arrancadores para motores eléctricos

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE SAN JUAN DEL RÍO

MAI- Automatización y Robótica Anexo A 163

ANEXO A ARRANCADORES DE MOTORES DE

INDUCCIÓN

A.1. INTRODUCCIÓN El arrancador de un motor eléctrico es un conjunto de dispositivos que permiten realizar la conexión y desconexión del motor eléctrico, además de protegerlo contra sobrecarga y cortocircuito.

Figura A.1.- Diagrama de bloques de un arrancador para motores eléctricos. Entonces, un arrancador podría visualizarse como se indica a continuación:

Figura A.2.- Diagrama unifilar de un arrancador para motores eléctricos.

De esta forma que un arrancador puede contener elementos tales como contactor, relé de sobrecarga, cuchillas desconectadoras, fusibles, interruptor termomagnético, botonera, autotransformador, temporizador, relevadores auxiliares, gabinete metálico, etc. Algunos ejemplos de arrancadores para motores eléctricos se muestran a continuación.



Figura A.3 Diversos ejemplos de arrancadores para motores eléctricos.

La función principales de los arrancadores eléctricos son las siguientes:

a) Conectar y desconectar (energizar y desenergizar) un motor eléctrico. b) Proteger el motor contra cortocircuitos. c) Proteger el motor contra sobrecargar.

Y, adicionalmente, los arrancadores eléctricos pueden:

d) Reducir o limitar la corriente y par de arranque del motor. e) Disminuir la tensión mecánica producida sobre el motor y su eje.

A.2. CLASIFICACIÓN. En forma general, los arrancadores se pueden clasificar según el tipo de motor como:

a) Para motores de CD. b) Para motores síncronos. c) Para motores de inducción.

De ellos los más comunes (y por mucho) en la industria, son los motores de inducción. Por otra parte, de acuerdo con su principio de funcionamiento, los arrancadores se clasifican como:

a) Manuales. el cierre y apertura del elemento de desconexión requiere directamente la activación directa del operador. b) Magnéticos: el cierre y apertura del elemento de desconexión requiere el empleo de contactores (bobinas y contactos activados por éstas). c) De estado sólido: los elementos que alimentan al motor son electrónicos.



Según el voltaje aplicado, se tiene:

a) Arrancadores a tensión plena: en todo momento, durante el proceso de arranque al motor se le aplica su voltaje normal de operación. b) Arrancadores a tensión reducida: en el momento del arranque al motor se le reduce el voltaje terminal, y una vez ya acelerado, se le aplica el voltaje nominal.

De acuerdo con el sentido de giro, tenemos:

a) Arrancadores no reversibles: solamente permiten que el motor gire en un sentido determinado. b) Arrancadores reversibles: permiten que el motor pueda energizarse y girar en ambos sentidos (horario y antihorario).

Y, finalmente, según su condición, se tiene:

a) Arrancador abierto: es áquel que no tiene ningún tipo de cubierta. b) Arrancador cerrado: es aquel que se encuentra dentro de un gabinete que proteja a sus elementos internos contra impactos mecánicos, polvo, agua, etc.

En la siguiente figura se muestra la clasificación de arrancadores para motores de inducción.



A.3. ARRANCADORES MANUALES. Un arrancador manual es aquel en el cual la acción de la apertura y cierre del circuito se realiza en forma mecánica, debido a una acción directa del operador de la máquina.

A.3.1. ARRANCADOR MANUAL NO REVERSIBLE A TENSIÓN PLENA

Este tipo de arrancadores también se conocen como “guardamotores”.

Figura A.4. Diversos ejemplos de arrancadores para motores eléctricos.

Algunas características son:

- Para motores monofásicos y trifásicos. - Tensiones de operación de 127 V, 220 V y 440 V. - Para motores de ¼ HP a 15 HP.

