Arranque Por Autotransformador

ARRANQUE POR AUTOTRANSFORMADOR POR HORACIO DOMINGORENA/MARCELO PASCUAL QUIRICO CURSO 4TO 2DA TURNO: NOCHE ESCUELA DE EDUCACIÓN TÉCNICA Nº6 “COMBATE DE SAN LORENZO” QUILMES AÑO 2016

Arranque por autotransformador autotransformador H.Domingorena-M.Quirico H.Domingorena-M.Quirico Escuela Técnica Técnica 6 Quilmes

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PRESENTACIÓN En el siguiente trabajo se exponen los fundamentos del sistema de arranque por autotransformador y su utilización práctica como método de arranque de motores trifásicos. Se describe a manera de introducción en primer lugar los principios de funcionamiento del motor asincrónico, sus características y parámetros típicos de funcionamiento, conceptos como campo rotante, resbalamiento, transitorio de arranque e impedancia del conjunto estator-rotor como justificación de la necesidad del arranque a tensión reducida, para luego describir de manera suscinta los diferentes métodos de arranque empleados usualmente en motores trifásicos de inducción, seguidamente se hace una descripción del sistema de arranque por autotransformador objeto de este trabajo para finalmente pasar a la descripción de un circuito práctico implementado con el programa Cade_SIMU y un tablero de demostración construido con los elementos disponibles en la escuela y otros elementos de obtención común en el mercado.

Ilustraciones extraídas de Internet excepto donde se especifique en contrario creadas por M.Quirico


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AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen a las siguientes personas e instituciones por su colaboración y guía para el desarrollo del presente trabajo: Profesor Favio Liotine 3

Profesor Amado Iuliano Profesor Ing. Silvio Coriazco A la Escuela de Educación Técnica Nº 6 de Quilmes por el apoyo brindado por el uso de sus talleres y elementos para lograr la concreción de este proyecto.


EL MOTOR ASINCRÓNICO TRIFÁSICO INTRODUCCIÓN

E

l motor asincrónico trifásico de inducción – inducción –también también conocido con el nombre de motor “jaula de ardilla”ardilla”- es la máquina eléctrica motriz de uso

más común en la industria (fig.1). Su sencillez constructiva, su bajo costo de adquisición, su robustez ante fallas, su simplicidad y menor costo de mantenimiento, su velocidad relativamente estable frente a variaciones va riaciones de carga, su ventajosa relación peso/potencia y su ausencia de partes eléctricas sometidas a desgaste, lo vuelven el motor ideal y más adecuado adecuado para uso uso en accionamientos industriales, superando en virtud de todas las ventajas señaladas arriba a todos los demás tipos de motor empleados en el pasado- y relegándolos a aplicaciones anecdóticas y/o muy Figura 1-Un motor trifásico típico (gentileza Weg)

específicas donde éstos últimos sí o sí son requeridos. Si bien el motor de

inducción tiene como principal desventaja frente a aquellos que su regulación de velocidad por métodos convencionales no se puede efectuar fácilmente sin perder un apreciable torque, el desarrollo de la electrónica de potencia gracias al tiristor y la síntesis PWM permitió la aparición de métodos de variación de velocidad por frecuencia (que no son objeto de este trabajo) que compensan esta aparente desventaja del motor jaula de ardilla.


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Analizaremos a continuación su funcionamiento como parte necesaria para comprender el tema objeto de este informe, sin entrar en un desarrollo detallado muy extenso del mismo para no perder de vista el objetivo de dicho trabajo.

CONSTRUCCIÓN Y PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Un motor de inducción está básicamente constituido por las siguientes partes (fig.2): 1) Estator: conformado por chapas de acero al silicio estampadas a presión y apiladas formando un cilindro, que posee una serie de ranuras longitudinales. En estas ranuras van alojadas las bobinas responsables de crear el campo magnético necesario para el funcionamiento del motor (devanado inductor); 2) Rotor y eje: está formado al igual que el estator por una serie de chapas de Acero al silicio (llamado también “acero eléctrico” o “magnético”) apiladas formando un cilindro, por cuyo centro pasa el eje o Árbol motor. El rotor posee también ranuras sobre las cuales van el devanado inducido, éste está formado por barras de aluminio introducidas por inyección en las ranuras, dichas barras se sueldan por los Figura 2-Partes componentes de un motor de inducción

extremos a aros también de aluminio que cierran el circuito. Debido a que el conjunto

de barras y aros de aluminio presentan un aspecto que recuerda a las jaulas


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giratorias que se venden en veterinarias para que las ardillas en cautiverio y hamsters hagan ejercicio, es que estos motores se los conoce también en la jerga con el mote mote de motor de “jaula de de Ardilla”; 3) Carcasa: es la estructura que soporta al conjunto del motor (estator, rotor, rodamientos, etc) y brinda protección a sus componentes internos, suele construirse de fundición o bien de aluminio. En los motores modernos de tipo blindado, posee aletas externas longitudinales para su refrigeración; refri geración; 4) Tapas o escudos: son las que cierran el motor y soportan el rotor manteniéndolo centrado para que gire libremente, las mismas poseen los alojamientos para los rodamientos que en la gran mayoría de los casos son a bolillas (rulemanes); 5) Ventilador: provee el aire de refrigeración necesario para evacuar al exterior el calor producido por los bobinados en régimen normal de funcionamiento y evitar una elevación de temperatura peligrosa de los mismos. Puede ser interno o como en el caso del motor de la fig.2, externo, estando protegido por una rejilla externa. 6) Caja o tablero de conexiones: permite hacer las conexiones del motor con el circuito exterior. Tiene seis terminales que corresponden cor responden a seis puntas de bobina y permiten conectar el motor en estrella o en triángulo.

