Arranque de motores

Se denomina arranque de un motor al régimen 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 régimen permanente. El conjunto que se pone en marcha es inercial y disipativo, incluyendo en este último concepto a las cargas útiles, pues consumen energía. El estudio del arranque de los motores tiene una gran importancia práctica, ya que la elección correcta de las características de los motores eléctricos y arrancadores a instalar están basados en el conocimiento de las particularidades de éste régimen transitorio. Recordemos que el comportamiento dinámico del conjunto motor-maquina accionada está regido por la siguiente ecuación diferencial: Tm - Tr = J . d/ dt Donde Tm es el par motor, Tr el par resistente, J es el momento de inercia del conjunto motor-maquina accionada y es la velocidad angular de dicho conjunto. Por lo tanto, para que el conjunto comience a girar se necesita que el par motor supere al par resistente, de manera de generar una aceleración angular de arranque. El proceso de arranque finaliza cuando se equilibra el par motor con el par resistente, estabilizándose la velocidad de giro del motor. Como la cupla motora es el producto de la corriente absorbida por el flujo del campo magnético, además de un factor que caracteriza al tipo de máquina, este mayor par de arranque generalmente está asociado a una mayor corriente de arranque, la que no debe superar determinado límite por el calentamiento de los conductores involucrados. Aunque se suele enfocar el diseño de estos sistemas de arranque en atención a las corrientes y cuplas involucradas, no deben dejarse de lado otros aspectos que también resultan importantes, como por ejemplo el consumo de energía disipada en forma de calor y las perturbaciones sobre la red de baja tensión. Estas perturbaciones incluyen principalmente las caídas de tensión (muy notables en los elementos de iluminación), que pueden afectar el funcionamiento de otros elementos conectados a la misma, lo que resulta crítico en las instalaciones con muchos motores que realizan frecuentes arranques. Por otro lado, los dispositivos de arranque pueden ser de operación manual o por contactores. Estos últimos permiten efectuar el mando a distancia del motor con cables de secciones pequeñas (sólo se requiere la corriente necesaria para la bobina del contactor), lo que facilita el accionamiento y diseño del dispositivo de control por trabajar con intensidades reducidas.

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Motores Trifásicos

Dentro de los motores de corriente alterna, nos encontramos la clasificación de los motores trifásicos, asíncronos y sincrónicos.No hay que olvidar que los motores bifásicos y monofásicos, también son de corriente alterna.Los motores trifásicos tienen ciertas características comunes:

En relación con su tensión, éstos motores cuando su utilidad es industrial suelen ser de 220 V y 380 V, para máquinas de pequeña y mediana potencia, siendo considerados de baja tensión. No sobrepasan los 600 KW a 1500 r.p.m.Los motores de mayor tensión, de 500, 3000, 5000, 10000 y 15000 V son dedicados para grandes potencias y los consideramos como motores de alta tensión.Los motores que admiten las conexiones estrella y triángulo, son alimentados por dos tensiones diferentes, 220 V y 380 V, siendo especificado en su placa de características.

Respecto a su frecuencia tenemos que decir que en Europa se utilizan los 50 Hz, mientras que en Estados Unidos y otros se utilizan los 60 Hz.Aunque la frecuencia de red tenga fluctuaciones, siempre que no superen el 1%, el motor rendirá perfectamente. Mayores fluctuaciones afectará directamente sobre el rendimiento de su potencia. De hecho, para variar la velocidad de esta clase de motores se manipula la frecuencia.

Con respecto a la velocidad los motores trifásicos son construidos para velocidades determinadas que corresponden directamente con las polaridades del bobinado y la frecuencia de la red.

Respecto a la intensidad, el motor trifásico absorbe de la red la intensidad que necesita, dependiendo siempre de la fase en que se encuentre. Por ésta razón existen diferentes modos de arranques, para ahorrar energía y preservar el motor.

