El presente ensayo tiene como finalidad conocer y analizar las diferentes formas de arrancar un motor eléctrico trifásico, ya sea usando variadores de velocidad o contactores, estudiando los pros y los contras de cada método. Además, se hablará del arranque por devanado partido, enfocándonos en los motores que lo usan, sus principales características y su circuito de control, esto a su vez comparándolo de forma detallada con el arranque estrella-triangulo.

Una gran parte de los equipos utilizados en la industria moderna funcionan a velocidades variables, como por ejemplo los trenes laminadores, los mecanismos de elevación, las máquinas-herramientas, los sistemas de refrigeración, etc. En estos se requiere un control preciso de la velocidad para lograr un adecuado desempeño del sistema, mayor durabilidad del equipo y garantizar la seguridad de personas y bienes.

El estudio de esta condición para cada caso en particular tiene una gran importancia práctica, ya que la elección correcta de las características de los motores y variadores a instalar para un servicio determinado, requieren del conocimiento de las cualidades y funciones de cada producto.

La regulación de velocidad puede realizarse por métodos mecánicos, como poleas o engranajes, o por medios eléctricos, siendo este el más práctico a utilizar en los sistemas de refrigeración.

La máquina de inducción es alimentada con corriente C.A., especialmente la que utiliza un rotor en jaula de ardilla, el cual, es el motor eléctrico más común en todo tipo de aplicaciones industriales y el que abarca un margen de potencias mayor. Pero no basta conectar un motor a la red para utilizarlo correctamente, sino que existen diversos elementos que contribuyen a garantizar un funcionamiento seguro.

La fase de arranque merece una especial atención. El par debe ser el necesario para mover la carga con una aceleración adecuada hasta que se alcanza la velocidad de funcionamiento en régimen permanente, procurando que no aparezcan problemas eléctricos o mecánicos capaces de perjudicar al motor, a la instalación eléctrica o a los elementos que hay que mover.

El motor de corriente alterna, a pesar de ser un motor robusto, de poco mantenimiento, liviano e ideal para la mayoría de las aplicaciones industriales, tiene el inconveniente de ser un motor rígido en cuanto a su velocidad. La velocidad del motor asincrónico depende de la forma constructiva del motor y de la frecuencia de alimentación. Como la frecuencia de alimentación que entregan las Compañías de electricidad es constante, la velocidad de los motores asincrónicos es constante, salvo que se varíe el número de polos, el resbalamiento o la frecuencia.

El método más eficiente de controlar la velocidad de un motor eléctrico es por medio de un variador electrónico de frecuencia. No se requieren motores especiales, son mucho más eficientes y tienen precios cada vez más competitivos.

El variador de frecuencia regula la frecuencia del voltaje aplicado al motor, logrando modificar su velocidad. Sin embargo, simultáneamente con el cambio de frecuencia, debe variarse el voltaje aplicado al motor para evitar la saturación del flujo magnético con una elevación de la corriente que dañaría el motor.

El Variador de Velocidad (VSD, por sus siglas en inglés Variable Speed Drive) es en un sentido amplio un dispositivo o conjunto de dispositivos mecánicos, hidráulicos, eléctricos o electrónicos empleados para controlar la velocidad giratoria de maquinaria, especialmente de motores. También es conocido como Accionamiento de Velocidad Variable (ASD, también por sus siglas en inglés Adjustable-Speed Drive). Los variadores de velocidad se emplean en una amplia gama de aplicaciones industriales, como en ventiladores y equipo de aire acondicionado, equipo de bombeo, bandas y transportadores industriales, elevadores, llenadoras, tornos y fresadoras, etc. Un variador de velocidad puede consistir en la combinación de un motor eléctrico y el controlador que se emplea para regular la velocidad del mismo. La combinación de un motor de velocidad constante y de un dispositivo mecánico que permita cambiar la velocidad de forma continua (sin ser un motor paso a paso) también puede ser designado como variador de velocidad.