CAMPO MAGNÉTICO ROTANTE El principio de funcionamiento de este motor se basa esencialmente en el concepto del campo campo magnético rotante, teorizado y descubierto en 1885 por Galileo Ferraris (fig. 3) quien además construyó el primer motor de corriente alterna en aplicar de forma práctica este principio (fig.4). Dicho campo al girar, produce corrientes inducidas en el rotor, haciendo que éste se magnetice y


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genere a su vez un campo que sigue o acompaña al campo inductor, obligándolo así a girar. Si en un estator se disponen tres conjuntos o grupos de bobinas iguales (fig.5) distanciados angularmente 120 grados y se alimenta el mismo con un sistema de corrientes trifásicas, en el cual las corrientes están distanciadas en el tiempo 120 grados “eléctricos”-, “eléctricos”-, el resultado de dicha acción es la creación de un campo magnético cuya resultante es un vector giratorio, que rotará en el sentido de las agujas del reloj (sentido horario). Lo que permite justamente la rotación de este campo es la secuencia en el tiempo de las fases R, S y T, Figura 3-Galileo Ferraris

podemos decir entonces que el campo

rotante sólo es posible ante la presencia de un sistema de corrientes polifásicas, puesto que es la diferencia angular en tiempo de las mismas (desfasaje) lo que permite efectuar el par de giro del rotor. Como se ve en la figura 5, en el instante en que se aplica tensión a los Figura 4-Motor de inducción de G. Ferraris

bobinados del motor se establece una secuencia de excitación de las bobinas, lo que origina un vector giratorio que en el caso de respetarse la secuencia de fases R, S y T, corresponde al sentido


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horario. Si se invierte dicha secuencia, lo cual se logra permutando cualquier par de fases de las tres, se invierte también el sentido de giro del motor, ya que se invierte el sentido del campo rotante. Las secuencias de funcionamiento del motor trifásico se pueden resumir así, referidos a UN semiciclo del ciclo de corriente alterna, puesto que en el siguiente se repite la secuencia pero con el signo invertido: 8

Instante 1): la corriente entra a través de la fase R con signo (+) a la bobina 1 y sale por las bobinas 2 y 3 correspondientes correspondientes a las fases S y T, el rotor avanza y adopta la posición mostrada en la figura correspondiente al instante 1; Instante 2): la corriente ingresa a través de la fase S con signo (+) por la bobina 2 y sale por las bobinas 3 y 1 correspondientes a las fases T y R, el rotor avanza y adopta la posición mostrada en la l a figura correspondiente al instante 2;

Figura 5-Campo rotante

Instante 3): la corriente ingresa a través de la fase T con signo (+) por la bobina 3 y sale por las bobinas 1 y 2 correspondientes a las fases R y S, el rotor avanza y


adopta la posición correspondiente al instante i nstante 3, completándose así media revolución del rotor. En el siguiente semiciclo, la corriente invierte su signo, pero como las corrientes inducidas en el rotor también lo hacen (regla de la mano derecha), el rotor continúa avanzando en el mismo sentido y se completa así un giro o revolución. 9

RÉGIMEN DE FUNCIONAMIENTO. CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES El motor de inducción es eléctricamente hablando similar en funcionamiento al transformador, donde el bobinado inductor equivale al primario y las barras del rotor a un secundario en cortocircuito cuyo valor de resistencia depende de la velocidad de giro y de la carga del motor siendo cero en el momento del arranque, bajo en marcha a plena carga y alto en funcionamiento en vacío, denominándose como tal a la marcha sin carga mecánica aplicada (par resistente nulo). De dicho comportamiento surge la impedancia del estator, que varía en función de la carga mecánica y determina la corriente absorbida de la red. De lo dicho se desprende el por qué de que un motor jaula de ardilla consuma en el arranque una corriente varias veces mayor que la de régimen normal, como se explicará más adelante. Si se quiere variar la velocidad de un motor de esta clase, la única forma efectiva de hacerlo es mediante la variación de la frecuencia de red compensando la tensión según la misma para mantener el flujo magnético del estator constante y no perder torque, método que hasta el desarrollo de los variadores tiristorizados era imposible sin recurrir a grupos motor-generador alimentados en corriente contínua.


Cuando un motor de inducción o jaula de ardilla está en funcionamiento, el campo rotante del estator induce corrientes en el rotor (razón por la cual se llama motor de inducción), la velocidad de este campo inductor se denomina velocidad sincrónica y depende en primer instancia de la frecuencia de la red y

del número de pares de polos del motor y viene determinada por la siguiente expresión: 10

Donde: f = frecuencia de la red, en Hertz 2p= pares de polos del motor ns= velocidad sincrónica del campo rotante, ro tante, en r.p.m.

