TECNOLOGA EN ELECTROMECANICA

CONTROL AUTOMTICO

Rev. 20090315Nombre del programa: Tecnologa en Electromecnica

Gua de trabajo experimental con acompaamiento: arranque de motores trifsicos asincrnicos.1. Justificacin

En el momento de la puesta en marcha, un motor debe generar un par de arranque mayor al de la carga acoplada a su eje, y para tal efecto el motor debe absorber de la red una corriente varias veces mayor que la nominal, y como consecuencia se presentan efectos negativos y perturbaciones en la instalacin elctrica donde esta conectado el motor. Esta condicin sugiere implementar circuitos de compensacin en el momento del arranque que permitan controlar la corriente inicial.

Los mtodos tradicionales para reducir la corriente de arranque de los motores, implementan circuitos que conectan el motor a una tensin inferior a la nominal en el momento del arranque, sta tcnica se conoce como el nombre de arranques a tensin reducida. Como desventaja de estos mtodos, est la condicin de que el torque o par de arranque, tambin se disminuye. Algunos mtodos de arranque a tensin reducida, son el objeto de estudio de esta gua.2. Objetivos

2.1. Examinar los requisitos de puesta en marcha tanto elctrico como mecnico para un motor elctrico.

2.2. Contrastar algunos tipos de arranque de motores trifsicos asincrnicos.2.3. Calcular los elementos de maniobra para algunos sistemas tpicos de arranque de motores trifsicos asincrnicos.3. Fundamentos tericos Se denomina arranque de un motor al rgimen transitorio en el que se eleva la velocidad del mismo desde el estado de motor detenido hasta el de motor girando a la velocidad de rgimen permanente.

El estudio del arranque de los motores tiene una gran importancia prctica, ya que la eleccin correcta de las caractersticas de los motores elctricos y arrancadores a instalar estn basados en el conocimiento de las particularidades de ste rgimen transitorio.

Aunque se suele enfocar el diseo de estos sistemas de arranque en atencin a las corrientes y cuplas involucradas, no deben dejarse de lado otros aspectos que tambin resultan importantes, como por ejemplo el consumo de energa disipada en forma de calor y las perturbaciones sobre la red de baja tensin.

Estas perturbaciones incluyen principalmente las cadas de tensin (muy notables en los elementos de iluminacin), que pueden afectar el funcionamiento de otros elementos conectados a la misma, lo que resulta crtico en las instalaciones con muchos motores que realizan frecuentes arranques.

3.1. Arranque de motores asincrnicos con rotor en jaula de ardillaEn el momento de la puesta bajo tensin, el motor acta como un transformador cuyo secundario, formado por la jaula de poca resistencia del rotor, est en cortocircuito. La corriente inducida en el rotor es importante [1]. Los motores de corriente alterna con rotor en jaula de ardilla se pueden poner en marcha mediante los mtodos de arranque directo o a tensin reducida, en ambos casos, la corriente de arranque generalmente resulta mayor que la nominal, produciendo perturbaciones en la red de distribucin. Estos inconvenientes no son tan importantes en motores pequeos, que habitualmente pueden arrancar a tensin nominal.

Dependiendo de la potencia del motor, se fijan lmites de corriente de arranque como un porcentaje de la corriente nominal (In), indicados en la tabla 1.TABLA 1. LMITE DE CORRIENTE DE ARRANQUE PARA MOTORES DE INDUCCIN

POTENCIA EN HPIA/IN

Hasta 34,0

Ms de 3 hasta 63.5

Ms de 6 hasta 93.1

Ms de 9 hasta 122.8

Ms de 12 hasta 152.5

Ms de 15 hasta 182.3

Ms de 18 hasta 212,1

Ms de 21 hasta 241,9

Ms de 24 hasta 271,7

Ms de 27 hasta 301,5

Ms de 301.4

IA es la intensidad mxima permitida en el arranqueIN es la intensidad nominal del motor La mxima cada de tensin en la red no debe superar el 15% durante el arranque.

Los circuitos con motores deben contar con interruptores que corten todas las fases o polos simultneamente y con protecciones que corten automticamente cuando la corriente adquiera valores peligrosos. En los motores trifsicos debe colocarse una proteccin automtica adicional que corte el circuito cuando falte una fase o la tensin baje de un valor determinado.

