Guía de selección de ccm para diferentes condiciones de arranque de motores de uso industrial

N° tesis:
PROYECTO FIN DE CARRERA
Presentado a
LA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
Para obtener el título de
INGENIERO ELÉCTRICO
Por
Cristian Julián Castellanos León
Guía de selección de CCM para diferentes condiciones de arranque de
motores de uso industrial
Sustentado el 3 de diciembre del 2014 frente al jurado:
Composición del jurado
- Asesor: Gustavo Andrés Ramos López, Profesor Asociado, Universidad de los Andes
- Jurados : David Felipe Celeita Rodríguez, Estudiante Doctoral, Universidad de los Andes

Guía de selección de CCM para diferentes condiciones de
arranque de motores de uso industrial
2
RESUMEN DEL PROYECTO
Una de las causas de las caídas de tensión en las redes de energía eléctrica, se presenta debido
a los arranques de motores eléctricos, ya que estos producen grandes corrientes en su arranque.
Por esta razón se busca definir una metodología de diseño de una guía de selección de CCM
para diferentes condiciones de arranque de motores eléctricos, y de esta manera, definir ciertos
rangos en donde los diferentes tipos de arranques funcionen de manera adecuada, analizando
principalmente el arrancador suave.
Para el desarrollo del proyecto se siguió la siguiente metodología
- Consulta de los principales parámetros a la hora de seleccionar un motor para su
respectivo estudio de su arranque.
- Consulta de normas, estándares y recomendaciones que soporten la selección de los
arranques.
- Diseño de la metodología de selección de arranques.
- Resultados teóricos según la metodología planteada.
- Validación de resultados con el diseño del caso de estudio – ETAP.
- Resultados de la simulación y discusión final.
Se diseña el caso de estudio teniendo en cuenta valores estándar de los elementos eléctricos
tomados de la “IEEE 141”. Con esto se busca validar los resultados teóricos y definir el límite
del correcto funcionamiento de los arranques.
Finalmente se logró clasificar los motores para cada tipo de arranque por medio de tablas que
especifican el nivel de tensión, la potencia en caballos de fuerza y el código letra del motor.
Gracias a esta clasificación, se tendrá una guía mucho más acertada de qué arranque elegir
cuando se tiene un determinado tipo de motor sin tener grandes gastos energéticos y
económicos.

3
AGRADECIMIENTOS
Quiero agradecer primero que todo a Dios, ya que él ha sido el que me ha dado salud, fuerza
y motivación necesaria para la culminación de mi carrera. Igualmente, quiero agradecer a mi
familia tanto por el apoyo incondicional en el desarrollo de mi carrera, como en mi formación
como persona.
También quiero agradecer y dar un reconocimiento al profesor Gustavo Andrés Ramos por la
asesoría para lograr de manera satisfactoria la culminación del proyecto de grado. De igual
manera, un reconocimiento para el ingeniero Miguel Hernández y David Celeita quienes me
brindaron ayuda y consejos para la etapa final del proyecto.
Agradecerles a mis amigos y compañeros de carrera: Jorge Malo, Manuel Trujillo, Nicolás
González, Camilo Sarmiento, Daniel Jaramillo, Jaime Garzón, Daniel Sepúlveda, Daniel
Castellanos, Gustavo Granados, Daniel Caldas y muchos más; con los que compartí grandes
momentos en el transcurso de la carrera.
Finalmente agradecer a la Universidad de los Andes, por brindarme la oportunidad de tener
una excelente formación académica.

4
Índice General
1 INTRODUCCIÓN ..........................................................................................................................7
2 OBJETIVOS......................................................................................................................................7
2.1 Objetivo General.......................................................................................................................7
2.2 Objetivos Específicos.................................................................................................................7
2.3 Alcance y productos finales.......................................................................................................7
3 DESCRIPCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA Y JUSTIFICACIÓN DEL TRABAJO....................7
4 MARCO TEÓRICO, CONCEPTUAL E HISTÓRICO ...............................................................8
4.1 Clasificación de motores NEMA..............................................................................................8
4.1.1 Clases de Motores .............................................................................................................8
4.1.2 Código Letra......................................................................................................................9
4.2 Tipos de arranques de motores...............................................................................................10
4.2.1 Arrancador Directo.........................................................................................................10
4.2.2 Arrancador Estrella-Delta ...............................................................................................11
4.2.3 Arranque con Reactancias o Resistencias Estatóricas....................................................11
4.2.4 Arranque con Autotransformador .................................................................................11
4.2.5 Arrancadores Suaves .......................................................................................................12
4.2.6 Arranque por variadores de frecuencia o de velocidad..................................................12
4.3 Comparación de arranques....................................................................................................13
4.4 Normas, estándares y recomendaciones .................................................................................14
5 METODOLOGÍA DEL PROYECTO ..........................................................................................16
5.1 Preguntas Iniciales de selección ..............................................................................................16
6 TRABAJO REALIZADO ...............................................................................................................18
6.1 Consideraciones de diseño .....................................................................................................18
6.1.1 Límite de corriente recomendado ..................................................................................18
6.1.2 Límite de par recomendado............................................................................................18
6.2 Metodología de selección........................................................................................................19
6.2.1 Selección de arranque a tensión plena...........................................................................19
6.2.2 Selección de arranques a tensión reducida ....................................................................20
6.2.3 Selección de arranques electrónicos...............................................................................21
6.3 Descripción de Resultados......................................................................................................24
6.3.1 Resultados Teóricos ........................................................................................................24
6.4 Resultados computacionales ...................................................................................................26
6.4.1 Caso de estudio...............................................................................................................26
6.4.2 Arranque Directo............................................................................................................28
6.4.3 Arranque Estrella-Delta...................................................................................................29
6.4.4 Arranque Resistencia ......................................................................................................29
6.4.5 Arranque Autotransformador ........................................................................................30
6.4.6 Arrancador Suave............................................................................................................31
6.4.7 Variador de velocidad .....................................................................................................33
7 Discusión de resultados ..................................................................................................................34
8 CONCLUSIONES.........................................................................................................................36
9 Bibliografía ......................................................................................................................................36
10 APENDICES...................................................................................................................................37
10.1 Resultados ETAP - Metodología.........................................................................................37
10.2 Resultados ETAP – Limites ................................................................................................41
10.3 Tutorial ETAP – Arranque dinámico de motores.............................................................44

5
Índice de figuras
Ilustración 1 - Curvas características típicas para diferentes diseños de motores ....................................8
Ilustración 2 - Clasificación de los métodos de arranque más usados ...................................................10
Ilustración 3 – Arranque directo ............................................................................................................10
Ilustración 4 - Arrancador Y/D ..............................................................................................................11
Ilustración 5 - Arranque con reactancias o resistencias estatoricas .......................................................11
Ilustración 6 - Arranque con autotransformador ...................................................................................12
Ilustración 7 – Arrancador Suave ...........................................................................................................12
Ilustración 8 - Comportamiento del Par-Velocidad al variar la frecuencia y voltaje .............................13
Ilustración 9 - Curva ITIC .......................................................................................................................15
Ilustración 10 - Metodología del proyecto...............................................................................................16
Ilustración 11 - Diagrama de flujo general de selección de arranques ...................................................17
Ilustración 12 - Metodología Arranque Directo......................................................................................19
Ilustración 13 - Metodología de selección de arranques.........................................................................20
Ilustración 14 - Diagrama de flujo - Selección arrancador suave............................................................21
Ilustración 15 - Metodología de selección de un variador de velocidad ................................................23
Ilustración 16 - Caso de estudio – ETAP ................................................................................................26
Ilustración 17 - Sistema Industrial de baja tensión ................................................................................27
Ilustración 18 - Curva Par-Velocidad de la carga del motor ...................................................................27
Ilustración 19 - Arranque Directo - Limite de corriente.........................................................................28
Ilustración 20 - Arranque Directo - Límite de caída de tensión 15 % ...................................................28
Ilustración 21 - Arranque Estrella-Delta - Límite de caída de tensión 15%...........................................29
Ilustración 22 - Arranque por resistencias - Límite de caída de tensión 15%........................................30
Ilustración 23 - Arranque por autotransformador - Límite de caída de tensión 15%...........................30
Ilustración 24 - Limite de corriente en arrancadores suaves...................................................................31
Ilustración 25 – Arrancador Suave - Límite de caída de tensión 15%...................................................31
Ilustración 26 – Arrancador Suave - Corriente con límite de ciada de tensión 15%............................32
Ilustración 27 - Arrancador Suave - Límite de caída de tensión 15%....................................................32
Ilustración 28 - Arrancador Suave - Corriente con límite de ciada de tensión 15%.............................33
Ilustración 29 – Arranque por variador de velocidad - Límite de caída de tensión 15%......................33
Ilustración 30 - Variador de velocidad - Corriente con límite de caída de tensión 15% ......................34
Ilustración 31 – Comparación Arrancador Suave con Curva ITIC.......................................................35