Las corrientes inducidas producen a su vez un campo magnético que intenta i ntenta alinearse y seguir al campo estatórico, pero no puede girar exactamente a la misma velocidad que el mismo dado que de hacerlo no habría diferencia relativa de velocidad entre el campo estatórico y el rotórico y por lo tanto no se producirían fuerzas electromotrices en el rotor. El rotor debe necesariamente girar a una velocidad menor que el campo rotante para que haya una diferencia de velocidad entre ambos y pueda generarse fuerza electromotriz inducida en el mismo que originen las corrientes que producen el campo magnético necesario para que gire. Esta diferencia se conoce con el nombre de resbalamiento y se expresa en términos porcentuales mediante la siguiente expresión:


Donde: ns = velocidad sincrónica, en r.p.m. nm= velocidad del rotor, en r.p.m. s= resbalamiento, en porciento (%)

El resbalamiento depende tanto del diseño constructivo del motor, como de factores tales como la carga aplicada al rotor y la tensión de red, y varía muy poco con la carga aumentando en cambio el consumo de corriente en forma proporcional a la misma (varía en función del torque desarrollado), siendo la variación de velocidad mínima dentro un límite traspasado el cual el torque desciende, por lo tanto estos motores son de velocidad constante. La diferencia entre la velocidad sincrónica y la rotórica implica que el rotor nunca esté en fase con el campo del estator sino que se atrase (mientras el campo rotante completó una revolución, el rotor quizás haya girado ¾ de vuelta), motivo por el cual al motor de inducción jaula de ardilla se lo denomina asincrónico. Como se ha dicho, estos motores desarrollan un torque o par motor proporcional a la carga resistente (par antagónico) y su comportamiento se da a través de una curva que expresa el resbalamiento en función de la velocidad y de la carga como se ve en la fig. 6.

Figura 6-Curva característica torque/velocidad torque/velocidad de un motor asincrónico


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En dicha curva se ve claramente que por debajo de la velocidad sincrónica el motor de inducción opera como tal, y el torque se incrementa rápidamente con la carga aplicada y una pequeña variación de la velocidad, hasta alcanzar el par nominal que es para el cual está diseñado el motor. El par límite lí mite es aquel superado el cual el motor pierde torque, no debiendo nunca llegarse a él. Del mismo gráfico se ve también que si por algún medio externo se hace girar el motor a una velocidad superior a la sincrónica estando el mismo conectado a la red, el signo del resbalamiento se invierte, de proporcionar par motor pasa a dar par resistente y en lugar de consumir potencia activa, la produce, esto es, el motor funciona como generador. generador . Esta condición de funcionamiento se llama en hipersincronismo, y posibilita el uso del motor de inducción como generador,

siendo su aplicación principal en los parques de generadores éolicos conectados a la red eléctrica, y en aplicaciones de generación hidroeléctrica en muy pequeña escala (alimentación de viviendas y poblados aislados de la red eléctrica) donde la energía de excitación para el generador es proporcionada por capacitores conectados al motor calculados convenientemente y aprovechando el fenómeno del magnetismo remanente de los motores.

RÉGIMEN TRANSITORIO DE ARRANQUE. IMPEDANCIA EN EL ESTATOR Como ya hemos analizado, el arranque del motor trifásico implica la aparición de un régimen transitorio de arranque, el que tiene su origen en el comportamiento del estator con su impedancia variable según la velocidad rotorica. Un motor de inducción se puede asimilar a un transformador en el cual la impedancia varía según la carga aplicada al secundario (simulada mediante una resistencia VR1 como se ve en la figura 7.


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Figura 7-Circuito equivalente de un motor de inducción. Dibujo: Quirico Marcelo

En dicha figura puede verse que el motor de inducción es en verdad un transformador cuya impedancia primaria varía con la resistencia de carga del secundario, así, en el momento del arranque como la velocidad relativa entre rotor y campo estátorico es alta (rotor detenido resbalamiento alto) la corriente inducida es alta, esta corriente de acuerdo a la ley de Lenz se opone a la causa que la genera (flujo primario, equivalente al flujo estatórico), luego, esto disminuye la reactancia inductiva Xl del del estator y como resultado y de acuerdo a la expresión:

Disminuye la impedancia del mismo tomando de la red una corriente elevada, esta situación se equipara en la figura 7 a la resistencia variable VR1 en posición de cero Ohm (cortocircuito). Así la gran corriente inducida desarrolla una cupla


de arranque elevada capaz de poner en marcha el rotor y consigo el mecanismo arrastrado. Esta situación es transitoria porque en la medida que el rotor gana velocidad la resistencia del mismo aumenta, con ello se reduce el efecto sobre la impedancia del estator, aumentando la misma y disminuyendo por tanto la intensidad absorbida de la red, siendo mínima durante la marcha en vacío (en la figura 7 equivale a la resistencia variable en posición de máxima resistencia) y de un valor equivalente a la intensidad nominal de funcionamiento en régimen de carga (resistencia más baja pero sin ser cero Ohm). En verdad y por efecto de la resistencia y la reactancia transitoria del estator durante el arranque, nunca se llega a cero Ohm de impedancia, ya que se destruiría instantáneamente el bobinado, pero es un valor muy bajo que de persistir, puede dañar al mismo. En la figura se ve una una resistencia R1 que equivale a la resistencia óhmica del alambre del bobinado inductor y una inductancia L1 que representa la reactancia de dispersión del estator, que no son tenidas en cuenta.