En sobrecarga pueden asumir un incremento de la intensidad de hasta 1.5 veces de la intensidad nominal sin sufrir ningún daño durante dos minutos.También se tienen que tener en cuenta las pérdidas que tienen los motores trifásicos, sus causas son varias. El rendimiento de los motores de calculan en sus valores nominales, que son los indicados en las placas de características. Presentan pérdidas de entrehierro, por rozamiento, por temperatura y en el circuito magnético.Los rotores de jaula de ardilla (con rotor en cortocircuito) son los más usados por su precio y su arranque. En cambio, los motores de rotor bobinado o también llamados de anillos rozantes necesitan ser arrancados con resistencias rotóricas, lo que incrementa su precio y su complejidad.Los motores de rotor cortocircuitado no llevan escobillas, pero si las llevan los que son de colector y de rotor bobinado.

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Motor Trifásico asincrónico

Dentro de la clasificación de los motores trifásicos asíncronos, podemos hacer otra subclasificación, los motores asíncronos de rotor en cortocircuito (rotor de jaula de ardilla y sus derivados) y los motores asíncronos con rotor bobinado (anillos rozantes).Los motores asíncronos generan un campo magnético giratorio y se les llaman asíncronos porque la parte giratoria, el rotor, y el campo magnético provocado por la parte fija, el estator, tienen velocidad desigual. Ha esta desigualdad de velocidad se denomina deslizamiento.El rotor está unido sobre un eje giratorio. Dicho eje, está atravesado por barras de cobre o aluminio unidas en sus extremos.El estator encapsula al rotor y genera el campo magnético. Como hemos mencionado, es la parte fija. Provoca con su campo magnético fuerzas electromotrices en el rotor que a su vez provocan corrientes eléctricas. Estas dos circunstancias, la fuerza electromotriz y las corrientes eléctricas, provocan una fuerza magnetomotriz, lo cual hace que el rotor gire. La velocidad del rotor siempre será menor que la velocidad de giro del campo magnético. Así tenemos que la velocidad de un motor asíncrono será igual a la velocidad del campo magnético menos el deslizamiento del motor.La fuerza magnetomotriz que aparece en el rotor deriva en un par de fuerzas, a las que denominados par del motor, siendo las causantes del giro del rotor. El par motor depende directamente de las corrientes del rotor, y tenemos que saber que en el momento del arranque son muy elevadas, disminuyendo a medida que se aumenta la velocidad. De esta forma distinguimos dos tipos de par: el par de arranque y el par normal. Esto sucede porque al ir aumentando la velocidad del rotor se cortan menos líneas de fuerzas en el estator y, claro está, también las fuerzas electromotrices del rotor disminuyen, de este modo obtenemos que las corrientes del rotor disminuyen junto con el par de motor. Lo importante de toda esta explicación, es que con los motores asíncronos podemos manejar cargas difíciles porque tenemos un par de arranque elevado (hasta tres veces el par normal)

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Motor Trifásico Sincrónico

Funcionan de forma muy similar a un alternador. Dentro de la familia de los motores sincrónicos debemos distinguir:

1. Los motores sincrónicos.

2. Los motores asíncronos sincronizados.3. Los motores de imán permanente.

Los motores síncronos son llamados así, porque la velocidad del rotor y la velocidad del campo magnético del estator son iguales.

Los motores sincrónicos se usan en máquinas grandes que tienen una carga variable y necesitan una velocidad constante.

Arranque de un motor trifásico sincrónico

Existen cuatro tipos de arranques diferentes para este tipo de motor:

1. Como un motor asíncrono.

2. Como un motor asíncrono, pero sincronizado.

3. Utilizando un motor secundario o auxiliar para el arranque.

4. Como un motor asíncrono, usando un tipo de arrollamiento diferente: llevará unos anillos rozantes que conectarán la rueda polar del motor con el arrancador.