6
Índice de tablas
Tabla 1 - Características de motores - Clasificación NEMA ....................................................................9
Tabla 2 - Letra Código – NEMA ...............................................................................................................9
Tabla 3 - Características de los métodos de arranque.............................................................................13
Tabla 4 - Ventajas y desventajas de cada tipo de arranque .....................................................................14
Tabla 5 - Límites de valor de la corriente en arranque directo...............................................................14
Tabla 6 - Potencias nominales máximas admisibles para motores de arranque directo........................14
Tabla 7 - Tiempos de disparo de protección de sobrecarga....................................................................15
Tabla 8 – Limites de corriente aconsejables............................................................................................18
Tabla 9 –Tabla inicial de selección de Arranque Directo ......................................................................24
Tabla 10 - Tabla inicial de selección de Arranque Estrella-Delta...........................................................24
Tabla 11 - Tabla inicial de selección de Arranque por Reactancias o Resistencias ...............................25
Tabla 12 - Tabla inicial de selección de Arranque por Auto-Transformador ........................................25
Tabla 13 - Tabla inicial de selección por Arrancador Suave...................................................................25
Tabla 14 - Tabla inicial de selección por Variador de Velocidad...........................................................26
Tabla 15 – Limites de selección de Arranque Directo – 15% de caída de voltaje ................................29
Tabla 16 – Limites de selección de Arranque Estrella Delta – 15% de caída de voltaje.......................29
Tabla 19 – Limites de selección del Arrancador Suave – 15% de caída de voltaje ...............................33
Tabla 20 – Limites de selección de arranque por variador de velocidad – 15% de caída de voltaje ....34
Tabla 21 - Recomendación de selección de tipos de arranques .............................................................34
Tabla 22 - Limite de selección de tipos de arranques .............................................................................35

7
1 INTRODUCCIÓN
Actualmente, debido a las pérdidas de energía que se producen en los sistemas eléctricos, la
red de energía es propensa a caídas de tensión, que pueden afectar dispositivos que estén
conectados a este sistema. Una de las principales causas es el arranque de motores, ya que al
producir grandes corrientes de arranque, producen grandes caídas de tensión. Una de las
soluciones a esta problemática es mejorar la calidad de los sistemas ya existentes, seleccionando
eficazmente dispositivos, que permitan un óptimo arranque de los motores, garantizando así
valores bajos de corriente y caídas de tensión.
2 OBJETIVOS
2.1 Objetivo General
Definir una metodología de diseño para una guía de selección de CCM para diferentes
condiciones de arranque de motores de uso industrial.
2.2 Objetivos Específicos
- Definir los principales parámetros que se deben tener en cuenta en la selección de un
motor, para su respectivo análisis en su arranque.
- Definir una metodología de selección de arranques a tensión plena, tensión reducida,
y arranques electrónicos.
- Analizar y definir un rango de selección de arranques mediante simulaciones
computacionales, teniendo en cuenta la metodología planteada.
- Diseñar un tutorial de ETAP que describa el proceso de simulación de los diferentes
tipos de arranque de motores.
2.3 Alcance y productos finales
Planteamiento de una metodología que logre seleccionar el mejor tipo de arranque de un
motor, teniendo en cuenta las características del motor y los efectos que producen en la red.
Finalmente se planteara una tabla de selección de arranques según la potencia del motor.
3 DESCRIPCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA Y JUSTIFICACIÓN DEL TRABAJO
Ya que las zonas industriales son una de las mayores consumidoras de energía eléctrica, se tiene
que el 65% de esta energía es consumida por motores. Durante su arranque desarrollan altas
magnitudes de corriente y elevadas magnitudes de torque. Bajo esta perspectiva, existen
actualmente numerosos métodos de arranque que resuelven el problema y entre los más usados
están los arranques electrónicos. El variador de velocidad ha sido una gran solución para el
arranque de cualquier potencia disponible en un motor, pero en el caso del arrancador suave,
se tiene un mal comportamiento a la hora de conectarlo a motores de gran potencia. Por esta
razón, es necesario definir un límite de potencias para este tipo de dispositivos de arranque.

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4 MARCO TEÓRICO, CONCEPTUAL E HISTÓRICO
4.1 Clasificación de motores NEMA
La clasificación NEMA nos indica el comportamiento mecánico y eléctrico del motor. El
desarrollo de este trabajo, se centra en la “Clase” y “Código Letra”, que nos da información
suficiente sobre la curva par-velocidad y corriente de arranque respectivamente.
4.1.1 Clases de Motores
- Clase A: El par de arranque es normal, tiene un deslizamiento bajo y baja resistencia
del rotor que produce una gran aceleración. Debido a su baja resistencia en el estator,
produce grandes corrientes en el arranque.
- Clase B: Actualmente son los motores más usados en la industria. Tienen un par de
arranque normal, una baja corriente de arranque y un bajo deslizamiento. La corriente
de arranque se reduce aproximadamente un 25% con respecto al Clase A.
- Clase C: Tiene un alto par de arranque, una menor corriente de arranque y un bajo
deslizamiento. Son usados básicamente para cargas que requieren un par de arranque
bastante alto.
- Clase D: Tienen un muy alto par de arranque, baja corriente de arranque y un alto
deslizamiento a plena carga. El motor está diseñado para servicio pesado de arranque.
A continuación, se muestra una ilustración del comportamiento típico del motor según su
clase, representado en la curva par-velocidad y una tabla comparativa mostrando sus principales
características.
Ilustración 1 - Curvas características típicas para diferentes diseños de motores [1]

9
Tabla 1 - Características de motores - Clasificación NEMA [1] y [2]
Clase NEMA
Corriente de
arranque
Par de arranque Par Máximo
Deslizamiento a
plena carga
A 5-8 In 1.5-1.75 Tn 2-3 Tn s<5%
B 5-6 In 1.4-1.6 Tn 2-2.5 Tn s<5%
C 3.5-5 In 2-2.5 Tn 2-2.5 Tn s<5%
D 3-4 In 2.5-3 Tn 2.5-3 Tn 7%<s<11%
4.1.2 Código Letra
Para estimar la corriente de arranque del motor se usa la “Código Letra”. Normalmente se
encuentra en la placa de datos del motor. A continuación se presenta la tabla de letras código
NEMA, que indican los kVA de arranque por caballos de fuerza nominal del motor.
Tabla 2 - Letra Código – NEMA [3]
Letra Código
Nominal
Rotor Bloqueado
kVA/hp
Letra Código
Nominal
Rotor Bloqueado
kVA/hp
A 0-3.15 L 9.00-10.00
B 3.15-3.55 M 10.00-11.00
C 3.55-4.00 N 11.20-12.20
D 4.00-4.50 P 12.50-14.00
E 4.50-5.00 R 14.00-16.00
F 5.00-5.60 S 16.00-18.00
G 5.60-6.30 T 18.00-20.00
H 6.30-7.10 U 20.00-22.40
J 7.7-8.00 V 22.40 y superiores
K 8.00-9.00
Para determinar la corriente de arranque de un motor de inducción se requiere de la potencia
nominal en HP, el voltaje nominal y su respectivo “Código Letra” del motor, usando la
siguiente ecuación.
𝐼𝑙 =
(𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑒𝑛 𝐻𝑃) ∗ (𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑙𝑒𝑡𝑟𝑎 𝑐𝑜𝑑𝑖𝑔𝑜) ∗ 1000
√3 𝑉𝑡
Por medio de los diferentes tipos de arranques que se describirán a continuación, se puede
lograr modificar la corriente de arranque y el torque desarrollado por el motor, y cumplir de
esta manera las condiciones ideales para su funcionamiento.

