metodos_de_arranque

Máquinas y Accionamientos Eléctricos (3M4)
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Motor trifásico de inducción (continuación) - Métodos de arranque
1. Característica mecánica de la carga
Para determinar el proceso de aceleración de un accionado y los esfuerzos relacionados con el cambio
de velocidad, es imprescindible conocer el par aceleratriz en función de la velocidad. El par
aceleratriz es la suma algebraica entre el par de la máquina accionadora, normalmente denominado
par motor, y el par de la máquina accionada, o par resistente, que como se verá más adelante, ambos
pueden poseer signo positivo a negativo según el caso.
𝑀𝑎 = 𝑀𝑚 − 𝑀𝑟 ≈ 𝐽
𝑑𝜔𝑚
𝑑𝑡
 𝑀𝑎 Par aceleratriz [N.m]
 𝑀𝑚 Par motriz (desarrollado por el MTI) [N.m]
 𝑀𝑟 Par resistente (par de la carga mecánica) [N.m]
 𝐽 Momento de Inercia de las masas en rotación (rotor del motor, carga mecánica, etc.)
[m2
.kg]
 𝜔𝑚 Velocidad angular de rotación del eje mecánico del motor [rad/s]
1.1 Par resistente
Las máquinas accionadas poseen diferentes curvas de par resistente como función de la velocidad,
según sea su naturaleza o principio de funcionamiento. Así algunas ofrecen un par constante a
cualquier velocidad, mientras que otras aumentan o disminuyen con la velocidad siguiendo una
cierta ley. Una expresión matemática adecuada por su simplicidad, es la propuesta por [1]:
𝑀𝑟(𝜔) = 𝑀0 + 𝑀𝑟 𝑛 − 𝑀0
𝜔
𝜔𝑛
𝑥
 𝑀𝑟(𝜔) Par resistente a la velocidad 𝜔
 𝑀0 Par resistente a la velocidad 𝜔 = 0 (debido al rozamiento en partes móviles del
mecanismo)
 𝑀𝑟 𝑛 Par resistente a la velocidad nominal 𝜔𝑛
 𝜔𝑛 Velocidad nominal
 𝑥 Coeficiente característico de la variación del par resistente
Puede tipificar los accionados según el exponente "𝑥" como sigue:
 𝑥 = 0
o Par resistente de la velocidad
o Ejemplos:
 Grúas
 Ascensores
 Cabre-estantes
 Cintas transportadas
 Bombas de embolo

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 𝑥 = 1
o Par resistente creciente linealmente con la velocidad
o Ejemplos:
 Generador de DC con excitación independiente con una resistencia fija
como carga
 𝑥 = −1
o Par resistente decrece hiperbólicamente con la velocidad
o Mecanismos que requieren que la potencia permanezca constante
o Ejemplos:
 Bobinadoras
 Fresadoras
 Herramientas de corte
 𝑥 = 2
o Par resistente creciente cuadráticamente con la velocidad
o Ejemplos:
 Bombas centrífugas
 Hélices
Figura 1: Características mecánicas de cargas, según su coeficiente característico de variación de par resistente
1.2 Par motor del motor trifásico de inducción (MTI)
La zona de funcionamiento estable de los motores eléctricos se caracteriza en general por
responder a un aumento del par, con una reducción de la velocidad (a excepción del motor
sincrónico).
De acuerdo al grado de variación de la velocidad, se suele clasificar a las características mecánicas
de los motores en:
 Absolutamente rígida
o Ejemplo: Motor sincrónico
 Rígida
o Ejemplo: Motor asincrónico trifásico
 Suave
o Ejemplo:
 Motor DC, excitación serie

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 Motor DC, excitación compuesta
 Motor universal
Figura 2: Características mecánicas de motores (par motor)
1.2.1 Motor Trifásico de inducción
Como se había demostrado anteriormente, el par motor desarrollado por un MTI es:
𝑀 =
3 𝑉𝑓
2
𝑅2
′
𝜔𝑠 𝑠 𝑅1 +
𝑅2
′
𝑠
2
+ 𝑋1 + 𝑋2′ 2
Derivando M respecto a “𝑠”, e igualando a cero podemos obtener los máximos y mínimos del
par motor:
𝑑𝑀
𝑑𝑠
= 0 → 𝑠𝑐 =
𝑅2′
𝑅1
2
+ 𝑋1 + 𝑋2
′ 2
Donde
 𝑠𝑐: resbalamiento crítico
Reemplazando “s” por resbalamiento crítico en la ecuación del par tendremos una expresión
del par crítico:
𝑀𝑐 =
3 𝑉𝑓
2
2 𝜔𝑠 𝑅1 + 𝑅1
2
+ 𝑋1 + 𝑋2
′ 2

