INSTITUTO TECNOLGICO DE ZACATECAS

INGENIERIA ELECTROMECNICA

Controles elctricosMtodos de arranque para motores trifsicosQue presenta: Josu Alvarado Rodrguez.6 Semestre. Grupo B.Director del proyecto:MI. Marco Garca Romero.

Zacatecas, Zac. a 26 de marzo del 2015.

INTRODUCCINEl motor elctrico trifsico de tipo asncrono es actualmente un elemento de gran importancia para diversas aplicaciones en una gran cantidad de lugares a nuestro alrededor, desde aplicaciones de poca potencia como puede ser en molinos de granos hasta aplicaciones de gran potencia como los grandes molinos de las minas y dems industrias. El empleo de estos motores resulta muy satisfactorio, pues con ellos se pueden realizar trabajos pesados de gran potencia. El gran problema resulta al momento de arrancarlos para que comiencen a trabajar, ya que si se conecta directamente a la red elctrica ste absorbe una intensidad de corriente muy fuerte de la lnea, lo que puede afectar no slo a la duracin de los aparatos de conexin, sino a las lneas que suministran energa elctrica.Estas fuertes corrientes sobrecargan las lneas de distribucin, pudiendo producir cadas de tensin y calentamiento en los conductores de las mismas. Por esta razn, las compaas de energa prescriben reglamentaciones para reducir dichas corrientes de arranque a unos valores que sean aceptables.El arranque directo est permitido para motores que posean una potencia inferior a 5.5 Kw.Una forma de reducir la corriente de arranque es reducir la tensin aplicada al motor, con ello tambin se disminuye el par efectivo de arranque, ya que al disminuir la tensin, el flujo del estator tambin disminuye y con l de igual manera se reduce el voltaje en el rotor y la intensidad rotrica. El par de arranque disminuye con el cuadrado de la tensin.En base a lo anterior, cabe aclarar que actualmente existen diferentes mtodos de arranque de motores trifsicos asncronos en los que la tensin se ve reducida para evitar daos a los equipos y sobrecalentamientos en los conductores. Algunos de ellos son el de arranque por resistencias primarias, el de arranque en conexin estrella-delta y el de arranque mediante autotransformador. Cada uno de ellos se mostrar de manera grfica en el presente trabajo, adems se incluye la explicacin de su funcionamiento.

Arranque a tensin plenaEl arranque a tensin plena se emplea cuando la corriente demandada, no produce perturbaciones en la red y cuando la carga puede soportar el par de arranque.En este tipo de arranque se observa un comportamiento de la corriente y del par como se muestra en la siguiente grfica:

Ventajas: Costo reducido. No tiene lmite en el nmero de arranques. Componentes ocupan poco espacio.Desventajas: Elevada corriente de arranque. Provoca cadas de tensin. Sobredimensionamiento del sistema de proteccin (cables, contactores). Produce picos de torque. Aumenta el mantenimiento y quiebras mecnicas.Para lograr el arranque a tensin plena, se utilizan los elementos que se muestran a continuacin y la manera de conectarlos es la siguiente:

Explicacin del funcionamiento1. El disyuntor Q1 y Q2 se deben activar para que la corriente pueda ingresar tanto en la parte de potencia como en la de control respectivamente.2. La corriente pasa por Q2 y llega a un contacto NC-NA (-F1), el cual cambia a NA-NC cuando se detecta una sobrecorriente en la parte de potencia, cuando esto ocurre, se interrumpe el paso de corriente hacia los controles y se manda corriente a un indicador visual (H3) para notificar que hubo una sobrecorriente en el sistema.3. Mientras no se de una sobrecorriente en la parte de potencia, en la parte de control la corriente sigue su camino hasta llegar a un botn de paro de emergencia (-S0), el cual es un contactor pulsador NC. Este pulsador se puede utilizar cuando se desea que el sistema se detenga completamente, pues permite desenergizar todos los elementos de control y por ende los elementos de potencia.4. En la parte de control, la corriente llega dos contactores pulsadores NA, cada uno de ellos tiene conectado en paralelo un contacto auxiliar para efectuar un enclavamiento, ya que su cierre se lleva a cabo al activarse la bobina que se encuentra enseguida. El primer contactor pulsador NA (-S1) al cerrarse, deja pasar corriente a travs de un contacto auxiliar NC que se abre cuando la bobina KM2 est energizada, lo mismo ocurre para el otro contacto auxiliar NC cuando se activa la bobina KM1. Como el contacto se encuentra cerrado, la corriente sigue su camino y se activa la bobina KM1, as como una sealizacin ptica. Lo anterior hace que el contactor en la parte de potencia que depende de la bobina KM1 se cierre y por lo tanto la corriente circula hacia el motor y este comienza a girar en el sentido horario. Como la bobina se encuentra enclavada, slo se puede desactivar al presionar el contacto pulsador NC (-S0).5. Al cerrarse el pulsador NA (-S2), la bobina KM2 se activa y se queda enclavada porque un contacto auxiliar NA se cierra y la bobina se retroalimenta. La bobina KM2 tambin cierra un contactor en la parte de potencia, pero a diferencia del que se cierra al energizarse KM1, ste tiene intercambiadas 2 fases, por lo que el giro del motor, en este caso es en sentido antihorario. NOTA: Antes de hacer que el motor gire en sentido contrario al que se encuentra trabajando, se debe presionar el botn de paro de emergencia para desenclavar la bobina de que se trate. Los contactos auxiliares son tiles como proteccin al sistema de potencia, ya que si se activaran al mismo tiempo se producira un cortocircuito. Si los disyuntores son desactivados, la corriente deja de circular en el circuito al que est acoplado.A continuacin se presentan imgenes ilustrativas del funcionamiento:

