Arranque de Motores

INSTALACIONES ELECTRICAS Y LUMINOTECNIA

ARRANQUE DE MOTORES

ARRANQUE DE MOTORES Introducción: Estudiaremos el problema del arranque de un motor desde el punto de vista de las perturbaciones que éste produce sobre la red a la que está conectado y los inconvenientes que se pueden producir sobre si mismo. No es el objeto de este estudio analizar los distintos tipos o sistemas de arranque de un motor.

El proceso del arranque: Cuando un motor es conectado a la red comienza un proceso de arranque desde el reposo hasta la posición de equilibrio mecánico entre la cupla motora que provee el motor y la cupla resistente que

C

I

CM

CR

I Carr

Iarr

Cn

In

nn ns

n

presenta la carga. Gráficamente resulta: En el mismo gráfico se ha representado la corriente de arranque que va desde un valor inicial elevado (Iarr) que oscila, según el tipo de máquina, entre 5 a 7 veces la corriente nominal del motor hasta hasta el valor nominal (In). Este elevado valor de la corriente de arranque es el que genera los inconvenientes sobre los otros usuarios conectados a la red y sobre el mismo motor. Debido a las impedancias de los elementos propios de la instalación (cables, transformadores, etc) que son recorridos por esta corriente, se producen caidas de tensión de elevado valor, las que deben verificarse para mantenerlas dentro de valores admisibles.

Problemas sobre el motor: El principal problema de una excesiva caida de tensión en los bornes del motor que está arrancando es la brusca disminución de la cupla motora, ya que ésta depende del cuadrado de la tensión aplicada:

Cm = f (U2) Una reducción de la cupla motora implica una reducción de la cupla acalerante:

Ca = Cm – Cr Donde Cr es la cupla resistente. La disminución de la cupla acelerante genera un mayor tiempo de arranque del motor, llevando a la máquina a solicitaciones térmicas que pueden se inadmisibles.

Realizó: Ing. Daniel Vecchio

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2006

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En la medida que el motor va tomando velocidad la corriente va disminuyendo al igual que la caída de tensión. Dentro de los distintos tipos de cargas mecánicas tenemos accionamientos con pares resistentes constantes (compresores de pistón) y par cuadrático o parabólico (Bombas, ventiladores). Con respecto a la caida de tensión en el arranque es usual adoptar un valor máximo del 15 %, no obstante siempre debe erfectuarse un análisis particular en cada caso, sobre todo en grandes máquinas, teniendo en cuenta la relación entre el par de arranque y el par resistente y el tiempo de arranque. Puede que en determinadas condiciones sea admisible una caida de tensión mayor. El tiempo de arranque se puede calcular partiendo de la cupla media acelerante de la siguiente forma:

C

I

CM

Ca CR Cma

Ca

Ca

nn ns

n

tarr = J x nn/9,55xCma Donde: tarr = tiempo de arranque en segundos J es el momento de inercia total en kgm

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nn = velocidad de rotación de servicio en rpm Cma = Cupla media acelerante en Nm El momento de inercia total es igual al momento de inercia del motor mas el correspondiente a la máquina accionada.

Problemas sobre los usuarios:


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La caida de tensión que produce un motor al arrancar se verá reflejada en todas las cargas que estén conectadas a la misma red. Los problemas mas usuales son el parpadeo (flicker) de la iluminación, la pérdida de cupla en los motores que puede llevar a su detención, la “caida” o desconexión de contactores (los contactores retienen la bobina con hasta el 85 % de la tensión nominal aprox.) Con respecto a la iluminación, si bien no de dañan los componentes, se deteriora la vista de las personas, incluso puede ser un fenómeno no perceptible por el ojo pero que igual está presente y que está muy vinculado con la frecuencia en que se produce la fluctuación de la tensión (arranques muy frecuentes).

Verificación del arranque: Todos los problemas expuestos llevan a la necesidad de verificar la caida de tensión en el arranque de un motor. Esquemáticamente el circuito sería:

RED Sccr

Zred Snt Ucc

U

Ztrafo

Zcable

Zmot M

Zred (º/1)= Sbase/Sccr Ztrafo (º/1) = Ucc (%)/100 Zmotor (º/1)= Inom./ Iarr. (referida a la potencia y la tensión nominal del motor, si los valores base son otros hay que modificarla) Zcable (º/1)= Zcable (ohm)/Zbase Según el fabricante del motor, en el arranque, la corriente será 5 o 6 veces la corriente nominal considerada a la tensión nominal del motor, pero en el momento en que tiende a arrancar ya existe una caida de tensión con lo cual no disponemos de la tensión nominal. Este problema lleva a efectuar una serie de calculos iterativos de la corriente de arranque hasta que el error entre un cálculo y otro esté por debajo del que nosotros determinemos como aceptable La corriente de arranque será: Iarr=

