ARRANQUE A TENSION REDUCIDA.Esta manera de arrancar los motores obedece a alguna de las siguientes razones: se desea disminuir la corriente de arranque demandada por el motor, o bien, acelerar suavemente la carga, esto es disminuir el par.

Existen varias formas o métodos para lograr el arranque a tensión reducida. Entre los principales se tienen:

a) Resistencias Primarias.b) Reactancias.c) Autotransformador.d) Estrella-Delta.e) Devanado Partido.

a) Arranque con resistencias primarias.

En este método de arranque el motor se conecta a la línea, a través de un grupo o banco de resistencias, produciendo una caída de tensión en ellas. Esta caída disminuye la tensión aplicada a las terminales del motor, reduciendo la corriente y el par durante el arranque. Una vez que el motor alcanza cierta velocidad (superior al 70% de la nominal), se desconectan las resistencias, dejando el motor funcionando con la tensión plena de alimentación.

En la Figura 1 se muestra un arrancador que emplea un banco de resistencias, formado por filas de discos de grafito, una para cada línea, las cuales al ser comprimidas van disminuyendo su valor de resistencia. Esto se logra, con un mecanismo accionado por la palanca montada en la parte externa del envolvente. La palanca puede tomar tres posiciones: reposo o inferior, arranque o intermedia y arranque completo o superior.

Figura 1.- Vista de un arrancador por resistencia a tensión reducida para un motor trifásico

En la figura 2 se puede observar el diagrama esquemático de un arrancador con resistencias, que corresponde al mostrado en la figura anterior. Cuando la palanca se pasa de la posición de reposo a la de arranque, los contactos R1, R2 y R3 son cerrados por el mecanismo, conectando el motor a la línea a graves del banco. Para acelerar el motor la palanca se lleva a la posición de arranque completo, aplicándose en el transcurso de esta operación presiones sobre las pilas de grafito, disminuyendo con esto su resistencia. Al llegar la palanca a la posición de arranque completo, el contacto R4 se cierra, excitándose la bobina del contactor M que elimina el banco de resistencias en el circuito de carga del motor. Al mismo tiempo, el contacto M4 en paralelo con R4 se cierra, de tal manera que al regresarse la palanca a su posición inicial, abriendo los contactos R1, R2, R3 y R4, el motor queda alimentado a la tensión de la red a través del contactor M.

Figura2.- Diagrama esquemático de un arrancador a tensión reducida por resistencias, como el mostrado en la figura 1. Los contactos R1, R2, R3 y R4 son accionados por un mecanismo.

Para parar basta pulsar el botón de paro, desenergizándose la bobina del contactor M que abre sus contactos, quedando el circuito listo para otra operación. De manera similar en el caso de una sobrecarga, la apertura de los contactos SC desconecta la maquina, requiriéndose restablecer el circuito, antes de repetir la secuencia de arranque.

Se han desarrollado arrancadores con resistencias primarias, en donde solo basta pulsar un botón para arrancar el motor. También es posible utilizar en este modelo de arrancadores, elementos de mando tales como: interruptores de flotador, de presión, etc. Que podrían iniciar automáticamente la operación.

Las figuras 3 y 4 muestran un arrancador de este tipo, el cual por el tipo de componentes que utiliza, se le denomina arrancador magnético o electromagnético.

Figura 3.- Arrancador magnético a tensión reducida con resistencias, para motores trifásicos jaula de ardilla.

Figura 4.- Diagrama simplificado de un arrancador magnético a tensión reducida con resistencias, para un motor trifásico jaula de ardilla.

Cuando se oprime el botón de arranque se establece continuidad en la línea que contiene el botón de paro, el botón de arranque, la bobina del contactor M y los contactos del relevador de sobrecarga. La bobina M se energiza, cerrando los contactos M1, M2 y M3 en el circuito de carga y el contacto M4 de enclave, en el circuito de control; así el motor se conecta a la línea a través del banco de resistencias.

