Métodos de arranque para limitar la corriente de arranque y el par del motor de CC

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Ultima edición el 21 septiembre, 2023

En el campo de la ingeniería eléctrica, el arranque de los motores de corriente continua es un proceso crítico que requiere ciertas consideraciones y precauciones. El arranque abrupto de un motor de CC puede generar un exceso de corriente y par, lo que puede dañar el motor o incluso afectar a otros componentes del sistema eléctrico. Para evitar estos problemas, se han desarrollado diversos métodos de arranque que permiten limitar la corriente y el par del motor. Estos métodos se basan en la utilización de dispositivos electrónicos de control, como resistencias, inductancias, diodos, entre otros. En esta presentación, se abordarán los principales métodos de arranque para limitar la corriente de arranque y el par del motor de CC, sus características, ventajas y aplicaciones. Además, se analizarán las posibles implicaciones de cada método en el rendimiento y la eficiencia del motor, así como en la fiabilidad y seguridad del sistema eléctrico.

Definición de corriente de arranque y par de motor de CC

En motores de corriente continua (CC), la corriente de arranque y el par son dos conceptos fundamentales que deben ser entendidos para su correcta operación.

Corriente de arranque

La corriente de arranque es la corriente eléctrica que fluye a través del motor en el momento de su encendido, es decir, cuando se aplica la tensión de alimentación. Esta corriente es muy elevada en comparación con la corriente nominal del motor y puede generar problemas en la red eléctrica y en el propio motor.

La corriente de arranque depende de varios factores, como la tensión aplicada, la resistencia interna del motor y la carga mecánica acoplada al mismo. Por lo tanto, su valor puede variar significativamente en función de las condiciones de operación.

Par de motor

El par de motor es la magnitud que indica la capacidad del motor de generar un momento de fuerza, es decir, de realizar un trabajo mecánico. Este par se mide en unidades de fuerza por distancia, como Nm (newton metro) o lb-ft (libra-pie).

Al igual que la corriente de arranque, el par de motor también depende de diversos factores, como la tensión aplicada, la resistencia interna del motor y la carga mecánica acoplada al mismo.

Métodos de arranque para limitar la corriente de arranque y el par del motor de CC

Con el fin de evitar problemas en la red eléctrica y en el propio motor, es necesario limitar la corriente de arranque y el par en el momento del encendido. Para ello, existen diferentes métodos de arranque que permiten controlar estas magnitudes.

Arranque directo con resistencia de arranque

Este método consiste en conectar una resistencia en serie con el motor durante el arranque, de modo que se limite la corriente que fluye a través del mismo. Una vez que el motor alcanza la velocidad nominal, se retira la resistencia y el motor funciona con su corriente nominal.

Este método es sencillo y económico, pero presenta varios inconvenientes, como la pérdida de potencia eléctrica en la resistencia, la generación de calor y la necesidad de dimensionar correctamente la resistencia para evitar sobrecargas.

Arranque con autotransformador

En este método, se utiliza un autotransformador para reducir la tensión de alimentación durante el arranque del motor. De este modo, se limita la corriente de arranque y el par del motor.

Una vez que el motor alcanza la velocidad nominal, se desconecta el autotransformador y el motor funciona con la tensión nominal. Este método es más eficiente que el anterior, pero requiere de un autotransformador y de un controlador adecuado.

Arranque con arrancador suave

Este método consiste en utilizar un equipo electrónico que permite controlar la tensión y la corriente del motor durante el arranque. De este modo, se limita la corriente de arranque y el par del motor, y se consigue una aceleración suave y controlada.

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Los arrancadores suaves son más costosos que los métodos anteriores, pero presentan numerosas ventajas, como la reducción del desgaste del motor, la disminución de las vibraciones y el ruido, y la prolongación de la vida útil del equipo.

Aplicaciones de los métodos de arranque para limitar la corriente de arranque y el par del motor de CC

Los métodos de arranque para limitar la corriente de arranque y el par del motor de CC son ampliamente utilizados en una variedad de aplicaciones. Aquí hay algunas de las aplicaciones más comunes:

1. Industria manufacturera

En la industria manufacturera, los motores de CC se utilizan para una amplia variedad de aplicaciones, como máquinas herramienta, transportadores, bombas y ventiladores. Los métodos de arranque se utilizan para evitar picos de corriente y reducir el desgaste en los componentes del motor y del sistema de accionamiento.