El motivo para emplear variadores de velocidad es para el control de procesos y el ahorro de la energía, siendo estas las principales razones para el empleo de variadores de velocidad. Históricamente, los variadores de velocidad fueron desarrollados originalmente para el control de procesos, pero el ahorro energético ha surgido como un objetivo tan importante como el primero.

Se utilizan estos equipos cuando las necesidades de la aplicación sean:

- Dominio de par y la velocidad

- Regulación sin golpes mecánicos

- Movimientos complejos

- Mecánica delicada

El control de los motores eléctricos mediante conjuntos de conmutación “Todo o Nada” es una solución bien adaptada para el accionamiento de una amplia gama de máquinas. No obstante, conlleva limitaciones que pueden resultar incomodas en ciertas aplicaciones.

En términos generales, puede decirse que existen tres tipos básicos de variadores de velocidad: mecánicos, hidráulicos y eléctrico-electrónicos. Dentro de cada tipo pueden encontrarse más subtipos. Cabe aclarar que los variadores más antiguos fueron los mecánicos, que se emplearon originalmente para controlar la velocidad de las ruedas hidráulicas de molinos, así como la velocidad de las máquinas de vapor.

Los variadores de velocidad mecánicos e hidráulicos generalmente son conocidos como transmisiones cuando se emplean en vehículos, equipo agroindustrial o algunos otros tipos de maquinaria.

Con los variadores de velocidad podemos encontrar limitaciones a la hora de usarse en motores asincrónicos. Entre ellos encontramos:

1. El pico de corriente en el arranque puede perturbar el funcionamiento de otros aparatos conectados a la red, las sacudidas mecánicas que se producen durante los arranques y las paradas pueden ser inaceptables para la máquina así como para la seguridad y comodidad de los usuarios.

2. Funcionamiento a velocidad constante, los arrancadores y variadores de velocidad electrónicos eliminan estos inconvenientes. Adecuados para motores de corriente tanto alterna como continua, garantizan la aceleración y deceleración progresivas y permiten adaptar la velocidad a las condiciones de explotación de forma muy precisa. Según la clase del motor, se emplean variados de tipo rectificador controlado, convertidor de frecuencia o regulador de tensión.

3. Es un sistema caro, pero rentable a largo plazo.4. Requiere estudio de las especificaciones del fabricante.5. Requiere un tiempo para realizar la programación.

Pero así como tenemos desventajas en la utilización de variadores de velocidad para arrancar un motor asincrónico trifásico, también tenemos ventajas, entre las cuales encontramos:

El variador de velocidad no tiene elementos móviles, ni contactos. La conexión del cableado es muy sencilla. Permite arranques suaves, progresivos y sin saltos. Controla la aceleración y el frenado progresivo. Limita la corriente de arranque. Permite el control de rampas de aceleración y deceleración regulables en el tiempo. Consigue un ahorro de energía cuando el motor funcione parcialmente cargado, con

acción directa sobre el factor de potencia Puede detectar y controlar la falta de fase a la entrada y salida de un equipo. Protege al

motor. Puede controlarse directamente a través de un autómata o microprocesador. Se obtiene un mayor rendimiento del motor. Nos permite ver las variables (tensión, frecuencia, r.p.m, etc…).

Ilustración 1. Comparación de las características de funcionamiento que demuestran el gran interés de los variadores de velocidad tipo “convertidores de frecuencia”.

Ilustración 2. Diagrama Par vs Velocidad de un motor alimentado directo. La zona de funcionamiento del motor en el plano par-velocidad está limitada a la parte verde de la curva.

Ilustración 3. Diagrama Par vs Velocidad de un motor alimentado por convertidor de frecuencia. Aquí la zona de funcionamiento del motor en el plano par-velocidad está representada en verde.

Ilustración 4. Esquema de principio de un convertidor de frecuencia.

Ahora bien, para hablar del arranque de motores por contactores debemos saber primero que es un contactor, sus partes y funcionamiento, lo cual se nombrará a continuación; El contactor es un aparato de mando a distancia, que puede cerrar o abrir circuitos, ya sea en vacío o en carga. Es la pieza clave del automatismo en el motor eléctrico.

