación, hay 2 alternativas de conexión: delta o estrella. Con cualquiera de las 2 opciones hay 3 Voltajes desfasados 120° por lo que el motor AC puede funcionar adecuadamente con cualquiera de las 2 conexiones. Si las fases tuvieran un desfase distinto la construcción del motor trifásico que se vio en la guía de motores AC debería adecuarse.

Cuando una carga se conecta en estrella el Voltaje aplicado, en el

caso del motor, en cada embobinado representa el 58% del Voltaje que se aplicaría en una conexión Delta. La estrategia de arranque consiste en realizar una conexión en estrella en el arranque para que el Voltaje en los embobinados no sea tan elevado durante el arranque. Cuando el motor ha alcanzado aproximadamente el 70% de su velocidad síncrona, la conexión del motor se cambia a Delta. El motor

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en Delta tendrá una capacidad mayor de realizar torque como se ve en la Figura 6. También en la Figura 6 se puede observar cómo arranca el motor.

Figura 6, Arranque estrella-delta. Tomado de [1]

Antes de continuar, es importante aclarar que el par es un sinónimo

de torque. Se puede observar que la corriente de arranque en conexión estrella es pequeña en comparación con una conexión triángulo. Cuando el motor ha alcanzado una velocidad equivalente al 70% de su velocidad síncrona, se hace el cambio a conexión delta lo cual produce un pico de corriente. Este pico de corriente es aceptable y tiene un valor mucho menor al pico de arranque en Delta o triángulo.

En la Figura 7 se muestra un esquema típico de un arrancador

estrella-Delta.

Figura 7, Arrancador estrella-delta. Tomado de [1]

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La principal desventaja de un arrancador estrella-Delta es el bajo torque de arranque. Como ya se mencionó en esta guía, el bajo torque de arranque de los motores AC es su principal desventaja con respecto a los motores DC. Esta desventaja se agudiza con este tipo de arrancadores ya que el torque de inicio es aún menor que con una conexión directa en delta.

4.2.2 AUTOTRANSFORMADOR DE ARRANQUE Como su nombre lo indica, consiste en agregar

autotransformadores a la alimentación del motor (Figura 8). El auto transformador es una bobina que tiene un tap central el cual permite cambiar el valor de la inductancia entre ese tap y un extremo. Es importante recordar que un inductor en un circuito AC reduce la magnitud del Voltaje y lo desfasa. De acuerdo a esto, cuando se arranca el motor conectado al tap central, la magnitud del Voltaje aplicado será menor a la de la red eléctrica. Cuando el motor ha alcanzado el 70% de su velocidad síncrona, se hace cuna conmutación para que la alimentación la provea la red eléctrica.

Figura 8, Arrancador con autotransformador. Tomado de [1]

De esta forma, ocurrirá un fenómeno similar al visto en la sección

anterior: la corriente tendrá un pico cuando se hace la conmutación. En algunos casos este pico puede ser perjudicial para el sistema por lo que es conveniente realizar una conmutación progresiva o suave para reducir la magnitud del pico.

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4.2.3 ARRANQUE CON RESISTENCIA O CON REACTANCIA

Consiste en agregar una resistencia o una reactancia en serie con

el motor mientras este arranca. Cuando el motor ha alcanzado el 70% de su velocidad síncrona, la resistencia o la reactancia se cortocircuita en su entrada y en su salida. De esta forma el motor va a quedar conectado directamente a la alimentación eléctrica. En este tipo de arranque, el torque inicial del motor es inferior al que se alcanza en un arrancador delta-estrella. Sin embargo, esta alternativa es económica ya que en muchos casos el cortocircuitado de la resistencia, o de la reactancia, se hace manualmente.

4.2.4 ARRANCADOR SUAVE DE ESTADO SÓLIDO Es uno de los métodos más utilizados en el arranque de motores.

Tiene la ventaja que permite ajustar la aceleración del motor y la corriente. Esto hace que su arranque no tenga picos de corriente como los arrancadores que se han visto hasta este momento. En algunas aplicaciones, el pico de corriente de los otros arrancadores es inadmisible ya que produce un cambio brusco en el movimiento del motor. Por esta razón el arrancador de estado sólido es una excelente opción (Figura 9).

Figura 9, Arrancador suave de estado sólido. Tomado de [1]

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Se puede observar que el circuito está construido con pares de tiristores. Cada par conduce una vez por cada medio ciclo y cambiando el ángulo de disparo, tiempo que permanece encendido un par de tiristores, cambiará la corriente. En la figura 10 se muestran varias formas de onda de corriente para distintos retrasos del ángulo de disparo.

Figura 10, Formas de onda de corriente. Tomado de [1]

Se puede observar con claridad que las señales de corriente no son

ondas sinusoidales perfectas. Este es quizás el mayor problema de este tipo de arrancadores ya que este ruido puede afectar a los equipos que comparten la alimentación del motor. En la guía de UPS, en la primera pare, se habla del tema de calidad de la potencia y de los tipos de perturbaciones en la alimentación.

4.2.5 ARRANQUE CON UN VARIADOR DE FRECUENCIA Los variadores de frecuencia son dispositivos que permiten variar la

velocidad de un motor variando la frecuencia de la fuente de alimentación. Aumentando lentamente la frecuencia, y por lo tanto la velocidad, el motor arrancará con un torque alto y sin tener picos de corriente. Esta característica hace que los variadores de frecuencia sean la mejor opción para arrancar un motor AC. Sin embargo, su costo es elevado en comparación con las demás alternativas.

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En la guía de variadores de velocidad se trata este tema en detalle.

BIBLIOGRAFÍA

[1]. Hughes, A. Electric Motors and Drives: Fundamentals, types and applications (3rd Edition). Newnes, 2006

0 04-04-2013 Proyecto EASY Sergio Bacca

Rev. Fecha Motivo de su emisión

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CO-ELE34

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