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Universidad Nacional de Ingeniera

Mquinas Elctricas II (EE214M)

SISTEMAS BSICOS DE ARRANQUE PARA MOTORES ASNCRONOS TRIFSICOS

1. SISTEMAS DE ARRANQUE DE MOTORES MS USUALES

No existe razn terica alguna por la cual un motor asncrono trifsico de jaula de ardilla no pueda ser arrancado conectndolo directamente a la red de suministro. Si as se hiciera, la corriente absorbida en el momento del arranque llegara a alcanzar valores de entre 3 y 7 veces la intensidad nominal del motor, dependiendo principalmente del tipo de rotor que ste tuviera.

Esta gran absorcin de corriente no perjudicara directamente al motor si el arranque dura unos pocos segundos, pero s dara lugar a una gran cada de tensin en la red, muy perjudicial para las otras mquinas a ella conectadas, a la vez que originara un calentamiento excesivo en los cables de suministro. Por tanto, con el fin de reducir la corriente de arranque en los motores con potencias superiores a 5 KW generalmente, si arrancan a plena carga, no se suele emplear el arranque directo, sino que se emplean otros sistemas para reducir la intensidad de arranque, basados principalmente en:

- Reducir la tensin en el arranque por debajo de la nominal.

- Disminuir la corriente rotrica I2 aumentando la resistencia del circuito del rotor.

Existen cuatro tipos de arranque ms utilizados, que son:

a) Motores asncronos trifsicos, con rotor enjaula de ardilla:

- Arranque directo a plena tensin (motores pequeos).

- Arranque por conmutacin estrella tringulo.

- Arranque por autotransformador.

b) Motores asncronos trifsicos, con rotor bobinado:

- Arranque por resistencias rotricas.

2. ARRANQUE DIRECTO A PLENA TENSIN

ste es el sistema de arranque ms sencillo empleado para los motores con rotor en jaula de ardilla. Consiste en aplicarle al motor la plena tensin de la red, bien sea por medio de un interruptor manual, un contactor o un inversor de dos contactores, tal como se comprueba en la figura 1.1.

figura 1.1: Arranque directo por contactores de un motor asncrono trifsico

El motor arranca con una gran punta de intensidad (la = 4 a 6 In), pero el par de arranque (sobretodo en los motores de doble jaula de ardilla) es muy superior al par normal (Tarr = 1,5 Tn), permitiendo el arranque rpido de una mquina, incluso a plena carga. En la figura 1.2 se ven algunas curvas orientativas de par y velocidad obtenidas con este tipo de arranques.

No obstante, empleando medios mecnicos de amortiguacin apropiados, como es el acoplamiento a la mquina por intermedio de un turboembrague, o bien arrancando la mquina completamente, en vaco, se pueden emplear para potencias incluso superiores a 100 KW.

Figura 1.2: Curvas tpicas par-intensidad en un arranque directo

3. CIRCUITOS DE MANDO Y PROTECCIN PARA ARRANQUE DIRECTO

Este sistema de arranque y proteccin es preferible hacerlo con un contactor, fusibles y rel trmico de proteccin, siendo los circuitos de conexin normalmente empleados los representados en los esquemas de la figura 1.3.

Figura 1.3.: Circuito de mando y proteccin para arranque directo por contactor

Los elementos de mando y proteccin, que conforman tanto los circuitos de. potencia como los circuitos de mando, para el accionamiento y proteccin del motor M, son los siguientes:

- Contactor K, para la conexin y desconexin del motor. Con una intensidad nominal igual o superior a la del motor y categora de servicio AC3 o AC4.

- Fusibles F 1, para proteccin contra cortocircuitos, tanto en el motor como en su lnea de alimentacin. Sern del tipo aM, e intensidad igualo superior a la In del motor.

- Rel trmico F2, para proteccin contra sobrecargas del motor. Calibrado a la In del motor.

- Botonera, con un pulsador de parada SO y otro de marcha S1.

- Fusible F3, para la proteccin de los circuitos de mando.

Se han dibujado dos esquemas de mando: el (A) con identificacin de hilos y el (B) con identificacin de bornes, siendo este ltimo el ms recomendado actualmente debido a su mayor facilidad de cableado, ya que en vez de marcar los hilos, el cableador no tiene ms que seguir los nmeros de bomes que los aparatos ya tienen marcados.

El funcionamiento de los circuitos, que seguiremos por medio del esquema (B), es el siguiente:

Al pulsar marcha S1, se excita la bobina del contactor K; ste cierra sus contactos y el motor se pone en marcha; al mismo tiempo tambin se cierra el contacto llamado de autoalimentacin o retencin (K, 13-14), que est conectado en paralelo con el pulsador de marcha, con lo cual ya podemos dejar de pulsar S1, porque la bobina del contactor K se mantiene ahora excitada a travs del circuito: fase R-F3-F2-S0-(K, 13-14)-fase S.

Para parar el motor no hay ms que interrumpir el circuito, que mantiene excitada la bobina del contactor, y normalmente se hace pulsando parada S0. Al dejar de pulsar S0 ya no se vuelve a excitar la bobina por quedar abierto el circuito por (SI, 13-14) y por (K, 13-14), de forma que cuando queramos arrancar de nuevo no hay ms remedio que pulsar de nuevo S1.

De igual forma, si el motor sufriera una sobrecarga, el rel trmico abrira su contacto (F2, 95-96) que interrumpira la corriente de excitacin del contactor K parndose el motor. En el esquema (B) se ha aadido la lmpara de sealizacin H, que se enciende cuando esto ocurre. En este caso, el rel debe rearmarse manual o automticamente despus de enfriarse sus bilminas para poder arrancar de nuevo.

