Arrancadores de motor explicados: Tipos, funciones y técnicas de arranque

Tipos de arrancadores de motor y técnicas de arranque

¿Qué es un arrancador de motor?

Un arrancador de motor es un dispositivo eléctrico usado para arrancar y parar un motor de forma segura. Similar a un relé, el arrancador conmuta la alimentación ON/OFF y, a diferencia de un relé, también proporciona protección contra bajo voltaje y sobrecorriente.

Las funciones principales de un arrancador son:

• Arrancar un motor de forma segura
• Parar un motor de forma segura
• Invertir la dirección de un motor
• Proteger el motor de bajo voltaje y sobrecorriente.

Un arrancador está compuesto por dos componentes principales que trabajan juntos para controlar y proteger el motor:

• Contactora eléctrica: Su propósito es conectar/desconectar la alimentación al motor haciendo o rompiendo los contactos.
• Circuito de protección contra sobrecarga: Su propósito es proteger el motor de daños potenciales por condición de sobrecarga. Corriente enorme por el rotor puede dañar el devanado y otros aparatos conectados. Detecta la corriente y corta la alimentación.

¿Por qué necesitamos un arrancador con un motor?

Un arrancador es esencial para arrancar un motor de inducción. Es debido a su baja impedancia del rotor. La impedancia del rotor depende del deslizamiento (slip) del motor de inducción, que es la velocidad relativa entre rotor y estator. La impedancia varía inversamente con el deslizamiento.

El deslizamiento del motor de inducción es máximo (1) en reposo, por lo que la impedancia está en su mínimo y consume una enorme cantidad de corriente llamada corriente de arranque (inrush current). La alta corriente de arranque magnetiza el entrehierro entre rotor y estator induciendo una FEM en el devanado del rotor. Esta FEM produce corriente en el devanado del rotor que crea campo magnético para generar par en el rotor. A medida que aumenta la velocidad del rotor, el deslizamiento disminuye y la corriente consumida por el motor se reduce.

 

La alta corriente de arranque es 5-8 veces la corriente nominal a plena carga. Tal cantidad de corriente puede dañar o quemar los devanados del motor, dejándolo inservible, y causar una gran caída de voltaje en la línea de alimentación que puede dañar otros aparatos conectados a la misma línea.

Para proteger el motor de tales corrientes, usamos un arrancador que limita la corriente inicial por corta duración al arranque y, una vez que el motor alcanza cierta velocidad, se reanuda la alimentación normal. También proporcionan protección contra condiciones de fallo como bajo voltaje y sobrecorriente durante operación normal.

Aunque motores pequeños por debajo de 1 HP tienen alta impedancia y pueden soportar la corriente inicial, no necesitan tal arrancador, sin embargo, necesitan sistema de protección contra sobrecorriente que proporcionan los arrancadores DOL (Direct On-Line). La explicación anterior muestra por qué necesitamos un arrancador para instalar con un motor.

¿Cómo funciona un arrancador de motor?

Un arrancador es un dispositivo de control usado para conmutar el motor manual o automáticamente. Se usa para control seguro ON/OFF de motores eléctricos haciendo o rompiendo sus contactos.

El arrancador manual se usa para motores pequeños donde la palanca operada a mano se maneja manualmente (mueve la posición de contactos) a posición ON u OFF. La desventaja es que necesitan rearme manual tras fallo de alimentación. Necesitan control manual para cada operación (ON u OFF). A veces esto puede llevar a flujo de altas corrientes en el devanado que puede quemar el motor. Por eso no se recomienda en la mayoría de casos donde se usan alternativas como arrancadores automáticos con protección.

Por otro lado, los arrancadores automáticos que consisten en relés electromecánicos y contactores se usan para conmutar operación ON/OFF del motor. Cuando la corriente pasa por las bobinas del contactor, se energiza y produce campo electromagnético que atrae o repele los contactos para conectar los devanados del motor a la alimentación.

Los pulsadores de arranque y parada conectados al motor y arrancador pueden usarse para operación ON y OFF. Las bobinas del contactor pueden desenergizarse pulsando el botón de parada, lo que lleva a desenergizar la bobina. Así, los contactos del contactor vuelven a su posición normal por muelle, apagando el motor. En caso de fallo de alimentación o apagado manual, el motor no arrancará automáticamente hasta que lo arranquemos manualmente pulsando el "botón de arranque". El siguiente diagrama muestra cómo opera un arrancador DOL para operación ON/OFF.

