Arranque, frenado, protección, análisis de fallas y elección de dispositivos de protección para motores

Esta guia de schneider electric esta dedicada a los sistemas de arranque, frenado y protección de motores asíncronos de todo tipo.

La protección del motor es necesaria para asegurar que las equipos y las maquinas funcionan de forma correcta. Tanto la tecnología, como el arranque y el control de la velocidad para los motores son descritos de forma resumida en este guia.

Resumen de la información contenida en la guia de «Arranque y protección de motores AC»

Tipos de arranque de motores asíncronos trifásicos

Durante el arranque de un motor, se consume una corriente muy elevada que puede hacer caer la tensión de la red principal lo suficiente como para afectar al funcionamiento normal de los equipos conectados a ella.

Esta caída podría ser lo suficientemente severa como para que se note en la iluminación. Para evitar esto, algunas normativas prohíben el uso de motores con arranque directo a partir de una cierta potencia.

Arranque directo

Se trata del modo de arranque más sencillo en el que el estator se acopla de forma directa a la red. El motor se basa en sus características naturales.
En el momento de la puesta bajo tensión, el motor actúa como un transformador cuyo secundario, formado por la jaula muy poco resistente del rotor está en cortocircuito. La corriente primaria y la secundaria son prácticamente proporcionales.

• I arranque = 5 a 8 Amperaje nominal.

El par de arranque medio es:

• C arranque = 0,5 a 1,5 C nominal.

Arranque estrella-triángulo

Sólo es posible utilizar este modo de arranque en motores en los que las dos extremidades de cada uno de los tres devanados estatóricos vuelvan a la placa de bornas.

Por otra parte el devanado debe realizarse de manera que el acoplamiento en triángulo corresponda con la tensión de la red: por ejemplo, en red trifásica de 380V, es preciso utilizar un motor devanado a 380V en triángulo y 660V en estrella.

El principio consiste en arrancar el motor acoplando los devanados en estrella a la tensión de la red, lo que equivale a dividir por √3 la tensión nominal del motor en estrella (en el ejemplo anterior, la tensión de la red 380 V = 660 V / √3).
La corriente durante el arranque se divide por 3: Id = 1,5 a 2,6 In.

El arranque estrella-triángulo es apropiado para las máquinas cuyo par resistente es débil o que arrancan en vacío.

Arranque de motores de devanados partidos «part-winding»

Este sistema, poco utilizado en Europa, es muy común en el mercado norteamericano (tensión de 230/460 V, relación igual a 2). Este tipo de motor está dotado de un devanado estatórico desdoblado en dos devanados paralelos con seis o doce bornas de salida. Equivale a dos «medios motores» de igual valor de potencia.

Durante el arranque, un solo «medio motor» se acopla en directo a plena tensión a la red, lo que divide aproximadamente por dos tanto la corriente de arranque como el par. No obstante, el par es superior al del arranque estrella-triángulo de un motor de jaula de igual potencia.

Arranque estatórico por resistencias

Con este sistema, el motor arranca bajo tensión reducida mediante la inserción de resistencias en serie con los devanados. Una vez se estabiliza la velocidad, las resistencias se eliminan y el motor se acopla directamente a la red. Normalmente, se utiliza un temporizador para controlar la operación.

El acoplamiento de los devanados no se modifica. Así, pues, no es necesario que las dos extremidades de cada devanado sobresalgan de la placa de bornas.

El valor de la resistencia se calcula en base al aumento de corriente que no se debe superar durante el arranque o al valor mínimo del par de arranque necesario teniendo en cuenta el par resistente.