4. ARRANQUE POR CONMUTACIN ESTRELLA-TRINGULO

Cuando un motor asncrono trifsico se conecta a una red de alimentacin cuya tensin entre fases VL coincide con la menor de las dos indicadas en su placa de caractersticas, el motor debe estar conectado en tringulo. En consecuencia, si durante el proceso de arranque se conecta ese mismo motor en estrella por medio de procedimientos externos, la tensin aplicada a cada fase del motor se reducir a; o sea, que cada fase del motor recibir el 58% de la tensin de la red.

sta es precisamente la base del sistema de arranque a tensin reducida, denominado conmutacin estrella-tringulo. Siendo necesario para efectuar este tipo de conexin, que cada una de las fases del motor sea independiente en la placa de bornes, o sea que no deben de existir puentes de conexin en la misma.

En la figura 1.4, estn dibujadas las conexiones de potencia, que ha de haber entre los tres contactores, que forman un arrancador de estas caractersticas, as como las conexiones al motor y a la lnea de alimentacin, cuya tensin es VL. A los tres contactores se les denomina:

- Kl = contactor de lnea

- K2 = contactor tringulo

- K3 = contactor estrella

Figura 1.4: Arranque de un motor por conmutacin estrella-tringulo

A continuacin pasamos a describir el funcionamiento de este tipo de arranques, que se efecta en dos puntos, segn vemos en los dibujos pequeos de la figura; stos son:

- Primer punto o arranque = Conexin estrella

- Segundo punto o marcha normal = Conexin tringulo

Primer punto o arranque en Conexin estrella

Se acoplan los devanados del motor en estrella y se aplica tensin a los mismos. Ambas conexiones se realizan cerrando, primero el contactor estrella (K3) y, a continuacin, el contactor de lnea (KI), como se ve en la figura 1.4.

En este punto cada fase del motor recibe solamente el 58% de la tensin que le correspondera en servicio normal en conexin tringulo. Por lo tanto en conexin estrella se tiene:

La reduccin de tensin en los devanados del motor va acompaada de una reduccin proporcional de la corriente de fase If que recorre cada devanado.

;

[1]

Segundo punto o marcha normal en Conexin tringulo

Por medio de un rel temporizado (Rt) se desconecta el contactor de estrella (K3) una vez que el motor haya alcanzado el 70 o el 80% de su velocidad y se conecta el contactor tringulo (K2). En estas condiciones de marcha, el motor recupera sus caractersticas normales de funcionamiento con una punta de corriente de muy corta duracin (como se ve en la figura 1.5), pero muy inferior a la que adquirira en arranque directo.

Figura 1.5: Curvas par-intensidad en arranque estrella-tringulo

Bajo estas condiciones de funcionamiento en tringulo, los valores de tensin y corriente de fase son los siguientes:

;

.

La corriente absorbida de la red (IL) ser mayor que la que recorre cada fase del motor (If), segn vemos a continuacin:

[2]

Dividiendo las frmulas [1] y [2], se obtiene la relacin entre las corrientes de lnea absorbidas, por el motor en estrella y en tringulo:

Se observa pues que la corriente absorbida por el motor de la red en conexin estrella es tres veces menor que la absorbida en conexin tringulo, lo cual es precisamente la razn de este tipo de conexin para el arranque de motores: reducir la punta de intensidad absorbida en el arranque. No obstante, el par de arranque tambin es inferior al obtenido con arranque directo (entre el 50% y el 60% del par normal), por lo cual, este sistema no puede utilizarse en mquinas que arranquen a plena carga.

Regulacin del rel trmico

En el esquema de la figura 1.4 apreciamos que la intensidad que circula por K1, K2 Y F2 al final de la conexin en tringulo es la intensidad de fase If, que es el 58% de la intensidad de lnea IL, por tanto es algo que se debe tener en cuenta cuando regulamos el rel trmico de proteccin. En otras palabras, en una conexin para arranque estrella-tringulo con el rel trmico colocado debajo del contactor de lnea, el rel trmico en lugar de regularse a la intensidad nominal del motor In debe ser regulado a esta intensidad dividida por raz de tres.

Para poder regularlo a la intensidad nominal del motor (como en el caso del arranque directo) debera situarse el rel trmico entre los fusibles F1 y el contactor de lnea K1, para que toda la intensidad de lnea. pase por l.

5. CIRCUITOS DE MANDO Y PROTECCIN PARA ARRANQUE DE UN MOTOR ASNCRONO TRIFASICO EN ESTRELLA-TRIANGULO

En los esquemas de la figura 1.6 estn dibujados los circuitos de potencia y mando necesarios para este tipo de accionamiento realizado por medio de contactores, con las protecciones mnimas requeridas contra cortocircuitos y sobrecargas que todo motor y su lnea de alimentacin deben llevar.

Figura 1.6: Circuitos de potencia y mando para arranque en estrella-tringulo

Las caractersticas elctricas de los elementos de mando y proteccin necesarios para ejecutar este tipo de arranque son los siguientes:

- Contactores KM1, KM2 Y KM3, para la conexin y desconexin del motor.

Sern de una intensidad igualo superior a la InIV 3 del motor, conectado en tringulo, y con categora de servicio AC3 o AC4.

- Rel temporizado KA], para realizar el cambio de la conexin de estrella a tringulo, con margen de regulacin de entre 5 y 15 segundos aproximadamente.

- Fusibles F1, para la proteccin contra cortocircuitos. Sern del tipo aM, e intensidad igual o superior a la In del motor conectado en tringulo.

- Rel trmico F2, para la proteccin contra sobrecargas. Cuando est ubicado en la posicin del esquema 16.1, se calibrar a la del motor conectado en tringulo.

- Fusible F3, para la proteccin de los circuitos de mando.

- Botonera simple, con un pulsador de parada S0 y otro de marcha S1.

Por los esquemas de la figura 16.1 observamos que, tal como ya se describi, el arranque de un motor por conmutacin estrella-tringulo ha de realizarse en dos fases puntos:

1- Deben conectarse los contactores de estrella KM3 y de lnea KMi para que el motor quede conectado en estrella, con lo cual el motor M ya se pone en marcha.