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4.2 Tipos de arranques de motores
Existen numerosos tipos de arranque de motores que mejoran la calidad de la energía según la
aplicación. A continuación se muestra la clasificación de los arranques más usados
actualmente.
Ilustración 2 - Clasificación de los métodos de arranque más usados
4.2.1 Arrancador Directo
Este método se considera la manera más sencilla de arrancar un motor, ya que la conexión se
realiza directamente a la red. Sin embargo, este método tiene sus desventajas, como la elevada
corriente inicial que ocasiona problemas en la red. A continuación se muestra la curva par-
velocidad y la curva del comportamiento de la corriente.
Ilustración 3 – Arranque directo [4]
Metodos de
Arranque de
Motores
Arranques a tensión plena Arranque Directo
Arranques a Tensión Reducida
Arranque Estrella - Delta
Arranque por Resistencias Estatoricas
Arranque por Autotranformador
Arranques Electrónicos
Arrancador Suave
Variador de Velocidad

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4.2.2 Arrancador Estrella-Delta
Este modo asegura una disminución en la corriente de arranque debido a limitaciones en la
alimentación. Sin embargo, este arranque únicamente resulta óptimo para arranques en vacío
o con cargas de par bajo en donde el par resistente de la carga no exceda el 50% del par
nominal. A continuación se muestra la curva par-velocidad y la curva del comportamiento de
la corriente.
Ilustración 4 - Arrancador Y/D [4]
4.2.3 Arranque con Reactancias o Resistencias Estatóricas
En este tipo de arranque reduce la tensión gracias a los reactores o resistencias colocadas en
serie con el estator. Así la tensión que alimenta al motor en la fase inicial, disminuye "k veces”
respecto a la tensión de red. Este tipo de arranque es apropiado para motores cuyo par
resistente aumenta con la velocidad. A continuación se muestra la curva par-velocidad y la
curva del comportamiento de la corriente.
Ilustración 5 - Arranque con reactancias o resistencias estatoricas [4]
4.2.4 Arranque con Autotransformador
Este tipo de arranque reduce la tensión de alimentación por medio de un autotransformador.
Durante el arranque, el autotransformador, reduce la tensión de red y el par inicial del motor
"k veces". En la etapa final del arranque, se retira y el motor queda conectado directamente a
la red. A continuación se muestra la curva par-velocidad y la curva del comportamiento de la
corriente.

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Ilustración 6 - Arranque con autotransformador [4]
4.2.5 Arrancadores Suaves
Estos dispositivos logran una rampa suave de inicio, reduciendo al mínimo los esfuerzos
mecánicos y eléctricos. Luego de que el motor logra llegar a su velocidad nominal, este
dispositivo se retira del circuito reduciendo gastos de energía innecesarios. A continuación se
muestra la curva par-velocidad y la curva del comportamiento de la corriente.
Ilustración 7 – Arrancador Suave [4]
Estos dispositivos son a menudo la opción más económica para reducir la corriente de
arranque, pero en algunos casos, este dispositivo no funciona correctamente ya que al conectar
motores de altas potencias, exige elegir un dispositivo más eficiente como un variador de
velocidad. Por esta razón, se definirá posteriormente, en qué rangos de potencia de motores
funciona eficazmente el arrancador suave.
4.2.6 Arranque por variadores de frecuencia o de velocidad
Estos dispositivos se encargan de rectificar una señal de voltaje y luego invertirla con una
amplitud y frecuencia variable. De este modo, el motor al que esté conectado recibirá una señal
con una tensión y frecuencia variable que modificara su velocidad y su curva par- velocidad
respectivamente, como se muestra a continuación.

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Ilustración 8 - Comportamiento del Par-Velocidad al variar la frecuencia y voltaje [1]
Existen aplicaciones en donde ya se tiene bastante información de la implementación de estos
dispositivos, pero debido a los altos costos, es más económico seleccionar un arrancador suave.
Por esta razón, se definirá en qué rangos de potencia de motores funciona eficazmente el
arrancador suave y el variador de velocidad.
4.3 Comparación de arranques
A continuación se presentan las características principales de cada uno de los arranques
descritos anteriormente.
Tabla 3 - Características de los métodos de arranque
Tipo de arranques
Corriente
de
arranque
Par
inicial de
arranque
Tiempos de
arranque
Tipo de carga
recomendado
Caída de
Tensión
Harmónicos
de tensión y
corriente
Directo 4 a 8 In
0.6 a 1.5
Tn
2 a 3
segundos
Todas Alta Alto
Estrella - Delta
1.3 a 2.6
In
0.2 a 0.5
Tn
3 a 7
segundos
Sin carga
Alta en el
cambio
Moderado
Autotransformador 1.7 a 4 In
0.4 a 0.85
Tn
7 a 12
segundos
Bombas y
ventiladores
Baja Moderado
Resistencias
Estatoricas
4.5 In
0.6 a 0.85
Tn
7 a 12
segundos
Bombas y
ventiladores
Baja Moderado
Arrancador Suave 4 a 5 In 0.5 Tn
0.4 a 10
segundos
Bombas y
ventiladores
Baja Alto
Variador de
velocidad
1 In 1.5 a 2 Tn
1 a 60
segundos
Todas Baja Alto
Teniendo en cuenta los valores nominales mostrados en la tabla anterior, a continuación se
muestran las ventajas y desventajas principales de cada uno de los arranques.

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Tabla 4 - Ventajas y desventajas de cada tipo de arranque
Tipo de Arranque Ventajas Desventajas
Directo Arranque simple y poco costoso Corriente de arranque elevada
Estrella – Delta
Corriente de arranque reducida a
1/3 de la corriente de arranque
directo
Generación de transitorios al
momento de la transición.
Resistencias Estatoricas Posibilidad de modificar valores en
el arranque
Lapsos de arranque mayores a 5
segundos requieren resistencias más
costosas.
Las resistencias generan calor
Autotransformador
Las derivaciones del elemento
permiten ajustar las tensiones de
arranque
Costoso para motores de potencia
media inferior a los 100HP.
Arrancador Suave
Con un potenciómetro se regula y
optimiza la corriente y torque de
arranque
Se posibilita el paro del motor en
forma pausada
Calentamiento que sufren los
elementos
Para largos periodos de aceleración,
se requerirá un sistema adicional de
protección contra sobrecargas
Variador de velocidad
Par regulable durante la puesta en
marcha
Variación de velocidad
Arranca cargas de gran inercia
Calentamiento que sufren los
elementos
4.4 Normas, estándares y recomendaciones
- GUÍA DE DISEÑO DE INSTALACIONES ELÉCTRICAS 2010 – SCHNEIDER ELECTRIC
Guía de diseño de baja tensión. En el arranque de motores aconseja no tener caídas de voltaje
mayores a un 10% del voltaje nominal. Por esta razón, aconseja un límite de corriente para
evitar la respectiva caída de voltaje.
Tabla 5 - Límites de valor de la corriente en arranque directo
Tipo de Motor Ubicación
Corriente de Arranque máxima (A)
Red de líneas aéreas Red de líneas soterradas
Trifásico 400V
Viviendas 60 60
Otros 125 250
Tabla 6 - Potencias nominales máximas admisibles para motores de arranque directo
Tipo de Motor Ubicación
Corriente de Arranque máxima (A)
Arranque en carga
máxima (kW)
Otros métodos de
arranque (kW)
Trifásico 400V
Viviendas 5.5 11
Otros (Red líneas aéreas) 11 22
Otros (Red líneas soterradas) 22 45

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- Curva ITIC
Las curvas se basan en la representación de la duración de un incidente y su voltaje como
porcentaje de la tensión nominal de alimentación. Gracias a esto se define el margen dentro
del cual el equipo podrá seguir funcionando sin interrupciones ni pérdidas de datos.
Ilustración 9 - Curva ITIC
- IEC 947-4-1-1 Clase de disparo
Esta norma específica la clase de disparo en función del tiempo (ta) para 7.2*In desde la
condición de arranque.
Tabla 7 - Tiempos de disparo de protección de sobrecarga
Clase de disparo Tiempo
Clase 10A 2s<ta<10s
Clase 10 4s<ta<10s
Clase 20 6s<ta<20s
Clase 30 9s<ta<30s
- NFPA 70 – Tabla 430.251(B)
Este estándar muestra las corrientes de rotor bloqueado para las diferentes clases de diseño de
motores y su potencia en caballos de fuerza. Según estos valores, existe un límite de potencias
de motores para cada magnitud de tensión.

16
5 METODOLOGÍA DEL PROYECTO
La metodología de selección de arranques para un CCM se centra fundamentalmente en el
comportamiento de la corriente y el voltaje, que por ende definen el comportamiento de la
curva par-velocidad y los tiempos de arranque, respectivamente. A continuación se observa la
metodología que se tomó para el desarrollo del proyecto.
Ilustración 10 - Metodología del proyecto
5.1 Preguntas Iniciales de selección
Cuando se quiere elegir el tipo de arranque, se debe tener en cuenta que el estudio del motor
es una parte importante del procedimiento. Con las siguientes preguntas iniciales, se tendrá
un estudio superficial acerca de la aplicación del motor y si la elección del dispositivo es la
correcta para la aplicación.
- ¿A qué nivel de tensión se quiere conectar el motor?
- ¿Qué tipo de carga se controlara?
- ¿Qué tipo de motor se necesita para la aplicación?
- ¿Es necesario controlar la velocidad del equipo?
Ya teniendo claramente definido el tipo de aplicación que se llevara a cabo, a continuación se
muestra la metodología general de selección de los arranques mostrado en la ilustración 11.
Se debe tomar en cuenta que no solo el manejo de la velocidad es un factor de selección del
variador de velocidad. Se puede seleccionar este arranque en caso de que los otros tipos de
arranques no cumplan con las especificaciones y normas eléctricas de diseño.