En el momento en que la bobina M se energiza, también lo hace la bobina T de un relevador de tiempo, del tipo a bobina energizada. Este, en un tiempo t cierra el contacto T, permitiendo la conexión de la bobina del contactor R, el cual cierra sus contactos R1, R2 y R3 en el circuito de carga punteando las resistencias, con lo que el motor queda conectado a la tensión plena de la línea.

El paro se realiza pulsando el botón para tal, que interrumpe el circuito que energiza la bobina del contactor M, provocando la apertura de los contactos M en el circuito de carga.

En el caso de una sobrecarga, la apertura de los contactos del relevador en serie con la bobina M, origina la desconexión del motor. Para arrancar después de una sobrecarga hay que oprimir el botón de restablecer, que mecánicamente cierra los contactos SC y luego pulsa el botón de arranque.

b) Arranque con Reactancias.

Este método de arranque consiste en conectar el motor a la línea a través de reactores colocados en cada una de las fases. Como resultado de utilizar este tipo de arrancador, el par en el arranque es muy bajo; además, el empleo de reactores disminuye aun más el factor de potencia durante la aceleración. Estas características y su mayor costo, hacen que el tipo de resistencias que se acaba de mencionar, sea preferido en lugar de este en la mayoría de los casos. Sin embargo, en accionamientos en donde se requieren bancos de resistencias de gran volumen y se tiene problemas con la disipación de calor, se emplea el arrancador con reactancias.

Usualmente los reactores van provistos de derivaciones, para conseguir en los bornes del motor tensiones del 50%, 65% y 80% de la tensión plena de alimentación, lo que permite realizar ajustes en las relaciones par y corriente.

Figura 5.- Diagrama simplificado de un arrancador a tensión reducida por reactancias. Nótese el empleo de un transformador, para reducir la tensión de la línea, a valores adecuados para la operación del circuito de control.

c) Arranque con Autotransformador.

El arranque con autotransformador conocido como compensador, tiene los mismos propósitos que los arrancadores con resistencias o reactancias y a pesar de ser más costosos, posee ciertas cualidades que lo hacen preferido en la mayoría de las aplicaciones.

En los arrancadores con resistencias o reactancias, la disminución de la corriente es proporcional a la disminución de la tensión, mientras que el par disminuye con el cuadrado de ésta. Así si en un arrancador se tiene una caída de tensión en los bancos limitadores de un 20%, la corriente absorbida por el motor durante el arranque, será el 80% de su valor si se arranca a tensión plena de red, en tanto que el par se reduce a un 64%.

En la figura 6 se muestra el interior de un arrancador manual con autotransformador. Las operaciones de arranque, son realizadas con la palanca que se muestra en el exterior de la envolvente. Esta palanca

puede tomar tres posiciones: parado, arrancar y marcha.

Figura 6.- Arrancador manual a tensión reducida del tipo autotransformador para motores jaula de ardilla.

Un diagrama para un arrancador de este tipo, se puede observar en la figura 7. Para arrancar el motor se coloca la palanca en posición de marcha, moviendo la hacia el operador, con lo cual se cierran los seis contactos A, que conectan el motor a la línea a través del autotransformador. La palanca se sostiene en esta posición, el tiempo necesario para que el motor se acerque a su velocidad nominal, no excediendo esta operación de 15 segundos aproximadamente.

Figura 7.- La figura muestra el diagrama simplificado y las posiciones de la palanca de mando, de un arrancador a tensión reducida manual con autotransformador.

Inmediatamente después y con un movimiento rápido, la palanca se empuja a la posición de marcha, que es la normal cuando está funcionando el aparato, abriendo los contactos A y cerrando los contactos M que conectan al motor con la tensión plena de la línea. En operación de apertura de los contactos A y el cierre de los contactos M, hay un instante en el cual el motor se queda sin alimentación. Por esta razón se denomina a este arrancador de transición abierta y tiene el inconveniente de ocasionar algunas perturbaciones en la red.