Corriente y par de arranque generalmente valen:

•  Id = 4,5 In
• Cd = 0,75 Cn

Arranque por autotransformador

El motor se alimenta a tensión reducida mediante un autotransformador que, una vez finalizado el arranque, queda fuera del circuito

El arranque se lleva a cabo en tres tiempos:

Primer tiempo, el autotransformador comienza por acoplarse en estrella y, a continuación, el motor se acopla a la red a través de una parte de los devanados del autotransformador. El arranque se lleva a cabo a una tensión reducida que se calcula en función de la relación de transformación. Por norma general, el transformador permite seleccionar la relación de transformación,

antes de pasar al acoplamiento a plena tensión, la estrella se abre. En ese momento, la fracción de devanado conectada a la red crea una inductancia en serie con el motor. Esta operación se realiza cuando se alcanza la velocidad de equilibrio, al final del primer tiempo,

el acoplamiento a plena tensión interviene a partir del segundo tiempo, muy corto (fracción de segundo). Las inductancias en serle con el motor se cortocircuitan y, a continuación, el dispositivo queda fuera del circuito.

Arranque retórico por resistencias de los motores de anillos

Un motor de anillos no puede arrancar en directo (devanados retóricos en cortocircuito) sin provocar aumentos de corriente inadmisibles. Es necesario insertar en el circuito retórico resistencias que se cortocircuiten progresivamente , al tiempo que se alimenta el estator a toda la tensión de red.

Arranque electrónico «soft starter»

Este es un sistema de arranque efectivo para arrancar y parar un motor de manera suave

Se puede usar para:
– limitar la corriente.
– ajustar el par.

Arranque por convertidor de frecuencia

Representa otro sistema efectivo de arranque a usar siempre que se quiera controlar y ajustar la velocidad.

Se utiliza con el objetivo de:

• Arrancar con cargas de gran inercia.
• Arrancar con grandes cargas en redes de baja capacidad de cortocircuito.
• Optimizar el consumo eléctrico adaptando la velocidad de lo que se conoce como «turbomáquinas».

Este sistema de arranque se puede usar en todos los tipos de máquina.

Resumen de características de los tipos de arranque para motores

Tipos de arranque de motores monofásicos

Un motor monofásico no puede arrancar por sisolo; existen diversas maneras de hacerlo funcionar.

Arranque por fase auxiliar

En este tipo de motores el estator consta de dos devanados con un lado geométrico de 90°.

Durante la puesta en tensión, y debido a las diferencias de fabricación de los devanados, una corriente I1 atraviesa la fase principal y una corriente más débil I2 circula por la fase  auxiliar con cierta diferencia de tiempo respecto de I1.

Dado que los campos están generados por dos corrientes desfasadas entre sí, el campo giratorio resultante es suficiente para provocar el arranque en vacío del motor.

Arranque por fase auxiliar y resistencia

Una resistencia situada en serie en la fase auxiliar aumenta tanto su impedancia como la diferencia de tiempo entre I1 y I2.
Al finalizar el arranque, el funcionamiento es idéntico al caso del método de fase auxiliar.

Arranque por fase auxiliar e inductancia

Se utiliza el principio anterior, pero la resistencia se sustituye por una inductancia montada en serie en la fase auxiliar para aumentar la diferencia entre las dos corrientes.

Arranque por fase auxiliar y condensador

Es el dispositivo más utilizado. Consiste en situar un condensador en la fase auxiliar. Para un condensador permanente, el valor de capacidad ronda los 8µF para un motor de 200W. En el arranque, quizá sea necesario un condensador extra de 16µF que es eliminado una vez ha finalizado este proceso.

El condensador provoca un desfase inverso al de una inductancia. Por tanto, el funcionamiento durante el período de arranque y la marcha normal es muy similar al de un motor bifásico de campo giratorio.

Arranque con espira de sombra

Este dispositivo se utiliza en motores de muy baja potencia (alrededor de 1OOW). Los polos tienen unas muescas con espiras cortocircuitadas insertadas. La corriente inducida en ellas produce distorsiones en el campo rotativo y provoca el arranque del motor.

La eficiencia es baja pero adecuada en este rango de potencia.

Frenado eléctrico de motores trifásicos asíncronos

En algunos sistemas, los motores se paran por la deceleración natural. El tiempo que conlleva este proceso depende únicamente de la inercia y del par resistente de la máquina que acciona el motor. Sin embargo, en muchas ocasiones es necesario reducir este tiempo, y el frenado eléctrico constituye una solución eficaz y simple.