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Ilustración 11 - Diagrama de flujo general de selección de arranques

18
6 TRABAJO REALIZADO
6.1 Consideraciones de diseño
6.1.1 Límite de corriente recomendado
Debido a que no existen normas ni estándares que definan los límites de corriente en una red
urbana o industrial, se toma la siguiente metodología de selección de valores de corriente.
- Se consulta los valores recomendados por la guía de diseño de instalaciones eléctricas de
baja tensión de SCHNEIDER ELECTRIC. Esta guía aconseja una corriente de arranque
de 250A en un nivel de tensión de 400V para motores de 60HP.
- Se calcula el porcentaje de reducción de la corriente teniendo en cuenta las corrientes de
rotor bloqueado de la tabla 430.251(B) presentada en el estándar NFPA 70 para los
voltajes de 220V, 440V y 575V.
- La relación indica que es necesaria una reducción del 40% en la corriente de arranque del
motor.
Teniendo esto en cuenta, se realiza la siguiente tabla que define los límites de corrientes
aconsejables para diferentes potencias y niveles de tensión.
Tabla 8 – Limites de corriente aconsejables
Voltaje Potencia del motor Corriente Limite
220V
Motores < 25 HP 250 A
Motores = 50 HP 456 A
Motores = 300 HP Motor no recomendable para este nivel de tensión según la NFPA 70
440V
Motores = 500 HP Motor no recomendable para este nivel de tensión según la NFPA 70
575V
6.1.2 Límite de par recomendado
Para determinar los límites que debe tener la curva par-velocidad, se tendrá en cuenta que el
motor supere el torque requerido para mover la carga mecánica conectada. De igual forma, se
debe tener en cuenta el tiempo que tarda en llegar a la velocidad máxima según el torque de
aceleración que desarrolle. Para cumplir estos dos objetivos se seguirán las siguientes normas y
recomendaciones.

19
- La norma IEC 947-4-1-1 indica el tiempo de disparo de las protecciones de sobrecarga
del dispositivo. Esta norma se tendrá en cuenta en el arranque a tensión plena.
- La curva ITIC nos indica el tiempo máximo que soportan los dispositivos conectados
a la red cuando tienen variaciones en su tensión de alimentación. Esta norma se tendrá
en cuenta en todos los tipos de arranques de motores.
6.2 Metodología de selección
6.2.1 Selección de arranque a tensión plena
Se aconseja el arranque directo, solamente en casos en donde motores son de muy pocos
caballos de fuerza, ya que las grandes corrientes de arranque que presentan pueden generar
caídas de tensión en la red y grandes esfuerzos mecánicos a la carga y al motor. Ya que se tiene
un reducido número de caballos de fuerza, no se tendrá que realizar un estudio demasiado
detallado de la carga mecánica que manejara el motor. Sin embargo, se debe tomar en cuenta
la “Letra Código” y el voltaje de conexión, ya que por diseño y fabricación de este, se pueden
generar altas magnitudes de corriente teniendo pocos caballos de fuerza.
A continuación se muestra la metodología planteada para la selección del arranque directo.
Ilustración 12 - Metodología Arranque Directo
Como se puede observar, se debe tomar en cuenta los caballos de fuerza, el código letra y el
voltaje nominal del motor. Estos valores dan la información suficiente para el cálculo de la
corriente de arranque con la siguiente ecuación.

20
𝐼𝐴𝑟𝑟𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 =
(𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑒𝑛 𝐻𝑃) ∗ (𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑙𝑒𝑡𝑟𝑎 𝑐𝑜𝑑𝑖𝑔𝑜) ∗ 1000
√3 𝑉𝑙𝑙
Según el valor de esta corriente, se puede tomar la decisión de ajustarla eligiendo otro motor
con una “Código Letra” que ofrezca menos corriente de arranque, sin tener que invertir en
equipos de arranque de tensión reducida para cumplir con este objetivo.
6.2.2 Selección de arranques a tensión reducida
A continuación se planteara la metodología de selección de arranques de tensión reducida,
teniendo en cuenta la clase de motor y el código de letra, ya que son los dos parámetros más
importantes del motor a la hora de seleccionar un tipo de arranque.
Ilustración 13 - Metodología de selección de arranques
De la misma manera, se tiene en cuenta el código letra, los caballos de fuerza y el voltaje de
conexión del motor. Ya que los motores tienen mayor capacidad de generación de torque, se
debe tomar en cuenta el estudio de la curva par-velocidad. Para esto se toma en cuenta los
caballos de fuerza y la velocidad máxima del rotor. Estos valores dan la información suficiente
para el cálculo del torque nominal y este a su vez nos da la información del torque máximo e
inicial según la clase de motor vista en la tabla 1. El procedimiento para hallar el torque
nominal del motor es el que se muestra a continuación.
𝑇𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙[𝑁∗𝑀] =
(9550) ∗ ( 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎[𝑘𝑊])
𝑊[𝑅𝑒𝑣/𝑚𝑖𝑛]

21
Se debe tomar en cuenta el torque inicial al modificar la corriente inicial, ya que la curva par-
velocidad puede disminuir drásticamente y causar un bloqueo del motor en el arranque.
6.2.3 Selección de arranques electrónicos
6.2.3.1 ¿Cuál es la diferencia entre arrancador suave y un variador de
frecuencia?
Los arrancadores suaves son una buena elección cuando se trata de reducir el esfuerzo
mecánico del motor durante el arranque. Sin embargo, la reducción de corriente durante el
arranque no siempre se puede conseguir. Por otro lado, el variador de frecuencia mantiene
bajo control el torque máximo del motor, permitiendo arrancar cualquier máquina agregando
una reducción de corriente considerable. Finalmente la diferencia más importante es el control
de velocidad, ya que el variador puede modificar la velocidad en cualquier etapa de operación.
6.2.3.2 Metodología de selección de un Arrancador Suave
A continuación se planteara la metodología de selección del arrancador suave
Ilustración 14 - Diagrama de flujo - Selección arrancador suave

22
Teniendo en cuenta la metodología planteada anteriormente, se muestra a continuación la
explicación paso por paso de lo que se debe tomar en cuenta al seleccionar un arrancador
suave.
1. Inicialmente se consulta la corriente nominal del motor.
2. Se elige un dispositivo opcional que cumpla con el control de la corriente nominal
consultada en el punto anterior.
3. Se consulta la clase de arranque, teniendo en cuenta que clase de motor es y qué tipo
de carga mecánica se acoplara a este. Si el motor requiere un arranque muy pesado, se
deberá sobredimensionar el dispositivo, ya que la corriente en el arranque puede durar
varios segundos y sobrecalentar el dispositivo.
4. Se debe consultar la frecuencia de maniobra ya que hay aplicaciones en donde se tienen
arranques consecutivos, lo que provoca un calentamiento en los dispositivos
electrónicos. Si la aplicación requiere múltiples arranques, se necesitara
sobredimensionar el dispositivo.
5. Se debe tener en cuenta la temperatura ambiente a la que será expuesto ya que la
corriente tiene más capacidad de conducción a altas temperaturas y esto puede traer
consecuencias en el modo de operación.
6. Se debe tener en cuenta la altura sobre el nivel del mar en donde va a estar instalado el
equipo, ya que a medida que aumenta la altura, se mejora la eficiencia del motor. Esto
es debido a que son menores las temperaturas y el sistema electrónico funciona mucho
mejor. Por otro lado, la densidad del aire es menor y esto puede disminuir la inercia al
momento de arrancar un motor con una carga de gran volumen.
7. Finalmente se debe tener en cuenta el THD (Total Harmonic Distorsion), ya que este
dato puede incluir la implementación de más equipos al sistema para evitar efectos no
deseados en la red.
6.2.3.3 Metodología de selección de un Variador de Frecuencia
Inicialmente se define el perfil de operación de la carga, en donde se registra la corriente y el
par del motor bajo todas las condiciones de operación posibles. Se obtendrán los valores más
altos en las peores condiciones registradas de operación. El tamaño de un variador de
frecuencia se basa en los máximos requerimientos de corriente bajo demandas de par pico.
A continuación se planteara la metodología de selección del variador de velocidad

23
Ilustración 15 - Metodología de selección de un variador de velocidad
Teniendo en cuenta la metodología planteada, se puede ver la similitud a la de un arrancador
suave. Sin embargo, se pueden adicionar más servicios que el arrancador no ofrece.
1. La clase de arranque y motor se debe tomar en cuenta nuevamente. Si el motor tiene
un torque nominal de un 170% del que soporta el variador, entonces será necesario
redimensionarlo.
2. Se debe consultar el rango de frecuencia, ya que este nos indica que rango de velocidad
puede ser controlada por medio del variador.
3. De la misma manera, se debe elegir el dispositivo, teniendo en cuenta la temperatura y
altura de instalación.
Otros factores como el tipo de control, la humedad, la relación V/f, son igualmente
importantes, pero no son fundamentales para la selección, ya que en la mayoría de variadores
estos factores están estandarizados, lo que ofrecen numerosas opciones para el usuario.