3.1.1. Arranque directo de motores asincrnicos con rotor en jaula

Se dice que un motor arranca en forma directa cuando a sus bornes se aplica directamente la tensin nominal a la que debe trabajar.

Si el motor arranca a plena carga, el bobinado tiende a absorber una cantidad de corriente muy superior a la nominal, lo que hace que las lneas de alimentacin incrementen considerablemente su carga y como consecuencia directa se produzca una cada de tensin en la red. La intensidad de corriente durante la fase de arranque puede tomar valores entre 6 a 8 veces mayores que la corriente nominal del motor.

Sus principales ventajas son:

Sencillez del equipo

Elevado par de arranque 1,5 veces el nominal. Arranque rpido

Bajo costoEste mtodo se utiliza para motores que no necesiten una gran cupla de arranque. El mtodo consiste en producir en el momento del arranque una tensin menor que la nominal en los arrollamientos del motor. Al reducirse la tensin se reduce proporcionalmente la corriente, la intensidad del campo magntico y la cupla motriz.

Entre los mtodos de arranque por tensin reducida ms utilizados se mencionan: el arranque estrella-tringulo, el autotransformador de arranque y el de insercin de resistencias en el circuito de estator, el de rotor bobinado y el arrancador electrnico.

Figura 1. Caractersticas de Corriente y Par en el arranque en conexin directa de un motor de induccin

Siempre que sea posible conviene arrancar los motores a plena tensin por la gran cupla de arranque que se obtiene, pero si se tuvieran muchos motores de media y gran potencia que paren y arranquen en forma intermitente, se tendr un gran problema de perturbaciones en la red elctrica. Por lo tanto, de existir algn inconveniente, se debe recurrir a alguno de los mtodos de arranque por tensin reducida que se describen a continuacin.

3.1.2. Arranque de motores asincrnicos con rotor en jaula, por conmutacin estrella-tringulo

El arranque estrella tringulo es el procedimiento ms empleado para el arranque a tensin reducida debido a que su construccin es simple, su precio es reducido y tiene una buena confiabilidad.

En el arranque estrella tringulo el motor se conecta a la red a tensin reducida, con las siguientes caractersticas de corriente y par de arranque:

Sobrecorriente de arranque

Par de arranque promedio

Figura 2. Caractersticas de Corriente y Par en el arranque estrella tringulo de un motor de induccinEl procedimiento para reducir la tensin en el arranque consiste en conmutar las conexiones de los arrollamientos en los motores trifsicos previstos para trabajar conectados en tringulo (Por ejemplo en una red trifsica de 3 x 220 VAC), de tal forma que Los bobinados inicialmente se conectan en estrella, o sea que reciben la tensin de fase de 220 V, y luego se conectan en tringulo a la tensin de lnea de 380 V; es decir que la tensin durante el arranque se reduce 1,73 veces.

Por ser sta una relacin fija, y dado que la influencia de la tensin sobre la corriente y la cupla es cuadrtica, tanto la corriente como el par de arranque del motor se reducen en tres veces (vase la figura 2).El par de arranque en estas condiciones puede ser insuficiente para hacer arrancar mquinas con mucho momento de inercia, por ello este procedimiento solamente se aplica en aquellos casos en que el motor arranque en vaco cuando el par resistente de la carga sea dbil, para fines prcticos, el par de la carga no debe exceder el 50% del par nominal. La conmutacin de estrella a tringulo se debe efectuar cuando el motor est cercano a su velocidad nominal (75% a 85% de ella), ya que en ese instante la corriente de arranque debe estar prcticamente en su valor normal en la etapa de estrella. En el caso ms simple dos contactores realizan la conmutacin, disponiendo de enclavamientos adecuados en ellos y mediante un temporizador se controla el tiempo de transicin. Aunque lo ideal sera disponer de un instrumento de medicin de la velocidad en vez del temporizador, ya que un tiempo demasiado corto o demasiado prolongado resultara similar al de un arranque directo perjudicando a los contactores, al motor y a la carga acoplada al eje del motor.En el momento de la conmutacin, al conectar a plena tensin el motor (etapa de tringulo) se presenta un pico de corriente transitoria, aunque breve pero importante, debido a la fuerza contra electromotriz del motor. Durante este rgimen transitorio en el momento del acoplamiento en tringulo, se puede utilizar una conexin que limite los fenmenos transitorios cuando se supera cierta potencia, denominada transicin cerrada

