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UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA

INSTALACIONES INDUSTRIALES

MÉTODOS DE ARRANQUE DE MOTORES TRIFÁSICOS Universidad Politécnica Salesiana Vanessa Silvana Chiliquinga Peralta [email protected] Omar Alexander Moromenacho Oña [email protected] Maritza Guisella Moromenacho Paucar [email protected] David Gabriel Pozo de la Cruz [email protected]

Resumen— En general, los motores de potencia superior a 0,75 kilovatios (1CV) deben estar provistos de reóstatos de arranque o dispositivos equivalentes que no permitan que la relación de corriente entre el período de arranque y el de marcha normal que corresponda a su plena carga, para ello estudiaremos los distintos métodos para reducir la corriente de arranque que proporcionan los motor trifásicos. I.

OBJETIVOS

Objetivo general:  Conocer el funcionamiento de los principales tipos de arranque de motores; teniendo el conocimiento de las diferentes formas de arrancar los motores, como métodos para limitar la corriente de arranque.

II.

INTRODUCCIÓN

Los motores trifásicos de inducción presentan una intensidad en el momento del arranque del orden de entre 4 y 7 veces la nominal, para motores de jaula sencilla. Esta sobre intensidad decrece rápidamente conforme el motor adquiere velocidad, hasta estabilizarse en un valor razonable en su punto de trabajo. No obstante esta “punta de corriente de arranque” provoca caídas de tensión y perturbaciones en la red que puede afectar a otros receptores. El REBT en la instrucción ITC-BT-47, obliga a incorporar sistemas adecuados que limiten la intensidad en el arranque. MÉTODOS DE ARRANQUE DE MOTORES TRIFÁSICOS

A. ARRANQUE DIRECTO

Objetivos específicos: Principio de funcionamiento  Conocer los diferentes tipos de arranque de motores trifásicos, ventajas y desventajas y compararlos.  Conocer el funcionamiento de los tipos de arranque de motores y sus principales características.  Conocer cuál es el método más adecuado dependiendo de los medios que el operador desee.  Tener en cuenta cuál de los métodos de arranque es el más efectivo al momento de accionar los motores, con menos tensión, potencia.  Entender cómo funciona el circuito de fuerza y de control de cada método de arranque.

El arranque directo consiste en conectar directamente el bobinado del motor a la red. El motor arrancará con sus características nominales, produciendo un pico de intensidad. Este método de arranque es muy adecuado si el pico de intensidad es tolerable y el par resistente es menor que el par de arranque. El par máximo se alcanza aproximadamente al 80% de la velocidad nominal.  Ventajas - Arranque por simple conexión a la red - Se lo utiliza en motores de pequeña y mediana potencia. - Elevado par de arranque - Se lo realiza en un intervalo de tiempo corto. - Sencillez del equipo - Arranque rápido - Bajo costo de implementación

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 Desventajas - El inconveniente es que toma una corriente de arranque máxima de 5 a hasta 7 veces la corriente nominal. - Produce inconvenientes eléctricos y mecánicos. APLICACIONES: - Es aplicable a motores con una potencia nominal menor a 5HP. - Muy utilizado para motores trifásicos asíncronos con rotor en jaula de ardilla. Solo se requieren conexión a 3 bornes del motor. - No se recomienda en fajas trasportadoras, ni en montacargas por el elevado par de arranque. - Utilizado en industrias debido a su costo, mantenimiento, tamaño y funcionalidad, como aserraderos, molinos de granos, fábricas textiles y fábricas de pólvoras.

Figura 1.2. Esquema de fuerza del arranque directo

B. ARRANQUE CON RESISTENCIAS EN EL ROTOR Principio de funcionamiento

Figura 1.1. Esquema de control del arranque directo

Este método consiste de conectar en serie resistencias en el circuito del rotor del motor, las cuales se irán eliminando secuencialmente hasta que las bobinas del rotor queden cortocircuitadas, con el fin de reducir corrientes transitorias y el torque durante el arranque. Al introducir una resistencia en el devanado del rotor, se aumenta la impedancia de la máquina, con lo que la intensidad requerida para el arranque disminuye. Es por ello que este tipo de arranque se impone en los casos en los que el pico de corriente debe ser débil y se deba arrancar a plena carga Uno de los inconvenientes de este tipo de arranque es que se producen perdidas por efecto Joule al disiparse calor en las resistencias. PARA EVITAR ESTE LAS PERDIDAS POR EL EFECTO JOULE : Se pueden colocar resistencias líquidas (normalmente agua con sales), de forma que el calor se disipa calentando ese líquido. Ventajas - Se aplica a motores de rotor bobinado de hasta 25 hp o 16,65Kw - Este método busca aumentar la impedancia para reducir la corriente de arranque en el motor.