24
6.3 Descripción de Resultados
6.3.1 Resultados Teóricos
6.3.1.1 Clasificación de motores para cada tipo de arranque
Teniendo en cuenta los tipos de arranque y las consideraciones de diseño mencionadas
anteriormente, se realiza una tabla de selección de arranques inicial, basados
fundamentalmente en los caballos de fuerza, el “Código Letra” y los voltajes de conexión más
usados en la industria. A continuación se presenta la tabla inicial de selección del arranque
directo.
Tabla 9 –Tabla inicial de selección de Arranque Directo
Tipo de arranque Nivel de Tensión Potencia del motor LCR restringida Código Letra recomendable
Directo
220V
1HP 2.6A – 57.7A A – V
5HP 13.1A – 249.31A A – T
10HP 26.2A – 236.1A A – K
20HP 52.48A – 209.94A A – C
30HP 78.72A – 236.18A A - (No recomendable)
440V
20HP 26.24A – 236.18A A – K
30HP 39.36A – 236.18A A – G
40HP 52.48A – 209.94A A – C
50HP 65.60A – 196.82A A - (No recomendable)
Como se puede observar, el arranque directo es recomendado en potencias menores a 30HP y
50HP para niveles de tensión de 220V y 440V respectivamente. En las simulaciones de los
demás tipos de arranques, se omiten las potencias menores a estos valores, ya que el arranque
directo es el mejor desde el punto de vista del motor. Sin embargo se debe tener en cuenta que
cualquier tipo de arranque funciona adecuadamente para motores de baja potencia. A
continuación se presenta la tabla inicial de selección del Estrella-Delta.
Tabla 10 - Tabla inicial de selección de Arranque Estrella-Delta
Estrella-Delta
220V
30HP 26.24A – 236.18A A - K
50HP 43.73A – 437.38A A - L
100HP 87.47A – 874.77A A - L
200HP 174.95A – 1749.54A A - L
440V
50HP 21.86A – 240.56A A - M
100HP 43.73A – 481.12A A - M
200HP 87.47A – 962.25A A - M
300HP 131.21A – 1180.94A A - K
400HP 174.95A – 1575.59A A - K
Como podemos observar, el modo de arranque estrella-delta restringe la corriente a un tercio
de la corriente en arranque directo. Los resultados demuestran que este arranque es
recomendado en potencias menores a 200HP y 400HP para niveles de tensión de 220V y 440V
respectivamente. A continuación se presenta la tabla inicial de selección del arranque por
resistencias o reactancias en el estator.

25
Tabla 11 - Tabla inicial de selección de Arranque por Reactancias o Resistencias
Reactancias o
Resistencias
220V
30HP 55.11A – 220.44A A - C
50HP 91.85A – 367.40A A - C
100HP 183.70A – 734.80A A - C
200HP 367.40A – 1469.61A A - C
440V
50HP 45.92A – 229.62A A - E
100HP 91.85A – 459.25A A - E
200HP 183.70A – 918.51A A - E
300HP 275.55A – 1102.21A A – C
400HP 367.40A – 1469.61A A – C
Como se puede observar, este arranque es igualmente recomendado en potencias menores a
200HP y 400HP para niveles de tensión de 220V y 440V respectivamente. Sin embargo, el
“Código Letra” está más restringido ya que este arranque limita la corriente a un 70% del
arranque directo. Ahora se presenta la tabla inicial de selección del arranque por
autotransformador.
Tabla 12 - Tabla inicial de selección de Arranque por Auto-Transformador
Auto-
Transformador
220V
100HP 131.21A – 918.51A A – H
200HP 262.43A – 1574.59A A - G
440V
100HP 65.60A – 459.25A A - H
200HP 131.21A – 918.51A A - H
300HP 196.82A – 1180.94A A - G
400HP 262.43A – 1574.59A A - G
575V
100HP 50.20A – 301.22A A - G
200HP 100.40A – 602.45A A - G
300HP 150.61A – 903.67A A - G
400HP 200.81A – 1204.90A A - G
500HP 251.02A –1506.13A A - G
El arranque por autotransformador es un método costoso para motores menores de 100HP.
Por esta razón, se han omitido los rangos menores a este valor de potencia. Este tipo de
arranque es recomendado para potencias menores a 200HP, 400HP y 500HP para niveles de
tensión de 220V, 440V y 550V, respectivamente. Como se puede observar, el rango del
“Código Letra” es mayor en comparación con el arranque por resistencias y menor con el
arranque Estrella-Delta. Ahora, se presenta la tabla inicial de selección del arranque por
arrancador suave.
Tabla 13 - Tabla inicial de selección por Arrancador Suave
Arrancador Suave
220V
100HP 91.85A – 918.51A A - L
200HP 183.70A – 1653.32A A - K
440V
100HP 45.92A – 413.33A A - K
200HP 91.85A – 826.66A A - K
300HP 137.77A – 1239.99A A - K
400 HP 183.70A – 1653.32A A - K
575V
100HP 35.14A – 316.28A A - K
200HP 70.28A – 632.57A A - K
300HP 105.42A – 948.86A A - K
400 HP 140.57A – 1265.15A A - K
500HP 175.71A – 1581.43A A - K

26
Como podemos observar, este método tiene mucho más rango de uso en motores de gran
potencia y de numerosos “Códigos Letra”. Para este caso se toma una corriente de arranque
máximo de 3.5 veces la corriente nominal del motor, que es el valor más usado en los
arrancadores suaves. Finalmente, se presenta a continuación, la tabla inicial de selección del
arranque por variador de velocidad.
Tabla 14 - Tabla inicial de selección por Variador de Velocidad
El variador de velocidad constituye el método de arranque por excelencia, ya que tiene un
rango bastante amplio de control de motores de distintas potencias y tensiones. En conclusión,
este modo de arranque funciona eficientemente para cualquier potencia, sin tener en cuenta
el “Código Letra” del motor. A continuación se presentara el caso de estudio en donde se
corroboran los resultados teóricos y se define de manera más exacta los límites de selección de
arranques.
6.4 Resultados computacionales
6.4.1 Caso de estudio
Para analizar el comportamiento de los diferentes tipos de arranques y el impacto que tienen
en la red, se diseña el siguiente caso de estudio.
Ilustración 16 - Caso de estudio – ETAP
Variador de Velocidad
220V
100HP 262.43A
A - V
200HP 524.86A
440V
100HP 131.21A
200HP 262.43A
300HP 393.64A
400 HP 524.86A
575V
100HP 100.40A
200HP 200.81A
300HP 301.22A
400 HP 401.63A
500HP 502.04A

27
Inicialmente se consultan sistemas eléctricos industriales comunes, tomando los valores
estándar en este tipo de esquemas, como la longitud de los conductores, niveles de tensión,
parámetros de los trasformadores y parámetros de la red. Los datos del caso de estudio, fueron
seleccionados del sistema eléctrico industrial tomado de la figura 4-20 del estándar “std-141 de
1993”. A continuación se puede observar el diagrama unifilar del sistema.
Ilustración 17 - Sistema Industrial de baja tensión [5]
El caso de estudio está diseñado para hallar el límite del “Código Letra” de un motor bajo las
restricciones de corriente y voltaje planteadas inicialmente. Por esta razón, se realizan dos
sistemas, donde cada uno de ellos posee las mismas características del otro. Cada sistema tiene
conectado un motor clase B, de igual potencia pero de diferente “Código letra”, ya que este el
parámetro clave a la hora de realizar el estudio de los arranques.
A continuación se selecciona la carga mecánica del motor como una carga con un par creciente
a medida que incrementa la velocidad del motor. Este tipo de cargas son las más usadas ya que
se encuentran en bombas, ventiladores, calefactores, mezcladoras, etc.
Ilustración 18 - Curva Par-Velocidad de la carga del motor

28
6.4.2 Arranque Directo
Inicialmente se simula el arranque directo con un motor de 20HP a 220V y 40HP en 440V
tomando en cuenta los resultados teóricos vistos anteriormente. Los conductores fueron
calculados con una capacidad de 125% con respecto a la corriente nominal que opera el motor,
según el estándar NFPA 70. Como se puede ver en la siguiente ilustración, las potencias
definidas para este tipo de arranque, cumplen el límite de caídas de tensión de 15%.
Ilustración 19 - Arranque Directo - Limite de corriente
A continuación, se hallan los valores críticos de selección en donde se simulan motores de
potencias más altas con un código de letra bajo. De esta forma se halla un límite para este tipo
de arranque teniendo en cuenta los caballos de fuerza. Los conductores no se recalculan ya que
la idea es ver el límite que soporta el sistema evaluando el mismo arranque directo. A
continuación se ve el resultado de la caída de tensión con los nuevos valores de potencias.
Ilustración 20 - Arranque Directo - Límite de caída de tensión 15 %
Como se puede ver en la ilustración anterior, se encuentra el límite de corriente en donde se
alcanza una caída de tensión del 15% para motores de mayor potencia en HP y menor “Código
Letra”.
Finalmente se llega a la siguiente tabla de resultados, en donde se define el límite de potencia
para cada nivel de tensión y cada motor con su respectivo límite de “Código Letra”.