2. Vehículos eléctricos

Los motores de CC se utilizan comúnmente en vehículos eléctricos, como carros de golf, vehículos utilitarios y bicicletas eléctricas. Los métodos de arranque se utilizan para limitar la corriente de arranque y el par del motor, lo que ayuda a prolongar la vida útil de la batería y aumentar la eficiencia del vehículo.

3. Sistemas de elevación

Los motores de CC se utilizan en sistemas de elevación, como grúas, montacargas y ascensores. Los métodos de arranque se utilizan para evitar el desgaste excesivo del motor y el sistema de accionamiento, así como para mejorar la seguridad del sistema.

4. Sistemas de control de clima

Los motores de CC se utilizan en sistemas de control de clima, como ventiladores y bombas de circulación. Los métodos de arranque se utilizan para limitar la corriente de arranque y el par del motor, lo que ayuda a prolongar la vida útil del motor y reducir el consumo de energía.

5. Sistemas de automatización

Los motores de CC se utilizan en sistemas de automatización, como robots y máquinas CNC. Los métodos de arranque se utilizan para garantizar un arranque suave y controlado del motor, lo que ayuda a garantizar una operación precisa y confiable del sistema.

Su uso ayuda a prolongar la vida útil del motor y del sistema de accionamiento, mejorar la eficiencia energética y garantizar una operación precisa y confiable del sistema.

Ventajas y desventajas de los métodos de arranque

Introducción

El arranque de un motor de corriente continua (CC) puede ser un proceso crítico para la operación del mismo. Si se aplica una corriente de arranque elevada, el motor puede sufrir daños en su estructura y en sus componentes. Por ello, se han desarrollado diferentes métodos de arranque que permiten limitar la corriente y el par durante el arranque del motor. En este artículo, se analizarán las ventajas y desventajas de cada uno de estos métodos.

Métodos de arranque

Arranque directo

Este método consiste en aplicar la tensión nominal del motor directamente a sus bornes para iniciar la rotación del mismo. Es el método más simple y económico, pero presenta algunas desventajas.

Ventajas:

  • Es el método más simple y económico.
  • No requiere de ningún dispositivo de control adicional.

Desventajas:

  • Genera una corriente de arranque elevada que puede dañar el motor.
  • Produce un par de arranque elevado, lo cual puede ser inadecuado para ciertas aplicaciones.
  • Puede provocar un golpe de ariete en la red eléctrica, lo que puede afectar a otros equipos conectados a la misma.

Arranque con resistencias en serie

En este método, se añade una resistencia en serie con el motor durante el arranque. La resistencia se va reduciendo progresivamente hasta que se alcanza la tensión nominal del motor.

Ventajas:

  • Permite limitar la corriente de arranque del motor.
  • Reduce el par de arranque, lo cual puede ser beneficioso en ciertas aplicaciones.

Desventajas:

  • Genera disipación de energía en la resistencia, lo que puede ser ineficiente desde el punto de vista energético.
  • Dificulta el control de la velocidad del motor.
  • No es adecuado para motores con cargas variables.

Arranque con autotransformador

En este método, se utiliza un autotransformador para reducir la tensión aplicada al motor durante el arranque. El autotransformador se va desconectando progresivamente hasta que se alcanza la tensión nominal del motor.

Ventajas:

  • Permite limitar la corriente de arranque del motor.
  • Reduce el par de arranque, lo cual puede ser beneficioso en ciertas aplicaciones.
  • Es más eficiente energéticamente que el arranque con resistencias en serie.

Desventajas:

  • Requiere de un autotransformador adicional, lo que puede encarecer el sistema.
  • Dificulta el control de la velocidad del motor.
  • No es adecuado para motores con cargas variables.

Arranque con arrancador suave

En este método, se utiliza un arrancador suave para controlar la tensión y la corriente aplicada al motor durante el arranque. El arrancador suave se encarga de reducir progresivamente la tensión y la corriente hasta que se alcanza la velocidad nominal del motor.

Ventajas:

  • Permite limitar la corriente de arranque del motor de forma suave y controlada.
  • Reduce el par de arranque, lo cual puede ser beneficioso en ciertas aplicaciones.
  • Es más eficiente energéticamente que los métodos anteriores.
  • Facilita el control de la velocidad del motor.
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Desventajas:

  • Es el método más costoso de todos.