Tipos de arrancadores de motor basados en métodos y técnicas de arranque

En la industria, se usan diversas técnicas de arranque para motores de inducción. Antes de discutir los tipos de motores, aquí hay algunas técnicas usadas en arrancadores.

• Arrancador de tensión plena o directo a la línea

Estos arrancadores conectan directamente el motor a la línea de alimentación proporcionando tensión plena. Los motores conectados así tienen bajas potencias nominales para no crear gran caída de voltaje en la línea. Se usan donde los motores tienen bajas potencias y necesitan girar en una dirección.

• Arrancador de tensión plena reversible

La dirección de motor de inducción trifásico puede invertirse intercambiando cualesquiera dos fases. Este arrancador incorpora dos contactores magnéticos interbloqueados mecánicamente con fases intercambiadas para dirección adelante y atrás. Se usa donde el motor necesita girar en ambas direcciones y los contactores lo controlan.

• Arrancador multispeed

Para variar la velocidad de un motor CA, necesita variar la frecuencia de alimentación CA o variar el número de polos (reconectando devanados). Estos arrancadores hacen girar el motor en pocas velocidades preseleccionadas para sus aplicaciones.

• Arrancador de tensión reducida

La técnica más común es reducir el voltaje al arranque del motor para reducir la corriente de arranque que podría dañar los devanados y causar gran caída de voltaje. Estos arrancadores se usan para motores de alta potencia.

Basándonos en las técnicas descritas, los siguientes tipos de arrancadores se usan en la industria.

Tipos de arrancadores de motor:

Discutiremos los siguientes tipos de motores y sus métodos de arranque basados en los métodos anteriores con ventajas e inconvenientes.

1. Arrancador Directo en Línea (DOL)
2. Arrancador por resistencia de estator
3. Arrancador por resistencia de rotor o motor de anillos deslizantes
4. Arrancador autotransformador
5. Arrancador estrella-triángulo
6. Arrancador suave (Soft Starter)
7. Variador de frecuencia (VFD)

Los arrancadores tienen muchos tipos pero principalmente se clasifican en dos:

• Arrancador manual

Este tipo opera manualmente y no requiere experiencia. Un pulsador se usa para apagar y encender el motor conectado. El mecanismo incluye un interruptor mecánico que rompe o hace el circuito para parar o arrancar el motor.

También proporcionan protección contra sobrecarga. Sin embargo, no tienen LVP (protección bajo voltaje), es decir, no rompen el circuito ante fallo de alimentación. Puede ser peligroso porque el motor rearma cuando se restaura la alimentación. Así se usan para motores de baja potencia. El arrancador Directo en Línea (DOL) es un arrancador manual que proporciona protección contra sobrecarga.

• Arrancador magnético

Los arrancadores magnéticos son el tipo más común y se usan mayormente para motores CA de alta potencia. Operan electromagnéticamente como un relé que rompe o hace contactos usando magnetismo.

Proporcionan voltaje más bajo y seguro para arranque e incluyen protección contra bajo voltaje y sobrecorriente. Durante fallo de alimentación, el arrancador magnético rompe automáticamente el circuito. A diferencia de los manuales, incluye operación automática y remota excluyendo al operador.

El arrancador magnético consta de dos circuitos:

• Circuito de potencia: responsable de suministrar potencia al motor. Consiste en contactos eléctricos que encienden/apagan la potencia desde la línea al motor a través de relé de sobrecarga.
• Circuito de control: controla los contactos del circuito de potencia para hacer o romper la alimentación al motor. La bobina electromagnética se energiza/desenergiza para atraer/repelar contactos. Así proporciona control remoto al arrancador magnético.

Arrancador Directo en Línea (DOL)

DOL (Direct Online Starter) es la forma más simple de arrancador que conecta el motor directamente a la alimentación. Consiste en un contactor magnético que conecta el motor con la línea de alimentación y un relé de sobrecarga para protección contra sobrecorriente. No hay reducción de voltaje para arranque seguro. Por tanto, el motor usado con estos arrancadores tiene menos de 5 HP. Tiene dos pulsadores simples que arrancan y paran el motor.