Como ya dijimos, esa impedancia es muy pequeña para R (resbalamiento)= 1 y va aumentando a medida que éste disminuye, según la siguiente curva: (s) t (s)

Zn

Z Za

Arranque

Figura 7. Ilustración: Quirico Marcelo

Marcha nominal


R rotor

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Si la tensión es constante la Intensidad varía según el valor de Z: I(a) Ia

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In Iv Z

0 Figura 8. Ilustración: Quirico Marcelo

Zn

Los valores instantáneos que va tomando I, desde el arranque hasta el régimen de trabajo, nominal o no, constituyen el régimen transitorio de arranque, arranque , el cual se extenderá en el tiempo, desde que se conecta la energía eléctrica al motor hasta que alcanza el régimen permanente de trabajo , según la relación entre el par de arranque del motor y el par resistente del mecanismo impulsado, de tal manera que cuanto mayor sea la fuerza de arrastre sobre la resistencia, más rápida será la aceleración del motor y más corto el régimen transitorio de arranque.

Transitorio de arranque

E

E nominal

I nominal

I Momento en que el motor comienza a girar

0

Momento en que el motor llega a su velocidad de régimen

Figura 9. Ilustración: Marcelo Quirico Arranque por autotransformador autotransformador H.Domingorena-M.Quirico H.Domingorena-M.Quirico Escuela Técnica Técnica 6 Quilmes

De acuerdo al tiempo de aceleración, el régimen transitorio de arranque será largo o corto: 1) Con baja aceleración el régimen será más largo; 2) Con alta aceleración el régimen será más corto. En todos los casos, los régimenes transitorios se pueden expresar por los valores eficaces de la corriente, que corresponden al valor de de la corriente contínua 16 que generase idéntica cantidad de calor por efecto Joule. Cuanto más prolongado es el régimen transitorio, mayor es el valor eficaz y mayor el calor generado en los bobinados del motor. Los arranques según la duración de los lo s régimenes transitorios que desarrollan se pueden clasificar en: A) Arranques livianos (transitorio de corta duración): corresponden a mecanismos impulsados de baja inercia o que se acoplan al motor en forma gradual, por ejemplo con un embrague; B) Arranques moderados (transitorios de mediana duración); C) Arranques pesados (transitorio de larga duración): corresponden a mecanismos impulsados de alta inercia o que presentan un gran par resistente durante el arranque. Para arranques del tipo a), podrá conectarse conectarse el motor en forma directa a la línea de alimentación aún en aquellos de mediana potencia. Para los arranques del tipo b) y c) solo podrá efectuarse el arranque directo del motor en aquellos casos de motores de baja potencia (hasta 5 HP), para motores de mayores potencias a la indicada deberá emplearse algún sistema que reduzca r eduzca el valor eficaz de la intensidad de arranque y como para ello no se podrá recurrir a disminuir el tiempo de duración del transitorio, no quedarán más alternativas que disminuir los valores de intensidad (I) durante el arranque. Los distintos métodos empleados para lograrlo y que llamamos Sistemas de Arranque de Motor Trifásico, tienden a este fin. En este trabajo veremos de manera muy resumida los distintos sistemas aplicables, centrándonos luego en el Sistema de Arranque por


Autotransformador, que es el objetivo de este informe, presentando primero su funcionamiento y por último la construcción de un tablero de demostración basado en este sistema. Para concluir digamos que dos son los efectos negativos que produce el régimen transitorio de arranque del motor son: A) El valor pico que toma I en el primer instante del arranque y que puede llegar al valor de 7 veces la intensidad nominal, produce a nivel de toda la línea de 17 alimentación a la que está conectado, una considerable caída de tensión instantánea, la que generalmente perturba el funcionamiento de los l os receptores conectados en la línea. Esto se manifiesta claramente en el descenso abrupto del brillo de las lámparas, pero puede afectar a toda clase de equipos, en especial equipos electrónicos; B) Como ya se sabe, el valor eficaz de I durante el régimen transitorio es mayor que el régimen permanente de trabajo, y con ello será mayor el calor desarrollado por efecto Joule en el bobinado estatórico durante el momento del arranque. En arranques sucesivos o muy prolongados, la acumulación de calor puede llegar a perjudicar enormente a dicho bobinado y por tanto dañar al motor.


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ARRANQUE POR AUTOTRANSFORMADOR


SISTEMAS DE ARRANQUE PARA MOTORES TRIFÁSICOS

De acuerdo a lo ya visto antes, un motor de inducción se caracteriza por tomar de la línea en el momento del arranque una intensidad equivalente a entre 5 y 7 veces la intensidad nominal (In), esta intensidad en algunos casos puede para la línea ser elevada y causar una perturbación a la red si la misma no está preparada para absorber dicha intensidad. Por esta razón, cuando se deben arrancar motores de más de 5 HP se lo hace a través de un sistema de arranque trifásico para disminuir dicha intensidad. i ntensidad. Hay distintos sistemas, pero casi todos ellos tienen en común la reducción de la tensión de entrada al motor con lo cual se reduce la intensidad absorbida.

