Un motor de inducción arranca tomando varias veces su corriente nominal con un factor de potencia bajo, y esa corriente, al pasar por la impedancia de la red, el transformador y los cables, hunde la tensión en toda la barra. Si la caída es grande, el propio motor no acelera, se sueltan contactores, los variadores se apagan y la protección puede disparar. El estudio de arranque de motores (IEEE 3002.7) calcula esa caída con el modelo de la planta y define el método de arranque y los ajustes que la mantienen dentro de lo que toleran los equipos.
Qué pasa en la red cuando arranca un motor grande
Un motor de inducción con arranque directo toma, mientras el rotor está detenido, la corriente de rotor bloqueado: varias veces su corriente nominal y con un factor de potencia bajo. El valor exacto viene en la placa y en la hoja de datos (en motores NEMA, por la letra de código de kVA con rotor bloqueado). Esa corriente recorre la red del operador, el transformador de la planta y los cables hasta el motor, y en cada impedancia produce una caída de tensión.
El resultado es un hueco de tensión en la barra que alimenta el motor y, en menor medida, en las barras vecinas. Dura lo que dura la aceleración: desde fracciones de segundo en una bomba hasta muchos segundos en un molino, un ventilador de tiro inducido o una banda cargada. A medida que el motor gana velocidad, la corriente baja y la tensión se recupera.
Dos cosas hacen que el problema crezca:
- La red es débil frente al motor. Cuanto menor sea la potencia de cortocircuito en la barra comparada con la potencia de arranque del motor, mayor será la caída. Un transformador de planta con impedancia alta o un cable largo empeoran el resultado.
- La planta opera con su generador. Una planta de emergencia tiene una impedancia mucho mayor que la red y su regulador de tensión necesita tiempo para responder. Un motor que arranca sin problema con la red puede no arrancar con el grupo electrógeno.
Efectos de la caída de tensión en la planta
El par de un motor de inducción varía aproximadamente con el cuadrado de la tensión. Si la tensión en sus bornes baja, el par disponible baja mucho más, y el motor tarda más en acelerar o se queda sin poder vencer el par de la carga. Lo que se observa en campo:
| Efecto | Por qué ocurre |
|---|---|
| El motor no termina de arrancar o tarda mucho | El par cae con el cuadrado de la tensión y no supera el par de la carga |
| Contactores que se sueltan en otros circuitos | La tensión de la bobina baja de su valor de retención |
| Variadores y equipos electrónicos que se apagan | La tensión del bus de continua baja de su umbral |
| Parpadeo de iluminación | Hueco repetido con cada arranque |
| Disparo de la protección del motor o de la acometida | Arranque más largo que el supuesto en los ajustes, o actuación de la 27 |
| Calentamiento del rotor | Cada segundo extra de arranque suma calor a un rotor que ya trabaja al límite |
Estos síntomas se confunden a menudo con fallas de los equipos. El variador que se apaga o el contactor que se suelta no están dañados: están reaccionando a una tensión que el estudio no previó.
Qué calcula un estudio de arranque de motores
La referencia del IEEE es IEEE 3002.7, la práctica recomendada para estudios de arranque de motores en sistemas industriales y comerciales. El estudio usa el mismo modelo de la planta que el estudio de flujo de carga y el de cortocircuito, y añade el modelo dinámico de los motores y de sus cargas mecánicas.
- 01DatosRed, transformadores, cables, placa del motor y curva de la carga
- 02ModeloImpedancias, motor y par resistente de la carga
- 03EscenariosRed normal, red mínima y planta de emergencia
- 04SimulaciónTensión, corriente y velocidad durante la aceleración
- 05CriteriosTensión mínima por barra y tiempo de arranque
- 06RecomendacionesMétodo de arranque, taps y ajustes de protección
Hay dos niveles de análisis:
- Estático: calcula la caída de tensión en el instante del arranque con la impedancia de rotor bloqueado. Basta para descartar casos claros.
- Dinámico: simula la aceleración en el tiempo con la curva par-velocidad del motor y de la carga. Da el tiempo de arranque real, la evolución de la tensión y la corriente, y si el motor llega a velocidad nominal. Es el que hace falta para cargas de alta inercia o redes débiles.
Los resultados se comparan con lo que toleran los equipos conectados y con las condiciones del punto de conexión con el operador de red. En Colombia, cuando el arranque afecta a otros usuarios, el operador puede pedir que la planta demuestre que el hueco que provoca está controlado; los criterios los fija cada operador en sus normas de conexión.