En este caso se activa la bobina KM1. El motor gira a la derecha.

En este caso la bobina KM2 es la que se activa. El motor gira a la izquierda.

La imagen muestra lo que ocurrira en caso de una sobrecorriente en la parte de potencia; los controles quedan inactivos y la parte de potencia queda desenergizada (Una sealizacin ptica se enciende).

Arranque por resistencias primarias (Arranque a tensin reducida) Se realiza a travs de un grupo de resistencias, produciendo una cada de tensin en ellas, reduciendo la corriente y el par durante el arranque. Una vez que el motor alcanza una velocidad superior al 70% de la nominal se desconectan las resistencias primarias, dejando el motor funcionando con la tensin plena de alimentacin. Este tipo de arranque emplea un juego de resistencias conectadas al motor, con la finalidad de arrancar con una tensin reducida, dichas resistencias sern el primer juego cortocircuitadas y el segundo desconectadas, de manera progresiva mediante el uso de temporizadores del tipo On Delay. Al final, el motor quedar conectado directamente a las lneas de fuerza trifsicas, donde podr trabajar con la tensin de la red.

Para lograr el arranque a tensin reducida por medio de resistencias primarias, se utilizan los elementos que se muestran en la imagen y la manera de conectarlos es la que se observa.

En esta grfica se observa el comportamiento de la corriente y del par en el arranque por el mtodo de resistencias primarias.

Explicacin del funcionamiento1. Primeramente, se protegen los elementos de ambos sistemas, el de control y el de potencia por medio de disyuntores que se abrirn en caso de que se produzca una sobrecorriente que pueda en un determinado caso daar los equipos y dems elementos. Para la parte de potencia la proteccin viene dada por el disyuntor (-Q1) y para la parte de control por (-Q2).2. La corriente en las lneas de alimentacin que van hacia el motor (-M1) en la parte de potencia se encuentran con una serie de resistencias. En este caso son 2 conjuntos de elementos resistivos (R1 y R2).3. En la parte de control se debe contar con un contacto pulsador NC (-S0) con el que se pueda desactivar cualquier paso de corriente a los elementos de control, por lo que la parte de potencia tambin se ver desactivada. Enseguida, la corriente llega a un contacto pulsador NA (-S1) que tiene acoplado un contacto auxiliar en paralelo que se cierra siempre y cuando la bobina con temporizador a la conexin (-KM6) se encuentre activa. Esto para llevar a cabo un enclavamiento.4. Cuando la bobina con temporizador a la conexin (-KM6) se activa, el contactor dependiente de (-KM6) se cierra y la corriente fluye hacia el motor (-M1), sin embargo, en el camino se encuentra con dos conjuntos de elementos resistivos (R1 y R2), los cuales disminuyen la corriente y el par durante el arranque. 5. Cuando el motor (-M1) recibi una tensin menor a la de la red elctrica, arranc suavemente porque su corriente y par eran bajos, sin embargo, despus del tiempo con el que se haya programado la bobina con temporizador (-KM6), se cierra un contacto temporizador de conexin NA para activar otra bobina con temporizador a la conexin (-KM4), la cual cierra un contactor que puentea los cables de las lneas de alimentacin para que la corriente pase ahora por un solo grupo de resistencias (R2), lo que aumenta ms la tensin que recibe el motor (-M1).6. Luego del tiempo con el que se haya programado la bobina con temporizador (-KM4) se cierra un contacto temporizador de conexin NA para activar una bobina de tipo monoestable (-KM1) y a su vez se realiza un enclavamiento por medio de un contacto normalmente abierto que se cierra al activar (-KM1). 7. La bobina (-KM1) cierra un contactor que se encarga de puentear las lneas de alimentacin a un rel trmico y despus directamente al motor (-M1). Esta bobina se encarga tambin de desenergizar a las anteriores, puesto que ya no son tiles a partir del momento de su activacin. De esta manera, el motor (-M1) queda conectado directamente a la red elctrica. Para apagar el motor y que los elementos de control basta con presionar el contacto pulsador NC (-S0) que funciona como interruptor de paro de emergencia.NOTA: Si se llegara a presentar una sobrecorriente en la parte de potencia, el rel trmico (-F1) se acciona y se corta el suministro de corriente al motor (-M1), adems de que el trmico NC-NA cambia a NA-NC y una sealizacin ptica (-H3) se enciende.A continuacin se presentan imgenes ilustrativas del funcionamiento:En esta etapa se acciona la bobina KM6 y la corriente hacia el motor se ve interrumpida por dos grupos de resistencias.