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Según la aplicación que se tenga en mente y la potencia del motor a arrancar, se tienen los siguientes tipos de arranques trifásicos: trif ásicos: Arranque Estrella-Triángulo a tensión reducida

Arranques Trifásicos

a intensidad reducida /tensión nominal

Arranque por resistencias estatóricas Arranque electrónico por tiristores (Soft Starter) Arranque por Autotransformador Arranque por resistencias rotóricas

Por variador de frecuencia Arranque estrella-triángulo estrella-triángulo Este sistema consiste en hacer arrancar el motor en conexión en estrella y pasarlo luego a triángulo para su funcionamiento normal. La explicación reside en el hecho de que un motor conectado en estrella requiere una tensión 1,73 veces mayor que el mismo motor conectado en triángulo, puesto que en Electrotecnia se demuestra que para un sistema en estrella E l l = = 1, 73 E f y en un sistema en triángulo E l l = = E f ; ocurriendo lo inverso


con las intensidades, es decir, en un sistema en estrella I l l = = I f y y en uno en triángulo Il = = 1, 73 I f . De las fórmulas se deduce que haciendo el arranque en estrella, el motor toma 1,73 veces menos corriente que si lo hace en triángulo. La maniobra se realiza por contactores controlados por un circuito de comando provisto de un timer , que después de un tiempo, realiza la conmutación de estrella a triángulo. Este tipo de arranque se emplea en motores de 5 HP en adelante. Para este sistema se requiere que las bobinas del motor soporten estando conectadas en triángulo, la tensión de línea, de lo contrario podemos dañarlas.

Arranque por resistencias estatóricas Este sistema consiste en intercalar en serie serie con los devanados estatóricos del motor resistencias, las cuales producen en el momento del arranque una caída de tensión de tal forma que al motor sólo llega una parte de la tensión de línea. El arranque puede hacerse de manera escalonada en varios pasos, tantos como resistencias hayan, y la maniobra se realiza también por medio de contactores controlados por un circuito de comando similar al del arranque estrellatriángulo, sólo que con más etapas si se requieren más pasos de arranque. Este sistema tiene la desventaja de que se disipa energía en forma de calor en las resistencias de arranque, razón por la cual es limitada su aplicación.

Arranque por resistencias rotóricas Este sistema se basa en el control de la corriente inducida del rotor, ya que por la fórmula expuesta antes:


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se demuestra que al variar la R del rotor, varía la impedancia del estator, variando en forma inversamente proporcional la intensidad absorbida de línea y la velocidad y el torque. El motor que se emplea es de tipo especial, con un rotor bobinado (fig. 10) cuyos devanados (conectados internamente en estrella) terminan en tres anillos sobre los cuales apoyan escobillas que conectan con la resistencia variable 21 externa que cierra el circuito (fig. 4.33). La maniobra puede hacerse en forma escalonada, con resistencia fijas intercaladas y conectadas por medio de una llave selectora, o bien contactores (para una Figura 10- Motor trifásico de rotor bobinado maniobra automática) o bien mediante una resistencia trifásica variable en forma contínua (reóstato) en forma manual. Las resistencias rotóricas se conectan también en estrella. Tiene la ventaja con respecto a otros sistemas que no se resiente demasiado el torque, puesto que se reduce la corriente en el rotor , pero en cambio tiene la desventaja de requerir un motor más caro y que requiere más mantenimiento a


diferencia del jaula de ardilla.

Arranque por Soft Starter Es uno de los métodos más recientes de arranque. Se trata de un sistema electrónico, que por medio de un u n puente de tiristores (triacs) controlados por un circuito electrónico especial microcontrolado, producen una rampa de tensión, 22 que gradualmente aumenta la tensión de entrada al motor aumentando por tanto la corriente y el torque hasta llegar al régimen nominal. Entre sus ventajas destaca que es compacto, muy silencioso si lencioso y apenas disipa energía en forma de calor por lo que es uno de los más empleados.

Arranque por variador de frecuencia No se trata en sí de un sistema de arranque, sino que es un dispositivo que permite variar linealmente la velocidad de un motor variando la frecuencia de la tensión de entrada al motor. Esto se logra por medio de técnicas de síntesis de onda PWM que modifican una tensión trifásica rectificada y filtrada de la proveniente de la red por medio de tiristores controlados por el circuito de síntesis PWM. No obstante, al ser un sistema que permite variar la velocidad vel ocidad desde cero, se emplea también como método de arranque con la ventaja de variar en forma contínua la velocidad sin comprometer el torque.

Arranque por autotransformador Este sistema de arranque consiste en alimentar el motor a tensión reducida a través de un autotransformador (fig. 11), de forma que las sucesivas tensiones tensiones aplicadas en bornes del motor tengan un valor creciente durante el periodo de arranque, hasta alcanzar el valor de la tensión nominal de línea, obteniéndose de esta forma una reducción de la corriente de arranque y del par motor, en la misma proporción.


Por lo general los autotransformadores se equipan con tomas para el 50%, 65 % y 80 % de la tensión de línea. El número de puntos de arranque depende de la potencia del motor y de las características de la máquina accionada, en general en la mayoría de los casos se emplea una derivación tomada al 50% o al 65% según el motor empleado, pero en arranques de motores grandes (más de 100 HP) pueden emplearse hasta tres derivaciones. No se producen cortes de tensión en la alimentación del motor. Tiene como ventaja su sencillez, pero en cambio la desventaja principal es el costo del 23 autotransformador, que crece proporcionalmente con la potencia.

Figura 11 - Autotransformador trifásico. Foto: M. Quirico

La característica más interesante de este sistema de arranque es la reducción de la corriente de arranque, entre 1,7 y 4 la Intensidad nominal, , aunque debe temerse en cuenta también la reducción del par de arranque, entre 0.4 y 0,85 el par nominal, nominal , ya que que éste debe resultar suficiente suficiente para acelerar la máquina accionada, hasta la velocidad nominal. Este tipo de arranque


está indicado para máquinas de potencia elevada o de fuerte inercia donde sea fundamental reducir las puntas de intensidad en el arranque. Autotransformador. Autotransf ormador. Funcionamiento.