En estos diseños el botón de paro tiene un mecanismo de reposición para el relé de sobrecarga, por lo que el dispararse este, basta pulsarlo para cerrar nuevamente el contacto SC.

El uso de autotransformadores conectados en delta abierta, está muy difundido, pero esta conexión puede ocasionar durante el arranque, disturbios en la línea, que como consecuencia disminuye el par ya reducido. Esta disminución no suele ser tan crítica en la mayoría de las aplicaciones; sin embargo, cuando se prefiere tener el par máximo se completa el autotransformador, conectándose en estrella.

En la figura 8 muestra el diagrama simplificado de un arrancador a tensión reducida con autotransformador, en delta abierta que utiliza dos Contactores, uno de ellos de cinco polos.

Contactores: AM

Relevador de control: R

Relevador de tiempo: T

Figura 8: diagrama simplificado de un arrancador magnético a tensión reducida. A y M están bloqueados mecánicamente

Cuando el elemento de mando es una estación de botones (pulsadores) la operación de arranque se reduce a presionar el botón de arranque, normalmente abierto. Al cerrar este se excita la bobina del relevador R, que cierra sus contactos en el circuito de control, manteniendo uno de ellos el enclave al dejarse de pulsar el botón. Otro contacto de R permite la energización de la bobina del contactor A y la del relevador de tiempo a bobina energizada T. Al cerrarse los contactos de A, el motor se conecta a la línea a través del autotransformador. Un tiempo después de energizada la bobina T, los contactos que gobiernan actúan desconectándola bobina A y conectando la bobina M, la cual cerrando sus contactos conecta al motor a la tensión plena de la línea.

Para parar basta pulsar el botón de paro, desenergizando al relevador de control R, que abre sus contactos interrumpiendo la operación. En caso de sobrecarga ocurre un operación similar, ya que al abrirse los contactos SC se desexcita la bobina R. Hay que restablecer cerrando los contactos SC y nuevamente pulsar el botón de arranque para iniciar la operación.

d) Arranque Estrella-Delta.

Este método de arranque consiste en conectar los devanados del motor en estrella durante el arranque y luego pasarlos a conexión delta al terminar la aceleración. Evidentemente este método es realizable, en motores que funcionan normalmente con conexión delta.

Cuando el motor se conecta en estrella, la tensión en cada una de las fases será 1/√3 del valor de la tensión de la línea, que se aplica a cada fase si se conectara en delta. Por otro lado siendo la corriente de la línea en la conexión estrella 1/√3 la corriente de la línea en conexión delta, la corriente absorbida por el motor durante el arranque en estrella, será 1/3 del valor que tomaría si se arrancara en delta.

Para lograr este tipo de arranque, se utilizan desconectadores de cuchillas, de dos tiros tres polos o bien combinadores de tambor, como se puede observar en los diagramas 9 y 10. En la posición E los devanados del motor se conectan en estrella y se mantienen en esta posición, hasta que el motor haya adquirido por lo menos, el 80% de su velocidad nominal. Cuando esto último sucede, se pasa rápidamente la palanca a la posición D, dejando el motor funcionando en condiciones normales de tensión, corriente y potencia. Nótese que durante el cambio de estrella a delta, el motor se desconecta momentáneamente de la red, por lo que estos montajes son de transición abierta.

Figura 9.- Arranque manual estrella-delta de un motor jaula de ardilla trifásica. El cambio se realiza con un desconectador de navajas de tres polos dos tiros.

Figura 10.- Arranque manual estrella-delta de un motor jaula de ardilla trifásico. El cambio se realiza en un cambiador tipo tambor.

Las figuras 11 y 12 muestran un arrancador magnético a tensión reducida estrella-delta, el cual puede mandarse por pulsadores o por dispositivos de mando a dos hilos.

Figura 11.- Arrancador magnético a tensión reducida del tipo estrella-delta.

Figura 12.- Arrancador magnético a tensión reducida estrella-delta para motor jaula de ardilla trifásico.