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Haciendo el cociente par / par crítico tenemos:
𝑀
𝑀𝑐
=
3 𝑉𝑓
2
𝑅2
′
𝜔𝑠 𝑠 𝑅1 +
𝑅2
′
𝑠
2
+ 𝑋1 + 𝑋2′ 2
3 𝑉𝑓
2
2 𝜔𝑠 𝑅1 + 𝑅1
2
+ 𝑋1 + 𝑋2
′ 2
Para simplificar la expresión llamaremos “𝑎” a la relación 𝑅1/𝑅2’, (que en las máquinas
asincrónicas vale aproximadamente 1), y nos queda:
𝑀 =
2 𝑀𝑐 (1 + 𝑎 𝑠𝑐)
𝑠
𝑠𝑐
+
𝑠𝑐
𝑠
+ 2𝑎𝑠𝑐
Simplificando aún más, podemos asumir que el producto 𝑎𝑠𝑐 es pequeño frente a 1 en el
numerador, y también 2𝑎𝑆𝑐 es pequeño frente a 𝑠/𝑠𝑐 cuando 𝑠 es alto, y pequeño frente a 𝑠𝑐/𝑠
cuando 𝑠 es menor que 𝑠𝑐. En consecuencia:
𝑀 ≅
2 𝑀𝑐
𝑠
𝑠𝑐
+
𝑠𝑐
𝑠
Para obtener el resbalamiento crítico a partir de datos de catálogo, puede considerarse que si
𝑠 = 𝑠𝑛, entonces 𝑀 = 𝑀𝑛 :
𝑀𝑛 =
2 𝑀𝑐
𝑠𝑛
𝑠𝑐
+
𝑠𝑐
𝑠𝑛
=
2 𝑀𝑐 𝑠𝑐 𝑠𝑛
𝑠𝑛
2 + 𝑠𝑐
2
De donde:
𝑀𝑛 𝑠𝑛
2
+ 𝑠𝑐
2
= 2𝑀𝑐 𝑠𝑐 𝑠𝑛
𝑀𝑛 𝑠𝑐
2
− 2𝑀𝑐𝑠𝑛𝑠𝑐 + 𝑀𝑛𝑠𝑛
2
= 0
Resolviendo la ecuación cuadrática para 𝑠𝑐:
𝑠𝑐 =
2 𝑀𝑐𝑠𝑛 ± 2 𝑀𝑐 𝑠𝑛
2 − 4𝑀𝑛
2 𝑠𝑛
2
2 𝑀𝑛
En la ecuación anterior el signo (+) corresponde al régimen motor, mientras que el signo (-)
corresponde al motor utilizado como generador (el estudio del régimen generador excede al
alcance de este apunte).

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De aquí se puede definir el factor "𝜆" como:
𝜆 =
𝑀𝑐
𝑀𝑛
En consiguiente, es posible definir al resbalamiento crítico en función de "𝜆" como:
𝑠𝑐 = 𝑠𝑛 𝜆 ± 𝜆2 − 1
Obsérvese que 𝑀𝑛 , 𝑀𝑐 (por lo tanto 𝜆) y 𝜔𝑛 (por lo tanto 𝑠𝑛) son datos típicos de catálogo.
Ejemplo:
Siendo los datos de un motor de 75 CV, 4 polos los siguientes y
𝑀𝑐
𝑀𝑛
= 2.5:
𝜔𝑛 = 1475 𝑟𝑝𝑚
→ 𝑠𝑛 =
𝜔𝑠 − 𝜔𝑛
𝜔𝑠
=
1500 − 1475
1500
= 0.0167
El par crítico es:
𝑠𝑐 = 0.0167 2.5 + 2.52 − 1 = 0.08
Con ello, puede hallarse la velocidad mecánica en el eje a la cual se producirá el par crítico:
𝜔(𝑀𝑐) = 𝜔𝑠 1 − 𝑠𝑐 = 1500 𝑟𝑝𝑚 1 − 0.08 = 1380 𝑟𝑝𝑚