Frenado de un motor trifásico sincrónico

Por regla general, la velocidad deseada de este tipo de motor se realiza por medio de un reóstato.El motor síncrono cuando alcance el par crítico se detendrá, no siendo esta la forma más ortodoxa de hacerlo. El par crítico se alcanza cuando la carga asignada al motor supera al par del motor. Como comento, no es la forma apropiada para detener el motor, se estropea si abusamos de ello, porque se recalienta.La mejor forma de hacerlo, es ir variando la carga hasta que la intensidad absorbida de la red sea la menor posible, entonces desconectaremos el motor.Otra forma de hacerlo, y la más habitual, es regulando el reóstato, con ello variamos la intensidad y podemos desconectar el motor sin ningún riesgo.

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Tipos de arranques de motores

Las conexiones de un motor son muy sencillas de realizar, para ello el fabricante dispone en la carcasa del motor de una caja de conexiones con 6 bornes, en donde nosotros haremos las conexiones pertinentes, dependiendo de si deseamos una conexión tipo estrella o una conexión tipo triángulo. Veámoslo con unos gráficos

Hay varios tipos de arranques de motor, cada uno con sus peculiaridades y su motivo, en esta ocasión vamos a ver los más empleados en la industria.

1. Arranque estrella-triángulo

FIG. 1: Conexión estrella

FIG 2: Conexión Triángulo

Las conexiones se realizan de la siguiente manera en la caja de la bornera:

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FIG 3: Conexión estrella en la bornera

FIG. 4 : Conexión triángulo en la bornera

Ahora bien, puede ser que nos interese hacer, mediante contactores, un cambio de conexión estrella-triángulo, en ese caso solo tenemos que conectar la salida de los contactores a la caja de bornes.

El esquema nos explica, empezando desde arriba, que el circuito tiene tres fusibles F3, un relé térmico F2,que se utiliza para proteger el motor, y que tiene 3 contactores KM1, KM2 y KM3. Además, si comparamos los dos esquemas, veremos que el esquema de maniobra incorpora un temporizador KA1 y dos interruptores S1 y S2. Además, en el esquema de maniobra, entre KM2 y KM3, está representado el enclavamiento mecánico, es el triángulo que une las dos bobinas de los contactores con líneas discontinuas, no es obligatorio dibujarlo, porque un poco más arriba está representado el enclavamiento eléctrico, son los dos contactos que están inmediatamente después de KA1.

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FIG.5. Circuito de potencia de estrella- triángulo

FIG 6. Circuito de maniobra para arranque estrella – triángulo

Explicación de la maniobra:

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1. S1Si pulsamos sobre S1 tenemos la conexión en estrella, porque entran en funcionamiento KM1, KM2 y KA1. Transcurrido un tiempo, pasamos a la conexión en triángulo por medio del temporizador KA1, se activa KM3 y se desactiva KM2. Recordar, el temporizador debe activarse cuando se alcance el 80% de la velocidad nominal del motor.

2. S2Es el interruptor de paro. Desconecta a KM1,KM3 y KA1.Se inicia el paro del motor, lleva una inercia

Este tipo de arranque se utiliza para limitar la intensidad absorbida en el momento de arranque del motor. Si disponemos de un motor de 220 V y lo conectamos, en primer lugar, en estrella, tendremos una tensión de 127 V, con la cual, obtendríamos una intensidad 2 veces la nominal. En cambio, si lo hacemos directamente, tendríamos una intensidad de 5 veces la nominal. Al conectar primero en estrella y después en triángulo, mediante un temporizador, reducimos el sufrimiento del bobinado al rebajar la intensidad de absorción.En la actualidad existen unos equipos llamados arrancadores estrella-triángulo que realizan este cometido de forma mucho más exacta, pues, lo ideal es que se realice el cambio de estrella a triángulo cuando el motor halla alcanzado el 80% de su velocidad nomina.