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- Buena relación par/intensidad - Posibilidad de escoger las etapas de aceleración - Disminuye hasta un 80% la corriente de arranque hasta regresar a una corriente nominal.  Desventajas - Se necesitas un motor de rotor bobinado que es más caro que uno jaula de ardilla - Necesita resistencias externas - Aumenta el tiempo de arranque - Aumenta las perdidas debido a la potencia disipada en las resistencias. APLICACIONES: - Este método de arranque mediante resistencias en el rotor es muy eficaz, pero no es eficiente para trabajar en largos periodos con el motor ya que por el hecho de tener resistencias también disminuirá la eficiencia de la maquina utilizada.

Figura 1.4. Esquema de fuerza con resistencia en el rotor. C. ARRANQUE CON RESISTENCIAS EN EL ESTATOR Principio de funcionamiento

Figura 1.3. Esquema de control con resistencia en el rotor.

Este método consiste en colocar tres resistores en serie con el motor durante el tiempo de arranque. Las resistencias producirán una caída de tensión que consigue que la tensión del motor sea inferior a la nominal. Colocando resistencias en serie con el estator, se puede elegir la tensión de arranque y por tanto la intensidad de arranque. El motor arranca en dos o más etapas, conectando una resistencia en serie con cada bobina del estator. El valor de la resistencia se reduce en cada etapa. Cada etapa necesita un contactor enclavado La caída de voltaje a través de los resistores es alta al comienzo, pero disminuye gradualmente conforme el motor adquiere velocidad y la corriente se reduce. Por tanto, el voltaje a través de las terminales del motor se incrementa con la velocidad, así que el choque eléctrico y mecánico es insignificante cuando se aplica finalmente todo el voltaje. Existe el inconveniente que para bajar la intensidad de arranque se baja mucho el par de arranque pudiendo la maquina no arrancar.

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 Ventajas - Una ventaja con respecto al arranque estrella-triángulo es que no se van a producir cortes de tensión en el momento de eliminar las resistencias estatóricas. - El torque de arranque aumenta progresivamente durante la aceleración del motor. - El paso a voltaje nominal se realiza sin ninguna interrupción -Arranque suave, la velocidad aumenta a tramos -La alimentación es continua - Sencillo y barato - Posibilidad de escoger las etapas de aceleración  Desventajas - El par de arranque disminuye de forma cuadrática, luego solo es válido ante cargas de bajísimo par de arranque. Hoy está casi obsoleto. - La reducción de la intensidad de arranque es pequeña - Necesita resistencias externas - Se considera ineficaz y con perdida calorífica - Se ve Limitada a motores en los que el momento de arranque resistente, sea bajo. - Consumo de energía en el resistor durante el arranque.

Figura 1.5. Esquema de control con resistencia en el estator.

APLICACIONES: - Apropiado para máquinas cuyo par resistente crece con la velocidad, por ejemplo los ventiladores. - Máquinas de fuerte inercia: - Compresores de refrigeración - Máquinas tensoras - Ascensores - Escaleras automáticas

Figura 1.6. Esquema de fuerza con resistencia en el estator.

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D. ARRANQUE CON AUTOTRANSFORMADOR

- No tener el aislamiento entre la entrada y la salida, lo que vuelve insegura su operación.

Principio de funcionamiento

APLICACIONES: • En la industria se utilizan para conectar maquinaria fabricada para tensiones nominales diferentes a la de una fuente de alimentación. • Se utilizan también para conectar aparatos, electrodomésticos y cargas menores en cualquiera de las dos alimentaciones más comunes a nivel mundial. • En sistemas de distribución rural, donde las distancias son largas, se pueden utilizar autotransformadores especiales, aprovechando la multiplicidad de tomas para variar el voltaje de alimentación y así compensar las apreciables caídas de tensión en los extremos de la línea. • Se utilizan autotransformadores también como método de arranque suave para motores de inducción tipo jaula de ardilla, los cuales se caracterizan por demandar una alta corriente durante el arranque. Si se alimenta el motor conectándolo a la toma menor de un autotransformador, el voltaje reducido de la alimentación resultará en una menor corriente de arranque y por lo tanto, en condiciones más seguras de operación, tanto para el motor como para la instalación eléctrica