Su principal aplicación es la de efectuar maniobras de apertura y cierra de circuitos relacionados con instalaciones de motores. Excepto los pequeños motores individuales, que son accionados manualmente, el resto de motores se accionan por contactores.

Un contactor está formado por una bobina y unos contactos, que pueden estar abiertos o cerrados, y que hacen de interruptores de apertura y cierre de la corriente en el circuito. La bobina es un electroimán que acciona los contactos, abriendo los cerrados y cerrando los contactos abiertos. Cuando le deja de llegar corriente a la bobina los contactos vuelven a su estado de reposo.

Ilustración 5. Contactor Real y su símbolo utilizado en los circuitos.

El funcionamiento es más sencillo, el cual se explicará mucho mejor en seguida.

Ilustración 6. Funcionamiento y Partes del Contactor.

Si nos fijamos en la imagen anterior tenemos 4 contactos abiertos y el último es un contacto cerrado en reposo.

Si hacemos llegar corriente a la bobina, que está formada por un electroimán, atrae hacia sí el martillo arrastrando en su movimiento a los contactos móviles que tirará de ellos hacia la izquierda. Esta maniobra se llama "enclavamiento del contactor". Todos los contactos que estaban abiertos ahora serán contactos cerrados, y el último que estaba cerrado ahora será un contacto abierto. Cuando la bobina está activada se dice que el contactor está enclavado. En el momento que dejemos de dar corriente a la bobina el contactor volverá a su posición de reposo por la acción del muelle resorte, dejando los contactos como estaban al principio, al tirar de ellos hacia la derecha.

Vamos a conectar en un circuito el contactor para el arranque de un motor trifásico:

Ilustración 7. Circuito con contactor para arranque de un motor trifásico.

Si nos fijamos la bobina se activa a través de un interruptor por una fase y el neutro (L1 y N), es decir a 220V. El motor trifásico se activa a través de los contactos principales del contactor con las 3 fases (L1,L2 y L3), por ejemplo 380V. Cuando activamos el Interruptor le llega corriente a la bobina y el contactor se enclava cerrando los contactos principales y arrancando el motor. Cuando desconectamos el interruptor deja de llegarle corriente a la bobina y los contactos vuelven a la posición de reposo haciendo que el motor se pare.

Como vemos en los circuitos de los contactores se distinguen dos circuitos diferentes, el circuito de mando, que será el que active o desactive la bobina y el circuito de fuerza, que será el que arranque o pare el motor.

El circuito de mando suele ser un circuito a menor tensión e intensidad que el circuito de fuerza. De ahí que los contactos principales o de fuerza sean más gordos que los auxiliares.

En el esquema anterior no se ha usado los contactos auxiliares, solo el de la bobina, pero ya se verá cómo se utilizan para por ejemplo la auto alimentación.

Una de las características básicas de un contactor es su posibilidad de maniobra en circuitos sometidos a corrientes muy fuertes, en el circuito de fuerza, pero con pequeñas corrientes en el circuito de mando. Por ejemplo para activar la bobina 0,35A a 220V y para el de Fuerza 200A. Además encontramos:

Seguridad del personal dado que realiza las maniobras en lugares alejados del operador. El motor y el contactor pueden estar lejos del operador, solo es necesario que el operador este cerca del interruptor de arranque para accionar el motor, y como vimos esta parte trabaja a tensiones menores que las de fuerza (donde está el motor y/o el contactor).

Imagina que se tiene el interruptor de arranque separado del motor 1Km y el contactor está sobre el propio motor o muy cerca de él. El circuito desde el interruptor hasta el motor es el circuito auxiliar, a poca tensión, con poca intensidad y por lo tanto con cables

muy finos o de poca sección. Los cables de más sección son los que van del contactor al motor, y esto solo tendrán la longitud desde el contactor al motor, es decir serán muy cortos. ¿Qué ventaja tiene esto? Pues que es un gran ahorro en el gasto de los cables o conductores. Imagina que tuviéramos que arrancar el motor directamente sin contactor, desde el interruptor, que por cierto tendría que ser mucho mayor y más caro, hasta el motor, todos los cables serían de fuerza y medirían 1Km de largos, con lo cual sería mucho mayor el coste en conductores.