2. Arranque con resistencias Estatóricas

Este tipo de arranque se utiliza para reducir la intensidad de arranque. El funcionamiento es similar al anterior expuesto. Es decir, en una primera instancia, entran en funcionamiento las resistencias y en una segunda instancia, el motor es alimentado directamente. Para este proceso se utiliza dos contactores y un temporizador.

Las particularidades más interesantes son que las resistencias tienen un número limitado de arranques cada X tiempo, que debe ser señalado por el propio fabricante. La ventaja que tiene este tipo de arranque, es que no hay una caída de tensión, algo que si sucede con el arranque estrella-triángulo. Se utiliza en motores que deben accionar máquinas con un par bajo en su arranque. En la siguiente página tenéis los dos circuitos, el de potencia y el de maniobra: arranque con resistencias estatóricas.

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FIG. 7. Circuito de potencia para arranque resistencia estatórica

En el esquema de maniobra, está representado tres fusibles F3, un relé térmico F2, dos interruptores S1 y S2, un temporizador KA1, y dos contactores KM1 y KM2.

En el esquema de potencia se puede ver la representación de las resistencias estatóricas. No se pueden representar en el esquema de maniobra, porque no son un elemento de control, además, todo el circuito de maniobra es precisamente para controlar dichas resistencias.

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FIG. 8. Circuito de maniobra para arranque por resistencias estatóricas

Explicación de la maniobra :

S1 : Al pulsar sobre S1, entran en funcionamiento KM1 y KA1. Transcurrido un tiempo KA1, temporiza y cambia KM1 por KM2, dejando desconectadas las resistencias estatóricas y conectando el relé térmico de seguridad F2.

S2 : Desconecta a KM2 y F2. Inicio del paro del motor, tiene una inercia.

3. Arranque en Kusa

En este tipo de arranque se coloca una sola resistencia en una de las fases, es indiferente la fase que se elija. El valor de la resistencia debe de suministrarlo el propio fabricante del motor.

Como todos los tipos de arranques que estamos viendo, tiene la finalidad de reducir la intensidad de arranque. Se utiliza en motores de pequeña y mediana potencia que necesitan un reducido par de arranque.

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FIG. 9. Circuito de maniobra para arranque Kusa

En el esquema de maniobra, está representado tres fusibles F3, un relé térmico F2, dos interruptores S1 y S2, un temporizador KA1, y dos contactores KM1 y KM2.

FIG. 10. Circuito de potencia para arranque Kusa

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En el esquema de potencia se puede ver la representación de una resistencia. No se representa dicha resistencia en el esquema de maniobra porque no es un elemento de control, precisamente el esquema de maniobra es para poder controlar dicho elemento eléctrico. Recordar, la resistencia la tiene que suministrar el propio fabricante del motor.

Explicación de la maniobra :

S1 : Al pulsar sobre S1, entran en funcionamiento KM1 y KA1. Transcurrido un tiempo KA1, temporiza y activa KM2, dejando desconectada la resistencia. En esta ocasión, el relé térmico F2 o Rt, se encuentra conectado en todo momento por que solo hay una resistencia en una sola fase, las otras dos fases no están protegidas.

S2 : Desconecta todo el circuito. Inicio del paro del motor, tiene una inercia.

4. Arranque con autotransformador

Este tipo de arranque mejora al arranque con resistencias estatóricas, al tener un mejor par y no existir pérdidas por la disipación de calor en las resistencias. Sin embargo, presenta un inconveniente, el precio, pues resulta más económico el arranque por resistencias estatóricas. Se emplea el arranque por autotransformador en motores de gran potencia, y como siempre, con la intención de reducir la intensidad absorbida en el momento de arranque.

FIG. 11. Circuito de potencia para arranque a autotransformador

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El esquema presentado aquí, trata sobre el arranque de un motor sobre dos puntos. La utilidad de éste tipo de arranque es poder reducir la intensidad durante el arranque, se usa en máquinas donde el par resistente sea bajo. Se emplea con motores trifásicos con el rotor en cortocircuito.Como el esquema indica, si accionamos sobre el pulsador S1 entrarán en juego KA1,KM1 y KM2.