Es un procedimiento que se utiliza en motores de gran potencia y consiste en disponer entre la alimentación y los devanados del motor un autotransformador. Éste tendrá distintas tomas de tensión reducida, por lo que, en el momento del arranque, al motor se le aplica una tensión menor, disminuyendo la intensidad, y se irá elevando la tensión de forma progresiva hasta dejarlo conectado a la tensión de red. El Autotransformador es un elemento eléctrico, en este caso es utilizado para generar una caída tensión en sus bobinas produciendo el decremento de la intensidad. Y a la vez incrementa el voltaje por etapas hasta llegar al 80% del voltaje nominal, y pasa a ser conectado directamente a la red y evitar las corrientes pico. La característica más interesante de este sistema de arranque es la reducción de la corriente de arranque entre 1,7 y 4 la intensidad nominal, aunque existe una reducción del par entre 0,4 y 0,85 del par nominal. Es similar al arranque estrella-triangulo, salvo por el hecho que la tensión reducida de arranque se logra mediante bobinas auxiliares que permite aumentar la tensión en forma escalonada, permitiendo un arranque suave.  Ventajas - Automatismo muy sencillo - Evita las corrientes pico - Se aplica a motores cuya potencia es mayor que 5Kw. - Reducción de corriente de 1,7 a 4 IN. - Más livianos porque tiene un solo devanado. - Menos pérdidas de Potencia. - Baratos. - Genera más potencia. - Se emplea menos cobre para su construcción. - Tiene menores reactancias de dispersión.  Desventajas - El par de arranque disminuye de forma cuadrática, luego solo es válido ante cargas de bajísimo par de arranque. Hoy se utiliza poco. - Es más caro debido al precio del autotransformador. - Costo elevado debido al equipo -Tamaño y peso elevados en función del autotransformador. - Colocar las tomas en baja tensión, requieren de tomas que estén dimensionados para más corriente.

Figura 1.7. Esquema de control con autotransformador

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Permite una aceleración suave y/o desaceleración, a través del control de las rampas de tensión.  Ventajas - Arranque y parada suaves - Arranque sin esfuerzo - Reducción de picos de corriente - Arranques suaves con aceleración programable del usuario. - Control en el momento del arranque y parada - El costo es accesible

Figura 1.8. Esquema de fuerza y maniobra con autotransformador E. ARRANCADORES ESTÁTICOS ARRANCADORES SUAVES

 Desventajas - El inconveniente que tienen los arrancadores suaves son los periodos de para instantáneo que se produce en los cambios de conexión, por ejemplo el paso de la conexión estrella a las delta. - Aunque los arrancadores no son caros, el arranque estrella-triángulo es mucho más barato y en algunas casos suficientemente efectivo. - Está siendo cambiado por los variadores de frecuencia (variación de velocidad)

Principio de funcionamiento Los arrancadores suaves optimizan las secuencias de arranque y de parada (aceleran y desaceleran). El control de la tensión aplicada al motor por medio de los ajustes ángulo de disparo de los tiristores q permite el arranque y parar un motor de forma suave y controlada. Los arrancadores suaves limitan la corriente y el par de arranque. De este modo se impiden con precisión, tanto los esfuerzos mecánicos como las caídas de tensión en la red. Para lograrlo, es aplicada al motor una tensión reducida recortando la tensión de fases, que es aumentada progresivamente en una rampa de tiempo desde la tensión de arranque ajustable hasta la de red. RAMPA DE ASCELERACION Y DESACELERACION La característica principal a la hora de acelerar es que empieza con un voltaje bajo y lo va elevando de a poco mientras gira el motor; y al momento de desacelerar evita el golpes provocados por la frenada abrupta del motor.