Al pulsar el botón de arranque, se excitan las bobinas de los Contactores M y E se cierran, al motor se conecta a la línea con sus devanados estatóricos en estrella. El relé de tiempo T actúa unos segundos después, ya que el motor se haya acelerado, desconectando la bobina del contactor E y conectando la del contactor D, que al cerrar sus contactos deja trabajando al motor delta.

El contacto normalmente cerrado de E en serie con la bobina D, garantiza que solo hasta que la bobina E se encuentra fuera, el contactor D puede actuar, asegurando que no se produzca un corto circuito. Además de este enclavamiento eléctrico, se acostumbra dotar a los Contactores E y D de un enclavamiento mecánico, el cual q pesar de energizarse una bobina no deseada, impide mecánicamente el cierre de sus contactos.

El circuito de la figura 12 corresponde a un arrancador con transición abierta, ya que en la operación de apertura de los contactos E y el cierre de los contactos D, el motor queda desconectado de la línea por un instante. Para evitar la posibilidad de que en el instante de la transición, el motor demande una corriente elevada, se utiliza un controlador muy similar al anterior, pero que realiza la transferencia de estrella a delta sin desconectar el motor de la línea.

e) Arranque con Devanado Partido.

Frecuentemente los motores trifásicos jaula de ardilla, son construidos para operar a dos tensiones; por ejemplo, 220 y 440 V. Esto se logra embobinando el estator en dos secciones idénticas. Cuando estas secciones son dos estrellas, figura 13 y se conectan en paralelo durante la operación normal del motor, el arranque por devanado partido puede ser empleado para limitar la corriente y el par de arranque.

Figura 13.- Conexión doble estrella de los devanados estatóricos de un motor jaula de ardilla.

Inicialmente se conecta a la alimentación una mitad del devanado estatórico y luego, cuando el motor marcha cerca de su velocidad de régimen, se conecta la segunda mitad en paralelo con la sección ya excitada.

Generalmente se utiliza para motores conectados en estrella, pero puede realizarse en motores con conexión delta, siempre y cuando ninguna de las terminales de la conexión se abra durante la operación.

En el diagrama mostrado en la figura 14 se puede observar la operación de un arrancador por devanado partido. Para arrancar basta pulsar el botón de arranque, que permite se energicen las bobinas del contactor 1M y del relevador de tiempo a bobina energizada T; al energizarse 1M cierra sus contactos conectando medio devanado del motor a la línea. Un tiempo después de energizarse T sus contactos operan, excitándose la bobina 2M del contactor que conecta al segundo devanado.

Figura 14.- Diagrama simplificado de un arrancador a tensión reducida por devanado partido.

La secuencia descrita corresponde al arrancador denominado de dos pasos. Una secuencia de tres pasos se realiza cuando se usan resistencias que se conectan en serie con el devanado sencillo. Este es el primer paso. El segundo deja fuera las resistencias conectando a la red solamente el devanado y el tercer paso conecta el segundo devanado en paralelo con el primero. Este método es usado cuando la capacidad térmica del motor limita la aceleración; entonces el tercer paso, si bien disminuye aun más el par inicial, reduce el efecto de calentamiento permitiendo una aceleración más uniforme.

En el arranque por devanado partido, se hace necesaria la protección contra sobrecarga en los dos devanados, ya que se encuentran en paralelo demandando cada uno de ellos la misma cantidad de corriente.

Los arrancadores de devanado partido de dos pasos, al igual que el arrancador estrella-delta, no necesitan de medios externos para reducir las corrientes de arranque como resistencias y autotransformadores y en general utilizan menos elementos, por lo que su tamaño y sus costos son reducidos. Sin embargo, tienen la desventaja de no poder realizar ajustes que se hacen en los otros tipos de arrancadores y que les permiten ser flexibles en su aplicación.

Figura 15.- Curvas típicas par-corriente contra velocidad, de motores jaula de ardilla con los diferentes métodos de arranque.