Con el temporizador KA1 regularemos el tiempo necesario para que cuando el motor se encuentre en los valores nominales, se desconecten KM1 y KM2, conectándose a su vez KM3, entonces el motor estará en régimen de trabajo habitual. En cambio, si deseamos detener el motor, solo tenemos que accionar el pulsador S2.

FIG. 11. Circuito de maniobra para arranque a autransformador

Chapa de identificación de un motor trifásico estándar

En la chapa de características se indican todos los parámetros constructivos y de funcionamiento del motor eléctrico.

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V 220380

50 Hz.0.75 (1.0)

3.14 A1.82

cos =0.82

IP 55T 80

KCAT AMB 40

RPM 1480

Aisl FALT 1000 IEC 80SF 1.10

 

Características:

220 / 380 V: Este motor es apto para funcionar con un sistema trifásico de 220 V conectado en triángulo y con un sistema de 380 V conectado en estrella.50 Hz.: Es la frecuencia de trabajo.

0.75 kw (1.0 CV): Es la potencia que entrega el motor en el eje.3.14 / 1.82 A: Son las corrientes que consume cuando se conecta

respectivamente a 220 ó 380 V.cos = 0.82: Es el factor de potencia cuando entrega 0.75 kw.IP 55: Es el índice de protección del motor. Indica cómo está protegido el

motor contra la entrada de partículas y agua (normas IEC 60034-5 e IRAM 2444). En este caso, el motor es blindado.

T 80 K: 80 K indica la temperatura media sobre el ambiente que alcanzan los bobinados cuando el motor entrega 0.75 kw y está estabilizado en temperatura.

CAT: Indica la categoría del motor.AMB 40: Significa que el motor se diseñó para una temperatura ambiente de

trabajo de 40 °C.RPM 1480: Es la velocidad del eje cuando entrega 0.75 kw. Aisl F: Los aislantes usados en el motor son clase F y soportan una

temperatura de 155 °C (norma IEC 60034-1).ALT 1000: El motor está preparado para funcionar adecuadamente hasta

1000m sobre el nivel del mar. Para alturas superiores, la potencia se reduce.SF 1.10: Es el factor de servicio. Significa que el motor puede entregar un

10% más de 0.75 kw en forma permanente.IEC 80: IEC indica las normas que respeta la construcción del motor. 80mm

es la altura desde el piso hasta el centro del eje.

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Causas de fallo

Como en todo motor eléctrico de corriente continua para la transmisión de la electricidad es necesaria la presencia de un colector-permutador para el funcionamiento, y con ello el movimiento relativo entre este colector y las escobillas. Este movimiento de rozamiento con el agravante adicional del chisporroteo por alta corriente y cambio de delgas en el colector, hace que la vida de las escobillas sea relativamente corta, principal causa de fallo del motor de arranque.También se desgastan los contactos del relé, los casquillos o cojinetes de rozamiento donde gira el rotor y en menor cuantía que las escobillas, el propio colector. Otra causa de fallo menos frecuente es el fallo del mecanismo de rueda libre.

Desmontando el motor de arranque del vehículo podemos verificar la posible avería fácilmente. Primero habría que determinar que elemento falla: el motor o el relé.

1. El Motor se comprueba fácilmente. si falla: conectando el borne de + de la batería al conductor (A) que en este caso esta desmontado del borne inferior (C) de relé y el borne - de la batería se conecta a la carcasa del motor (D) (en cualquier parte metálica del motor). Con esta conexión si el motor esta bien tendrá que funcionar, sino funciona, ya podemos descartar que sea fallo del relé de arranque.