En una segunda etapa, se activa la bobina KM4 y se descarta el grupo de resistencias R1, por lo que en el motor M1 se ve un aumento en la tensin recibida.

Finalmente, la bobina KM1 se activa y las otras se desactivan, es entonces cuando el motor recibe el voltaje total de la red elctrica, descartando las resistencias R1 y R2.

Si se llega a presentar una sobrecorriente en la parte de potencia, un rel trmico se activa para cortar el suministro de energa y una sealizacin ptica se enciende.

Mtodo de arranque en estrella-delta Este circuito sirve para arrancar motores trifsicos, cambiando el conexionado de los devanados del motor, primero en estrella y luego de cierto tiempo en delta. Su finalidad es producir un arranque que le permita al motor vencer la inercia con un bajo consumo de corriente. Una vez que haya vencido la inercia en el modo estrella, el circuito de mando debe ser capaz de conmutar al modo delta de manera automtica, para el efecto se emplea un temporizador On Delay.Ventajas: Costo reducido relativo. No tiene lmite en el nmero de arranques. Los componentes ocupan poco espacio. Corriente de arranque reducida.Desventajas: Disponibilidad de los bornes para conexin. La tensin de red debe coincidir con la tensin en delta. En el arranque, el motor debe alcanzar 90% de su velocidad. Torque reducido a 1/3 del nominal.

Diagramas de potencia y de control para un arranque de motor en estrella-delta.Explicacin del funcionamiento1. Primeramente, se protegen los elementos de ambos sistemas, el de control y el de potencia por medio de disyuntores que se abrirn en caso de que se produzca una sobrecorriente que pueda en un determinado caso daar los equipos y dems elementos. Para la parte de potencia la proteccin viene dada por el disyuntor (-Q1) y para la parte de control por (-Q2).2. La corriente pasa por -Q2 y llega a un contacto NC-NA (-F1), el cual cambia a NA-NC cuando se detecta una sobrecorriente en la parte de potencia, cuando esto ocurre, se interrumpe el paso de corriente hacia los controles y se manda corriente a un indicador visual (H3) para notificar que hubo una sobrecorriente en el sistema.3. Un contacto pulsador NC (-S0) que se encuentra enseguida de F1 sirve como botn de paro de emergencia para el sistema. La corriente pasa a travs del paro de emergencia mientras se encuentre cerrado y llega a un contacto pulsador NA (-S1), el cual sirve para accionar todo el sistema.4. Cuando se activa el sistema con el contacto pulsador NA (-S1) se activan las bobinas (-KM3) y (-KM1). -KM1 cierra un contactor que va directamente al motor (-M1) y (-KM3) cierra otro contactor en el que se unen tres de los bornes del motor (-M1) para hacer un punto comn, logrando una conexin en estrella.5. Transcurrido un tiempo, debido a que la bobina (-KM1) es de tipo temporizador a la conexin, se abre un contacto temporizado NC que desactiva la bobina (-KM3) y al mismo tiempo se activa la bobina (-KM5), lo que hace posible que la conexin en estrella se desconecte y el motor queda trabajando en delta y a tensin plena.NOTA: Para cortar la corriente en la parte de control y en la parte de potencia, se debe presionar el contacto pulsador NC (-S0). A continuacin se presentan imgenes ilustrativas del funcionamiento:

En una primera etapa, el arranque del motor se lleva a cabo en conexin estrella.

Posteriormente, al pasar un tiempo programado, se efecta el cambio de conexin a delta.

Si se llega a presentar una sobrecorriente en la parte de potencia, un rel trmico se activa para cortar el suministro de energa y una sealizacin ptica se enciende.