APLICACIONES • Bombas de vacío. • Bombas centrífugas. • Trituradoras (sin carga Inicial). • Compresores de Tornillo (inicio d). • Ventiladores axiales (de baja inercia y baja carga). ALIMENTOS • Secadoras / Hornos • Molinos de gránulos • Grúas / Mono carriles REFRIGERACIÓN • Bombas de proceso • Sistemas de aire acondicionado • Compresor TRANSPORTE DE CARGAS • Cintas transportadoras / Cadenas • Escaleras mecánicas • Cintas de equipaje en Aeropuertos

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INSTALACIONES INDUSTRIALES VARIADORES DE FRECUENCIA Variador de Frecuencia (VFD, por sus siglas en inglés), también conocido como Convertidor de Frecuencia, es un sistema electrónico para el control de la velocidad de giro de motores eléctricos de CA mediante la manipulación de la frecuencia de la energía eléctrica suministrada al motor. Un variador de frecuencia es un tipo específico de Variador de Velocidad o Accionamiento de Velocidad Variable. Principio de Funcionamiento

Figura 1.9. Esquema de control con arrancador suave.

Cuando un variador de frecuencia hace arrancar a un motor, inicialmente le aplica baja frecuencia y baja tensión al motor. La frecuencia de arranque típica es de alrededor de 2 Hz o menos. Al arrancar un motor a esa baja frecuencia se evita la presencia de las elevadas corrientes que se presentan cuando el motor se arranca directo a la línea (tensión plena). Una vez que el motor arranca, el controlador del variador eleva los valores de voltaje y corriente a en forma controlada, describiendo una pendiente positiva la curva velocidad vs. Tiempo. Ventajas: - Evita picos o puntas de intensidad en los arranques del motor. (Muy pronunciados en el arranque directo, en estrella-triángulo y medios con arrancadores progresivos). - El par se controla totalmente a cualquier velocidad, lo que evita saltos o bloqueos del motor ante la carga. (En un arrancador progresivo la regulación del par es difícil, ya que se basa en valores de tensión inicial). - No tiene factor de potencia (Cos φ = 1), lo que evita el uso de baterías de condensadores y el consumo de energía reactiva (ahorro económico). - Comunicación mediante bus industrial, lo que permite conocer en tiempo real el estado del variador y el motor, así como el historial de fallos (facilita el mantenimiento). - Los arranques y paradas son controlados, y suaves, sin movimientos bruscos. - Protege completamente el motor, el variador y la línea.

Figura 1.10. Esquema de fuerza y maniobra con arrancador suave.

Desventajas: - La instalación, programación y mantenimiento, debe ser realizada por personal cualificado. Derivar ruidos e interferencias en la red eléctrica, que podrían afectar a otros elementos electrónicos cercanos.

UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA - Para aplicaciones sencillas puede suponer mayor inversión, que un sistema simple (contactor – Guarda motor), si bien a la larga se amortiza el gasto suplementario, por el ahorro energético y de potencia reactiva que aporta el variador. - Las averías del variador, no se pueden reparar in situ (hay que enviarlos a la casa o servicio técnico). Mientras tanto debe disponerse de otro variador equivalente, o dejar la instalación sin funcionamiento.

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Cada tipo de arranque nos sirve, para minimizar el consumo de amperaje al encender un motor, pero se presenta a su vez ventajas y desventajas.

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Es necesario tener en cuenta en grado de dificultad, en la utilización de un esquema para cada tipo de arranque, debido q de su realización depende una buena conexión.

I. FUENTE BIBLIOGRÁFICA Arranque y control de motores . (02 Noviembre 2015). Obtenido de Moeller Series: file:///C:/Users/UPS/Downloads/IT-EE09.pdf Centro Integrado de Formación Profesional (MSP). (02 Noviembre 2015). Obtenido de Área de Sistemas Electrotécnicos y Automáticos: http://www.cifp-mantenimiento.es/elearning/index.php?id=15&id_sec=1 Llerena, J. L. (02 Noviembre 2015). Control Eléctrico Industrial. Obtenido de http://www.jorgeleon.terradeleon.com/automatiz acion/Controlelectrico/index.html

Figura 1.11. Esquema de fuerza y maniobra con variador de frecuencia.

CONCLUSIONES •

Podemos determinar que el método de arranque directo es siete veces mayor que la corriente nominal al encender el motor.

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Observamos que el Arranque de motor mediante resistencias en el estator produce caída de voltaje a través de los resistores la cual es alta al principio, pero disminuye gradualmente conforme el motor adquiere velocidad y la corriente se reduce.

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El arranque suave de motores trifásicos impiden con precisión los esfuerzos mecánicos como las caídas de tensión en la red. El arranque por autotransformador generar una caída tensión en sus bobinas produciendo el decremento de la intensidad al momento del arranque.