2. El relé se comprueba de forma efectiva: conectando el borne + de la batería a la conexión (B) del relé (la conexión B es el borne 50 que recibe tensión directamente de la llave de contacto durante unos segundos hasta que arranca el motor térmico. del vehículo). El borne - de la batería se conecta a (D) y también al borne (C) del relé, comprobaremos como el núcleo de relé se desplaza y saca el piñón de engrane (una vez que comprobamos el desplazamiento del núcleo hay que desconectar el borne - de batería a (C) ya que sino podríamos quemar una de las bobinas del relé), esto significa que el relé esta bien de lo contrario estaría estropeado.

Para comprobar el funcionamiento del conjunto motor-relé conectaremos primero (A) con (C) y después conectaremos el borne + de batería con el borne superior (E) y borne (B) o borne 50 del relé. El borne - de la batería se conecta con la carcasa del motor (masa). Cuando este montado el circuito, el motor de arranque funcionara. Para estar seguro de su perfecto estado conectaremos un amperímetro que nos dará una medida de intensidad que deberá ser igual a la preconizada por el fabricante para un funcionamiento del motor en vacío.

1. COMPROBACIÓN

Antes de desmontar el motor de arranque del vehículo tendremos que asegurarnos de que el circuito de alimentación del mismo así como la

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batería están en perfecto estado, comprobando la carga de la batería y el buen contacto de los bornes de la batería, los bornes del motor con los terminales de los cables que forman el circuito de arranque.

En el motor de arranque las averías que mas se dan son las causadas por las escobillas. Estos elementos están sometidas a un fuerte desgaste debido a su rozamiento con el colector por lo que el vehículo cuando tiene muchos km: 100, 150, 200.000 km. esta avería se da con frecuencia. Las escobillas desgastadas se cambian por unas nuevas y solucionado el problema.

Otras averías podrían ser las provocadas por el relé de arranque, causadas por el corte de una de sus bobinas. Se podrá cambiar solo el relé de arranque por otro igual, ya que este elemento esta montado separado del motor.

Pero en la mayoría de los casos si falla el motor de arranque, se sustituye por otro de segunda mano (a excepción si el fallo viene provocado por el desgaste de las escobillas).

Una avería ajena a la batería y al dispositivo de arranque se puede determinar por la caída de tensión observada. El voltímetro se conecta entonces en paralelo al conductor correspondiente. En el conductor del arranque se tolera una caída de tensión del 4% y en la conexión de masa del 5%. Hay que verificar igualmente si en las conexiones entre conductores se acusan resistencias de paso indebidas. Iguales mediciones pueden ser también comprobadas en un banco de pruebas. El dispositivo de arranque es accionado para ello como en un coche por batería, y frenado gradualmente hasta plena detención.

Pueden también medirse al propio tiempo intensidad y tensión, asi como el momento de torsión creado.

2. FALLAS Y AVERIAS

Puesto que en todos los trabajos que se hagan en las piezas eléctricas del motor de arranque existe el peligro de un cortocircuito, lo mejor es desconectar el cable de tierra de la batería. Como el caso del generador, se deben observar constantemente las escobillas para determinar las condiciones en que se encuentra y sustituirlas cuando sea necesario. Los colectores se deben examinar para ver si sus superficies se encuentran lisas, limpiarlas con un trapo humedecido en gasolina y secarlos cuidadosamente. La chumacera adyacente al colector esta blindada. El buje, junto al piñón, tiene una boca de lubricación. La lubricación se hace cada 25000 km, con unos 3 cm2 de aceite. El piñón y la cremallera se deben limpiar con una brocha humedecida en gasolina, lubricándolos a continuación con grasa grafitada.

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El arranque de un motor se lleva a cabo por medio de un motor eléctrico que trasmite un par motor al volante durante el tiempo necesario para que se produzcan las primeras igniciones y el motor comience a funcionar por sí solo.

Los tipos de dispositivos de engranaje difieren , sobre todo m, en el modo en que el piñón entra y sale de la cremallera del volante.

El motor de arranque es eléctrico, de corriente principal, que transmite su par motor máximo al hacerse un contacto; de este modo se consigue vencer las grandes resistencias del arranque.

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