Pulsar el botón de arranque energiza la bobina que atrae los contactores cerrando el circuito. Pulsar el botón de parada desenergiza la bobina del contactor y separa sus contactos rompiendo el circuito. El interruptor para encender/apagar la alimentación puede ser de cualquier tipo: rotativo, nivel, flotador, etc.

Aunque este arrancador no proporciona voltaje de arranque seguro, el relé de sobrecarga protege contra sobrecalentamiento y sobrecorriente. El relé tiene contactos normalmente cerrados que energizan la bobina del contactor. Cuando el relé dispara, la bobina se desenergiza y rompe el circuito.

Ventajas del arrancador DOL

• Diseño muy simple y rentable.
• Muy fácil de entender y operar.
• Proporciona alto par de arranque debido a la alta corriente de arranque.

Desventajas del arrancador DOL

• La alta corriente de arranque puede dañar los devanados.
• La alta corriente de arranque causa caída de voltaje en la línea.
• No es adecuado para motores pesados.
• Puede disminuir la vida útil del motor.

Arrancador por resistencia de estator

El arrancador por resistencia de estator usa la técnica RVS (arrancador de tensión reducida) para arrancar un motor. Se añade resistencia externa en serie con cada fase del estator de un motor de inducción trifásico. El trabajo del resistor es reducir el voltaje de línea (reduciendo subsiguientemente la corriente inicial) aplicado al estator.

Inicialmente, el resistor variable se mantiene en posición máxima ofreciendo máxima resistencia. Por tanto, el voltaje a través del motor es mínimo (nivel seguro) por la caída de voltaje en el resistor. El bajo voltaje del estator limita la corriente de arranque que puede dañar los devanados. A medida que el motor gana velocidad, la resistencia se reduce y la fase del estator se conecta directamente a las líneas de alimentación.

Como la corriente es directamente proporcional al voltaje y el par varía con el cuadrado de la corriente, una disminución de 2 veces en el voltaje disminuye el par 4 veces. Así, el par de arranque con este arrancador es muy bajo y debe mantenerse.

Ventajas del arrancador por resistencia de estator

• Proporciona flexibilidad en características de arranque.
• El suministro de voltaje variable permite aceleración suave.
• Puede conectarse a motores conectados en estrella o triángulo.

Desventajas del arrancador por resistencia de estator

• Los resistores disipan potencia.
• El par de arranque es muy bajo por reducción de voltaje.
• Los resistores son bastante caros para motores grandes.

Arrancador por resistencia de rotor o motor de anillos deslizantes

Este tipo de arrancador trabaja con técnica de arranque a tensión plena. Funciona solo en motor de inducción de anillos deslizantes, por eso también se conoce como arrancador de motor de anillos deslizantes.

Resistencias externas se conectan al rotor en combinación estrella a través de los anillos deslizantes. Estos resistores limitan la corriente del rotor e incrementan el par. Esto, a su vez, reduce la corriente de arranque del estator. También ayuda a mejorar el factor de potencia.

Los resistores solo se usan durante el arranque y se retiran una vez que el motor alcanza su velocidad nominal.

Ventajas del arrancador por resistencia de rotor

• Proporciona baja corriente de arranque usando tensión plena.
• Debido al alto par de arranque, el motor puede arrancar bajo carga.
• Este método mejora el factor de potencia.
• Proporciona amplio rango de control de velocidad.

Desventajas del arrancador por resistencia de rotor

• Solo funciona en motor de inducción de anillos deslizantes.
• El rotor es caro y más pesado.

Arrancador autotransformador

Este tipo de arrancadores usa un autotransformador como transformador reductor para reducir el voltaje aplicado al estator durante la etapa de arranque. Puede conectarse a motores conectados en estrella y triángulo.

El secundario del autotransformador se conecta con cada fase del motor. Los múltiples tomas del autotransformador proporcionan una fracción del voltaje nominal. Durante el arranque, el relé está en posición de inicio, es decir, el punto de toma que proporciona voltaje reducido para el arranque. El relé conmuta entre puntos de toma para aumentar el voltaje con la velocidad del motor. Al final, lo conecta con el voltaje nominal pleno.