Conclusiones

Como se ha visto, cada método de arranque presenta ventajas e inconvenientes que deben ser tenidos en cuenta a la hora de elegir el más adecuado para cada aplicación. En general, los métodos que permiten limitar la corriente y el par de forma suave y controlada son los más adecuados para proteger el motor y garantizar su correcto funcionamiento. Sin embargo, también es importante considerar aspectos como el coste y la eficiencia energética del sistema en su conjunto.

Estudio de los tipos de métodos de arranque

En el mundo de la ingeniería eléctrica, el arranque de motores de corriente continua (CC) es una tarea importante, ya que se busca limitar la corriente de arranque y el par del motor. Para lograr esto, se utilizan diferentes tipos de métodos de arranque que se estudian a continuación:

1. Arranque directo

Este es el método más simple de todos. Consiste en aplicar la tensión de alimentación directamente al motor, lo que hace que este arranque con el máximo par disponible. Sin embargo, este método no limita la corriente y puede dañar el motor, las líneas de alimentación y los dispositivos de protección. Por lo tanto, se utiliza solo en motores pequeños que tienen poca inercia.

2. Arranque con resistencias en serie

Este método consiste en conectar una resistencia en serie con el motor durante el arranque. La resistencia limita la corriente de arranque y disminuye el par disponible. A medida que el motor gana velocidad, se van desconectando las resistencias en serie para aumentar el par y la velocidad. Este método también es utilizado en motores pequeños.

3. Arranque con autotransformador

Este método consiste en utilizar un autotransformador para reducir la tensión de alimentación durante el arranque. La reducción de tensión limita la corriente de arranque y disminuye el par disponible. Una vez que el motor gana velocidad, se va aumentando la tensión para aumentar también el par y la velocidad. Este método se utiliza en motores medianos y grandes.

4. Arranque con variador de frecuencia

Este método consiste en alimentar el motor con una tensión de frecuencia variable. El variador de frecuencia controla la velocidad y el par del motor durante el arranque. Este método es muy eficiente y se utiliza en motores grandes y muy grandes.

Diseño de una estrategia de arranque para limitar la corriente de arranque y el par del motor de CC

El arranque de los motores de corriente continua (CC) puede generar altas corrientes de arranque y altos pares, lo que puede ser perjudicial para el motor y para los dispositivos eléctricos conectados al mismo. Para evitar estos problemas, es necesario diseñar una estrategia de arranque que limite tanto la corriente de arranque como el par del motor.

1. Utilización de resistencias de arranque

Una de las formas más comunes de limitar la corriente de arranque de un motor de CC es mediante la utilización de resistencias de arranque. Estas resistencias se conectan en serie con el motor durante el proceso de arranque y se van desconectando gradualmente a medida que el motor adquiere velocidad. De esta forma, se limita la corriente de arranque y se reduce el par motor.

Ejemplo: Si se tiene un motor de 12V y una resistencia de arranque de 2 ohmios, la corriente de arranque se limitaría a 6A (12V/2 ohmios). Si la resistencia se va desconectando gradualmente, la corriente se irá reduciendo y el motor adquirirá velocidad.

2. Utilización de arrancadores suaves

Los arrancadores suaves son dispositivos electrónicos diseñados para limitar la corriente de arranque de los motores de CC. Estos dispositivos utilizan técnicas de control de fase y voltaje para reducir la corriente de arranque y el par motor. Además, permiten un arranque suave y progresivo del motor, lo que reduce el estrés en los componentes mecánicos del mismo.

Ejemplo: Un arrancador suave podría limitar la corriente de arranque de un motor de CC de 24V a 10A durante los primeros segundos de arranque, para luego ir aumentando gradualmente la corriente a medida que el motor adquiere velocidad.

3. Utilización de controladores de velocidad

Los controladores de velocidad son dispositivos electrónicos que permiten modificar la velocidad de un motor de CC mediante la variación de la tensión o de la corriente suministrada al mismo. Estos dispositivos también pueden utilizarse para limitar la corriente de arranque y el par motor del motor.

Ejemplo: Si se tiene un motor de CC de 24V y se desea limitar la corriente de arranque a 5A, se podría utilizar un controlador de velocidad que permita ajustar la corriente máxima suministrada al motor a 5A durante el proceso de arranque.