- Con protección contra sobrecarga y sobrecorriente integrada

A.3.2. ARRANCADOR MANUAL REVERSIBLE A TENSIÓN PLENA

Este tipo de arrancadores suelen denominarse tipo “tambor”.

- Para motores monofásicos, trifásicos y de corriente directa. - Tensiones de 127 V, 220 V y 440 V (ca) y 120 V y 250 V (cd). - Para motores desde 1 HP hasta 7 ½ HP. - No cuenta con protección contra sobrecorriente ni sobrecarga.



Figura A.5. Arrancador manual reversible a tensión plena.

A.3.3. ARRANCADOR MANUAL ESTRELLA-DELTA

Este arrancador conecta inicialmente en estrella los devanados, con lo cual se logra que la tensión aplicada a cada fase se reduzca al 57.7% de la tensión nominal, con lo cual también se reducirá la corriente en el momento de arranque en la misma proporción. Cuando el motor se acelera, se cambia la conexión a delta, para que el motor trabaje en condiciones normales.

Figura A.6. Arrancador manual estrella-delta.



- Solo para motores de 6 y 12 terminales que operen normalmente en delta. - Para potencias de 1 a 50 HP a tensión de 220 V, y de 1 a 200 HP hasta tensiones de

600 V. - No cuenta con protección contra sobrecorriente ni sobrecarga.

Figura A.7. Conexiones internas del arrancador manual estrella-delta.

A.4. ARRANCADORES MAGNÉTICOS.

Un arrancador manual es aquel en el cual la acción de la apertura y el cierre del circuito se realiza en forma electromagnética, es decir, es necesario el uso de contactores.

A.4.1. ARRANCADOR MAGNÉTICO NO REVERSIBLE A TENSIÓN PLENA Su diagrama es el siguiente:



Figura A.8. Arrancador magnético no reversible a tensión plena.

El funcionamiento es el siguiente:

En las condiciones mostradas en la figura, la bobina del contactor C1

permanece desenergizada y el motor también lo estará.

Al pulsar y soltar “ARRANQUE”, se energizará C1, lo cual enclavará su

contacto de la línea 2, por lo cual no se desenergizará la bobina al soltar el

pulsador. Al mismo tiempo, los tres contactos de C1 en la sección de potencia

se cerrarán y el motor se pondrá en marcha a su tensión nominal.

Si estando energizado el motor, se pulsa el botón de “PARO”, entonces se abre

la trayectoria de la corriente para la bobina del contactor C1 y éste quedará

desenergizado, por lo que los tres contactos de fuerza se abrirán y se detendrá

el motor.

En caso de que se presente una sobrecarga durante la marcha del motor,

ocurrirá una acción similar a la del botón de paro, pero debido a su

enclavamiento mecánico, no se podrá volver a arrancar el motor hasta

restablecer el relé de sobrecarga.

El empleo de este arrancador es:

- Para tensiones del motor de 220 V y 440 V. - Para motores de ¼ HP a 75 HP (en algunos casos hasta 150 HP). - Causa problemas con motores grandes porque toma una gran corriente de arranque.



Figura A.9. Arrancador magnético no reversible a tensión plena: abierto y cerrado.

El funcionamiento es el siguiente:

En las condiciones mostradas en la figura, la bobina del contactor C1

permanece desenergizada y el motor también lo estará.

Al pulsar y soltar “ARRANQUE”, se energizará C1, lo cual enclavará su

contacto de la línea 2, por lo cual no se desenergizará la bobina al soltar el

pulsador. Al mismo tiempo, los tres contactos de C1 en la sección de potencia

se cerrarán y el motor se pondrá en marcha a su tensión nominal.

Si estando energizado el motor, se pulsa el botón de “PARO”, entonces se abre

la trayectoria de la corriente para la bobina del contactor C1 y éste quedará

desenergizado, por lo que los tres contactos de fuerza se abrirán y se detendrá

el motor.