Un autotransformador es un transformador en el que se emplea una sola bobina para el primario y el secundario, con una derivación como se ve en la figura 12. Destacamos que el autotransformador utiliza menos cobre que un transformador para la misma potencia y condiciones de trabajo. Su funcionamiento se basa en el principio de la autoinducción, donde una F.E.M (fuerza electro motriz) variable aplicada a una bobina produce una F.E.M. sobre dicha bobina de signo opuesto a la aplicada.

C

El bobinado AB o devanado común es considerado como primario ya que al mismo se conecta la fuente de alimentación, la corriente que circule por dicho bobinado inducirá i nducirá una

D A

tensión sobre el bobinado CD denominado devanado serie;

suponiendo que el primario tiene

un total de 1000 espiras y el bobinado CD 500 espiras, nos encontramos con que las espiras del secundario son realmente 1500 ya que la tensión de salida la estamos tomando entre los puntos B

B

y C donde se obtiene una tensión mayor (por ejemplo, 300 Volts) respecto a la aplicada. En este caso estamos ante un autotransformador

Figura 12 - Esquema de un autotransformador

elevador. Con un criterio similar podemos utilizar el mismo autotransformador como reductor, simplemente aplicando la tensión entre los puntos C y B, y tomando la tensión de salida entre A y B. Vale analizar que se disponen 1000 espiras en el primario, por lo tanto si se tratara de un transformador convencional, para lograr 300 Volts en el secundario sería necesario que éste tuviera 1500 espiras, lo que totaliza entre primario y secundario una cantidad de 2500 espiras.


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Pero en el caso del autotrasnformador, como el primario forma parte del secundario, a igual resultado se llega con 1500 espiras lo l o que resulta en una apreciable economía en el cobre como ya se anticipó. Un autotransformador trifásico no es otra cosa que tres autotransformadores monofásicos conectados como se ve en la figura XIII, aunque normalmente los tres bobinados se disponen en un núcleo de tres columnas como se ve en dicha figura.

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Figura XIII - autotransformador trifásico

El principal inconveniente que presenta un autotransformador es la falta de aislación eléctrica entre el primario y el secundario, por lo tant tanto, o, jamás jamás deberá ser s er us ado

como transformador trans formador de aliment alimentación ación en aplic aplic aci ciones ones donde se s e teng teng an que que alime liment nta ar equipos que teng teng an partes partes el eléctricas éctricas acces ibles al usua us uari rio o tales como equipos electrónicos de consumo (televisores, equipos de audio/video/radio, etc) por el peligro que representa esta falta de aislación de la red.

FUNCIONAMIENTO DE UN ARRANQUE POR AUTOTRANSFORMADOR AUTOTRANSFORMADOR

La idea del arranque por autotransformador es aplicar, mediante dicho elemento, una tensión reducida al al motor para amortiguar amortiguar los efectos del del transitorio de arranque. arranque. Para esto se recurre a un circuito de comando, cuyo esquema básico se puede ver en la figura 14 y es similar al del arranque estrella-triangulo. En la figura 15 se puede ver la parte de potencia de este sistema básico. En dicha figura 14 puede apreciarse apreciarse el temporizador KT1 junto junto a las bobinas de los contactores KM1, KM2 y KM3. KM1 y KM2 se encargan de energizar y seccionar el autotransformador, mientras que KM3 aplica en forma directa al motor la tensión de línea.


En el esquema se ve que cuando se oprime S1, se energiza el timer tim er KT1 iniciándose la temporización, a la vez el mismo energiza a los contactores KM1 y KM2 que aplican tensión al autotransformador y conectan el punto medio del mismo respectivamente al motor, iniciándose la secuencia de arranque. Una vez transcurrido el tiempo programado, los contactos NA y NC de KT1 cambian de estado, se desenergiza KM1 y KM2 desconectándose el autotransformador y se energiza KM3, pasando el motor a funcionar con la tensión nominal de red. r ed. Por precaución se han dispuesto enclavamientos en los contactores KM1 y KM3, y mediante auxiliares NA y NC se activan unos ojos de buey que indican el estado de funcionamiento del circuito.

Figura 15- Esquema de comando de un arranque por autotransformador básico

Un relevo térmico F1 protege el motor motor contra sobrecargas que puedan ocurrir durante su funcionamiento en régimen nominal. El autotransformador utilizado tiene una toma de tensión al 50% de la tensión nominal de línea y se calcula de una potencia por lo menos igual a la de consumo del motor para no sobrecargar a aquel. La conexión de dicho autotransformador se realiza siempre en estrella, de modo que a cada bobina se le

Arranque por autotransformador autotransformador H.Domingorena-M.Quirico H.Domingorena-M.Quirico Escuela Técnica Técnica 6 Quilmes Figura 15 - Esquema de potencia básico

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aplica una tensión de fase (Ef) de 220 Volts y entre cada punto medio y el centro de estrella del trafo, existirá una tensión de 110 Volts. El motor “verá” en cambio durante el arranque una una tensión E f . √3/2 = E l l/2 / 2, con lo cual si la tensión de línea fuera de 380 Volts, la tensión en el momento del arranque sería de alrededor de 190 Volts. Como el torque es función de la intensidad I y ésta depende de la tensión de alimentación, al disminuir la misma, disminuye también la corriente aplicada, 27 disminuyendo por tanto el mismo, con tensiones del 50%, 65% y 80% de la tensión de línea, en estas condiciones las corrientes y el torque de arranque bajarán respectivamente al 25%, 42% y al 64% de los valores correspondientes a tensión plena, de lo cual se deduce que el torque de arranque se reduce con el cuadrado de la tensión, es decir, si la tensión se disminuye dos veces, el par se Figura 16 - Curvas torque/velocidad e intensidad de arranque/velocidad con arranque directo y por autotransformador reduce cuatro. Sin embargo, debido a la acción del autotransformador la corriente de línea que toma el arrancador es menor que la corriente de arranque absorbida por el motor, la que se reduce respectivamente en los l os porcentajes indicados.