1 . Zred+Ztrafo+Zcable+Zmotor


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∆Ured= Iarr x Zred ∆Utrafo= Iarr x Z trafo ∆Ucable= Iarr x Zcable ∆Umotor= Iarr x Zmotor

Si existen otras cargas conectadas a la misma barra hay que tenerlas en cuenta, ya que la Iarr tendrá otro valor. El esquema equivalente sería:

Zred

Ztrafo

Zcable

Zcarga

Zmot

Para la Zcarga tomamos la corriente nominal de éstas para calcular impedancia. Aquí también habría que hacer un cálculo iterativo. Ejemplo: Supongamos el siguiente esquema RED

Sccr=150 MVA

Zred Snt=2500 kVA Ucc=6% 13,2/2,4 kV

Ztrafo

Zmot

M

P=1000 kW Un=2,3 kV Iarr= 6 In Cos fi=0,85 Rend.= 0,94 Carr= 0,9 Cn CRarr= 0,2 Cn

Smot = P/(cos fi * rend) = 1/(0,94*0,85) = 1, 25 MVA Inmot = Smot/(1,73 * 2300) = 1 250/(1,73*2,3) = 314 A


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Tomando como bases: Sbase = 2,5 MVA Ubase1 = 13,2 kV Ubase2 = 2,4 kV

Ibase1 = 109,5 A Ibase2 = 602 A

Resulta: Zred = Sbase/Scc = 2,5/150 = 0,0166 º/1 Ztrafo = 0.06 º/1 Zmoto r= 1/6 * (Unmot/Ubase)2*(Sbase/Smot) = 0.166 * (2.3/2.4)2*(2.5/1.25) = 0.305 º/1

Iar r= 1/ (0.0166+.06+.305) = 2.62 º/1

∆U13.2 = Iarr x Zred = 2.62 * 0.0166 = 0.0435 º/1 ∆U2.3 = Iarr x (Zred + Ztrafo) = 2.62 * (0.0166+0.06) = 0.2 º/1 = 20 %

U2.3 = 0.8 º/1 2

Carr = 0.9 * (0.8) Cn = 0.576 Cn Cacel = Carr – CRarr = Carr - 0.2 Cn = 0.576-0.2 = 0.376 º/1

Si la cupla acelerante es muy chica el tiempo de arranque puede ser inadmisible debido al esfuerzo térmico a que se verá expuesto el motor. La caida e tensión para un caso como el ejemplo debería ser no mayor del 15 % (motor de MT muy grande). En BT se suele adoptar un 10 %. No obstante se reitera que estos son valores orientativos y que en casos especiales conviene investigar y consultar con el proyectista mecánico.

¿Qué soluciones podemos implementar si la caída de tensión no es admisible? Las soluciones pueden ser varias. Sin resignar el arranque directo y tratándose de un proyecto a construir podemos variar las características de todos aquellos componentes que intervienen en el cálculo de la caida de tensión, debiendo en general presentar menor impedancia.


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En este sentido se pueden colocar cables de mayor sección o en paralelo, prever el paralelo de trafos, aunque aumenta notoriamente la Icc, diseñar un trafo de menor Ucc (a S cte.) o de mayor potencia (a Ucc cte.) o lograr mayor potencia de corto en la red. Todas ellas son soluciones que llevan a disminuir el ∆U.

Zreac

Zreac

M

M

Uma

Otras opciones son utilizar reactores en serie (solo en MT) Iarr = 1/(Zred+Zreac+Zmot)

Uma = Iarr x Zmot = Zmot/(Zred+Zreac+Zmot)

Carr = Carrn *(Uma/Un)

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∆Ured = Iarr * Zred = Zred/ (Zred+Zreac+Zmot) Ajusto Zreac para determinado ∆Ured

Finalmente se recurre a los métodos de arranque por tensión reducida: Autotrafo o estrella – triángulo. Para el autotrafo:


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UL IL k Imot Um M

Para el estrella triángulo: Si resumimos en un cuadro:

METODO

U en bornes

Carr

Iarr motor

Iarr en la línea

DIRECTO

1

1

1

1

0.80 0.65 0.50

0.64 0.42 0.25

0.80 0.65 0.50

0.64 0.42 0.25

0.80 0.65 0.50

0.64 0.42 0.25

0.80 0.65 0.50

0.80 0.65 0.50

1

0.33

0.33

0.33

AUTOTRAFO

REACTOR ESTRELLA/ TRIANGULO


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