En caso de que se presente una sobrecarga durante la marcha del motor,

ocurrirá una acción similar a la del botón de paro, pero debido a su

enclavamiento mecánico, no se podrá volver a arrancar el motor hasta

restablecer el relé de sobrecarga.

A.4.2. ARRANCADOR MAGNÉTICO REVERSIBLE A TENSIÓN PLENA Su diagrama es el siguiente:



Figura A.6. Arrancador magnético reversible a tensión plena: abierto y cerrado. Este arrancador incorpora dos contactores (F y R) en el que cada uno permite que se energice el motor siguiendo una secuencia de fases distinta: L1-L2-L3 para F y L2-L1-L3 para el contactor R. Ambos contactores tienen su botón de arranque independiente pero un paro común. Además tiene un par de contactos de bloqueo eléctrico NC: R en la línea 1 y F en la línea 3, para evitar que entren en funcionamiento simultáneamente ambos contactores. Otras observaciones de este arrancador:

- Para tensiones del motor de 220 V y 440 V. - Para motores de ¼ HP a 20 HP (en algunos casos hasta 75 HP). - Causa problemas con motores grandes porque toma una gran corriente de arranque. - Cuenta con un interruptor termomagnético, dos contactores, un solo relevador de

sobrecarga y una botonera. Adicionalmente puede tener transformador reductor y lámparas piloto.



Figura A.7. Arrancador magnético reversible a tensión plena: abierto y cerrado.

A.4.3. ARRANCADOR MAGNÉTICO A TENSIÓN REDUCIDA CON RESISTENCIAS PRIMARIAS Su diagrama es el siguiente:

Figura A.8. Arrancador magnético a tensión reducida por medio de resistencias primarias.



Este arrancador incorpora en el momento de arranque tres resistencias de potencia en serie en cada una de las fases del motor, a través del contactor C1, lo cual originará una caída de tensión inmediatamente después de pulsar el botón de “Arranque”, lo cual ocasionará que a cada una de las fases del motor le llegue una tensión inferior a la nominal, teniendo por consecuencia una corriente menor en el momento de arranque, así como un par de arranque reducido. Después de cierto tiempo y una vez que el motor se haya acelerado, el temporizador energizará al contactor C2, lo que pondrá en cortocircuito las resistencias de potencia y entonces el motor recibirá su tensión total. Este tipo de arrancador se puede usar para motores de 3 HP a 300 HP para motores de 208/ 220 V, y en capacidades de 10 a 600 HP para motores de tensiones de 440/600 V. Una gran desventaja de este tipo de arrancador, que ha reducido significativamente su empleo, es el alto costo de las resistencias de arranque, así como de su alto consumo de potencia.

A.4.4. ARRANCADOR MAGNÉTICO A TENSIÓN REDUCIDA CON REACTANCIAS PRIMARIAS Su diagrama es el siguiente:

Figura A.9. Arrancador magnético a tensión reducida por medio de reactancias primarias.

La operación de este arrancador es muy similar que la del anterior, ya que en este caso la caída de tensión será producida por las tres bobinas intercaladas en cada fase. Se emplea para motores de las mismas capacidades que el caso anterior, pero sus desventajas son el costo y el bajo factor de potencia. Actualmente se emplea muy poco.



A.4.5. ARRANCADOR MAGNÉTICO DE DEVANADO PARCIAL Los motores de inducción de 12 terminales cuentan con dos grupos de bobinas por cada fase, así que es posible arrancarlos energizando solamente la mitad de las bobinas, con lo cual la corriente de arranque se reducirá a la mitad. Una vez que el motor se ha acelerado, se energiza la otra mitad del devanado y entonces el motor trabaja en sus condiciones normales.

Figura A10. Arrancador magnético de devanado parcial. - Solamente útil para motores de doce terminales. - Puede funcionar para conexión delta y estrella. - Emplea dos contactores, un temporizador, dos relevadores de sobrecarga y la botonera. - Para voltajes de 208/220 V, disponibles de 10 a 600 HP.; para motores de 440/600 V, se puede emplear en motores de 10 a 1200 HP.