Ahorro de tiempo al realizar maniobras largas.

Posibilidad de controlar el arranque de un motor desde puntos diferentes.

Automatización del arranque de motores.

Automatización y control de numerosas aplicaciones, con ayuda de los aparatos auxiliares del contactor. Ejemplos: llenado automático de un pozo de agua, control de la temperatura en hornos, etc.

A la hora de elegir un contactor de maniobra de motores hay que tener en cuenta los siguientes factores:

Tensión y potencia nominales de la carga, o sea del motor. Tensión y frecuencia reales de alimentación de la bobina y de los elementos del circuito

auxiliar. Clase de arranque del motor: directo, estrella-triángulo, etc. Número aproximado de conexiones-hora. Condiciones de trabajo: normales, duros o extremas. Podrían ser calefacción eléctrica,

ascensores, grúas, máquinas de imprimir etc.

Ahora veremos algunos circuitos básicos de arranque de motores por contactor.

Circuito Directo por Interruptor: ya lo vimos anteriormente.

Arranque por Pulsadores con Autoalimentación: tendremos dos pulsadores, el pulsador de marcha o arranque y el de paro. En este caso necesitamos una retroalimentación, para que al pulsar el pulsador de marcha el contactor siga alimentado aun cuando soltemos el pulsador de marcha. Solo se parará cuando pulsemos el pulsador de paro. El esquema del circuito de mando sería el siguiente:

Ilustración 8. Circuito de Mando de un motor mediante pulsadores de marcha y paro.

Sp es el pulsador de paro, Sm es el pulsador de marcha, KM la bobina del contactor, un contacto auxiliar KM del propio contactor y los 3 contactos KM de fuerza para el motor. Si pulsamos Sm le llega corriente a la bobina y el contactor se activa cerrando el contacto auxiliar KM. Aunque dejemos de pulsar el pulsador de arranque la bobina del contactor sigue activada a través de KM, esto es lo que se llama autoalimentación o retroalimentación. Si ahora pulsamos Sp deja de llegar corriente a la bobina el contactor parará el motor.

Conexión Estrella y Conexión Triángulo.

Las bobinas de un motor trifásico (3 bobinas) se pueden conectar de 2 formas: en estrella y en triángulo.

Ilustración 9. Conexión del motor en estrella y triángulo.

Fíjate que en triángulo las bobinas quedan a la tensión de alimentación, en este caso 230V (es como en paralelo).

Si las conectamos en estrella las bobinas quedan trabajando a una tensión raíz de 3 menor, en este caso a 127V. Tensión en estrella = Tensión en triángulo/√3. 3 impedancias o bobinas en triángulo consumen el triple de corriente de línea que en estrella, a la misma tensión de red. En la conexión estrella-triángulo se reduce la corriente de arranque del motor. Lo que se suele hacer en los motores trifásicos es arrancarlos inicialmente en estrella y pasado un tiempo se pasa a triángulo (3 o 4 segundos). Se llama arranque estrella-triángulo.

Se trata de que en el arranque el motor vaya cogiendo revoluciones poco a poco, en estrella, y después de un tiempo se ponga en marcha normal, en triangulo.

La tensión y la intensidad de arranque en estrella es 3 veces menor que en triángulo. Según el motor va cogiendo velocidad se pasa a triángulo para que quede en la marcha normal del motor. Esto hace que tengamos un rendimiento óptimo del motor en el arranque. Hay motores que poseen mucha carga mecánica en el arranque y les cuesta comenzar a cargar, girar y terminar de desarrollar su velocidad final. Para ello, se cuenta con la conexión estrella-triángulo.

Aquí tenemos el circuito de fuerza de la conexión estrella-triángulo:

Ilustración 10. Circuito de conexión estrella-triángulo.

En el arranque se debe conectar el K1 y el K3, pasados unos segundos se conecta en triángulo con el K1 y el K2.El circuito de mando sería el siguiente:

Ilustración 11. Esquema circuito de mando estrella-triángulo.