Comparado con otras técnicas de reducción de voltaje, ofrece alto voltaje para una corriente de arranque específica. Ayuda a proporcionar mejor par de arranque.

Ventajas del arrancador autotransformador

• Proporciona mejor par de arranque.
• Se usa para arrancar motores grandes con carga significativa.
• También ofrece control manual de velocidad.
• Ofrece flexibilidad en características de arranque.

Desventajas del arrancador autotransformador

• Por el gran tamaño del autotransformador, ocupa mucho espacio.
• El circuito es complejo y relativamente caro comparado con otros arrancadores.

Arrancador estrella-triángulo

Es otro método común de arranque usado en la industria para motores grandes. Los devanados de motor de inducción trifásico se conmutan entre conexión estrella y triángulo para arrancar el motor.

Para arrancar el motor de inducción, se conecta en estrella usando un relé de triple polo doble tiro. El voltaje de fase en conexión estrella se reduce por factor 1/√3 y reduce la corriente de arranque y par de arranque a 1/3 del valor nominal normal.

Cuando el motor acelera, un relé temporizador conmuta la conexión estrella de los devanados del estator a conexión triángulo, permitiendo voltaje pleno en cada devanado. El motor gira a velocidad nominal.

Ventajas del arrancador estrella-triángulo

• Diseño simple y barato.
• No requiere mantenimiento.
• Proporciona baja corriente de pico.
• Se usa para arrancar motores de inducción grandes.
• Es mejor para tiempo de aceleración largo.

Desventajas del arrancador estrella-triángulo

• Funciona en motor conectado en triángulo.
• Hay más conexiones de cableado.
• Ofrece bajo par de arranque que no puede mantenerse.
• Hay flexibilidad muy limitada en características de arranque.
• Hay golpe mecánico al conmutar de estrella a triángulo.

Arrancador suave (Soft Starter)

El arrancador suave también usa la técnica de reducción de voltaje. Usa interruptores semiconductores como TRIAC para controlar el voltaje y la corriente de arranque suministrada al motor de inducción.

Un TRIAC controlado por fase se usa para proporcionar voltaje variable. El voltaje varía variando el ángulo de conducción o disparo del TRIAC. El ángulo de conducción se mantiene mínimo para proporcionar voltaje reducido. El voltaje aumenta gradualmente aumentando el ángulo de conducción. En ángulo máximo, se aplica el voltaje de línea completo al motor de inducción y gira a velocidad nominal.

Proporciona aumento gradual y suave del voltaje, corriente y par de arranque. Así no hay golpe mecánico y proporciona operación suave que aumenta la vida útil de la máquina.

Ventajas del arrancador suave

• Mejor control sobre corriente y voltaje de arranque.
• Ofrece aceleración suave, sin golpes.
• Reduce picos de potencia en el sistema.
• Extiende la vida útil del sistema.
• Mejor eficiencia y elimina necesidad de mantenimiento.
• Tamaño reducido.

Desventajas del arrancador suave

• Relativamente caro.
• Hay disipación de energía en forma de calor.

Variador de frecuencia (VFD)

Al igual que el arrancador suave, un variador de frecuencia (VFD) puede variar el voltaje y la frecuencia de la corriente de alimentación. Se usa principalmente para controlar la velocidad del motor de inducción ya que depende de la frecuencia de alimentación.

La CA de la línea se convierte en CC usando rectificadores. La CC pura se convierte en CA con frecuencia y voltaje ajustables usando modulación de ancho de pulso mediante transistores de potencia como IGBTs.

Proporciona control total sobre la velocidad del motor de 0 a velocidad nominal. La opción de ajuste de velocidad con voltaje variable proporciona mejor corriente de arranque y aceleración.

Ventajas del variador de frecuencia

• Mejor aceleración suave para motores grandes.
• Control total de velocidad con aceleración y desaceleración suave.
• Aumenta la vida útil por ausencia de estrés eléctrico y mecánico.
• Ofrece operación adelante y atrás del motor.

Desventajas del variador de frecuencia

• Relativamente caro a menos que el control de velocidad sea necesario.
• Hay disipación de calor.
• Los VFD crean armónicos en líneas eléctricas que pueden afectar equipos electrónicos y factor de potencia.