Cómo se reduce la caída de tensión
El estudio no solo dice si hay un problema: compara las soluciones. Las más comunes:
- Método de arranque. El arranque estrella-triángulo, por autotransformador, por reactor, el arrancador suave y el variador de frecuencia reducen la corriente de arranque, cada uno con su costo en par. El arrancador suave y el autotransformador bajan la corriente a costa de par; el variador arranca con corriente cercana a la nominal y par completo. En media tensión las opciones se describen en arrancador de media tensión.
- Taps del transformador para que la barra opere más alta antes del arranque, sin pasarse en vacío.
- Secuencia de arranques: no arrancar dos motores grandes a la vez, y arrancar primero el mayor cuando la carga es menor.
- Compensación: condensadores de arranque o compensación dinámica en casos puntuales.
- Cambio de transformador o de cables cuando el sistema está al límite.
Cada opción tiene efectos sobre la protección. Un arrancador suave cambia la forma de la corriente; un variador introduce armónicos (vea armónicos de variadores de frecuencia); un arranque más largo exige revisar el tiempo seguro con rotor bloqueado.
La relación con los ajustes de protección
El arranque es el momento en que más se juntan las condiciones que llevan a un disparo. Por eso el estudio de arranque alimenta los ajustes:
- La sobrecorriente 50/51 del motor y de la acometida debe dejar pasar la corriente y el tiempo reales de arranque, con margen. Vea disparo de sobrecorriente al arrancar o energizar.
- La subtensión 27 de la barra no debe actuar durante el hueco de un arranque normal, pero sí ante la pérdida real de la fuente. Vea subtensión 27.
- La protección de rotor bloqueado y arranque prolongado del motor necesita el tiempo de arranque calculado, no uno supuesto. Vea rotor bloqueado 51LR y arranque prolongado 48.
- El modelo térmico 49 debe aceptar el número de arranques que el proceso necesita.
Hacemos su estudio de arranque
Nuestro equipo modela su planta, simula el arranque de sus motores en los escenarios reales de operación (red, red mínima y planta de emergencia) y le entrega la tensión mínima en cada barra, el tiempo de arranque y las recomendaciones de método de arranque y de ajustes. El estudio lo hacemos de forma remota con sus datos; si los ajustes del relé del motor o de la acometida deben cambiar, los cargamos con configuración remota de relés. Conozca nuestro servicio de diseño de ingeniería y estudios y envíenos su unifilar y los datos del motor por contacto.
Guías relacionadas
- Estudio de flujo de carga
- Estudio de cortocircuito
- Disparo de sobrecorriente al arrancar o energizar
- Subtensión 27
- Motor de inducción y sus protecciones
- Relé de protección de motor
- Arrancador suave o variador de frecuencia
- Arrancador de media tensión
Referencias
- IEEE 3002.7-2018, IEEE Recommended Practice for Conducting Motor-Starting Studies and Analysis of Industrial and Commercial Power Systems.
- NEMA MG 1, Motors and Generators (letras de código de kVA con rotor bloqueado).
- IEEE C37.96, IEEE Guide for AC Motor Protection.
Preguntas frecuentes
¿Cuánta caída de tensión es aceptable al arrancar un motor?
No hay un único valor: depende de lo que esté conectado a la barra. Se compara la tensión mínima calculada con lo que tolera cada equipo (el par del motor que arranca, la tensión de retención de los contactores, el rango de los variadores y equipos electrónicos) y con lo que pida el operador de red en el punto de conexión. El estudio fija el criterio para cada barra.
¿Por qué se dispara el interruptor cuando arranca un motor grande?
Las causas habituales son una instantánea 50 ajustada por debajo de la corriente de arranque, una curva 51 sin margen para el tiempo real de aceleración, la subtensión 27 que actúa durante el hueco o un CT que se satura con la componente asimétrica. Un arranque más largo de lo previsto, por tensión baja, agrava las tres primeras.
¿Cuándo se necesita un estudio de arranque de motores?
Cuando el motor es grande frente a la potencia de cortocircuito de la barra, cuando se instala un motor nuevo o se cambia el transformador, cuando la planta pasa a operar con una planta de emergencia, o cuando ya hay síntomas: luces que parpadean, contactores que se sueltan, variadores que se apagan o arranques que no terminan.