El autotransformador reduce la tensión del motor en el arranque con una derivación, típica de 50 a 80 %; la corriente de línea baja con el cuadrado de esa relación y el par también. Las resistencias en el estator reducen la tensión con una pérdida de energía que decrece al acelerar, y las rotóricas, solo en motores de anillos, aumentan el par con corriente menor.
Por qué existen más métodos que el directo
El arranque directo exige una red robusta y una carga que resista el par pleno. Los métodos de tensión reducida bajan la corriente tomada de la red a costa de par. El estrella-triángulo ofrece un único valor, un tercio. El autotransformador y las resistencias permiten otros valores, y el rotor bobinado ofrece una vía distinta: más par con menos corriente.
Arranque por autotransformador
Principio
Un autotransformador trifásico con derivaciones alimenta el motor con una fracción k de la tensión de línea (por ejemplo 50 %, 65 % u 80 %). Una vez que el motor acelera, el autotransformador se desconecta y el motor pasa a tensión plena.
Relaciones de corriente y par
Con k = tensión aplicada al motor / tensión de red:
| Magnitud | Relación respecto al arranque directo |
|---|---|
| Corriente en el motor | k |
| Corriente en la línea | aproximadamente k² |
| Par de arranque | k² |
La corriente de línea es menor que la del motor porque el autotransformador reduce la corriente de entrada en la misma proporción en que baja la tensión. El resultado, comparado con una resistencia en serie, es que para el mismo par se toma menos corriente de la red.
Ejemplo numérico (ilustrativo)
Motor de 15 kW, 400 V, 28 A, arranque directo supuesto de 7 × In = 196 A con par de 1,8 × Mn = 148 N·m. Datos supuestos.
| Derivación k | Corriente en el motor | Corriente en la línea | Par de arranque |
|---|---|---|---|
| 100 % (directo) | 196 A | 196 A | 148 N·m |
| 80 % | 157 A | 125 A | 95 N·m |
| 65 % | 127 A | 83 A | 63 N·m |
| 50 % | 98 A | 49 A | 37 N·m |
La derivación se escoge de modo que el par disponible supere el par resistente de la carga con margen, y la corriente de línea cumpla lo que la red permita. Con una carga que pide 70 N·m al arrancar, la derivación de 80 % es la que sirve, y la de 65 % no.
Circuito y secuencia
Se utilizan normalmente tres contactores:
- Contactor de cierre de estrella del autotransformador, que une los extremos de sus devanados.
- Contactor de arranque, que conecta la red al autotransformador y alimenta el motor por la derivación.
- Contactor de marcha, que conecta el motor directamente a la red una vez acelerado.
El mando usa un temporizador y enclavamientos para que el contactor de marcha y el de arranque no cierren a la vez. En la transición hay dos formas: la abierta, con el motor sin alimentación por un instante, y la cerrada (tipo Korndörfer). En la cerrada una parte del autotransformador queda en serie con el motor durante el cambio: la corriente no se interrumpe y el pico es menor.
El autotransformador no está pensado para servicio continuo: está dimensionado para arranques breves y un número limitado por hora, que se verifican contra el catálogo.
Arranque por resistencias en el estator
Se conectan resistencias en serie con cada fase del estator durante el arranque. La caída de tensión en ellas reduce la tensión aplicada al motor. A medida que el motor acelera, la corriente baja, la caída en la resistencia también y la tensión en el motor sube de forma natural. Al final se cortocircuitan las resistencias con un contactor.
Características:
- El arranque es suave y sin transición abrupta, porque la tensión sube sola.
- La corriente de línea es igual a la del motor, y el par baja con el cuadrado de la tensión: por eso, para el mismo par, toma más corriente que el autotransformador.
- Las resistencias disipan energía en forma de calor y requieren espacio de ventilación.
- Es un método de poco uso actual, que se encuentra en instalaciones antiguas y en algunos arranques de media tensión con reactancias.
Existe la variante con reactancias (bobinas) en lugar de resistencias, que no disipan tanto pero afectan el factor de potencia en el arranque.
Resistencias en el rotor (motor de anillos)
En un motor de rotor bobinado, los devanados del rotor salen a anillos y se conectan a un banco de resistencias externas. Las resistencias cumplen dos funciones: limitan la corriente y desplazan el par máximo hacia velocidades bajas, con lo que el motor entrega un buen par desde el inicio.
La secuencia consiste en retirar las resistencias por etapas a medida que el motor acelera, hasta cortocircuitar los anillos. Con la resistencia completa el motor puede dar par máximo en el arranque con una corriente de línea moderada, una combinación que ningún método de tensión reducida logra en un motor de jaula.
Por eso se usó en cargas pesadas como molinos, grúas y trituradoras. Hoy muchos de esos casos se resuelven con variadores o con motores de jaula y arrancadores suaves. Pero hay máquinas en servicio con anillos que requieren mantenimiento de escobillas, anillos y resistencias.