2- Cuando el motor conectado en estrella haya alcanzado el 70 o el 80% de su velocidad nominal, debe desconectarse el contactar de estrella KM3 y conectarse el contactor de tringulo KM2, con lo cual el motor M ya queda funcionando normalmente conectado en tringulo.

El cambio de la primera a la segunda fase, como ya se indic, se realiza por medio del rel temporizado KA1, y el tiempo, del paso de una a otra posicin, se fija en funcin de las dificultades de arranque del motor, por lo general entre 5 y 10 segundos es suficiente. .

ANLISIS DEL FUNCIONAMIENTO COMPLETO, DEL ESQUEMA, SIGUIENDO LOS CIRCUITOS DE MANDO DE LA FIGURA 1.6:

Cuando se pulsa el botn de marcha marcha S1 se excita la bobina del contactar de estrella KM3, cuyo contactor cierra en estrella la placa de bornes del motor M, al cortocircuitar sus bornes Z, X, Y. Seguidamente los dos contactos auxiliares de este contactar realizan las siguientes maniobras:

- (KM3, 13-14) se cierra y conecta el contactar de lnea KMi que pone al motor en marcha conectado en estrella. Se utiliza, en este modelo de circuito para que no pueda conectarse el contactar de lnea KM i antes de que KM3 cierre la estrella del motor M.

- (KM3, 21-22) se abre e impide la conexin del contactor de tringulo KM2 como medida de seguridad mientras est conectado el contactor de estrella KM3.

Al haberse excitado el contactor de lnea KM1, que puso el motor en marcha, sus tres contactos auxiliares efectan las siguientes maniobras:

- (KM1, 13-14) se cierra, y al estar en paralelo con marcha S1 acta como contacto de autoalimentacin general para que se pueda soltar el pulsador de marcha S1.

- (KM1, 23-24) se cierra y prepara el circuito del contactar tringulo KM2. Acta como medida de seguridad, para que al terminar de temporizar KA1, no pueda conectarse el contactor de estrella KM2 sino lo est el de lnea KM1.

- (KMI, 33-34) se cierra, excitando el rel de tiempo KAi, que comienza su temporizacin.

Cuando el rel de tiempo KA1 termine su temporizacin, sus dos contactos cambian de posicin realizando las siguientes maniobras:

- (KA1, 15-16) se abre, desconectando el contactor de estrella KM3,lo que provoca que los contactos auxiliares de este contactor retornen a la posicin dibujada en el esquema.

- (KA1, 17-18) se cierra, y conecta el contactor de tringulo KM2, ya que los otros contactos de su circuito (KM1 y KM3) ya se haban cerrado antes.

Al cerrarse, por ltimo, el contactor de tringulo KM2 y como el contactor de lnea KM 1 tambin est cerrado, el motor M pasa ya a funcionar en conexin tringulo, finalizando el proceso de arranque.

Los tres contactos auxiliares del contactor de tringulo KM2, que tambin cambian de posicin al excitarse ste, se utilizan con el siguiente fin:

- (KM2, 13-14) se cierra, para retener excitado el contactor de tringulo KM2, despus de abrirse el contacto del rel temporizado (KA1, 17-18).

- (KM2, 21-22), se abre como medida de seguridad para que mientras este conectado el contactor de tringulo KM2, no pueda volver a conectarse el contactor de estrella KM3, incluso si alguien pulsa marcha Sl de nuevo.

- (KM2, 31-32) se abre para desconectar al rel de tiempo KA1, ya que no es necesario que permanezca excitado despus de finalizado el arranque.

Para desconectar el motor basta con pulsar parada S0, ya que se desexcitan los contactores de lnea KM1 y de tringulo KM2, que eran los que mantenan funcionando al motor. Lo mismo ocurre si se abre el contacto del rel trmico (F2, 95-96), debido a una sobrecarga o si se funde el fusible de proteccin F3, debido a un cortocircuito en los circuitos de mando.

La lmpara de sealizacin H accionada por un contacto normalmente abierto del contactor de tringulo KM2 puede colocarse siempre que se desee saber la finalizacin del proceso de arranque, adems de indicar que el motor est en marcha.

Resumen del proceso de arranque

El proceso de arranque y parada, descrito anteriormente, puede resumirse como sigue:

- Arranque, pulsacin sobre S1.

- Cierre del contactor de estrella KM3.

- Cierre del contactor de lnea KM1, por (KM3, 13-14).

- Autoalimentacin general por (KM1, 13-14) y excitacin del rel temporizado KA1 por (KM1, 33-34).

- Pasado un tiempo, apertura del contactor de estrella KM3 por (KA1, 15-16).

- Cierre del contactor de tringulo KM2, por (KA1, 17-18).

- Se enciende H, que nos indica el final del proceso de arranque.

Al finalizar el proceso de arranque, el motor queda conectado en tringulo.

- Parada, pulsacin sobre S0.

Enclavamiento elctrico entre los contactores de estrella KM3 y tringulo KM2,

por medio de: (KM2, 21-22) Y (KM3, 21-22).

6. ARRANQUE POR AUTOTRANSFORMADOR

Este tipo de arranque se emplea por 10 general para motores de gran potencia y con tensiones de alimentacin elevadas (ms de 3.000 V, generalmente) que arranquen preferentemente en vaco; como su nombre indica, consiste en acoplar a la entrada del motor un autotransformador reductor, con el fin de iniciar el arranque a tensin reducida y una vez en movimiento alimentarlo a plena tensin de la red.

En la figura 1.7 estn dibujados los circuitos de potencia correspondientes a este tipo de arranque, y tal como se ve es necesario el empleo de tres contactores. Estos tres contactores se denomina, generalmente:

- Kl = contactor de lnea.

- K2 = contactor de alimentacin del autotransformador.

- K3 = contactor de la estrella del autotransformador.