A.4.6. ARRANCADOR MAGNÉTICO ESTRELLA-DELTA Este arrancador trabaja solamente con motores de 6 y 12 terminales que normalmente operen en delta. Al arrancar, energiza en estrella los devanados, con lo cual se logra que la tensión aplicada a cada fase sea solo el 57.7% de la tensión nominal, con lo cual también se reducirá la corriente en el momento de arranque en la misma proporción. Cuando el motor se acelera, se cambia la conexión a delta, para que el motor trabaje en condiciones normales. Aunque este sistema no reduce el voltaje en ningún momento, el artificio que emplea produce un efecto similar, ya que la corriente y el par de arranque si son reducidos significativamente al 57.7% de su valor normal.



Figura A11. Arrancador magnético estrella-delta. En un principio se energizan el temporizador SR y el contactor 1M, seguido por el contactor S, con lo cual en potencia se forma el punto central de la estrella (T4, T5 y T6) mientras que el motor se alimenta por T1, T2 y T3. Al actuar el temporizador SR, se desenergizará el contactor S, con lo que se abre el punto central de la estrella, y entra en funciones 2M que conecta T6 a T1, T5 con T3 y T4 con T2, con lo cual el motor ya operará adecuadamente en delta. Algunas otras características:

- No requiere resistencias, reactancias ni autotransformador para conseguir el

efecto de la reducción de voltaje en el arranque.

- Requiere tres contactores, un temporizador, un relé de sobrecarga y una

botonera.

- Solamente utilizable para motores de 6 y 12 terminales.

- En 208/220 V para motores de 10 HP hasta 750 HP. Para tensiones de

440/600 V desde 10 HP hasta 1500 HP.



A.4.7. ARRANCADOR MAGNÉTICO CON RESISTENCIAS DE ARRANQUE EN EL ROTOR DEVANADO Este arrancador es exclusivo para motores de inducción de rotor devanado, en el cual se intercalan en serie con cada fase del rotor 1, 2 o 3 secciones de resistencias de potencia. Así, cuando se arranca el motor, la impedancia vista por el rotor es incrementada considerablemente y corriente se reduce, lo cual también ocurrirá en devanado del estator. Cuando el motor va acelerando, se eliminan gradualmente las resistencias cortocircuitándolas hasta que son totalmente eliminadas.

Figura A12. Arrancador magnético con resistencias en el rotor.

A.4.8. ARRANCADOR MAGNÉTICO A TENSIÓN REDUCIDA CON AUTOTRANSFORMADOR Los arrancadores a tensión reducida tipo autotransformador se utilizan para el arranque de motores con rotor de jaula de ardilla, para potencias hasta 150 HP, 220V y 300 HP, 440V, 60Hz. Arrancadores de mayor potencia se fabrican solamente bajo pedidos Especiales. Estos arrancadores limitan la corriente en la etapa de arranque, evitando alcanzar corrientes que puedan causar fluctuaciones perjudiciales en la línea de alimentación.



Con el arrancador a tensión reducida tipo autotransformador, se reduce la tensión en los bornes de motor según la relación de transformación del autotransformador. Por lo general, se utilizan autotransformadores con derivaciones de 0%, 50%, 65% y 80% de la tensión nominal. La intensidad de corriente consumida por el motor en la etapa de arranque disminuye en la misma proporción que la tensión de bornes del motor, es decir, según la relación de transformación del autotransformador.

Figura A.13. Arrancador magnético a tensión reducida por medio de autotransformador.

