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Conexion de motores

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Es un aporte de los estudiantes del "ITES cARLOS cISNEROS" del segundo semestre
REALIZADO POR: Alex pILCO

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  • 1. ARRANQUE DE MOTORESResumen:En este este artículo se presentan los aspectos a considerar para dimensionaradecuadamente el arranque de los motores eléctricos.Desarrollo:Se denomina arranque de un motor al régimen transitorio en el que se eleva lavelocidad del mismo desde el estado de motor detenido hasta el de motor girandoa la velocidad de régimen permanente.El conjunto que se pone en marcha es inercial y disipativo, incluyendo en esteúltimo concepto a las cargas útiles, pues consumen energía.El estudio del arranque de los motores tiene una gran importancia práctica, ya quela elección correcta de las características de los motores eléctricos y arrancadoresa instalar están basados en el conocimiento de las particularidades de ésterégimen transitorio.Recordemos que el comportamiento dinámico del conjunto motor-maquinaaccionada está regido por la siguiente ecuación diferencial:Tm - Tr = J . d / dtDonde Tm es el par motor, Tr el par resistente, J es el momento de inercia delconjunto motor-maquina accionada y es la velocidad angular de dicho conjunto.
  • 2. Por lo tanto, para que el conjunto comience a girar se necesita que el par motorsupere al par resistente, de manera de generar una aceleración angular dearranque. El proceso de arranque finaliza cuando se equilibra el par motor con elpar resistente, estabilizándose la velocidad de giro del motor.Como la cupla motora es el producto de la corriente absorbida por el flujo delcampo magnético, además de un factor que caracteriza al tipo de máquina, estemayor par de arranque generalmente está asociado a una mayor corriente dearranque, la que no debe superar determinado límite por el calentamiento de losconductores involucrados.Aunque se suele enfocar el diseño de estos sistemas de arranque en atención alas corrientes y cuplas involucradas, no deben dejarse de lado otros aspectos quetambién resultan importantes, como por ejemplo el consumo de energía disipadaen forma de calor y las perturbaciones sobre la red de baja tensión.Estas perturbaciones incluyen principalmente las caídas de tensión (muy notablesen los elementos de iluminación), que pueden afectar el funcionamiento de otroselementos conectados a la misma, lo que resulta crítico en las instalaciones conmuchos motores que realizan frecuentes arranques.Por otro lado, los dispositivos de arranque pueden ser de operación manual o porcontactores. Estos últimos permiten efectuar el mando a distancia del motor concables de secciones pequeñas (sólo se requiere la corriente necesaria para labobina del contactor), lo que facilita el accionamiento y diseño del dispositivo decontrol por trabajar con intensidades reducidas.1 - ARRANQUE DE MOTORES ASINCRÓNICOS CON ROTOR EN JAULA
  • 3. Los motores de corriente alterna con rotor en jaula de ardilla se pueden poner enmarcha mediante los métodos de arranque directo o a tensión reducida (excluimosde esta exposición a los motores monofásicos).En ambos casos, la corriente de arranque generalmente resulta mayor que lanominal, produciendo las perturbaciones comentadas en la red de distribución.Estos inconvenientes no son tan importantes en motores pequeños, quehabitualmente pueden arrancar a tensión nominal.Por ejemplo, el código municipal fija los límites de corriente en el arranqueindicados en la tabla siguiente:Hasta 3 HP 4,0 . InMás de 3 hasta 6 HP 3,5 . InMás de 6 hasta 9 HP 3,1 . InMás de 9 hasta 12 HP 2,8 . InMás de 12 hasta 15 HP 2,5 . InMás de 15 hasta 18 HP 2,3 . InMás de 18 hasta 21 HP 2,1 . InMás de 21 hasta 24 HP 1,9 . InMás de 24 hasta 27 HP 1,7 . InMás de 27 hasta 30 HP 1,5 . InMás de 30 HP 1,4 . InLa máxima caída de tensión en la red no debe superar el 15% durante elarranque.Los circuitos con motores deben contar con interruptores que corten todas lasfases o polos simultáneamente y con protecciones que corten automáticamentecuando la corriente adquiera valores peligrosos.En los motores trifásicos debe colocarse una protección automática adicional quecorte el circuito cuando falte una fase o la tensión baje de un valor determinado.1.1 - Arranque directo de motores asincrónicos con rotor en jaulaSe dice que un motor arranca en forma directa cuando a sus bornes se aplicadirectamente la tensión nominal a la que debe trabajar.Si el motor arranca a plena carga, el bobinado tiende a absorber una cantidad decorriente muy superior a la nominal, lo que hace que las líneas de alimentaciónincrementen considerablemente su carga y como consecuencia directa seproduzca una caída de tensión. La intensidad de corriente durante la fase dearranque puede tomar valores entre 6 a 8 veces mayores que la corriente nominaldel motor. Su principal ventaja es el elevado par de arranque: 1,5 veces elnominal.