Mtodo de arranque por autotransformadorEl motor se alimenta a tensin reducida mediante un autotransformador que una vez finalizado el arranque, queda fuera del circuito. La grfica del comportamiento del par y de la corriente para este mtodo de arranque es la siguiente:

El arranque se lleva a cabo en tres tiempos:1. En el primer tiempo, el autotransformador comienza a acoplarse en estrella y a continuacin, el motor se acopla a la red a travs de una puerta de los devanados del autotransformador.2. Antes de pasar al acoplamiento a plena tensin, la estrella se abre. En este momento, la fraccin de bobinado, conectada a la red crea una inductancia en serie con el motor. Esta operacin se realiza cuando se alcanza la velocidad de equilibrio, al final del primer tiempo.3. El acoplamiento a plena tensin interviene a partir del segundo tiempo, normalmente muy corto (una fraccin de segundo). Las inductancias en serie con el motor se cortocircuitan y a continuacin, el autotransformador queda fuera del circuito. La corriente y el par de arranque varan en la misma proporcin.NOTA: El arranque se lleva a cabo sin intervencin de corriente en el motor, lo que evita que se produzcan fenmenos transitorios.Ventajas: En el cambio de la tensin reducida a la tensin de la red, el motor no es desconectado y el segundo pico de corriente es reducido. No es posible obtener variaciones de 65 a 90% de la tensin de la red.Desventajas: Costo elevado del autotransformador. Tamao y peso elevados en funcin del autotransformador.Explicacin del funcionamiento 1. Primeramente, se protegen los elementos de la parte de potencia por medio de un disyuntor que se abrir en caso de que se produzca una sobrecorriente que pueda en un determinado caso daar los equipos y dems elementos. Para la parte de potencia la proteccin viene dada por el disyuntor (-Q1).2. La corriente pasa por -Q1 y llega a un contacto NC-NA (-F1), el cual cambia a NA-NC cuando se detecta una sobrecorriente en la parte de potencia, cuando esto ocurre, se interrumpe el paso de corriente hacia los controles y se manda corriente a un indicador visual (-H3) para notificar que hubo una sobrecorriente en el sistema.3. En la parte de control, se conecta un contacto pulsador NC que servir como botn de paro de emergencia (-S0). Siempre y cuando este pulsador se encuentre cerrado, la corriente sigue su camino hacia el botn que se usar para el accionamiento, el cual es un contacto pulsador NA (-S1). Cuando se accione el sistema, la corriente activar la bobina (KM3), que a su vez activa a (-KM2). (-KM3) cierra un contactor en la parte de potencia para lograr formar un punto neutro entre las 3 fases de alimentacin y (-KM2) acciona un contactor que permite alimentar al autotransformador.4. La energa que sale del autotransformador se conecta al motor, no sin antes pasar por un rel trmico de proteccin (-F1). De esta manera, el motor ahora se encuentra trabajando a una tensin menor que la plena. Conectada en paralelo a la bobina (-KM2) est una bobina de tipo temporizador a la conexin (-KMT), la cual despus de un tiempo programado desactiva todas las bobinas excepto (-KM1), la cual cierra un contactor que suministra la tensin plena al motor (-M1), adems, una sealizacin ptica indica que el motor se encuentra operando a la tensin total de la red, pues el autotransformador ha quedado fuera de funcionamiento.NOTA: Para cortar la corriente en la parte de control y en la parte de potencia, se debe presionar el contacto pulsador NC (-S0). A continuacin se muestran los elementos y su forma de conexin para lograr un arranque a tensin reducida mediante un autotransformador:

A continuacin se presentan imgenes ilustrativas del funcionamiento:El motor es alimentado por una tensin menor a la de la red, pues se ve afectada cuando el autotransformador se encuentra en operacin.

Despus de un tiempo, el autotransformador es desconectado y el motor es alimentado por la tensin total de la red elctrica.

En caso que se presente una sobrecorriente en la parte de potencia, se corta el suministro elctrico al motor (-M1) y a los controles. Adems una sealizacin ptica es encendida.

CONCLUSIONESEl motor trifsico asncrono es un elemento muy utilizado en muchos lugares debido a que con ellos se pueden realizar tareas donde se requiera una gran cantidad de potencia. Sin embargo, existen inconvenientes asociados a su comportamiento, principalmente enfocados al momento en que son arrancados para comenzar a trabajar, ya que la corriente demandada en ese instante es muy grande, dependiendo del motor, puede llegar hasta un 80% de su corriente nominal, claro que estos valores estn sujetos a variaciones. En vista de lo anterior, se ha optado por aplicar mtodos de arranque en los que este problema disminuya para evitar problemas con las instituciones que se encargan del suministro de energa elctrica, ya que sus equipos y dems componentes de infraestructura se ven expuestos a daos significativos. No solo se trata de no perjudicar a este tipo de compaas sino tambin de evitar accidentes y daos a los equipos que se encuentren conectados a la misma lnea de distribucin.Cuando una conexin de motores a plena tensin no es aplicable, se emplean los mtodos de arranque con los que se disminuye la tensin de alimentacin y por ende tambin el par de arranque y la corriente. Dichos mtodos son el de autotransformador, resistencias primarias y conexin estrella-delta. Los cuales tal vez resulten poco ventajosos si se les ve desde una perspectiva econmica pero si no se aplican las consecuencias pueden llegar a costar ms.