29
Tabla 15 – Limites de selección de Arranque Directo – 15% de caída de voltaje
Tipo de
arranque
Nivel de
Tensión
Potencia del
motor
LCR # Código Letra Código Letra
Directo
220V 23HP 140.94A – 345.39A 3In - 6In A - G
440V 50HP 175.83A – 615.4A 3In - 10.5In A - M
6.4.3 Arranque Estrella-Delta
En este tipo de arranque se manejan potencias mayores por lo que se recalculan los conductores
para los respectivos motores. Inicialmente, se realizó la validación de los resultados teóricos y
se pueden observar en la primera parte de la sección de anexos. Para los siguientes casos, se
genera únicamente las gráficas del límite de motores para cumplir las restricciones planteadas
inicialmente. A continuación se muestran los resultados de la simulación al hallar los límites
de potencias que genera una caída de tensión máxima de 15%.
Ilustración 21 - Arranque Estrella-Delta - Límite de caída de tensión 15%
En este caso, las simulaciones fueron realizadas con motores de 200HP y 400HP para niveles
de tensión de 220V y 440V respectivamente. Para cada simulación se realizó el arranque directo
y luego se calcularon los tiempos para implementar el arranque Estrella-Delta. A continuación
se muestran los resultados del estudio.
Tabla 16 – Limites de selección de Arranque Estrella Delta – 15% de caída de voltaje
Tipo de
arranque
Nivel de
Tensión
Potencia del
motor
Estrella - Delta
220V 200HP 1651.65A - 3006A 3In – 6.37In A - H
440V 400HP 1657.25A - 2553.11A 3In – 5.39In A - F
6.4.4 Arranque Resistencia
En este tipo de arranque se realiza el mismo procedimiento visto anteriormente. A
continuación se muestran los resultados de la simulación al hallar los límites de potencias
implementando este tipo de arranque.

30
Ilustración 22 - Arranque por resistencias - Límite de caída de tensión 15%
En este caso, las simulaciones fueron realizadas nuevamente con motores de 200HP y 400HP
para niveles de tensión de 220V y 440V respectivamente. Se realizó el mismo procedimiento
de selección de tiempos usando como referencia el arranque directo. A continuación se
muestran los resultados del estudio.
Tipo de
arranque
Nivel de
Tensión
Potencia del
motor
Resistencias
220V 200HP 1478.7A – 2953.46 3In – 5.99In A - G
440V 400HP 1458.6A –2629.37A 3In – 5.408In A - F
6.4.5 Arranque Autotransformador
Para este tipo de arranque se adiciono un nuevo nivel de tensión ya que con este método se
pueden manejar potencias mucho más altas en los motores. A continuación se muestran
directamente los resultados de la simulación al hallar los límites de potencias implementando
este tipo de arranque.
Ilustración 23 - Arranque por autotransformador - Límite de caída de tensión 15%
En este caso, las simulaciones fueron realizadas con motores de 200HP, 400HP y 500HP para
niveles de tensión de 220V, 440V y 575V respectivamente. Para cada simulación se realizó el

31
mismo procedimiento de cálculo de tiempos visto anteriormente. A continuación se muestran
los resultados del estudio.
Tipo de
arranque
Nivel de
Tensión
Potencia del
motor
Resistencias
220V 200HP 1478.7A – 2953.46A 3In – 5.992In A – G
440V 400HP 1458.6A –2629.37A 3In – 5.408In A - F
575V 500HP 1327.5A – 2212.94A 3In – 5.001in A - F
6.4.6 Arrancador Suave
La mayoría de arrancadores suaves tienen implementada una opción que define el límite de
corriente en el arranque. Teniendo esto en cuenta, varios fabricantes definen la corriente
mínima como 3.5 veces la corriente nominal del motor.
Ilustración 24 - Limite de corriente en arrancadores suaves [6]
Para el diseño de la simulación, el límite fue puesto igualmente en 3.5 veces la corriente
nominal del motor. De esta forma, se realiza la primera simulación en donde se observa el
comportamiento de un motor de 200HP a 220V, modelado con un arrancador suave. Se
simulan nuevamente los dos casos en donde se tiene la misma potencia de motor y se grafica
el resultado de la caída de tensión generada.
Ilustración 25 – Arrancador Suave - Límite de caída de tensión 15%

32
Como se puede ver a continuación, la gráfica del comportamiento de la corriente efectivamente
se encuentra restringida a 3.5 veces la corriente nominal. También se puede observar el
aumento del tiempo de arranque para motores de código letra alto, ya que este tipo de motores
exige una mayor magnitud de corriente.
Ilustración 26 – Arrancador Suave - Corriente con límite de ciada de tensión 15%
Finalmente se simulan los sistemas de 220V, 440V y 575V, y se hallan los límites de potencia
de motores para este tipo de arranque con su determinado código letra. A continuación se
muestran los resultados con el comportamiento de las tensiones en el sistema.
Ilustración 27 - Arrancador Suave - Límite de caída de tensión 15%
Como se puede observar, se logra una caída de tensión alrededor del 15% para cada nivel de
tensión simulado, en donde la mayor caída se encuentra en el motor de más baja tensión. A
continuación se muestra el comportamiento de la corriente para los tres tipos de motores en
donde se puede ver claramente cómo se restringe la corriente de arranque en 3.5 veces la
corriente nominal del motor.

33
Ilustración 28 - Arrancador Suave - Corriente con límite de ciada de tensión 15%
Finalmente se logra obtener los límites de potencia para los niveles de tensión simulados y los
resultados se pueden observar a continuación.
Tabla 19 – Limites de selección del Arrancador Suave – 15% de caída de voltaje
Tipo de
arranque
Nivel de
Tensión
Potencia del
motor
Arrancador
Suave
220V 200 1638.35A – 3042A 3In – 6.5In A - H
440V 400 1633.1A – 3032.9A 3In – 6.5In A - H
575V 500 1558.9A – 2895.1A 3In – 6.5In A - H
6.4.7 Variador de velocidad
Finalmente se realiza la simulación del variador de velocidad para la potencia máxima de
motores disponible en los niveles de tensión evaluados. A continuación se puede observar el
comportamiento de la tensión para motores de 200HP, 400HP y 500HP en niveles de tensión
de 220V, 440V y 575V respectivamente.
Ilustración 29 – Arranque por variador de velocidad - Límite de caída de tensión 15%
Como se puede observar, este método de arranque desarrolla muy bajas caídas de tensión. A
continuación se puede observar el comportamiento de la corriente en los tres motores.

34
Ilustración 30 - Variador de velocidad - Corriente con límite de caída de tensión 15%
Este arranque evita grandes magnitudes de corriente y siempre ofreciendo un torque máximo
en el motor. A continuación se muestra la tabla de selección de este arranque.
Tabla 20 – Limites de selección de arranque por variador de velocidad – 15% de caída de voltaje
Tipo de
arranque
Nivel de
Tensión
Potencia del
motor
Variador de
Velocidad
220V 200HP 501.8A 3In – 22In
A - V440V 400HP 457A 3In – 22In
575V 500HP 436.1A 3In – 22In
7 Discusión de resultados
Como se pudo observar, cada uno de los arranques evaluados tiene su respectivo rango de
funcionamiento para que de esta forma sea mucho más eficiente la selección de dispositivos.
A continuación, se puede observar finalmente una tabla que recomienda los rangos de potencia
y de “Código Letra” de los motores para cada tipo de arranque evaluado.
Tabla 21 - Recomendación de selección de tipos de arranques
Tipo de
arranque
Nivel de
Tensión
Potencia del
motor
LCR restringida
Código Letra
recomendable
Posibles
aplicaciones
Directo
220V 20HP 52.48A – 209.94A A - C
Bomba centrifuga,
centrifugadora,
bomba helicoidal,
ventiladores,
calefactores,
Extrusora,
Enrollador, des-
enrollador,
mezcladora,
amasadora.
440V 40HP 52.48A – 209.94A A - C
Estrella - Delta
220V 200HP 174.95A – 1749.54A A - L
440V 400HP 174.95A – 1575.59A A - K
Reactancias o
Resistencias
220V 200HP 367.40A – 1469.61A A - C
440V 400HP 367.40A – 1469.61A A - C
Auto-
transformador
220V 200HP 262.43A – 1574.59A A - G
440V 400HP 262.43A – 1574.59A A - G
575V 500HP 251.02A –1506.13A A - G
Arrancador
Suave
220V 200HP 183.70A – 1653.32A A - K
440V 400 HP 183.70A – 1653.32A A - K
575V 500HP 175.71A – 1581.43A A - K
Variador de
Velocidad
220V 200HP 524.86A A - V
440V 400 HP 524.86A A - V
575V 500HP 502.04A A - V