Arranque serie-paralelo
Algunos motores tienen devanados que pueden conectarse en serie o en paralelo; arrancan en serie, con la tensión por devanado reducida, y pasan a paralelo. Es un método de la misma familia que el estrella-triángulo, con motores diseñados para ello. No es común en instalaciones nuevas.
Comparación breve
| Método | Reduce la corriente de línea | Par disponible | Observación |
|---|---|---|---|
| Autotransformador | k² | k² | Derivaciones ajustables; costoso y voluminoso |
| Resistencias estatóricas | k | k² | Disipan calor; arranque sin salto |
| Resistencias rotóricas | Fuerte | Alto | Solo motor de anillos |
| Estrella-triángulo | 1/3 | 1/3 | Un solo valor; seis terminales |
Cómo se verifica un arranque de tensión reducida
Más allá del cálculo, el arranque se confirma midiendo. Con una pinza amperimétrica o un registrador se registra la corriente de línea durante todo el arranque y se compara con la prevista. Se revisan el valor máximo en la etapa de tensión reducida, el tiempo hasta que la corriente cae a un valor cercano al nominal y el pico de la transición. Si la corriente en la etapa reducida es mayor que la calculada, la tensión de red puede estar alta o la derivación mal conectada. Si el motor tarda más de lo previsto, el par disponible es justo para la carga y conviene subir de derivación.
Se observa además la tensión en las barras durante el arranque. El método de tensión reducida cumple su función en dos casos. Primero, si la caída máxima queda dentro del límite acordado con el operador de red o definido por el proyecto. Segundo, si no hay efectos en otros equipos, como parpadeo de iluminación o disparo de contactores vecinos por baja tensión de mando.
Errores frecuentes
- Elegir la derivación por la corriente y no por el par, y dejar el motor sin acelerar.
- Exceder el número de arranques por hora del autotransformador o de las resistencias, que se calientan.
- Olvidar que la protección debe seguir viendo la corriente real del motor durante el arranque y la marcha.
- Dejar las resistencias conectadas por falla del contactor de puenteo: el motor trabaja con tensión baja y se sobrecalienta.
- Transición demasiado temprana con el motor lento, que da un pico de corriente comparable al arranque directo.
- Cablear mal las derivaciones y alimentar al motor con una tensión distinta de la prevista.
Lista de verificación
- Par resistente de la carga y par disponible por derivación comparados.
- Corriente de línea con la derivación elegida frente al límite de la red.
- Número de arranques por hora y duración dentro de lo que admite el equipo.
- Tipo de transición definido (abierta o cerrada).
- Contactor de puenteo o de marcha probado.
- Protección de sobrecarga ajustada a la corriente del motor.
- Motor de anillos: estado de escobillas, anillos y resistencias.
Dudas técnicas frecuentes
- ¿Un arrancador suave los reemplaza? En la mayoría de casos nuevos sí, con control continuo de la tensión; vea arrancador suave. La comparación se desarrolla en la guía de comparación de métodos de arranque de esta serie.
- ¿Se puede usar en media tensión? Sí, con autotransformadores o reactores; vea arrancador de media tensión.
- ¿Cuál produce menos caída de tensión en la red? Para un mismo par, el autotransformador, porque la corriente de línea es menor.
Cómo le ayudamos
Elegir el método de arranque es un cálculo de red, carga y motor. En Tiza Group hacemos el estudio de arranque y de caída de tensión, y probamos y ponemos en servicio el sistema. Vea diseño de ingeniería y estudios y pruebas a motores, o escríbanos por contacto.
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Referencias
- WEG, Guía de especificación de motores eléctricos, sección de arranque.
- IEC 60947-4-1, contactores y arrancadores electromecánicos de motor.
- Fórmulas del autotransformador: texto de máquinas eléctricas de uso general.
Preguntas frecuentes
¿Por qué la corriente de línea baja más que la del motor con un autotransformador?
Porque el autotransformador transforma tensión y corriente. Si el motor recibe la fracción k de la tensión, toma esa fracción de su corriente de arranque, y la red entrega una corriente adicional reducida otra vez por k. La corriente de línea resulta k² veces la del arranque directo.
¿Cuál es la ventaja frente a estrella-triángulo?
Permite elegir la derivación, con lo que se ajusta el par disponible a la carga, y no exige un motor de seis terminales. A cambio ocupa más espacio y cuesta más.
¿Las resistencias de arranque se pueden dejar conectadas en marcha?
No. Se puentean con un contactor al final del arranque porque disipan potencia continua y dejan al motor con menor tensión y par.
¿Cuándo se usan resistencias rotóricas?
Solo con motores de rotor bobinado y anillos. Se inserta resistencia externa en el rotor, que limita la corriente y aumenta el par de arranque, y se va retirando por pasos hasta cortocircuitar los anillos.