Frenado por contracorriente

Este método consiste en reconectar el motor a la red en sentido inverso después de haberlo aislado y mientras sigue girando. Es un método de frenado muy eficaz, pero debe detenerse con antelación suficiente para evitar que el motor comience a girar en sentido contrario, algo que no es nada deseable en la mayoría de aplicaciones.

Motor de jaula de ardilla

Antes de adoptar este sistema, es imprescindible comprobar que el motor sea capaz de soportar frenados por contracorriente. Además de las restricciones mecánicas, este procedimiento impone ciertas limitaciones térmicas importantes al rotor.

En el momento del frenado, la corriente y el par son claramente superiores a las que se producen durante el arranque.

Motor de anillos rozantes

Para limitar el aumento de corriente y par, antes de acoplar el estator a contracorriente, es obligatorio volver a insertar las resistencias retóricas durante el arranque.

También es necesario añadir una sección adicional de frenado.

El par de frenado puede regularse fácilmente mediante la elección de una resistencia retórica adecuada.

Frenado por inyección de corriente rectificada

Este modo de frenado se utiliza en motores de anillos y de jaula. Comparado con el sistema de contracorriente, el coste de la fuente de corriente rectificada se ve compensado por el menor volumen de las resistencias. Con los variadores y arrancadores electrónicos, esta la posibilidad de frenado que se debe ofrecer sin un mayor precio.

Frenado electrónico

El frenado electónico se consigue simplemente con un variador de velocidad y una resistencia de frenado. El motor asíncrono actúa entonces como un generador y la energía mecánica se disipa en la resistencia de frenado sin incrementar las pérdidas en el motor.

Frenado por funcionamiento en hipersíncrono

En este caso, el motor es accionado por su carga superando la velocidad de sincronismo, se comporta como un generador asíncrono y desarrolla un par de frenado. La red recupera prácticamente toda la pérdida de energía, a excepción de una pequeña parte que se disipa.

Otro sistemas de frenado

Todavía puede encontrarse el frenado monofásico, que consiste en alimentar el motor por las dos fases de la red. En vacío, la velocidad es nula. El par de frenado está limitado a una tercera parte del par motor máximo.

El frenado monofásico no puede frenar toda la carga y requiere de la ayuda del frenado por contracorriente. Algunos de sus inconvenientes son los desequilibrios y las pérdidas importantes que se producen.

Frenado por inversión de marcha

Los motores trifásicos asíncronos se pueden frenar simplemente intercambiando las conexiones de dos devanados para invertir el sentido de giro del campo rotativo del motor.

El motor normalmente invierte su marcha si está parado. Si está girando, la inversión de fases provoca un frenado por contracorriente.

Definición de tipos de servicio para motores

Para un motor eléctrico, el número de arranques y frenadas por unidad de tiempo tiene una gran incidencia en la temperatura interna. La siguiente información consta de una visión general de estos tipos de servicio.

Servicio continuo – tipo S1

Funcionamiento con carga constante de duración suficiente para alcanzar el equilibrio térmico.

Servicio de duración limitada – tipo S2

Funcionamiento con carga constante para un periodo de tiempo dado, menor al requerido para alcanzar el equilibrio térmico, seguido de una pausa para restablecer el equilibrio térmico entre la máquina y el líquido refrigerante a unos 20° C.

Servicio intermitente periódico – tipo S3

Series de ciclos idénticos, cada uno de ellos con un periodo de funcionamiento y de pausa. La corriente de arranque en este tipo de servicio es tal que no tiene un efecto significativo en el calentamiento.

Servicio intermitente periódico con arranque – tipo S4

Series de ciclos idénticos, cada uno de ellos con un periodo de arranque significativo, uno de funcionamiento a carga constante y uno de pausa.

Servicio intermitente periódico con frenado eléctrico – tipo S5

Series de ciclos idénticos, cada uno de ellos con un periodo de arranque significativo, uno de funcionamiento a carga constante y uno de frenado eléctrico y una pausa.