La proteccin del circuito ms adecuada tambin es el fusible y la proteccin del motor se hace por medio de un rel trmico. El trmico debe estar colocado en las fases del motor. La regulacin del mismo debe hacerse a un valor que resulta de multiplicar la corriente de lnea por (0,58 IN) 3.1.3. Arranque de motores asincrnicos por autotransformador de arranque

El autotransformador de arranque es un dispositivo similar al estrella tringulo, salvo por el hecho de que la tensin reducida en el arranque se logra mediante bobinas auxiliares que permiten aumentar la tensin en forma escalonada, permitiendo un arranque suave.

En el arranque por autotransformador el motor se conecta a la red a tensin reducida, la corriente y el par de arranque varas en la misma proporcin, segn la relacin y se obtienen las siguientes caractersticas de corriente y par de arranque: Sobrecorriente de arranque

Par de arranque promedio

Figura 3. Caractersticas de Corriente y Par en el arranque por autotransformador de un motor de induccinEl motor se alimenta a tensin reducida mediante un autotransformador que, una vez finalizado el arranque queda fuera del circuito. Generalmente el arranque se lleva a cabo en tres tiempos:

En el primer tiempo, el autotransformador comienza por acoplarse en estrella y, a continuacin, el motor se acopla a la red a travs de una parte de los devanados del autotransformador. El arranque se lleva a cabo a una tensin reducida mediante una derivacin en el devanado del autotransformador, que generalmente es del 65% de la tensin nominal. Antes de pasar al acoplamiento a plena tensin, la estrella se abre. En ese momento, la fraccin de bobinado conectada a la red crea una inductancia en serie con el motor. Esta operacin se realiza cuando se alcanza la velocidad de equilibrio al final del primer tiempo.

El acoplamiento a plena tensin interviene a partir del segundo tiempo, normalmente muy corto (una fraccin de segundo). Las inductancias en serie con el motor se cortocircuitan y, a continuacin, el autotransformador queda fuera del circuito.No se presentan fenmenos transitorios, puesto que el arranque se lleva a cabo sin interrupcin de corriente en el motor. No obstante, si no se toman ciertas precauciones pueden aparecer fenmenos transitorios de igual naturaleza durante el acoplamiento a plena tensin.

Este modo de arranque suele utilizarse en los motores con potencia superior a 100 kW. Sin embargo, el precio de los equipos es relativamente alto debido al elevado coste del autotransformador. Una variante menos usada es la conexin Kusa, en la que durante el proceso de arranque se intercala una resistencia en uno de los conductores de lnea.

3.1.4. Arranque de motores asincrnicos con rotor bobinado

En un motor asincrnico, la velocidad a la que se produce la mxima cupla es funcin de la resistencia del circuito rotrico. En particular, la mxima cupla de arranque se tiene cuando dicha resistencia es aproximadamente igual a la reactancia del motor.

En los motores de corriente alterna con rotor bobinado, para efectuar el proceso de puesta en marcha se instala un restato de arranque conectado a los anillos rozantes del motor con el fin de aumentar la resistencia rotrica total.

En este mtodo, el motor arranca con toda la resistencia en serie con el circuito del rotor. Luego por medios manuales o automticos, en forma continua o escalonada, se va reduciendo la resistencia a medida que la mquina gana velocidad, hasta que en rgimen permanente el restato queda en cortocircuito.

Cabe anotar que se construyen rotores tipo jaula del tipo de ranura profunda que producen una cupla de arranque algo similar a la de un rotor bobinado con restato de arranque. En el momento del arranque la circulacin de corrientes secundarias localizadas en las cercanas del entrehierro tienen una mayor densidad de corriente, bloqueando el flujo magntico hacia el interior del ncleo, por lo que el conjunto se comporta como si tuviera mayor resistencia efectiva. Al aumentar la velocidad, disminuye la frecuencia secundaria y cesa ese efecto transitorio.Se utiliza el motor de anillos con arranque rotrico, en aplicaciones en que los picos de corriente deben ser dbiles y cuando las mquinas deben arrancar a plena carga. El clculo de la resistencia insertada en cada fase permite determinar la curva de par velocidad resultante; para un par dado, la velocidad es menor cuanto mayor sea la resistencia.

