Arranque de motores por combinación de contactores Andrés Granero
Hay varios tipos de arrancadores, que podemos clasificar desde distintos puntos de vista. Así tenemos: Arrancadores: • • •
manuales semiautomáticos automáticos
Motorizados para motores de: • •
corriente continua corriente alterna
A base de: • •
contactores semiconductores
En este post se consideran solo los que funcionan a base de contactores.
Diagramas representativos de diversos arranques y paros Los diagramas que siguen muestran la variación de la velocidad del motor en función del tiempo, en el arranque y en el paro. En ellos se representan: • •
Periodos en que el motor está bajo tensión (Curvas de trazo entero). Periodos en que no circula corriente por el motor (Curvas a puntos). n: Velocidad. ns: Velocidad de sincronismo. t: Tiempo tc: Instante de corte o desconexión de la alimentación al motor. ti: Instante inicial o de conexión del motor. tp: Instante de permutación o inversión de las conexiones.
a)
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Un solo sentido de giro. Desconexión a motor lanzado (una vez completado el arranque). Categorías de empleo AC-2 y AC-3. (ver categorías de empleo en Anexo).
• • • •
Marcha en un sentido y en otro. Desconexión a motor lanzado. Cambio de sentido a motor parado. Categorías de empleo AC-2 y AC-3.
b)
c)
• • • •
Marcha en un sentido y en otro. Desconexión durante el arranque (marcha a impulsos). Cambio de sentido a motor parado. Categoría de empleo del arrancador: AC-3: Si las desconexiones durante el arranque son esporádicas o muy poco frecuentes. AC-4: Si la marcha a impulsos es frecuente y/o el arranque es directo.
• •
Marcha en un sentido y en otro. Inversión de marcha (permutación de las conexiones) a motor lanzado, para obtener un frenado enérgico. Desconexión al completarse el frenado (equivalente agravado a la desconexión durante el arranque). Nuevo arranque a partir de motor parado y desconectado. Categoría de empleo (ver categorías de empleo en Anexo): Si la necesidad de este tipo de frenado es poco frecuente puede ser adecuado un arrancador rotórico a resistencias. Categoría de empleo AC-2. Si la necesidad de frenado es frecuente se usa habitualmente un arrancador inversor directo, categoría de empleo AC-4.
d)
• • •
e)
• • • •
Marcha en un sentido de giro y en otro. Inversión de marcha a motor lanzado en el primer sentido de giro, para obtener un frenado enérgico y la rápida inversión de giro. Desconexión a motor lanzado en el segundo sentido de giro (condición de servicio normal). Categoría de empleo: Arrancador-inversor directo, AC-4.
1.- Arranque directo: Motor de jaula El comportamiento normal del motor durante el arranque, en cuanto a corriente absorbida y par motor desarrollado se expresa, en función de la velocidad, en el siguiente gráfico.
Observaciones: •
La intensidad de arranque es del orden de 6 a 10 veces la asignada. El valor 6 a 10 para la relación Ia/Ie es el que se toma o presupone normalmente, no obstante se encuentran motores para los que este valor es notablemente superior.
•
La intensidad de arranque se mantiene prácticamente constante durante una buena parte del proceso de arranque. En general, salvo casos especiales (como p.e. situación de motor calado o arranques pesados y repetidos), esta intensidad es tolerable para el motor y no requiere mayor atención. Otra cosa es que pueda causar oscilaciones de tensión en la red alimentadora que perturben a receptores vecinos. El par motor, en el momento inicial del arranque tiene un valor Ca que, a medida que el motor adquiere velocidad, se reduce ligeramente, pasa por un mínimo Cm, se recupera hasta un máximo CM y finalmente desciende al valor asignado Ce.
Motor de anillos o rotor bobinado En general, no tiene sentido el arranque directo de un motor de anillos, puesto que para este tipo de arranque es más ventajoso el motor de jaula: más robusto, más barato, menor punta de arranque, mejor par de arranque, menor mantenimiento. No obstante un motor de anillos puede, en circunstancias especiales, requerir un arranque directo: como p.e. frenado rápido o incluso inversión de maniobra en caso de emergencia. Si se prevé esta posibilidad habrá que tener en cuenta que la corriente de arranque puede superar en más de 6 veces la asignada. 2.- Arranque rotórico Este tipo de arranque se usa cuando se requiere reducir la corriente de arranque y al mismo tiempo se requiere también un elevado par de arranque. Se aplica a motores de rotor bobinado (motores de anillos). Consiste en, durante el periodo de arranque, introducir una o más resistencias en el rotor, e irlas eliminando progresivamente hasta su total eliminación en la posición MARCHA. Para la mayor parte de aplicaciones son adecuadas de 2 a 6 etapas de arranque; depende del par de arranque, de la inercia de la carga, y de la severidad de arranque exigida. Las resistencias deben tener características térmicas que permitan soportar las intensidades y etapas de arranque, que a su vez dependen del par resistente e inercia de la carga. En algunas aplicaciones, las resistencias intercaladas en el circuito del motor pueden usarse durante periodos superiores al de arranque (p.e. para funciones de regulación de velocidad). En tal caso, deben dimensionarse teniendo en cuenta esta mayor duración. En este tipo de arranque se consideran como normales las condiciones de maniobra correspondientes a la categoría de empleo AC-2. Ello supone que, en caso de paro durante el arranque, los contactores de maniobra de las resistencias del rotor abren antes que, o simultáneamente con el contactor del estátor. Caso contrario, el contactor del estátor debe cumplir con la categoría de empleo AC-3.