Servicio continuo periódico con carga intermitente – tipo S6

Series de ciclos idénticos, cada uno de ellos con un periodo de funcionamiento a carga constante y uno de funcionamiento  sin carga. No existen pausas.

Servicio continuo periódico con frenado eléctrico – tipo S7

 Series de ciclos idénticos, cada uno de ellos con un periodo de arranque, uno de funcionamiento a carga constante y uno de frenado eléctrico. No existen pausas.

Servicio continuo periódico con variaciones relacionadas de carga y de velocidad – tipo S8

Series de ciclos idénticos, cada uno de ellos con un periodo de funcionamiento a carga constante a una velocidad de rotación preestablecida, seguido de uno o más periodos de funcionamiento  a carga constante a otras velocidades. No existen pausas.

Servicio con variaciones no periódicas de carga y velocidad – tipo S9

Servicio donde la carga y la velocidad normalmente varían de forma no periódica dentro de un rango de funcionamiento permitido. Este servicio a menudo incluye sobrecargas que pueden superar ampliamente la carga completa.

Servicio con regímenes constantes distintos – tipo S10

Servicio con, al menos, cuatro valores distintos de carga (o valores de carga equivalente),cada uno de ellos de duración suficiente para alcanzar el equilibrio térmico. La carga mínima de un ciclo de carga puede ser cero (funcionamiento sin carga o pausa).

Protección de motores

Todo moto eléctrico tiene unos límites de funcionamiento. Superar estos límites podría llegar a destruirlo junto con el sistema que acciona; el efecto inmediato es la interrupción del funcionamiento del mismo y las pérdidas económicas asociadas.

Este tipo de receptor, que transforma la energía eléctrica en energía mecánica, se puede convertir en el origen de incidentes eléctricos o mecánicos.

Incidentes eléctricos

• Picos de corriente, bajadas de tensión, desequilibrio y pérdida de fases que provocan variaciones en la corriente absorbida.
• Cortocircuitos donde la corriente puede alcanzar niveles que pueden destruir el motor.

Incidentes mecánicos

• Bloqueo del rotor, sobrecargas momentáneas o prolongadas que incrementan la corriente absorbida por el motor y que sobrecalientan sus devanados.

Cada unidad de arranque de motor debería incluir

• Protección contra cortocircuitos, para detectar y cortar corrientes anormales (por norma general, 1O veces superiores a la corriente nominal In) tan rápido como sea posible.
• Protección contra sobrecargas para detectar corrientes que superan un valor de 10 In y abrir el circuito de potencia antes de que el motor se caliente, dañando el aislamiento.

Estas protecciones se aseguran mediante dispositivos especiales como fusibles, disyuntores y relés de sobrecarga o por dispositivos integrales con un rango de protecciones.

Clases de aislamiento de los motores

La mayoría de maquinaria industrial cumple con la clase F. Ver la siguiente tabla:

Causas y efectos de los fallos  en motores

Hay dos tipos de fallos diferenciados en los motores eléctricos: fallos debidos a causas internas (del mismo motor) y fallos debidos a causas externas.

Fallos debidos a causas internas:

• Cortocircuito entre una fase y la tierra,
• Cortocircuito entre dos fases,
• Cortocircuito en los devanados,
• Sobrecalentamiento de los devanados,
• Barra rota en motores de jaula de ardilla,
• Problemas en los devanados

Fallos debidos a causas externas

Sus causas se localizan fuera del motor eléctrico pero sus efectos pueden dañar a éste.

Resumen de posibles fallos en un motor con sus causas, efectos y consecuencias

Protección de motores eléctricos

• Protección contra cortocircuitos
• Protección contra sobrecargas
• Protección de falla a tierra

El «disyuntor motor» (disyuntor magnetotérmico)

El «disyuntor motor» es un disyuntor magnetotérmico que protege el motor contra cortocircuitos y sobrecargas abriendo rápidamente el circuito donde existe el fallo. Es la combinación de un disyuntor magnético y de un relé de sobrecarga.