El proceso de arranque consiste en cerrar primero los contactores K3 y K2, con lo cual el motor inicia el arranque alimentado con tensin reducida del autotransformador, y cuando el motor ya se ha puesto en marcha se abre el contactor K3 y se cierra el contactor K1, con lo cual el motor recibe toda la tensin de la red, adquiriendo todos los parmetros de marcha en rgimen. Despus de cerrar K1 ya se puede abrir K2 para eliminar totalmente el autotransformador.

Figura 1.7: Arranque de un motor asncrono trifsico con autotransformador

En este tipo de arranque, tanto la intensidad como el par de arranque dependen de la tensin de alimentacin proporcionada por el auto transformador. Si llamamos m a la relacin de transformacin del auto transformador, el par de arranque Tarr estar dividido por m2 (), mientras la corriente de arranque en el motor Iarr est dividida por m y, por consiguiente, la corriente absorbida de la red, que es la que nos interesa, se encontrar a su vez dividida por m; por tanto la corriente tomada de la red estar dividida por m2, con respecto a la absorbida en un arranque directo.

Por lo general, el autotransformador de arranque se disea para una tensin de arranque de aproximadamente 2/3 de la de lnea, con lo cual y con respecto a los valores nominales se consiguen generalmente unos valores de:

Par de arranque , Tarr "" 0,6 Tn

Intensidad de arranque , Iarr ( 2 In

En la figura 1.8 se indican las caractersticas par o torque-intensidad, ms comunes en este tipo de arranque por autotransformador.

Figura 1.8 : Caracterstica par intensidad en un arranque por autotransformador

7. CIRCUITOS DE MANDO Y PROTECCIN PARA, ARRANQUE DE MOTORES ASNCRONOS TRIF ASICOS POR AUTOTRANSFORMADOR

Los circuitos automatizados de mando y proteccin pueden ser muy variados, pero uno de los ms utilizados es el representado en el esquema de la figura 1.9, en el cual se utilizan contactores, como elementos de conexin y desconexin; fusibles, para la proteccin contra cortocircuitos; y un rel trmico, para la proteccin contra sobrecargas. Si los arranques fueran muy seguidos o difciles, convendra aadir una proteccin adicional contra sobrecalentamientos de motor y autotransformador, siendo la mejor de todas la inclusin de sondas trmicas en los devanados de ambos elementos.

Tambin podra emplearse un autotransformador con varias tomas (de tensin 25%,40%, 60% Un, etc.), y realizar un proceso de arranque ms complejo que fuera paulatinamente aumentando la tensin aplicada al motor aunque no suele hacerse en la prctica, debido al encarecimiento y complejidad de los circuitos.

Figura 1.9: Circuitos de potencia y mando para el arranque de un motor asncrono por autotransformador

Las caractersticas elctricas de los elementos de potencia, mando y proteccin necesarias para este tipo de arranque han de ser como mnimo las siguientes:

- Autotransformador, adaptado a las caractersticas de tensin y potencia delmotor.

- Contactores KM1, KM2 Y KM3, para la conexin y desconexin del motor. Sern de una intensidad nominal igual o superior a la In del motor y con categora de servicio AC3.

- Rel temporizado KA1, para la realizacin automtica del cambio de la primera a la segunda fase. Tendr como mnimo un contacto instantneo, normalmente abierto, y otro contacto temporizado, normalmente cerrado (con un margen de regulacin de 5 a 15 segundos suele ser suficiente).

- Fusibles F1, para la proteccin contra cortocircuitos: en la lnea, autotransformador y motor. Sern del tipo aM y de una intensidad igual o ligeramente superior a la In del motor.

- Rel trmico F2, para la proteccin del motor contra sobrecargas. Se calibrar a la In del motor.

- Fusible F3, para la proteccin de los circuitos de mando.

- Botonera simple, con un pulsador de parada S0 y otro de marcha S1.

Por los esquemas de potencia de la figura 1.9 se observa, que el arranque de un motor por medio de un autotransformador ha de realizarse en dos fases, de forma parecida al arranque en estrella-tringulo:

1 Se conectarn primero los contactores KM3 y KM2, para que el motor reciba la tensin reducida de arranque, que le proporciona el autotransformador. Esta tensin puede ser muy diversa, aunque por lo general y segn se mencion antes, la ms utilizada suele ser aproximadamente de 2/3 la tensin nominal del motor.

2 Cuando el motor alcanza una velocidad prxima a la de rgimen, por medio del rel de tiempo KA1 se desconecta el contactor KM3 y se conecta el KMI, con lo cual el motor ya recibe la plena tensin de la red dndose por finalizado el proceso de arranque.

A continuacin pasamos a describir este proceso automatizado de arranque, siguiendo los esquemas de potencia y mando de la figura 1.9:Cuando se pulsa marcha S1, se excita el contactor KM3, que cierra la estrella del autotransformador. Al mismo tiempo, sus dos contactos auxiliares cambian de posicin realizando las siguientes maniobras:

Primera fase de arranque- (KM3, 21-22) se abre y acta como contacto de enclavamiento para que no pueda cerrarse el contactor de lnea KM1 mientras lo est el de estrella KM3.

- (KM3, 13-14) se cierra y excita el rel de tiempo KA1.Al excitarse el rel KAI, sus dos contactos realizan las maniobras siguientes:

- (KA 1, 11-14) se cierra instantneamente y excita el contactor de entrada del autotransformador KM2, con lo cual el motor recibe la tensin reducida de ste y se pone en marcha..

Segunda fase de arranque- (KA 1, 15-16) comienza su temporizacin.

Al cerrarse el contactor KM2 y terminar la primera fase del arranque, su contacto auxiliar (KM2, 13-14) se cierra y acta como contacto de auto alimentacin al estar conectado en paralelo con marcha S1, con lo cual ya se puede dejar de pulsar ste.