En la figura 16 se puede ver el torque y la I de arranque en función del resbalamiento con y sin autotransformador aplicado. Se puede notar que en el momento del arranque (punto 1) con el autotransformador la intensidad de arranque disminuyó disminuyó con respecto respecto a la I a en conexión directa, a medida que el motor gana velocidad I a disminuye, al llegar al punto 2 en que el motor se conecta directamente a la red la I a aumenta (punto 3) pero como el motor ya está funcionando la misma resulta menor que si el arranque se efectuara en forma directa, luego I a disminuye hasta llegar a la I n o de régimen. En fórmulas:

(4)

y:

Donde:

V = tensión inferior a la nominal V N N = = tensión nominal M A = par de arranque a la tensión V M AN = = par de arranque a la tensión nominal I A = corriente de arranque a la tensión V I AN = = corriente de arranque a la tensión nominal


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De la fórmula (4) y haciendo pasaje de términos se deduce que alimentando al motor a tensión reducida el torque de arranque es igual a: (6)

Por un razonamiento similar se concluye que con este tipo de arranque, la intensidad absorbida por el motor es de la mitad de la intensidad de arranque en 29 conexión directa. Debido a estas consideraciones, el arranque por autotransformador es recomendable en caso de motores que deben accionar cargas de alta inercia mecánica (prolongado tiempo de arranque) donde combina un buen torque con reducida corriente de arranque.

NUESTRO CIRCUITO Habiendo ya explicado los fundamentos del arranque por autotransformador, pasamos a describir un circuito práctico. Este circuito ha sido diseñado con el programa Cade_SIMU y se trata de un arranque por autotransformador con inversor de giro, el mismo se ha diseñado con el propósito de construir un tablero de demostración con el fin de darles a los alumnos de la escuela un equipo de aula que permita efectuar demostraciones prácticas en clase sobre el funcionamiento de los arranques por autotransformador y también de la inversión de giro aplicada a los mismos, por lo que a efectos prácticos se trata en verdad de dos sistemas en uno. En la figura 17 se puede apreciar la parte de comando, pudiendo verse que tenemos cinco contactores y un timer. En la figura 18 se ve además el esquema de la sección de potencia del circuito propuesto. KM1 y KM2 son los contactores de línea (energización del equipo) que además ejecutan las funciones de marcha y contramarcha, respectivamente. Estos dos contactores están por seguridad enclavados. KM3 y KM4 funcionan en forma conjunta y son los contactores que energizan y seccionan el autotransformador, y KM5 es el contactor que conecta el motor directamente a la red después del tiempo programado en el timer KA1.


S1 y S2 son los pulsadores de marcha y contramarcha, mientras que S0 es el pulsador de parada. Cuando se oprime S1 o S2, se activa y retiene el contactor correspondiente (KM1 o KM2) a la vez que un contacto NA del mismo activa el timer KA1, que mediante sus contactos NA y NC comandan los contactores KM3, KM4 y KM5, activándose primero los contactores KM3 y KM4 que cierran el autotransformador, en este momento el motor es alimentado por medio de una tensión proveniente del 30 punto medio del mismo arrancando a tensión reducida, que en este caso es de un 50% de la tensión de línea y permaneciendo inactivo KM5.

Figura 17 – Esquema Esquema de comando del circuito propuesto

El sentido de giro del motor es determinado entonces por la activación del contactor correspondiente (KM1 o KM2). Después del tiempo ti empo programado en


KA1, sus contactos NA y NC cambian de estado desenergizándose KM3 y KM4, y se energiza KM5, con lo cual el autotransformador sale de servicio y el motor es alimentado es forma directa con la tensión nominal de la red. KM1 y KM2 poseen enclavamientos para evitar una situación potencial de cortocircuito, mientras que para dar mayor seguridad al transformador, se han dispuesto también enclavamientos entre KM3 y KM5, y un relevo térmico en KM3 para evitar sobrecargas al trafo. En cuanto a las señalizaciones, se han previsto tres ojos de buey H1, H2 y H3 rojos para indicar la presencia o ausencia de todas o alguna de las tres fases, uno H4 amarillo para stop, uno H5 verde para la indicación de marcha y contramarcha y finalmente dos H6 y H7 rojos para indicar falla en el motor y en el autotransformador respectivamente, todos ellos están accionados por los contactos NA y NC de los contactores y relés térmicos respectivos. El circuito de comando es alimentado completamente en 24 Volts por un transformador T1 que reduce a partir de los 220 Volts de la red, mientras que T2 es el autotransformador propiamente dicho. Cada sección Figura 18 – Esquema Esquema parte de potencia pot encia del arrancador con inversor de giro


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(comando y potencia) está protegida contra sobrecargas y cortocircuitos por los interruptores termomagnéticos bipolares y tetrapolares Q3 y Q2 respetivamente, mientras que el termomagnético tetrapolar Q1 es la llave de corte general del sistema (fases+neutro). Existen también un voltímetro vo ltímetro ME1 y un amperímetro ME2 para comprobar las tensiones de línea y corriente de consumo del motor, no mostrados en el esquema por limitaciones en la líbrería de símbolos de Cade_SIMU. El voltímetro es conmutado por medio de una llave selectora de fases para medir la tensión de cada fase.