Figura 4. Caractersticas de Corriente y Par en el arranque por resistencias rotricas de un motor de induccinAlgunas frmulas tiles para un motor trifsico [3]:

: Frecuencia de la red

: Eficiencia, es la relacin entre la potencia til y la potencia absorbida()

: Nmero de pares de polos, ha de ser siempre un nmero par mltiplo de 2 (norte y sur de cada eje polar).

: Velocidad del campo magntico giratorio

: Velocidad del rotor, que vara con la carga y siempre es inferior a

: Velocidad angular sncrona

: Velocidad angular del rotor, siempre es inferior a

: Deslizamiento o diferencia relativa de las velocidades del campo giratorio y del rotor; vara desde valores muy pequeos en vaco, e incrementa con el aumento de carga, hasta el valor de 1 (mquina parada)

: Potencia til

: Par desarrollado

; ; ; ; ; ;

TABLA 2: RESUMEN DE CARACTERSTICAS DE ALGUNOS MTODOS DE ARRANQUE DE MOTORES DE INDUCCIN TRIFSICOS

PARMETROMOTORES DE JAULA DE ARDILLAMOTOR DE ROTOR BOBINADO

DIRECTOESTRELLA-TRIANGULOAUTOTRANSFORMADORRESISTENCIAS ROTRICAS

CORRIENTE DE ARRANQUE100%33%40/60/80 % (Por pasos)70%

SOBRECARGA DE LNEA4 a 8 In1.3 a 2.6 In1.7 a 4 In< de 2.5 In

PAR INICIAL DE ARRANQUE0.6 a 1.5 Tn0.2 a 0.5 Tn0.4 a 0.85 Tn< 2.5 Tn

MANDOOn/OffOn/Off3 Posiciones fijasDe 1 a 5 Posiciones

VENTAJASArrancador simple

Econmico

Gran par de arranque

Econmico

Buena relacin Par/Corriente

Buena relacin Par/Corriente

Posibilidad de ajuste de los valores de arranque

Sin corte de alimentacin durante el arranqueExcelente relacin Par/Corriente

Posibilidad de ajuste de los valores de arranque

Sin corte de alimentacin durante el arranque

DESVENTAJASGran sobrecorriente

Arranque bruscoPar de arranque dbil

Sin posibilidad de ajuste

Corte de alimentacin en el cambio presenta transientes

Motor de 6 bornesNecesidad de autotransformador (Costoso)Implica riesgos en redes con perturbaciones

Motor de anillos rozantes (Costoso y mayor mantenimiento)

Disipacin de potencia en las resistencias

TIEMPOS DE ARRANQUE2 a 3 seg.3 a 7 seg.7 a 12 seg.3 tiempos: 2.5 s.

4 tiempos: 5 s

APLICACIONESPequeas mquinasMaquinas que arrancan en vaco

Ventiladores y bombas centrfugas de poca potencia

Mquinas de elevada potencia o inercia

Cuando sea requiera reducir la sobrecorriente de manera importanteMquinas que arrancan con carga acoplada

Cuando se requiera arranque progresivo

4. Actividades4.1. Arranque estrella-tringulo: Realizar el montaje del circuito de control de la figura 5A ( 5B) y el circuito de potencia de la figura 6, para la puesta en marcha de un motor, que cumpla con las siguientes caractersticas:

El motor arranca en estrella con un impulso en el botn de marcha y al cabo de un tiempo, el motor se conecta en tringulo.

Se detiene por la accin del pulsador de parada, o por la accin de un rel de proteccin trmica. Medir la corriente de arranque (en una lnea del motor), antes de la transicin de estrella a tringulo, empleando la pinza de corriente y el voltaje de arranque en una fase del motor (por ejemplo en U1 U2).

Medir en condiciones estables (despus de la transicin), las tensiones en una fase del motor (por ejemplo en U1 U2). de fase), y medir la corriente de lnea que absorbe el motor. Comparar los resultados obtenidos antes y despus de la transicin.