  • 4. Siempre que sea posible conviene arrancar los motores a plena tensión por lagran cupla de arranque que se obtiene, pero si se tuvieran muchos motores demedia y gran potencia que paran y arrancan en forma intermitente, se tendrá ungran problema de perturbaciones en la red eléctrica.Por lo tanto, de existir algún inconveniente, se debe recurrir a alguno de losmétodos de arranque portensión reducida que se describen a continuación.1.2 - Arranque a tensión reducida de motores asincrónicos con rotor en jaulaEste método se utiliza para motores que no necesiten una gran cupla de arranque.El método consiste en producir en el momento del arranque una tensión menorque la nominal en los arrollamientos del motor. Al reducirse la tensión se reduceproporcionalmente la corriente, la intensidad del campo magnético y la cuplamotriz.Entre los métodos de arranque por tensión reducida más utilizados podemosmencionar el de arrancador estrella-triángulo, el de autotransformador de arranquey el de arrancador electrónico.1.2.1 - Arranque de motores asincrónicos con rotor en jaula por conmutaciónestrella-triánguloEl arranque estrella-triángulo es el procedimiento más empleado para el arranquea tensión reducida debido a que su construcción es simple, su precio es reducido ytiene una buena confiabilidad.El procedimiento para reducir la tensión en el arranque consiste en conmutar lasconexiones de los arrollamientos en los motores trifásicos previstos para trabajarconectados en triángulo en la red de 3 x 380 V.Los bobinados inicialmente se conectan en estrella, o sea que reciben la tensiónde fase de 220 V, y luego se conectan en triángulo a la tensión de línea de 380 V;es decir que la tensión durante el arranque se reduce 1,73 veces.Por ser ésta una relación fija, y dado que la influencia de la tensión sobre lacorriente y la cupla es cuadrática, tanto la corriente como el par de arranque delmotor se reducen en tres veces.Además, es necesario que el motor esté construido para funcionar en triángulocon la tensión de la línea (380 / 660 V). Si no es así, no se lo puede conectar.Además el estator debe tener sus seis bornes accesibles (situación que no se daen todos los motores, como por ejemplo en las bombas sumergibles). Para ello seabren los circuitos de las bobinas del estator y se las conecta al conmutador. Eneste caso al motor ingresan 6 cables, más el de puesta a tierra.
  • 5. La conmutación de estrella a triángulo generalmente se hace en forma automáticaluego de transcurrido un lapso (que puede regularse) en el que el motor alcanzadeterminada velocidad.En el caso más simple tres contactores realizan la tarea de maniobrar el motor,disponiendo de enclavamientos adecuados. La protección del motor se hace pormedio de un relé térmico. El térmico debe estar colocado en las fases del motor.La regulación del mismo debe hacerse a un valor que resulta de multiplicar lacorriente de línea por 0,58. La protección del circuito más adecuada también es elfusible.Algunas indicaciones que se deben tener en cuenta sobre el punto deconmutación son: el pico de corriente que toma el motor al conectar a plenatensión (etapa de triángulo) debe ser el menor posible; por ello, la conmutacióndebe efectuarse cuando el motor esté cercano a su velocidad nominal (95% de lamisma), es decir cuando la corriente de arranque baje prácticamente a su valornormal en la etapa de estrella.Asimismo, el relé de tiempo debe ajustarse para conmutar en este momento, noantes ni muchodespués. Habitualmente, un arranque normal puede durar hasta 10 segundos, sisupera los 12 segundos se debe consultar al proveedor del equipo. Si no secumple con lo anterior, el pico de corriente que se produce al pasar a la etapa detriángulo es muy alto, perjudicando a los contactores, al motor y a la máquinaaccionada. El efecto es similar al de un arranque directo.Finalmente digamos que el dispositivo estrella-triángulo tiene el inconveniente deque la cupla de arranque que se obtiene a veces no es suficiente para hacerarrancar máquinas con mucho momento de inercia, en cuyo caso se utilizan losdos métodos que se describen a continuación. Ambos permiten conectar motorestrifásicos con motor de jaula, los cuales traccionan, por ejemplo, bombassumergibles.1.2.2 - Arranque de motores asincrónicos con rotor en jaula porautotransformador de arranqueEl autotransformador de arranque es un dispositivo similar al estrella-triángulo,salvo por el hecho de que la tensión reducida en el arranque se logra mediantebobinas auxiliares que permiten aumentar la tensión en forma escalonada,permitiendo un arranque suave.Su único inconveniente es que las conmutaciones de las etapas se realizanbruscamente, produciendo en algunas ocasiones daños perjudiciales al sistemamecánico o a la máquina accionada. Por ejemplo, desgaste prematuro en losacoplamientos (correas, cadenas, engranajes o embragues de acoplamiento) o en