Al terminar la temporizacin de KA1, su contacto (KA1, 15-16) se abre y en consecuencia se desexcita el contactor KM3, pero aunque abre sus contactos principales no le da tiempo a parar al motor, ya que an queda cerrado KM2, y al volver instantneamente los contactos auxiliares de KM3 a la posicin representada en el esquema, tambin suceden las maniobras siguientes:

- (KM3, 21-22) se cierra y excita al contactor de lnea KM1 y ste al cerrar sus contactos principales, alimenta el motor a plena tensin de la red, con lo cual el motor ya queda en posicin de funcionamiento normal.

- (KM3, 13-14) se abre y no ocurre nada, ya que actuaba como auto alimentacin de su propio contactor.

Al excitarse el contactor de lnea KM1, sus contactos auxiliares tambin cambian de posicin y realizan las siguientes maniobras:

- (KMl, 13-14) se cierra, para que acte como auto alimentacin de su propio contactor que, en principio, se excit a travs del contacto (KM2, 13-14) que ahora va a abrirse.

- (KM1, 21-22) se abre, para que nunca pueda cerrarse el contactor KM3 mientras lo est el KM1. Este contacto junto con el (KM3, 21-22) forma el enclavamiento entre los contactores de lnea y de estrella.

- (KM1, 31-32) se abre y desconecta el rel temporizado KA1, que ya ha terminado su funcin.

- Al desconectarse el rel de tiempo KA1, su contacto (KA1, 11-14) se abre y desconecta el contactor del autotransformador KM2, ya que no es necesario que permanezca excitado por ms tiempo.

Para parar el motor, basta con pulsar parada S0, ya que se desexcita el contactor de lnea KM1, que era el nico cerrado, y al abrir sus contactos corta la tensin al motor. Lo mismo ocurrira si se abre el contacto del rel trmico F2, debido a una sobrecarga en el motor o si debido a un cortocircuito en los circuitos de mando se funde su fusible de proteccin F3.

Las lmparas de sealizacin pueden instalarse para indicar:

- La lmpara H1 indica el final del proceso de arranque, por estar alimentada por el contacto(KM1, 23-24) del contactor de lnea, que es el ltimo en cerrarse.

- La lmpara H2 indica la desconexin por sobrecarga, ya que se iluminara al saltar el rel trmico y cerrar su contacto (F2, 95-98).

Resumen del proceso de arranque por autotransformador

-Arranque. Pulsacin sobre SI.

-Cierre del contactor de la estrella del auto transformador KM3.

-Excitacin del rel de tiempo KAI, por (KM3, 13- 14).

- Cierre del contactor de alimentacin del auto transformador KM2, por (KA1, 11-14).

- Autoalimentacin de KM2, KM3 Y KAI, por (KM2, 13-14).

- Pasado un tiempo, apertura del contactor KM3, por (KA1, 15-16). - Cierre del contactor de lnea KMI, por (KM3, 21-22).

- Autoalimentacin del contactor KMI, por (KM1, 13-14).

- Desconexin del rel de tiempo KAI, por (KM1, 31-32).

- Apertura del contactor KM2, por (KA1, 11-14).

- Parada. Pulsacin sobre S0.

Existe un enclavamiento elctrico entre los contactores de estrella del autotransformador KM3 y de lne aKMI pormedio de los contactos (KM! y KM2,21-22).

8. CIRCUITOS DE MANDO Y PROTECCIN PARA, ARRANQUE DE MOTORES ASNCRONOS TRIFASICOS POR RESISTENCIAS ESTATORICAS

El denominado arranque estatrico o por resistencias estatricas podra considerarse como una versin econmica del arranque por autotransformador. Aunque se describe aqu se suele emplear muy poco, y slo para mquinas que arrancan completamente en vaco, ya que su par de arranque es muy pequeo, y adems hay que aadirle el inconveniente del consumo suplementario que originan las resistencias en el arranque.

En comparacin con el arranque por autotransformador, las relaciones par de arranque (Tarr) e intensidad de arranque (Iarr), en comparacin con sus valores nominales, es la siguiente:

Iarr/In Tarr/Tn

Arranque por autotransformador ....................... 20,6

Arranque por resistencias estatricas ...............20,2

No obstante, frente a estos inconvenientes tambin presenta algunas ventajas, que pasamos a enumerar:

1) El arranque se realiza con gran suavidad y aceleracin progresiva, ya que al ir disminuyendo la corriente de arranque In, va disminuyendo la cada de tensin en las resistencias y aumentando en consecuencia la tensin aplicada al motor.

2) al ir aumentando la tensin en bomes del motor, tambin va aumentando el par motor progresivamente, algo que no ocurre con los arranques estrella-tringulo y por autotransformador.

3) no hay oscilacin alguna durante el arranque, ya que no existe interrupcin del circuito durante el proceso, como ocurre con otros sistemas, ya que se pasa a la tensin total antes de anular las resistencias de arranque.

4) por ltimo, podemos citar el elevado factor de potencia en el arranque, ya que las resistencias de arranque compensan la reactancia de los devanados.

Por lo general, se suele emplear en arranques de motores de jaula de ardilla, que sean muy prolongados y realizados en vaco, donde las puntas de arranque no puedan ser muy elevadas, y donde el sistema de autotransformador resulte muy costoso, como por ejemplo, en bombas centrfugas de mediana potencia.

Como se ve en los esquemas de la figura 1.10, la tensin aplicada al motor durante el arranque se reduce intercalando en serie con los bobinados del estator unas resistencias (podran emplearse tambin reactancias) que se pueden ir eliminando, bien sea progresivamente durante el arranque, por medio de un restato trifsico, o bien todas de golpe, despus de que el motor haya alcanzado una velocidad prxima a la de rgimen, como se suele hacer con los arranques automatizados, que es el caso representado en la figura 1.10.