Nota. Para motores europeos, la bornera del motor se marca as:

FASE 1: U1 U2equivalente a U X en sistema americanoFASE 2: V1 V2equivalente a V Y en sistema americanoFASE 3: W1 W2equivalente a W Z en sistema americano

Figura 5A: Esquema de control de un arrancador estrella-tringulo (Americano)

Figura 5B: Esquema de control de un arrancador estrella-tringulo (Europeo)Ciclo de funcionamiento: Una vez oprimido el pulsador de marcha (I2) se da corriente a la bobina KM1 (Contactor de lnea o principal) la cual conmuta sus contactos, energizando el motor por las terminales u, v, w. Al mismo tiempo se energiza el temporizador T1 y la bobina KM3 (Contactor de la estrella) a travs del contacto temporizado 55-56 y del contacto cerrado 11-12 de KM2. Cortocircuitando los terminales finales de las fases del motor x, y, z. Arrancando el motor en estrella. La retencin del circuito la realiza el contacto 13-14 de KM1.

Pasado un tiempo predeterminado por el ajuste del temporizador T1 (On-Delay), ste conmuta sus contactos, desconectando la bobina KM3 por la apertura su contacto 55-56 y permitiendo que se energice la bobina KM2 (Contactor de tringulo) por el cierre del contacto 11-12 de KM3. Con esto se suministra corriente a los terminales x, y, z, quedando el motor conectado en tringulo, a la tensin de lnea.

Se ha realizado enclavamiento elctrico por contactos auxiliares, para que no se conecten simultneamente las bobinas KM1 y KM2, eliminando la posibilidad de producir un corto circuito. En cualquier instante se puede detener el motor por la accin del pulsador de parada (I1), o por disparo del contacto del rel trmico (I0).

Elementos necesarios:

Observar las figuras 5A ( 5B) y 6, y elaborar una lista de los elementos necesarios para efectuar la prctica.

Figura 6: Circuito de potencia de un arrancador estrella-tringulo4.2. Arranque por auto transformador: Realizar el montaje del circuito de control y de potencia de la figura 7.1 (esquema de potencia) y figura 8 (esquema de control), para la puesta en marcha de un motor, que cumpla con las siguientes caractersticas:

Al accionar un pulsador de marcha, el motor el motor arranca a tensin reducida por la conexin de la derivacin de un auto transformador y al cabo de un tiempo, el motor se conecta a plena tensin por la desconexin del auto transformador

El motor se detiene, por la accin del pulsador de parada, o por la accin de un rel de proteccin trmica. Medir la corriente de arranque (en una lnea del motor), antes de la transicin, empleando la pinza de corriente y el voltaje de arranque en una fase del motor (por ejemplo en U1 U2).

Medir en condiciones estables (despus de la transicin), las tensiones en una fase del motor (por ejemplo en U1 U2). de fase), y medir la corriente de lnea que absorbe el motor. Comparar los resultados obtenidos antes y despus de la transicin.

Elementos necesarios:

Observe las figuras 7.1 y 8, y elabore una lista de los elementos necesarios para efectuar la prctica. Nota: si en el laboratorio no hay un temporizador que tenga contactos independientes NO y NC, usar un rel auxiliar, activado por el temporizador.

Figura 7: Circuito de potencia (tpico) de un arrancador por auto transformador

NOTA: PARA LA REALIZACIN DE ESTA PRCTICA, SE USAR UN BANCO DE TRES TRANSFORMADORES MONOFSICOS, PARA CONFORMAR UN TRANSFORMADOR TRIFSICO (Y Y), CONFORME A LOS RECURSOS DEL ITM. EL ESQUEMA DE CONEXIONES SE MUESTRA EN LA FIGURA 7.1

Cada transformador monofsico tiene una relacin de transformacin de 2:1, es decir, tensin del primario: 220 Vac., tensin del secundario 110 Vac.

Figura 7.1: Circuito de potencia (adaptado a los recursos del ITM) de un arrancador por auto transformador.

Figura 8: Circuito de control de un arrancador por auto transformador (Americano)

4.3. Arranque por Resistencias rotricas: Elementos necesarios:

Observe las figuras 9 y 10, y elabore una lista de los elementos necesarios para efectuar la prctica. Nota: si en el laboratorio no hay un temporizador que tenga contactos independientes NO y NC, use un rel auxiliar, activado por el temporizador.

Realice el montaje de los circuitos de control y de potencia de las figuras 9 y 10, para el arranque de un motor de anillos rozantes por resistencias rotricas.

Mida la tensin en los bornes del rotor de anillos rozantes, antes y despus de cada cambio de resistencias.