  • 6. casos extremos roturas por fatiga del eje o rodamientos del motor, producidos porlos grandes esfuerzos realizados en el momento del arranque.Una variante menos usada es la conexión Kusa, en la que durante el proceso dearranque se intercala una resistencia en uno de los conductores de línea.1.2.3 - Arranque de motores asincrónicos con rotor en jaula por dispositivoselectrónicosLos arrancadores electrónicos son una mejor solución que losautotransformadores gracias a la posibilidad de su arranque suave, permitiendo unaumento en la vida útil de todas las partes involucradas.Los mismos consisten básicamente en un convertidor estático alterna-continua-alterna ó alterna-alterna, generalmente de tiristores, que permiten el arranque demotores de corriente alterna con aplicación progresiva de tensión, con laconsiguiente limitación de corriente y par de arranque. En algunos modelostambién se varía la frecuencia aplicada.Al iniciar el arranque, los tiristores dejan pasar la corriente que alimenta el motorsegún la programación realizada en el circuito de maniobra, que irá aumentandohasta alcanzar los valores nominales de la tensión de servicio.La posibilidad de arranque progresivo, también se puede utilizar para detener elmotor, de manera que vaya reduciendo la tensión hasta el momento de ladetenciónEstos arrancadores ofrecen selección de parada suave, evitando por ejemplo, losdañinos golpes de ariete en las cañerías durante la parada de las bombas; ydetención por inyección de corriente continua para la parada más rápida de lasmasas en movimiento.Además poseen protecciones por asimetría, contra sobretemperatura ysobrecarga, contra falla de tiristores, vigilancia del tiempo de arranque conlimitación de la corriente, control de servicio coninversión de marcha, optimización del factor de potencia a carga parcial,maximizando el ahorro de energía durante el proceso y permiten un ahorro en elmantenimiento por ausencia de partes en movimiento que sufran desgastes.
  • 7. 2 - ARRANQUE DE MOTORES ASINCRÓNICOS CON ROTOR BOBINADOEn un motor asincrónico, la velocidad a la que se produce la máxima cupla esfunción de la resistencia del circuito rotórico. En particular, la máxima cupla dearranque se tiene cuando dicha resistencia es aproximadamente igual a lareactancia del motor.En los motores de corriente alterna con rotor bobinado, para efectuar el procesode puesta en marcha se instala un reóstato de arranque conectado a los anillosrozantes del motor de manera de aumentar a voluntad la resistencia rotórica total.En este método, el motor arranca con toda la resistencia en serie con el circuitodel rotor. Luego por medios manuales o automáticos, en forma continua oescalonada, se va reduciendo la resistencia a medida que la máquina ganavelocidad, hasta que en régimen permanente el reóstato queda en cortocircuito.Cabe acotar que se construyen rotores tipo jaula del tipo de ranura profunda queproducen una culpa de arranque algo similar a la de un rotor bobinado conreóstato de arranque. En el momento del arranque la circulación de corrientessecundarias localizadas en las cercanías del entrehierro tienen una mayordensidad de corriente, bloqueando el flujo magnético hacia el interior del núcleo,por lo que el conjunto se comporta como si tuviera mayor resistencia efectiva. Alaumentar la velocidad, disminuye la frecuencia secundaria y cesa ese efectotransitorio.
  • 8. 3 - ARRANQUE DE MOTORES SINCRÓNICOSUna máquina sincrónica "pura" no tiene par de arranque. Por lo tanto, en generalse fabrican de forma de que pueda desarrollar un suficiente par de inducción parael arranque por medio de jaulas auxiliares, hasta una velocidad próxima alsincronismo en la que la corriente de excitación desarrolle un par desincronización conveniente. En algunos casos, las corrientes parásitas en lospolos proveen el par asincrónico suficiente para el arranque, pero en otros casosdebe instalarse un bobinado especial.Las formas de arranque son semejantes a las del motor asincrónico, aunque sesuele conectar una resistencia intercalada en el bobinado de excitación, paraevitar sobretensiones en los terminales cuando hay movimiento relativo entre elflujo del inducido y el bobinado del campo. Si el campo del motor es excitado porrectificadores, esta tensión inducida podría producir una componente de continuay un par pulsa torio, que podría causar trastornos en el arranque.Cuando se necesita un par de arranque muy elevado, los bobinados de arranque(amortiguadores) se disponen con anillos rozantes para intercalar resistenciasexternas.4 - ARRANQUE DE MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA
  • 9. Con los medios de rectificación de que se dispone actualmente resulta fácil ypráctico la utilización de motores de corriente continua, debido a la facilidad quetienen para arrancar y regular su velocidad.En la práctica se utilizan diversos motores de corriente continua como:-De excitación independiente.-De excitación serie / universal.-De excitación derivación (shunt).