Figura 1.10: Circuitos de potencia y mando para el arranque de un motor asncrono por resistencias estatoricas

Las caractersticas elctricas del sistema de mando y proteccin empleado, sern como mnimo las siguientes:

- Contactor KM], para la alimentacin final del motor. Ser de una intensidad igual o superior a la In del motor y categora de servicio _C3.

- Contactor KM2, para la alimentacin del motor a travs de las resistencias.Ser de una intensidad igual o superior a la In/2 del motor.

- Resistencias de arranque, con caractersticas apropiadas a la intensidad absorbida en el arranque y a las dificultades del mismo.

- Rel temporizado KAI, para realizar automticamente el cambio de alimentacin de tensin reducida a tensin plena. Con margen de regulacin entre 5 y 15 segundos aproximadamente.

- Fusibles F 1, para la proteccin contra cortocircuitos. Sern del tipo aM e intensidad igual o ligeramente superior a la In del motor.

- Rel trmico F2, para la proteccin contra sobrecargas. Estar calibrado a la In del motor.

- Fusible F3, para la proteccin de los circuitos de mando.

- Botonera simple, con un pulsador de parada S0 y otro de marcha S1.

A continuacin se describe, de forma resumida, por ser muy sencillo, el funcionamiento de la instalacin de arranque por resistencias estatricas, representado en los esquemas de la figura 1.10.

El proceso de arranque, como ya se mencion anteriormente, se realizar en dos fases:

1 Primero se conecta KM2, alimentando el motor M a travs de las resistencias, que debido a la cada de tensin originada en las mismas, hacen que al motor le llegue una tensin menor que la de la lnea.

2 Cuando el motor alcance una velocidad prxima a la de rgimen, el rel temporizado KA1 conecta el contactor KM1, con lo cual el motor ya queda alimentado a plena tensin de la red para su funcionamiento normal.

Siguiendo los circuitos representados en los esquemas de la figura 1.10, el proceso de arranque y parada automatizado y completo es el siguiente:

- Arranque. Pulsacin sobre S1.

- Cierre del contactor de las resistencias KM2, para alimentacin del motor a tensin reducida.

-Autoalimentacin de KM2, por (KM2, 13-14) y excitacin del rel temporizado KA1, por (KM2, 23-24).

-Pasado un cierto tiempo, cierre del contactor de lnea KM1, por (KA1,15-16).

- Autoalimentacin de KM1, por (KM1, 13-14) e indicacin de final de arranque, al encenderse H por medio de (KM1, 23-24).

-Desconexin del contactor KM2, por (KM1, 21-22), y del rel KA1, por la apertura de (KM2, 23-24).

Al finalizar el arranque el contactor de lnea KM1 queda alimentado a travs de la fase R, fusible F3, rel trmico F2, pulsador de parada S0, contacto de autoalimentacin (KM1, 13-14) y la fase S.

- Parada. Pulsacin sobre S0.

En este sistema de arranque no es necesario enclavar los dos contactores KM Y KM2 entre s, por no correr ningn riesgo cuando quedan cerrados simultneamente los dos contactores.

.

En la figura 1.10 se observa que los circuitos de mando estn alimentados a la tensin de seguridad de 48 V, para lo cual es necesario equiparlos con un pequeo transformador monofsico TI, de 380/48 V y potencia adecuada a los consumos de las bobinas de los dos contactores.

9. ARRANQUE POR RESISTENCIAS ROTRICAS

La mejor solucin para limitar la corriente de arranque en los motores, sin apenas disminucin del par de arranque, es el empleo de motores con rotor bobinado, ya que se pueden alcanzar valores de Tarr = 1,5 a 2,5 Tn, mientras que la intensidad de arranque no sobrepasa los valores de Iarr = 1,5 a 2 In.

Con este tipo de motores es posible tener una impedancia rotrica elevada en el momento del arranque, y otra mucho menor cuando el motor haya alcanzado ya su velocidad de rgimen. Para ello es preciso conectar en serie con los devanados del rotor unas resistencias exteriores que se van eliminando a medida que el rotor aumenta su velocidad, hasta llegar a cortocircuitar los devanados del rotor en el momento en que el motor alcance su velocidad nominal. Al final del arranque funciona como si fuera un motor con rotor en jaula de ardilla.

Normalmente las resistencias se acoplan por grupos, y la eliminacin de las mismas se realiza por medio de contactores mandados por medio de rels temporizados regulados a tiempo fijo, aunque tambin podran ser mandados por rels de frecuencia rotrica o por un autmata programable. El arranque se suele hacer en dos o tres tiempos generalmente, y los circuitos de potencia suelen ser como los que aparecen en la figura 1.11, que solamente tienen dos escalones de resistencias, o tambin con algn escaln ms (entre 2 y 5 escalones, generalmente).

En la figura 1.11, adems de las protecciones contra cortocircuitos y sobrecargas, tenemos tres contactores, a saber:

- K1 = contactor de lnea.

- K2 = contactor de eliminacin del ltimo grupo de resistencias.

- K3 = contactor de eliminacin del primer grupo de resistencias.

Figura 1.11: Arranque de un motor de rotor bobinado con resistencias rotoricas

En el ejemplo concreto de la figura 1.11 el arranque se realiza en tres puntos, que son:

Primer punto: Todas las resistencias intercaladas.

Se cierra slo el contactor de lnea (K1), con lo cual todas las resistencias rotricas quedan intercaladas. En este momento la impedancia del rotor es la de su propio bobinado (Z2) ms la de las resistencias intercaladas (Z2= Z2 + Ral + Ra2).

Segundo punto: Primer tramo de resistencias cortocircuitado.

Se conecta el contactor K3, con lo cual la impedancia rotrica disminuye al que dar eliminado el ltimo tramo de resistencias (Z2= Z2 + Ra2)Tercer punto: Segundo tramo de resistencias cortocircuitadas.

