Métodos de arranque del motor de inducción: directo, estrella-triángulo, arrancador suave, variador

Por qué la corriente de arranque es tan alta

Mientras el rotor está en reposo, el deslizamiento es del 100 %. El campo giratorio corta los conductores del rotor a plena velocidad, así que la corriente inducida en el rotor es máxima. Esta se refleja en el estator, y el único límite es la impedancia de dispersión de los devanados. Resultados típicos:

• Corriente de rotor bloqueado: de 5 a 8 veces la corriente nominal en motores de jaula estándar
• Par de arranque: de 1,5 a 2,5 veces el par nominal
• Duración: hasta que el motor se acerca a la plena velocidad, típicamente de 1 a 10 segundos

Una corriente de arranque grande causa una caída de tensión en la red, dispara las protecciones y somete los devanados a esfuerzos. Un arranque a tensión reducida protege la red pero cuesta par, porque el par varía con el cuadrado de la tensión:

T ∝ V²

La elección del método es un compromiso entre corriente de arranque, par de arranque y coste.

Arranque directo (DOL)

El motor se conecta a la tensión plena con un solo contactor. Da el par de arranque completo y la mayor corriente de arranque. Es el método más barato y simple, y se usa para motores pequeños, a menudo de hasta unos pocos kW, o siempre que la red sea lo bastante fuerte para absorber la corriente de arranque. Las compañías eléctricas suelen limitar el arranque directo a un tamaño de motor dado.

Arranque estrella-triángulo

Un motor que funciona en triángulo con la tensión de la red, por ejemplo 400 V en una placa de 400/690 V, se conecta primero en estrella y se pasa a triángulo después de unos segundos. En estrella cada devanado recibe 1/√3 de la tensión de línea, de modo que

• la corriente de fase es 1/√3 de su valor en triángulo,
• la corriente de línea es 1/3 del valor del arranque directo,
• el par es 1/3 del valor del arranque directo.

Necesita tres contactores, un temporizador y un motor con seis bornes accesibles (véase la guía estrella-triángulo). La conmutación interrumpe brevemente la alimentación y puede causar un pico de corriente y de par. El arranque estrella-triángulo es adecuado para arranques ligeros, como ventiladores, bombas y máquinas en vacío, pero no para cargas que necesiten más de un tercio del par de arranque completo.

Autotransformador y arrancador suave

Un arrancador por autotransformador alimenta el motor desde una toma de un autotransformador trifásico, como el 50 %, el 65 % o el 80 % de la tensión de línea, y después lo puentea. Con una toma k, la corriente y el par del motor escalan como k y k², y como la relación del transformador también reduce la corriente de línea, la corriente de línea es k² del valor del arranque directo. Una toma del 65 % da cerca del 42 % de la corriente de línea y del par del arranque directo. Es robusto y adecuado para motores grandes, pero voluminoso y caro.

Un arrancador suave usa tiristores en antiparalelo en cada línea. La tensión sube desde un valor inicial hasta el valor pleno durante un tiempo fijado, típicamente de 2 a 30 segundos, y después se cierra un contactor de puenteo. Da una aceleración suave, un límite de corriente ajustable y paradas suaves, pero la corriente de línea es igual a la del motor, así que con una relación de tensión k el par es k² y la corriente k.

Arranque con variador y con resistencia rotórica

Un variador de frecuencia arranca el motor a baja frecuencia y sube la frecuencia y la tensión a la vez. El motor trabaja todo el tiempo cerca de la parte empinada y estable de su curva par–velocidad, de modo que puede producir un par elevado al arrancar (aproximadamente el par nominal o más) tomando una corriente de aproximadamente la nominal o algo más. El variador es la mejor opción en par y suavidad, y además permite controlar la velocidad (véase la guía del control V/f), pero es el más caro.

Un motor de rotor bobinado (de anillos rozantes) sigue otro camino. Una resistencia en el circuito del rotor, conectada a través de los anillos rozantes, aumenta el par de arranque y reduce la corriente. El par máximo se mantiene igual, pero su deslizamiento aumenta en proporción a la resistencia total del rotor. Cuando la resistencia del rotor (referida al estator) es aproximadamente igual a la reactancia de dispersión en reposo, el par máximo se da en reposo y el par de arranque es máximo. La resistencia se va eliminando por etapas a medida que el motor acelera. Esta fue durante mucho tiempo la forma habitual de arrancar cargas pesadas, como grúas, molinos y compresores, y hoy ha sido sustituida en gran parte por los variadores.

Ejemplo resuelto y comparación

Tome un motor de 4 kW y 400 V con una corriente nominal de 8,2 A y un par nominal de 26,5 N·m, con valores de arranque típicos de 6 veces la corriente nominal y 2 veces el par nominal en arranque directo.

• Directo: 6 × 8,2 = 49 A, 53 N·m
• Estrella-triángulo: 49 / 3 ≈ 16 A, 53 / 3 ≈ 18 N·m
• Autotransformador al 65 %: 0,65² × 49 ≈ 21 A, 0,65² × 53 ≈ 22 N·m
• Arrancador suave con tensión inicial del 50 %: 0,5 × 49 ≈ 25 A, 0,5² × 53 ≈ 13 N·m
• Variador: aproximadamente la corriente nominal (unos 8 a 12 A) con un par de aproximadamente el nominal o más, a baja frecuencia

En resumen: use el arranque directo cuando la red lo permita, estrella-triángulo para reducir la corriente de forma barata en arranques ligeros, autotransformador donde se necesite más par, un arrancador suave para arranques suaves y ajustables, un variador donde se necesite control de velocidad o par completo al arrancar, y resistencia rotórica para accionamientos de rotor bobinado con arranques pesados.

Pruébelo en los simuladores del motor de inducción

En el simulador del motor de inducción trifásico, el control Método de arranque ofrece Directo (DOL), Estrella-triángulo, Autotransformador, Arrancador suave y Variador de frecuencia. Los ajustes relacionados son Tiempo de conmutación a tensión plena (3 s por defecto), Toma del autotransformador (65 % por defecto), Tensión inicial del arrancador suave (40 % por defecto) y Tiempo de rampa (5 s por defecto). Lea las lecturas Corriente de arranque máxima, Corriente de arranque máxima (× In) y Tiempo de arranque, y pulse Encendido en el experimento Curvas de velocidad y corriente para ver las curvas temporales.

• Ejecute con el arranque directo y anote la relación de corriente máxima.
• Elija Estrella-triángulo. El simulador aplica 1/√3 de la tensión durante la primera etapa, con una marca Y→Δ en la gráfica donde pasa a tensión plena tras el Tiempo de conmutación a tensión plena.
• Elija Autotransformador y Arrancador suave. Compare las corrientes máximas con las reglas de k y k² anteriores (el pico puede darse en la conmutación a tensión plena) y observe el Tiempo de arranque más largo.
• Elija Variador de frecuencia. La frecuencia y la tensión suben a la vez desde un valor bajo (unos 1 Hz) hasta los valores fijados durante el Tiempo de rampa.
• Suba la Carga mecánica o pruebe otro Tipo de carga, y vea qué métodos aceleran despacio o no consiguen arrancar.

El simulador del motor de inducción de rotor bobinado tiene los mismos controles más Resistencia rotórica externa, Modo de resistencia rotórica (Fija o Arrancador por etapas), Resistencia del arrancador al conectar, Número de etapas y Tiempo por etapa. Compare las lecturas Par de arranque y Par de arranque (anillos cortocircuitados) al aumentar la resistencia, y observe cómo se desplaza el Deslizamiento del par máximo.

Pruébalo en el simulador