  • 10. -De excitación compuesta en conexión adicional (compound).-De imanes permanentes.-Especiales.Dentro de los motores de excitación independiente, serie, derivación y compuesta,se distinguen los siguientes bobinados cuya denominación y e identificaciónseñalamos:AB - Inducido.GH - Polos auxiliares y de compensación.JK - Bobinado inductor independiente.EF - Bobinado inductor serie.CD - Bobinado inductor derivación.Un motor de corriente continua queda definido por:-Red que alimenta al arrancador / variador (tensión y sistema de c.a.).-Tipo de motor en función de la c. c.-Potencia en kW.-Velocidad máxima en rpm.-Gama de trabajo, mínima y máxima.-Par a transmitir, en Nm.-Tensión del inducido, en V.-Tensión del inductor, en V.-Intensidad del inducido, en A.-Intensidad del inductor, en A.-Grado de protección IP.-Tipo de fijación y salida del eje.El tipo de convertidor necesario depende de la clase de servicio que se requiera,las que pueden ser:
  • 11. Servicio clase IEmpleo al 100% de In, sin posibilidad de sobrecarga.Servicio clase IIEmpleo al 100% de In, con posibilidad de 150% de In durante 1 minuto, que puederepetirse cada hora.Servicio clase IIIEmpleo al 1 00% de In, con posibilidad de 125% de In durante 2 hs. y del 200% deIn durante 10 seg.A cada sobrecarga debe seguir el tiempo para que el motor adquiera sutemperatura de régimen.Las características más destacables de los motores en corriente continua son:Motor de excitación independiente -Par de arranque muy elevado.-Fácil control de velocidad en forma automática.-Requiere reóstato de arranque.-Se utiliza en motores pequeños.Motor de excitación serie -Par de arranque muy elevado.-Difícil control de velocidad.-Requiere reóstato de arranque.-Se utiliza para tracción eléctrica.Motor con excitación derivación (shunt)-Par de arranque menor que en el motor serie.-Muy estable.-Requiere reóstato de arranque en el inducido.-Utilizado en máquinas herramientas.Motor con excitación compuesta-Par de arranque más elevado que el motor en derivación.-Muy estable.-Requiere reóstato de arranque en el inducido.-Utilizado en máquinas herramientas y para tracción. En estos motores la FEM en reposo es cero, y por consiguiente, la corriente y elpar de arranque sólo quedan limitados por la resistencia del circuito de inducido.
  • 12. Los motores de corriente continua pueden arrancar por diferentes procedimientosactuando sobre la tensión. Los más utilizados son el reóstato de regulación y losdispositivos electrónicos de rectificación controlada.4.2 - Arranque de motores de corriente continua por reóstatosLos reóstatos se conectan en serie con el inducido, de manera de producir unacaída que disminuya la tensión efectivamente aplicada sobre el mismo.En el caso del motor derivación, se deduce que conservando constantes el flujo yla tensión total, la pendiente de la característica velocidad / par es proporcional ala resistencia del circuito de inducido. Aumentando esta resistencia, lacaracterística cortará al eje de velocidad cero en un punto de menor par (ycorriente) de arranque. Por su parte en el caso del motor serie el efecto de laresistencia adicional es semejante, obteniéndose un determinado par de arranquecon una sobre corriente menor que en el motor derivación, lo que lo haceadecuado para aplicaciones de tracción.4.2 - Arranque de motores de corriente continua por dispositivoselectrónicosEn estos arrancadores el equipo electrónico, generalmente de tiristores, recibe unsuministro decorriente alterna monofásica o trifásica y lo convierte en un suministro de tensióncontinua variable, que permiten el arranque con aplicación progresiva de tensión,con la consiguiente limitación de corriente y par de arranque.En general se pueden hacer consideraciones análogas a las realizadas en elapartado 1.2.3. Finalmente digamos que muchas veces el criterio de selección entre el uso de losdistintos sistemas de arranque pasa fundamentalmente por una consideración detipo técnico-económica.cuando se conecta en estrella, este consume una menor corriente que entriangulo, pero me da menos potencia; aunque esta es necesaria para hacermover el rotor lo suficiente.después de estar un tiempo en estrella se cambia a triangulo, acá se consumemayor corriente pero se da mas potencia.entonces reducimos el pico de intensidad en el arranque ya que no se obliga amover el rotor en reposo con la corriente del triangulo.el hecho es que no se usa la potencia del triangulo para acelerar el rotor, ya queesto consumiría mas corriente en vez de eso uso el triangulo que me consume
  • 13. menos potencia pero me acelera el rotor, hasta que cambiamos a triangulo dondeya funciona continuamente y tengo mas potencia.

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