Conclusión

La elección de la estrategia de arranque más adecuada dependerá de las características del motor y de las aplicaciones para las que se va a utilizar. En cualquier caso, es importante limitar la corriente de arranque y el par motor del motor de CC para evitar daños en el mismo y en los dispositivos eléctricos conectados al mismo.

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Análisis de los resultados obtenidos con los métodos de arranque

Los motores de corriente continua (CC) son ampliamente utilizados en la industria por su alta eficiencia y control de velocidad. Sin embargo, durante el arranque, pueden generar una corriente de arranque y par elevados que pueden dañar el motor y los equipos conectados. Para limitar estos valores, se utilizan diferentes métodos de arranque.

Métodos de arranque

  • Arranque suave: consiste en aplicar una tensión reducida al motor durante el arranque para disminuir la corriente de arranque y el par. Puede ser implementado mediante el uso de resistencias en serie o mediante el control de la tensión con un circuito de control.
  • Arranque con autotransformador: se utiliza un autotransformador para reducir la tensión aplicada al motor durante el arranque. Este método es más eficiente que el arranque suave mediante resistencias, pero requiere un dispositivo adicional.
  • Arranque con inversor: el inversor controla la tensión y la frecuencia aplicada al motor durante el arranque, lo que permite un arranque suave y un control preciso de la velocidad.

Análisis de los resultados

Para evaluar la eficacia de cada método, se pueden medir la corriente de arranque y el par en cada caso y compararlos.

En general, el arranque suave y el arranque con autotransformador reducen la corriente de arranque y el par, pero también disminuyen la eficiencia del motor. El arranque con inversor es el método más eficiente y permite un control preciso de la velocidad, pero también es el más costoso.

Es importante tener en cuenta que la elección del método de arranque dependerá de las necesidades específicas de cada aplicación, considerando factores como la carga del motor, la frecuencia de arranque y el costo.

Ejemplo

Supongamos que se quiere arrancar un motor de CC de 10 kW con una corriente nominal de 20 A. Si se utiliza un arranque suave mediante resistencias en serie, se podría reducir la corriente de arranque a 10 A. Sin embargo, la eficiencia del motor se reduciría en un 10%. Si se utiliza un arranque con inversor, se podría controlar la corriente de arranque a 12 A y la eficiencia del motor no se vería afectada.

En conclusión, la selección del método de arranque adecuado para limitar la corriente de arranque y el par del motor de CC es crucial para garantizar una operación segura y eficiente del motor. Cada método tiene sus propias ventajas y desventajas, y la elección de uno sobre otro dependerá de las especificaciones y requisitos del sistema en el que se utilizará. Es importante tener en cuenta que la elección incorrecta del método de arranque puede tener consecuencias graves, como dañar el motor o incluso causar lesiones a los operadores. Por lo tanto, es esencial que los ingenieros y técnicos conozcan bien las opciones disponibles y evalúen cuidadosamente las necesidades del sistema antes de tomar una decisión.

En conclusión, la selección del método de arranque adecuado para limitar la corriente de arranque y el par del motor de CC es crucial para garantizar una operación segura y eficiente del motor. Cada método tiene sus propias ventajas y desventajas, y la elección de uno sobre otro dependerá de las especificaciones y requisitos del sistema en el que se utilizará. Es importante tener en cuenta que la elección incorrecta del método de arranque puede tener consecuencias graves, como dañar el motor o incluso causar lesiones a los operadores. Por lo tanto, es esencial que los ingenieros y técnicos conozcan bien las opciones disponibles y evalúen cuidadosamente las necesidades del sistema antes de tomar una decisión.

En conclusión, los métodos de arranque para limitar la corriente de arranque y el par del motor de CC son esenciales para proteger el motor y asegurar un arranque suave y seguro. La elección del método dependerá de las características del motor y de la aplicación específica. Algunos de los métodos más comunes incluyen el arranque suave, el control de ángulo de fase y el control de corriente de armadura. Es importante seleccionar el método adecuado para evitar daños al motor y prolongar su vida útil. Además, estos métodos también pueden mejorar la eficiencia energética y reducir los costos de energía.

JORGE CABRERA BERRÍOS Administrator
Ingeniero Electrónico por la UNI, con maestría y doctorado por la University of Electro-Communications (Japón).

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