Mida la corriente que absorbe el motor de la lnea

El circuito debe cumplir con la siguiente secuencia de arranque:

Al accionar un pulsador de marcha, el motor arranca a tensin reducida por la insercin de dos grupos de resistencias en el circuito del rotor.

Al cabo de un tiempo, el motor aumenta su velocidad por la desconexin del primer grupo de resistencias.

Al cabo de un tiempo, el motor alcanza su velocidad nominal por la desconexin del segundo grupo de resistencias, quedando conectado a plena tensin.

El motor se detiene, por la accin del pulsador de parada, o por la accin de un rel de proteccin trmica.

Mida la tensin en los bornes del rotor de anillos rozantes, antes y despus de cada cambio de resistencias.

Figura 9: Circuito de control de un arrancador por resistencias rotricas (Europeo)

Figura 10: Circuito de potencia de un arrancador por resistencias rotricas (Europeo)5. InformeLOS ARRANQUES DE MOTORES DE LAS PRCTICAS 4.1 Y 4.2 SE DENOMINAN ARRANQUES A TENSIN REDUCIDA, EN TRANSICIN ABIERTA. EL ARRANQUE DE LA PRCTICA 4.3 SE DENOMINA ARRANQUE A TENSIN REDUCIDA, EN TRANSICIN CERRADA.5.1. (30%). Investigar la diferencia entre transicin abierta y cerrada. Enuncie sus ventajas y desventajas. Consulte dos esquemas de control para un arrancador estrella/delta en transicin abierta diferentes al de esta prctica y un circuito en transicin cerrada. Explique brevemente su funcionamiento.5.2. (30%). Con los datos de voltaje y corriente en condiciones estables medidos en las prcticas de autotransformador y estrella delta, calcular el par desarrollado por el motor para cada caso. Determinar en cuanto se reduce la corriente, el voltaje y el par de arranque. Comparar los resultados obtenidos entre arranque estrella tringulo y autotransformador. 5.3. (10%). Consultar en que consiste un arranque en conexin Kusa y un arranque Part Winding o devanados partidos.5.4. (30%). Conclusiones.Investigacin opcionalQu es un motor de barra profunda? Por qu se utiliza? Qu clases de diseo NEMA se pueden construir con l?

Qu es un motor de doble jaula? Por qu se utiliza? Qu clases de diseo NEMA se pueden construir con l?

Describa las caractersticas y usos de los motores de induccin de rotor devanado y de cada motor de jaula de ardilla de clase de diseo NEMA.

6. Bibliografa[1] Prctica No. 9 Arranque de motores de induccin. Departamento de Ingeniera ElctricaE.T.S.I.I. Universidad de Valladolid, Espaa. En lnea Consultada el 2009 03 15[2] Lpez Martnez, Javier. Maniobras de mquinas elctricas mediante el rel programable Zelio. Escola Tcnica Superior DEnginyeria. Universitat Rovira i Virgili URV. Juny 2001.

[3] Miralles Prez, Jos J. ACE Motores de corriente alterna de jaula de ardilla. Instituto de educacin secundaria I.E.S. Mara Ibars. En lnea Consultada el 2009 03 15.

U1

V1

W1

W2

U2

V2

Arranque en estrella-tringulo + resistencia tringulo sin corte. La resistencia se pone en serie con los devanados inmediatamente antes de la apertura del contactor de estrella. Esta medida evita cualquier corte de corriente y, por tanto, la aparicin de fenmenos transitorios. [1]

Prctica No. 02 Arranque de motores trifsicos asincrnicos ITMPgina 18 de 18

_1298709534.unknown

_1298709689.unknown

_1298710001.unknown

_1298710159.unknown

_1298715385.unknown

_1313577922.unknown

_1298710036.unknown

_1298709739.unknown

_1298709831.unknown

_1298709800.unknown

_1298709701.unknown

_1298709710.unknown

_1298709651.unknown

_1298709666.unknown

_1298709637.unknown

_1298653573.unknown

_1298708557.unknown

_1298708612.unknown

_1298708174.unknown

_1298708232.unknown

_1298708344.unknown

_1298708216.unknown

_1298656202.unknown

_1298652863.unknown

_1298652902.unknown

_1298653572.unknown

_1298651929.unknown