Características típicas de intensidades y pares de un motor de anillos con resistencias rotóricas Ejemplo de motor con 3 juegos de resistencias conectados entre anillos del rotor:
Características típicas de intensidad y par en un arranque rotórico por eliminación de resistencias Ejemplo de arranque en 4 etapas.
Esquema típico de conmutación rotórica de resistencias Ejemplo de arranque en 3 etapas.
3.- Arranque a tensión reducida Este arranque consiste en aplicar inicialmente el motor una tensión reducida, que se incrementa en una o más etapas, o progresivamente hasta el valor de la tensión nominal. Este tipo de arranque se aplica a los motores de jaula, y tiene por objeto la reducción de la corriente de arranque. Esta reducción puede ser necesaria, p.e. para evitar caídas de tensión inadmisibles en la red de alimentación, o por imperativos reglamentarios. La reducción que se obtiene en la corriente, en principio, es proporcional a la reducción de la tensión aplicada. La reducción de la corriente comporta una reducción del par motor. Esta reducción de par es proporcional al cuadrado de la reducción de la corriente, y por tanto, también de la tensión. La reducción del par de arranque limita, en función del par resistente de la máquina accionada, las posibilidades de la reducción de tensión para el arranque. En proyecto de un arrancador a tensión reducida se basa, en general, en la hipótesis de que la duración del arranque no excederá de 15s, y que el intervalo entre dos arranques sucesivos permitirá un enfriamiento suficiente del elemento de arranque (autotransformador,
resistencias). En caso de no cumplirse esta hipótesis, se requiere acuerdo entre fabricante y usuario. Para efectuar en el arranque los pasos sucesivos de una etapa a la siguiente pueden usarse dispositivos de conmutación automática como p.e. temporizadores, relés de mínima intensidad, relés de control de la aceleración, etc... 3.1.- Arranque por autotransformador En este tipo de arranque, la tensión reducida se obtiene mediante un autotransformador. El autotransformador puede ser bifásico o trifásico y disponer de una o más tomas intermedias por fase. Existen también varias modalidades de conexión. Modalidades normalizadas de conexión autotransformadores bifásicos y trifásicos son: • • •
para
arrancadores
de
dos
etapas
y
Conexión serie, transición cerrada. Conexión paralelo, transición cerrada o abierta. Conexión paralelo, transición abierta.
La expresión conexión serie o paralelo se refiere a la situación del autotransformador en relación al contactor principal que, en la situación MARCHA conecta directamente el motor a la red. Arranque por autotransformador - Conexión serie, transición cerrada
Arranque por autotransformador - Conexión paralelo, transición cerrada o abierta
Arranque por autotransformador - Conexión paralelo, transición abierta
Este método de arranque es utilizado particularmente para: • En BT: para arranque de motores de potencia superior a 150 kW • En MT: Para arranque de motores de gran potencia 3.2.- Arranque por resistencias estatóricas Consiste en intercalar, en el arranque, resistencias entre el estátor y la red, reduciendo así la tensión que llega al motor. Para efectuar en el arranque los pasos sucesivos de una etapa a la siguiente pueden usarse dispositivos de conmutación automática como p.e. temporizadores, relés de mínima intensidad, relés de control de la aceleración, etc. Presenta las ventajas de: • • •
Simplicidad. Precio reducido. Arranque más gradual, pues a medida que aumenta la velocidad del motor y se reduce la corriente absorbida, también se reduce la c.d.t. en las resistencias, con lo que progresivamente va aumentando la tensión en bornes del motor y así se mejora la suavidad del arranque.
Tiene el inconveniente del calor generado. El conexionado puede presentar diversas variantes:
3.3.- Arranque estrella - triángulo Es un caso particular de arranque a tensión reducida, aplicable a motores destinados, en marcha normal, a estar conectados en triángulo. Consiste en conectar el motor en estrella en el momento del arranque y conmutarlo después a triángulo. Ejemplo de conmutación estrella / triángulo
Los contactores K2 y K3 son incompatibles, pues de coincidir originarían un cortocircuito. Por ello deben estar mutuamente enclavados y, en la transición debe disponerse una pausa “tr” de unos 50 ms como mínimo, para garantizar que cuando entre K3 se habrá extinguido ya el arco de desconexión de K2. Características típicas de intensidades y paros en un arranque estrella / triángulo
En este arranque, tanto la corriente de arranque como el par de arranque se reducen a 1/3 del valor que tendrían en caso de conexión directa en triángulo. De ahí que este tipo de arranque solo pueda aplicarse en los casos en que el par resistente Cr quede, en una amplia porción de velocidades por debajo del par motor en triángulo. La diferencia entre el par motor en triángulo y Cr es el par que produce la aceleración del motor. Cuando el par motor en estrella y Cr se igualan, el motor deja de acelerase. Es entonces, o un poco antes, el momento adecuado para el paso de estrella a triángulo. Las principales ventajas del arranque estrella / triángulo son: • •
Su simplicidad. Su bajo coste.
Como reparos cabe citar: • • • •
La gran reducción del par motor. La punta de corriente, que no se produce en el momento de inicio del arranque pero se produce en la transición a triángulo y, si bien no llega a las 6 veces la Intensidad asignada en triángulo, es muy próxima. Limitado para arranque de motores de escasa potencia en BT < 150 kW. Adecuado para cargas que presentan poca inercia y donde la característica del par es del tipo cuadrático (p.e. bombas centrifugas)
Anexo Contactores: Categorías de empleo