F2 es simplemente un interruptor térmico que pararía el motor si su temperatura se eleva mucho. S1 sería el pulsador de arranque y S2 el de paro. KA1 es una bobina (relé) que se activa al retardo, es decir después de unos segundos de llegarle la corriente, por lo tanto este relé hace solo el cambio de estrella a triángulo. Fijémonos si pulsamos S1 se activa KM1, sus contactos y además KM2 y el relé KA1. Pasados unos segundos los contactos de KA1 cambian de posición y desactivan el KM2 y activan el KM3, pasando el motor a triángulo con KM1 y KM3 enclavados. S2 desactiva todo el circuito y para el motor.

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 el funcionamiento normal de los receptores 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. La elección de cierto tipo de arranque depende de factores eléctricos, mecánicos y económicos. Frecuentemente los motores trifásicos jaula de ardilla, son construidos para operar a dos tensiones diferentes; por ejemplo, 220 y 440 V. Esto se logra embobinando el estator en dos secciones idénticas, con seis o doce bornas de salida, equivalente a dos “medios motores” de igual potencia.

En el arranque de motores por devanado partido “part-winding” el motor está dotado de un devanado estatórico desdoblado en dos devanados paralelos con 6 o 12 bornes de salida. Equivale a dos “medios motores” de igual potencia. Durante el arranque, un solo “medio motor” se acopla en directo a plena tensión de la red, lo que divide aproximadamente por 2 tanto la corriente como el par de arranque. Al finalizar el arranque se acopla el segundo devanado a la red. La punta de corriente en ese momento es débil y de corta duración, ya que el motor no se ha desconectado de la red y su deslizamiento ha pasado a ser menor.

Ilustración 12. Conexión a cada línea del devanado.

Ilustración 13. Arranque de un motor de devanado partido.

Otra representación que se le puede dar al circuito correspondiente al arranque de un motor trifásico por devanadado partido es como la que se muestra a continuación:

Ilustración 14. Otra representación del arranque de un motor por devanado partido.

Las curvas que representan la operación de este tipo de arranque están en función de la corriente y el par vs la velocidad de arranque del motor en esta condición:

Ilustración 15. Curva de Corriente vs Velocidad de Arranque del Motor.

Ilustración 16. Curva de Par vs Velocidad de Arranque del Motor.

Los requerimientos físicos para realizar este tipo de circuitos son relés, pulsadores mediante conexiones de la siguiente forma:

Ilustración 17. Circuito Realizado con Relés.

El arranque estrella triángulo presenta unas características de operación que se muestran a continuación:

Ilustración 18. Arranque Motor Estrella-Triángulo.

Ilustración 19. Curva de Corriente vs Velocidad de Arranque del Motor.

Ilustración 20. Curva Par vs Velocidad de Arranque del Motor.

Ilustración 21. Circuito de Control del arranque de un motor por devanado partido.

Ilustración 22. Análisis Comparativo.

El empleo del arranque estrella triángulo en comparación con el arranque de devanado partido tiene un consumo menor de corriente durante el inicio del arranque, después cuando se llega a ¾ de la estabilización aproximadamente, el funcionamiento del motor se refleja en un consumo menor por parte del arranque de devanado partido al entrar en operación el segundo motor o segundo devanado.

En cuanto a par o torque ofrecido por cada tipo de arranque se puede deducir que el arranque mediante devanado partido es mejor en su inicio lo que logra realizar un funcionamiento mejor del motor del compresor.

Para los motores de los compresores de sistemas de refrigeración por compresión de vapor puede ser recomendable el empleo de un arranque y operación de un tipo de arranque de devanado partido.

BIBLIOGRAFÍA

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ENSAYO

JOSÉ GABRIEL TORTELLO NIETO

ERIKA JULIETH PILONIETA MARÍN

Presentado a:

ING. OMAR GELVEZ

REFRIGERACIÓN Y AIRE ACONDICIONADO

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

FACULTAD FISICO-MECÁNICAS

ESCUELA DE INGENIERIA MECÁNICA

PRIMER SEMESTRE DE 2015

AGOSTO 11 DE 2015

BUCARAMANGA.