35
Por otro lado, se puede observar a continuación la tabla de límites de los rangos de potencia y
de “Código Letra” de los motores para cada tipo de arranque evaluado.
Tabla 22 - Limite de selección de tipos de arranques
Tipo de arranque Nivel de Tensión Potencia del motor Limite LCR Limite Código Letra
Directo
220V 23HP 140.94A – 345.39A A - G
440V 50HP 175.83A – 615.4A A - M
Estrella - Delta
220V 200HP 1651.65A - 3006A A - H
440V 400HP 1657.25A - 2553.11A A - F
Reactancias o
Resistencias
220V 200HP 1478.7A – 2953.46 A - G
440V 400HP 1458.6A –2629.37A A - F
Auto-
transformador
220V 200HP 1478.7A – 2953.46A A – G
440V 400HP 1458.6A –2629.37A A - F
575V 500HP 1327.5A – 2212.94A A - F
Arrancador Suave
220V 200 1638.35A – 3042A A - H
440V 400 1633.1A – 3032.9A A - H
575V 500 1558.9A – 2895.1A A - H
Variador de
Velocidad
220V 200HP 501.8A A - V
440V 400HP 457A A - V
575V 500HP 436.1A A - V
Por último, se logró que todos los arranques cumplieran el criterio impuesto por la curva ITIC.
Con esto se asegura un óptimo funcionamiento de los equipos que probablemente estén
conectados al mismo sistema. A continuación se puede ver la gráfica de la caída de tensión en
el arranque suave comparada con al grafica ITIC.
Ilustración 31 – Comparación Arrancador Suave con Curva ITIC
Finalmente, se logró un diseño exitoso de la metodología de selección de arranques, teniendo
en cuenta diferentes parámetros como los caballos de fuerza y el código letra de los motores.

36
8 CONCLUSIONES
Se logró identificar los parámetros principales que se deben tener en cuenta a la hora de elegir
un arranque, para el tipo de motor que se haya seleccionado en la aplicación. Con esto se
quiere llegar a que no solamente se tiene que mirar la potencia del motor a la hora de elegir
un arranque. Muchos otros factores como la clase de motor y su letra código pueden afectar
los valores esperados. Gracias a esto se logró diseñar una metodología que logra clasificar los
arranques según el tipo de motor, teniendo en cuenta normas y recomendaciones tomadas de
empresas de fabricación y diseño de sistemas de baja tensión como es el caso de Schneider
Electric y la norma NFPA 70.
Finalmente se logró clasificar los motores para cada tipo de arranque por medio de tablas que
especifican el nivel de tensión, la potencia en caballos de fuerza y el código letra del motor,
teniendo en cuenta los resultados que se obtuvieron del caso de estudio diseñado en ETAP.
Gracias a esta clasificación, se tendrá una guía mucho más acertada de que arranque elegir
cuando se tiene un determinado tipo de motor sin tener grandes gastos energéticos y
económicos.
9 Bibliografía
[1] Chapman, Maquinas Electricas, 3 ed.: McGraw-Hill, ed..
[2] L. Y. Yescas, «Motores electricos su clasificación,» [En línea]. Available:
http://www.monografias.com/trabajos10/motore/motore.shtml.
[3] N. E. M. Association, «NEMA MG-1: Motors and Generators,» 1300 North 17th Street, Suite 1752,
2009.
[4] D. d. I. E. -. E.T.S.I.I, «Arranque de los motores de Induccion,» Practicas de tecnologia electrica, [En
línea]. Available: http://www.die.eis.uva.es/~daniel/docencia/te/TEIQPractica9-2008.pdf.
[5] I. The institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE Recommended Practice for Electric Power
Distribution for Industrial Plants, 1993.
[6] Sirius, Arrancadores Suaves, Siemens.
[7] K. U. Fitzgerald, Electric Machinery, McGraw-Hill.
[8] S. G. K. Nadel, Energy Efficient Motor Systems, ACE.
[9] M. S. G. A. Jack Williams, «Evaluating the Effects of Motor Starting on Industrial and Commercial
Power Systems,» IEEE Industry Applications Society.
[10] K. P. Piyush S. Patil, «Starting Analysis of Induction Motor: A Computer Simulation by Etap Power
Station,» ICETET, International Conference, nº 211, pp. pp. 494-499, 2009.
[11] S. ELECTRIC, «Guia de diseño de instalaciones electricas - Segun normas IEC,» 2010, 5.4 Valores
máximos admisibles de motores instalados en BT. [En línea]. Available: http://www.schneider-
electric.com.pe/documents/customers/ingenieria-proyectistas/Guia_diseno_instalaciones_electricas.pdf.
[12] J. A. G. Serrano, «Simulacion de una accionamiento electrico con maquina asincrona de si
comportamiento frente a cargas mecanicas,» Universidad de Cartagena.
[13] «Standards and Methods for stating Squirrel Cage Induction Motors,» USMotors, [En línea]. Available:
www.usmotors.com/TechDocs/ProFacts/Starting-Methods.aspx.
[14] N. F. P. Association, NFPA 70: National Electric Code, 49 CFR 192.189(c), 2005.

37
10 APENDICES
10.1 Resultados ETAP - Metodología
Resultados de la simulación realizadas en ETAP, que corroboran los resultados de la
metodología planteada.
Caída de tensión - Arranque Directo
Caída de tensión – Estrella-Delta

38
Caída de tensión – Resistencias Estatoricas
Caída de tensión – Autotransformador

39
Caída de tensión – Arrancador Suave
Caída de tensión – Variador de velocidad

40
Caída de tensión – Accionamiento de todos los arranques
Corriente de arranque – Accionamiento de todos los arranques

41
10.2 Resultados ETAP – Limites
Resultados de la simulación realizadas en ETAP, que muestran el límite máximo de potencias
en donde se cumplen los requerimientos planteados inicialmente.
Caída de tensión - Arranque Directo
Caída de tensión – Estrella-Delta

42
Caída de tensión - Resistencias
Caída de tensión - Autotransformador

43
Caída de tensión – Arrancador Suave
Caída de tensión – Variador de Velocidad

44
10.3 Tutorial ETAP – Arranque dinámico de motores
Configuración del motor
1. Se diseña el diagrama unifilar del sistema industrial que se quiere evaluar. Para este
caso, se toma el sistema del caso de estudio evaluado en el proyecto.
2. Luego de configurar adecuadamente cada elemento del sistema, se procede a la
configuración del arranque en el motor eléctrico “M1”. Existen numerosas pestañas de
configuración del motor pero en este tutorial veremos las más fundamentales.
En la pestaña de información se puede configurar las condiciones de servicio y el tipo de
conexión. Igualmente se puede completar información vital para luego identificar rápidamente
el motor en los resultados.

45
3. En la pestaña de placa del motor se puede configurar los parámetros principales como
voltaje de conexión, potencia, diseño, eficiencia, deslizamiento y clasificar su respectivo
% de funcionamiento en diferentes modos de operación. También se puede seleccionar
motores de las librerías incluidas en ETAP.
4. En la pestaña de impedancias se puede configurar los parámetros de fabricación como
sus respectivas reactancias. Esto es con el fin de modificar su comportamiento en su
curva par-velocidad y su corriente de arranque. También por medio de estos parámetros
se estudian casos de corto circuito.

46
5. En la siguiente pestaña se selecciona el modelo del motor que se va a usar para análisis
del arranque.
Esto define el comportamiento de la corriente, el torque y el deslizamiento, en cada cambio de
velocidad del motor.

47
6. En la siguiente pestaña se selecciona el modelo del comportamiento de la carga
mecánica conectada del motor que se va a usar para análisis del arranque.
En este caso, se usa una carga mecánica que tiene un comportamiento de una curva par-
velocidad de una función cubica. Sin embargo la carga puede ser cambiada por otro tipo de
carga en la pestaña disponible en la ventana o modificada manualmente por el usuario
ingresando a las librerías como se mostrara posteriormente.