El funcionamiento consiste en que después de presionar el botón de “Arranque”, se energizan SR, C1 y C2, con lo cual el motor arranca a tensión reducida a través del autotransformador conectado en delta abierta. Una vez que se ha completado el tiempo de operación del autotransformador, entonces se abre C1, con lo que se desconecta el punto común de los dos devanados del autotransformador, y se energiza C3, con lo cual el motor quedaría conectado directo a la línea al haberse eliminado los devanados del circuito. Algunas otras características de este arrancador. -Para motores trifásicos alimentados a 220 V se puede emplear para potencias 15 HP a 700 HP, mientras que para motores de hasta 600 V es posible trabajarlo con motores de 15 HP a 1500 HP. . -Con protección contra sobrecorriente y sobrecarga integradas. -Transición cerrada de los contactos, lo que elimina transitorios peligrosos.



Figura A.14. Interior de un arrancador magnético a tensión reducida por medio de autotransformador.

Este es uno de los arrancadores más comúnmente empleados en la industria.

A.5. ARRANCADORES DE ESTADO SÓLIDO. Un arrancador de estado sólido es aquel en el cual para la energización y la desenergización del motor se emplean elementos electrónicos, principalmente SCR, como muestra la siguiente figura:

Figura A.15. Arquitectura de un arrancador de estado sólido.



Algunas de sus principales características son: -Controla el voltaje de alimentación a cada una de las fases del motor mediante dos SCR: uno para el semiciclo positivo, y el otro para el semiciclo negativo. -Protección contra sobrecarga, sobrecorriente, pérdida de fase, bajo voltaje, desbalance de corriente. -Control de lazo cerrado. -Voltaje de alimentación de 208 V, 220 V, 380 V, 415 V, 440 V, 460 V, 500 V y 575 V. - Para motores de 5 HP a 900 HP.

Figura A.16. Diversos arrancadores de estado sólido.

Los arrancadores de estado sólido son utilizados cuando se requiere un arranque suave y

lento. En lugar de operarlos directamente a plena tensión, se arrancan con aumentos graduales

de voltaje. Los arrancadores de estado sólido evitan disturbios de la red eléctrica y picos de

corriente así como esfuerzos mecánicos que causan desgaste en el motor y la máquina que se

acciona.

Sus principales aplicaciones son:

Molinos, trituradoras

Bombas

Bandas transportadoras

Escaleras mecánicas

Grúas

Máquinas-herramienta

Ventiladores

Compresores

Agitadores

Decantadores

Prensas.



A.6. CENTROS DE CONTROL DE MOTORES.

Un Centro de Control de Motores (CCM) es un tablero metálico autosoportado con uno o más

gabinetes verticales agrupados para el control de motores y distribución de energía. Un CCM

puede agrupar, en una misma unidad, arrancadores magnéticos y de estado sólido para

motores, variadores de velocidad y unidades de monitoreo, todo ello removible.

Figura A.17. Centro de Control de Motores.

Se emplean en las siguientes situaciones:

• Sea necesario la concentración de los dispositivos de control y

protección para la alimentación de motores, en un solo tablero.

• Se requiere la concentración de dispositivos de control de procesos

continuos o bajo cierta secuencia de operación.

• Se requiere efectuar cambios o reparaciones en baja tensión, sin

afectar otros circuitos en paralelo.

• Se necesita una protección confiable contra maniobra no deseadas.

• Se exige una perfecta seguridad para los operadores.

A.7. REFERENCIAS. MALONEY, T. “Electrónica Industrial Moderna” (quinta edición). Pearson Educación. México, 2006. http://www.ehow.com/facts_7695999_definition-motor-starter.html

http://industria.siemens.com.mx/Tableros/Centro%20de%20control%20de%20motores.html

http://industria.siemens.com.mx/Control%20y%20Dstribici%C3%B3n/arrancadores.html

http://www.ehow.com/facts_7695999_definition-motor-starter.html

http://industria.siemens.com.mx/Control%20y%20Dstribici%C3%B3n/arrancadores.html



Curso de arrancadores para motores. http://www.toolingu.com/definition-460310-34126-motor-starter.html

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