EL AUTOTRANSFORMADOR Se trata de un autotransformador armado por un alumno de años anteriores de la escuela y que quedó sin terminar (fig.19), por lo tanto se debió proceder a terminar dicho trabajo, consistente básicamente en identificar extremos de bobinas y hacer las conexiones conexi ones y terminaciones correspondientes.

Figura 19 – El El autotransformador utilizado


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El autotransformador está bobinado en forma trifilar con tres alambres de .90 mm de sección, y los trabajos de terminación consistieron en desmontar las columnas del autotransformador, quitar encintado, identificación de extremos de bobinas (medición de continuidad), determinación del sentido de circulación de la corriente (ya que se trata de bobinados trifilares y para que los campos magnéticos de cada bobina no se resten) por medio de una batería de 12 Volts y una brújula, soldado y terminación de las conexiones con espaguetis, y aislación y terminación de las bobinas con cinta de papel y cartón prespan. En las figuras 20 a 23 pueden verse parte de los trabajos efectuados y en la figura 24 el autotransformador terminado, al cual se proveyó de una regleta, bornera o roseta para una fácil interconexión con el circuito externo.

Fi s. 20-2 20-211-2222-23 23 – – Traba Traba os de intervención en el autotransformador autotransformador


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Figura 24 – Autotransformador Autotransformador terminado y listo para el montaje

EL TABLERO Se construyó haciendo uso de dos bancos o pupitres escolares rotos y en desuso a los que a uno de ellos se quitó el aro superior y se soldó al otro que estaba en mejor estado, asegurando a ambos con dos hierros ángulo para mayor firmeza, sobre el cuadro superior se soldaron dos planchas de chapa de acero galvanizado donde se montaron los componentes del tablero, y en la parte de abajo se soldaron también una plancha de chapa galvanizada y dos hierros ángulo con el fin de hacer el estante de soporte del autotransformador, debido al peso del mismo y de que el contrachapado usado como estante es de poco espesor, espesor, se debió hacer un refuerzo central consistente en una plancha “U” de chapa galvanizada. Al conjunto se le hicieron las perforaciones y calados


correspondientes para alojar los elementos y el instrumental, y el conjunto se pintó de azul “eléctrico”. Los Los interruptores termomagnéticos y contactores se ubicaron sobre un riel DIN estándar, y el voltímetro, amperímetro, pulsadores y ojos de buey se alojaron en sendas perforaciones practicadas al efecto. En la figura 25 puede verse en detalle el tablero en construcción y en la figura 26 el tablero en proceso de terminación para recibir al motor.

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Fig.25 – Fig.25 Construcción del tablero – Construcción

Fig. 26 – 26 – Ya Ya casi terminado


CONCLUSIONES En el presente trabajo se mostró los principios de funcionamiento del arranque por autotransformador, mostrándolo como un método útil para el arranque de motores de alta potencia, sobre todo a partir de 10 HP y especialmente en motores de potencias alrededor de los 100 o más HP, se concluye que este sistema permite reducir la corriente de arranque a la mitad del valor de la corriente de arranque en forma directa y una disminución del torque que lo vuelve apto para arranques pesados o “largos” largos”, donde se deben accionar mecanismos de alta inercia, para luego mostrar un sistema práctico que incluye un inversor de giro, útil en muchas aplicaciones. Esperamos que este trabajo sea de utilidad y del agrado de los lectores, y agradecemos a la Escuela de Educación Técnica Nº 6 “Combate de San Lorenzo” Lorenzo” y a sus profesores por el apoyo brindado, sin el cual esto no sería posible.


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FUENTES Y BIBLIOGRAFÍA Instalaciones Eléctricas- Su mantenimiento, Juan Carlos Calloni, Librería y Editorial Alsina, Buenos Aires, 1978 Libro Curso de Electricidad Industrial, Esteban Miguel Guch, C.F.P. nº 401, Berazategui, año 2006 Motores Trifásicos de Inducción II, Centro Integrado de Formación Fo rmación Profesional (MSP) www.cifp-mantenimiento.es/e-learning/index.php?id=15&id_sec=3 Sistemas de Arranque de los Motores Asíncronos Trifásicos de Rotor en Cortocircuito, Profesor Molina, www.profesormolina.com.ar/electromec/sist_arranque.htm Arranque Estatórico por Autotransformador, Instrumentación y Control.net, www.instrumentacionycontrol.net/cursos-libres/automatización/controlmotores-electr/item/638-arranque-estatorico-con-autotransformador.html Arrancadores a tensión reducida, Biblioteca Virtual de Desarrollo Sostenible y Salud Ambiental, www.bvsde.paho.org/bvsacd/scan/017069-07.pdf WEG Equipamientos, www.weg.net


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Arranque Por Autotransformador

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