El motor sigue alimentado a plena tensin de red por medio de K1 y se conecta K2, con lo cual todas las resistencias de arranque quedan eliminadas y la impedancia del rotor es nicamente la de su propio bobinado (Z2= Z2), con lo cual el par motor es mximo, ya que ste vale:

T = K . ( . I2 ;

siendo

En este momento ya se puede abrir K3 por quedar cortocircuitado el rotor en sus bornes de salida por medio de K2.

Figura 1.12: Curvas par intensidad con arranques por resistencias rotoricas

En la figura 1.12 tenemos una grfica con las curvas correspondientes al torque o par y a la intensidad absorbida en el arranque, a travs de las cuales vemos, que:

- La intensidad de arranque no suele superar nunca al doble de la intensidad nominal, y es ms reducida cuanto mayor sea el valor de la resistencia intercalada.

- El par o torque de arranque siempre es superior al par resistente y crece al disminuir la resistencia intercalada en el rotor durante el arranque, segn vemos tambin por las frmulas anteriores.

Tras cada nueva eliminacin de resistencias, el torque y la intensidad toman nuevos valores correspondientes a la resistencia rotrica intercalada en ese momento, y la velocidad va aumentando paulatinamente sin saltos bruscos. Por tanto, este sistema de arranque permite adaptar el torque o par y las puntas de corriente a las condiciones propias de la instalacin.

Este tipo de motores y de sistema de arranque se suele emplear para mquinas que requieran un par de arranque creciente, e incluso para mquinas que arranquen a plena carga o con una gran inercia en el arranque.

El nmero de escalones y el tiempo de permanencia en cada uno de ellos se tomar en funcin de las dificultades de arranque y de la potencia de la mquina accionada. El tiempo entre escalones suele fijarse entre 3 y 6 segundos, aproximadamente. En la tabla 1.1 se muestran de forma resumida los escalones que como mnimo debera tener el sistema de arranque de un motor de anillos en funcin de su potencia y del tiempo que necesitan para vencer su inercia y alcanzar velocidad plena.

Tabla 1.1: Escalones mnimos recomendados para el arranque de un motor de anillos rozantes

En la tabla 1.2 ofrecemos un resumen de las caractersticas ms importantes de los cuatro tipos de arranque descritos anteriormente.

Tabla 1.2: Resumen de los distintos tipos de arranques

10. CIRCUITOS DE MANDO Y PROTECCIN PARA ARRANQUE DE UN MOTOR DE ROTOR BOBINADO

Eliminacin de resistencias totalmente automatizado con rels de tiempo (figura 1.13)

Las caractersticas elctricas de los elementos necesarios en este tipo de arranque son:

Figura 1.13: circuitos de mando y proteccin para el arranque de un motor de anillos gobernado por rels temporizados- Contactor de lnea KM1, para la conexin y desconexin del motor. Ser de una intensidad igual o superior a la In del motor y categora de servicio AC2 o AC3

- Contactores de eliminacin de resistencias KM2 y KM3, para una intensidad igual o superior a la intensidad rotrica del motor y categora de servicio AC2 o AC3.

- Rels temporizados KA1 y KA2, para el accionamiento de los contactores de eliminacin de resistencias. Con un margen de regulacin de entre 3 y 10 segundos es suficiente.

- Cartuchos fusibles F1, para la proteccin contra cortocircuitos en lnea y motor. Sern del tipo aM e intensidad igual a la In del motor.

- Rel trmico F2, para la proteccin contra sobrecargas. Se calibrar a la In del motor.

- Fusible F3, para la proteccin de los circuitos de mando.

- Botonera simple, con un pulsador de parada S0 y otro de marcha S1.

Funcionamiento completo de los esquemas de potencia y mando representados en la figura 1.13 (circuitos diseados para un arranque en tres escalones).

Cuando se pulsa marcha S1 se excita la bobina del contactor de lnea KM1 y al cerrar sus contactos el motor comienza a girar con todas las resistencias rotricas intercaladas. Instantneamente sus dos contactos auxiliares realizan las siguientes maniobras:

- (KM1, 13-14) es el contacto de autoalimentacin, ya que al cerrarse y estar en paralelo con marcha S1 permite dejar de pulsar ste.

- (KM1, 23-24) se cierra y conecta el primer rel temporizado KA1. Al terminar de temporizar el rel KA1, su contacto (KA1, 17-18) se cierra y conecta el primer contactor de eliminacin de resistencias KM3, con lo cual aumenta de nuevo el torque y las revoluciones del motor. Al mismo tiempo su contacto auxiliar (KM3, 13-14) se cierra y conecta el segundo rel temporizado KA2.

Cuando termina de temporizar el rel KA2, su contacto (KA2, 17- 18) se cierra y conecta el segundo contactor de eliminacin de resistencias KM2, con lo cual ya se eliminan todas las resistencias de arranque y se cortocircuita el rotor. En este momento el motor adquiere su mxima velocidad y orque nominal, dndose por finalizado el proceso de arranque del motor.

No obstante tambin cambian de posicin los tres contactos auxiliares de KM2,que realizan las siguientes maniobras:

- (KM2, 13-14) se cierra, actuando como contacto auxiliar de autoalimentacin de su propio contactor.

- Los contactos (KM2, 21-22) Y (KM2, 31-32) se abren, para desconectar los dos rels temporizados KA1 y KA2, que ya no son necesarios una vez terminado el proceso de arranque.

Al desconectarse el rel KA1 y abrirse su contacto (KA 1, 17-18), tambin se desconecta el contactor KM3, por no ser tampoco necesario durante la marcha normal del motor, ya que con que queden conectados los contactores KM1 y KM2 es suficiente.

Para parar el motor basta con pulsar parada S0, ya que se interrumpe la alimentacin a los contactores KM1i y KM2 y stos se abren. Lo mismo ocurrira si debido a un cortocircuito en los circuitos de mando o a una sobrecarga del motor se funde F3 o se abre el contacto del rel trmico (F2, 95-96).