48
7. En la siguiente pestaña se introduce la inercia mecánica que tiene el motor, el
acoplamiento y la carga.
Nota: Tener precaución al cambiar los valores de potencia o el modelo del motor, ya que esto
produce un cambio automático en estos valores que produce irregularidades en los tiempos de
arranque.
8. Finalmente, se pueden cambiar todos los parámetros anteriormente descritos por
medio de las librerías que tiene por defecto el software. En la pestaña librería, se puede
eliminar, editar o adicionar más motores, modelos del comportamiento el motor y de
la carga mecánica.

49
9. La configuración del arranque del motor se realiza por medio de la siguiente pestaña
llamada “Start Dev”. Si no se selecciona ningún tipo de arranque, el motor realiza un
arranque directo sin ninguna restricción de corriente y voltaje.
Hay trece tipos de arranques de motor que se pueden seleccionar. Los últimos cuatro tipos
(Límite de corriente, control de corriente, control de tensión y control de par) son los modos
más usados de control de arrancadores suaves. Para modelar un arrancador suave, se puede
seleccionar cualquiera de estos cuatro tipos y especificar un esquema de control según sea
necesario.
Tipo Descripción
None No starting device
Auto-xfmr Auto-transformer
Stator Resistor Series resistor to the stator
Stator Reactor Series reactor to the stator
Capacitor, Bus Shunt capacitor connected to a motor bus
Capacitor, Terminal Shunt capacitor connected to the motor terminal
Rotor Resistor Series resistor to the rotor
Rotor Reactor Series reactor to the rotor
Y/D Star - delta
Partial Winding Partial winding
Current Limit Soft starter – current limit
Current Control Soft starter – current control
Voltage Control Soft starter – voltage control
Torque Control Soft starter – torque control

50
Para la mayoría de los arranques de tensión reducida, es necesario modelar el comportamiento
de los múltiples estados que puede tener el arranque.
En este caso podemos observar cómo se puede modelar el cambio de estado de reducción de
tensión por medio de la velocidad del motor. Igualmente existe la posibilidad de configurar el
arranque por tiempos de accionamiento.
Para la respectiva configuración de arrancador suave, se usó el control de voltaje. Cada
restricción del % de voltaje fue puesto en modo rampa ya que este es el modo de
funcionamiento principal de este dispositivo.
Para cada tipo de arranque evaluado, fue necesario realizar la simulación del arranque directo
del motor y luego calcular los tiempos necesarios de activación de las etapas de los arranque a
tensión reducida.

51
10. Para la simulación por variador de velocidad, se modifica el diagrama unifilar de la
siguiente manera.
Nota: La ubicación del variador depende del diseño. No necesariamente debe ser de la forma
descrita anteriormente. Solo se muestra la ubicación para el caso de estudio evaluado en el
proyecto.
11. Para la configuración de variador, principalmente se configura la siguiente pestaña con los
valores del equipo necesario para el arranque del motor evaluado.
Para la configuración del arranque se configura la pestaña “Star Dev”. Si se selecciona la opción
“Ninguno”, la salida del VFD tendrá que mantener la frecuencia de salida y tensión nominal
seleccionada. Cuando se selecciona la opción “Ninguno”, todos los demás campos se ocultarán
en la página, ya que no se aplican más.

52
En este caso de arranque por control de frecuencia, los parámetros que se pueden modificar
son el % de frecuencia y el porcentaje de la relación V/Hz. De la misma manera se puede
limitar la corriente que produce el arranque del motor.
12. Finalmente, después de configurar el arranque requerido, se realiza la siguiente
configuración de simulación para visualizar los resultados del estudio. Se oprime el
icono que realiza el estudio de arranque de motores y luego se oprime el icono de
configuración representado por un maletín, el cual realiza la configuración de tiempos
de accionamiento de motores.

53
En la pestaña de “Eventos”, se agrega el evento o carpeta que guardara la cantidad de arranques
que se deseen, en el caso de que sean varios motores. Esta carpeta tendrá un tiempo definido
por el usuario. En la ventana de accionamiento de elementos, se adicionan los motores que
se quieren accionar en ese tiempo dado.
Nota: Un parámetro importante es el tiempo de simulación, el cual se configura en esta misma
ventana. Este tiempo es indispensable para que la simulación se realice sin ningún error y los
datos se puedan recuperar en la visualización de los resultados.
13. Finalmente, para realizar la simulación, se oprime el siguiente icono ubicado al lado derecho
de la pantalla.
14. Para recuperar los datos y gráficas, se da clic en el siguiente icono.
En la ventana se puede seleccionar el elemento que se quiere visualizar y sus respectivas graficas
generadas después de la simulación.

Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica
Proyecto de Grado 2014-20
RESUMEN EJECUTIVO / EXECUTIVE SUMMARY
Page 1 of 2
GUÍA DE SELECCIÓN DE CCM PARA DIFERENTES CONDICIONES DE
ARRANQUE DE MOTORES DE USO INDUSTRIAL
Cristian Julian Castellanos Leon
Estudiante
200921447
cj.castellanos197uniandes.edu.co
Gustavo Ramos Ph.D.
Asesor
Profesor Asociado
gramos@uniandes.edu.co
Palabras clave: Clase, Código Letra, Arranque.
El reto
Definir una metodología de diseño de una guía de selección de CCM para diferentes condiciones
de arranque de motores de uso industrial. Esto es con el fin definir ciertos rangos en donde los
diferentes tipos de arranques funcionen de manera adecuada, analizando principalmente el
arrancador suave.
La solución
Para cada uno de los arranques evaluados, se busca definir su respectivo rango de
funcionamiento por medio de la potencia en caballos de fuerza y el “Código Letra” del motor.
Estos son los parámetros principales a la hora de seleccionar un motor para su respectivo estudio
de su arranque.
Introducción
Actualmente, debido a las pérdidas de energía que se producen en los sistemas eléctricos, la red
de energía es propensa a caídas de tensión, que pueden afectar dispositivos que estén
conectados a este sistema. Una de las principales causas es el arranque de motores, ya que al
producir grandes corrientes de arranque, producen grandes caídas de tensión. Una de las
soluciones a esta problemática es mejorar la calidad de los sistemas ya existentes, seleccionando
eficazmente dispositivos, que permitan un óptimo arranque de los motores, garantizando así
valores bajos de corriente y caídas de tensión.
Descripción del Proyecto
Para el desarrollo del proyecto se siguió la metodología que se muestra a continuación.
- Se consultan los principales parámetros que se deben tener en cuenta a la hora de
seleccionar un motor para su respectivo estudio de su arranque.
- Se consultan normas, estándares y recomendaciones que soporten la selección de los
diferentes arranques.
- Diseño de la metodología de selección de arranques, teniendo en cuenta los parámetros
principales del motor y normas encontradas.

of 2
- Se obtienen los resultados teóricos teniendo en cuenta la metodología planteada.
- Se diseña el caso de estudio en ETAP, como método de validación de los resultados
teóricos.
- Se obtienen los resultados de la simulación y se realiza una discusión de los resultados
finales.
Conclusión
Para cada uno de los arranques evaluados, se logra definir su respectivo rango de
funcionamiento por medio de la potencia en caballos de fuerza y el “Código Letra” del motor. A
continuación, se puede observar finalmente una tabla que recomienda la selección de los
respectivos arranques evaluados.
Tabla 1 – Recomendación de selección de tipos de arranques
Directo
220V 20HP 52.48A – 209.94A A - C
440V 40HP 52.48A – 209.94A A - C
Estrella - Delta
220V 200HP 174.95A – 1749.54A A - L
440V 400HP 174.95A – 1575.59A A - K
Reactancias o
Resistencias
220V 200HP 367.40A – 1469.61A A - C
440V 400HP 367.40A – 1469.61A A - C
Auto-transformador
220V 200HP 262.43A – 1574.59A A - G
440V 400HP 262.43A – 1574.59A A - G
575V 500HP 251.02A –1506.13A A - G
Arrancador Suave
220V 200HP 183.70A – 1653.32A A - K
440V 400 HP 183.70A – 1653.32A A - K
575V 500HP 175.71A – 1581.43A A - K
Variador de
Velocidad
220V 200HP 524.86A A - V
440V 400 HP 524.86A A - V
575V 500HP 502.04A A - V
Estos datos están validados por el caso de estudio diseñado en ETAP. Los resultados se pueden
observar en el respectivo documento final del proyecto.
Finalmente se cumplen todos los objetivos planteados inicialmente en el proyecto y se espera que
este trabajo sea una base para trabajos futuros en la misma área de investigación.
Visto Bueno del asesor:
X
Gustavo A. Ramos L. Ph.D.
Profesors Asociado - Asesor del Proyecto

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