Si el proceso de arranque requiriera ms de tres puntos o escalones sera realizado de igual forma, o sea cada contactor que entra excita un rel temporizado y despus de un cierto tiempo este excita otro contactor de eliminacin de resistencias y as hasta el final del arranque. La desexcitacin de los rels y contactores no necesarios al final no es o, pero s conveniente, y puede realizarse paso a paso o todos al final, como en los circuitos que acabamos de analizar.

Resumen del proceso de arranque

- Arranque, pulsacin sobre S1.

- Cierre del contactar de lnea KM1. Primer punto de arranque.

- Autoalimentacin de KMl, por (KM1, 13-14) y excitacin del primer rel temporizado KA1, por (KM1, 23-24).

- Pasado un tiempo, cierre del contactor KM3, por (KA1, 17-18). Segundo punto de arranque.

- Excitacin del segundo rel temporizado KA2, por (KM3, 13-14).

- Pasado un tiempo, cierre del contactar KM2, por (KA2, 17-18). Tercer punto y final del arranque.

- Autoalimentacin de KM2, por (KM2, 13-14) y desconexin de los rels KA1 y KA2 al abrirse (KM2, 21-22) y (KM2, 31-32).

- Apertura de KM3, al abrirse (KA1, 17-18).

Al final del proceso de arranque solamente quedan conectados los contactores KM1 y KM2.

- Parada, pulsacin sobre S0.

11. PROTECCIONES BSICAS DE LOS MOTORES

Seguidamente se describe de forma y resumida las protecciones fundamentales que como mnimo todo motor asncrono debe llevar para evitar los efectos perjudiciales que, principalmente los cortocircuitos y sobrecargas, puedan originar tanto al propio motor como a su lnea de alimentacin.

Hay que considerar que reglamentariamente, todo motor debe de estar acondicionado, en cuanto a los riesgos que un aumento de temperatura en sus devanados se refiere, para soportar sin peligro alguno las sobrecargas siguientes:

20% de sobrecarga, durante 1 hora

50% de sobrecarga, durante 2 minutos

Por tanto las protecciones tanto contra cortocircuitos como contra sobrecargas han de responder antes de que el calentamiento originado por stos sea perjudicial para el motor.

En la figura 1.14 estn descritos y dibujados esquemticamente los sistemas de proteccin de motores ms utilizadas actualmente. El primero de los sistemas solamente se utiliza para motores con arranque independiente y que no requieran una automatizacin complicada, ya que ha de ser manual el cierre del interruptor. Por el contrario, los otros dos se utilizan en todo tipo de arranques de motores, por muy complejos que sean los circuitos de arranque y auto matizacin requeridos.

Figura 1.14: Representacin esquemtica de las protecciones para motores

12. COLOCACIN Y CALIBRADO DE RELS TRMICOS y FUSIBLES

Cuando instalamos un motor elctrico (asncrono trifsico generalmente) empleando un contactor como elemento de conexin y desconexin, cartuchos fusibles y rel trmico como proteccin contra cortocircuitos y sobrecargas, estos tres elementos se colocarn segn la disposicin de la figura 1.15.

Como vemos en la figura 1.15, el contactor adems de ser el encargado de conectar y desconectar el motor cuando existe tensin en la lnea, se desconecta automticamente al quedar sin corriente su bobina. Por otra parte, ante un cortocircuito en el motor, se funden uno o varios fusibles de potencia y el motor se para, y ante una sobrecarga, al actuar el rel trmico, se abre su contacto que interrumpe la corriente a la bobina de mando del contactor y ste tambin se abre, parndose en consecuencia el motor. El arranque y parada del contactor se suele hacer con una botonera que posee un pulsador de marcha (M) y otro de parada (P), que se encargan de excitar y desexcitar la bobina del contactor.

Figura 1.15: Ubicacin de los elementos de accionamiento y proteccin

Calibrado de fusibles y rels trmicos

Segn vimos en el apartado anterior, un motor elctrico ha de estar preparado para soportar una sobrecarga del 20% durante 60 minutos y del 50% durante 2 minutos, por tanto los rels trmicos deben desconectar por debajo de estos lmites.

Para la correcta proteccin de un motor es necesario establecer una coordinacin entre los diferentes aparatos que accionan y protegen el motor, que suelen ser: el contactor, los fusibles y el rel trmico. La eleccin correcta de estos aparatos requiere el conocimiento exacto de sus caractersticas y curvas de funcionamiento, pero como en la prctica esto suele ser algo complicado, seguidamente se dan unas recomendaciones prcticas para el empleo correcto de estas protecciones, as como una tabla orientativa con la calibracin correcta de rels trmicos y fusibles de acuerdo con la potencia y tensin del motor que han de proteger (tabla 1.3).

- Fusibles: stos debern ser siempre cartuchos del tipo aM, ya que se fabrican

especialmente con este fin.

Calibrado: Se elegirn del calibre inmediatamente superior a la intensidad

nominal del motor a proteger.

- Rel trmico: Para una mejor proteccin ste debera ser siempre del tipo diferencial para que el motor quede protegido contra sobrecargas y marcha en monofsico.

Calibrado: Como regla general se ajustar a la intensidad nominal del motor consignada en su placa de caractersticas.

La tabla 1.3 como ya se dijo es orientativa, y est dirigida a motores asncronos trifsicos con rotor enjaula de ardilla de 4 polos (1.500 r.p. m.) con una punta de intensidad de arranque de entre 4 y 6 In. y para una duracin mxima de arranque de 5 segundos.

Tambin se ha reflejado la intensidad que habran de tener los fusibles de los tipos gF Y gT, por si tuvieran que ser empleados eventualmente ante la carencia de los fusibles tipo aM, que son los correctos. Como vemos, la intensidad de los mismos tendra que ser mucho mayor que la intensidad nominal del motor, para que no se fundan durante la punta de arranque.

Tabla 1.3: Calibrado de fusibles y rels trmicosIng. Luis Rojas MirandaPg. 1 UNI-FIEE

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