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2. Principales métodos de arranque de un MTI
El motor trifásico de inducción es el tipo de motor eléctrico más utilizado en todas las industrias, entre
algunas razones, debido a su gran simplicidad constructiva, flexibilidad de aplicación y economía de
operación. Desde su invención, se han desarrollado métodos de arranque que mejor se ajusten al
proceso y buscan mitigar el impacto del arranque sobre la red eléctrica y sobre la carga mecánica. A
continuación se estudiará una introducción a los principales métodos de arranque de motor trifásico de
inducción.
2.1 Arranque directo
El arranque directo es el método más simple para arrancar un motor trifásico de inducción.
Consiste simplemente en conectar los devanados estatóricos directamente con el cierre de
contactos de potencia (contactores).
Figura 3: a) Variación de la tensión (valor RMS) aplicada a los devanados estatóricos. b) Diagrama unifilar simplificado
Figura 4: Evolución de la corriente absorbida (estatórica) y de la cupla desarrollada con la velocidad mecánica 𝒏
(a) (b)
(a) (b)

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Principales características:
 Corriente de arranque = 4 … 8 𝐼𝑛 (dependiendo del motor)
 Par de arranque = 1.5 … 3 𝑀𝑛 (dependiendo del motor)
 Alta aceleración con alta corriente de arranque
 Alto estrés mecánico producido a la carga y partes móviles del motor
 Impacto sobre la red eléctrica: Alto
En este tipo de arranque se producen grandes corrientes de arranque, lo cual puede causar efectos
sobre la red a la que se encuentra conectado el MTI (caídas de tensión).
En motores cuyas corrientes de arranque superan los 30 A, y que sean arrancados numerosas
veces se deben tomar acciones para prevenir la ocurrencia de valles de tensión en el resto de la red
eléctrica. Los motores con potencias que excedan 4 kW y tensiones nominales del orden de
400/690 V pueden ser arrancados utilizado un arranque estrella-triángulo (Ver apartado 2.2).
Pese a sus desventajas, el arranque directo es el método más simple y económico de puesta en
marcha, por lo tanto el preferido si la red y el accionado lo admiten. Las limitaciones impuestas
por el accionado son dos:
2.1.1 Limitaciones impuestas por el accionado
1. Cupla insuficiente.
Evidentemente si la cupla exigida por el accionado antes de alcanzar la velocidad de régimen
es mayor que la que puede suministrar el motor este no arrancará, o detendrá su aceleración
antes que alcance la velocidad nominal, como puede apreciarse en los ejemplos “a y b” de la
Figura 5.
n [rpm]
M
[N.m]
Mm
Mr
n [rpm]
M
[N.m]
Mr
Mm
(a) (b)
n [rpm]
M
[N.m]
Mm
(c)
Mr
Figura 5: Variación del par motor y del mar resistente en un accionamiento en tres casos. a) El motor no
arranca. b) el motor arranca pero no alcanza la velocidad nominal. c) el motor arranca y alcanza la velocidad
nominal, donde ambas cuplas se equilibran y se establece el régimen permanente (
𝒅𝝎
𝒅𝒕
= 𝟎)
Antes de pasar a otros métodos más costosos, puede considerarse la posibilidad de usar un
motor con doble jaula o jaula trapezoidal, que como es sabido poseen mayor cupla de
arranque, aunque menor cupla máxima, rendimiento y factor de potencia.

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2. Exceso de cupla.
Cuando la cupla motora excede en mucho a la antagónica pueden surgir aceleraciones
inadmisibles, ya sea desde el punto de vista operativo, por ejemplo al accionar un ascensor, o
desde el punto de vista de los esfuerzos mecánicos ligados al tamaño del eje, forma de
lubricación y momento de inercia.
Además de las limitaciones del accionado, deben tenerse en cuenta las limitaciones impuesta
por los efectos ocasionados sobre la red, lo cual es profundizado en el apartado 2.1.2.
2.1.2 Efectos del arranque sobre la red
El arranque de un motor asincrónico es una carga dinámica que la red debe estar preparada
para absorber. Si no es así deberán tomarse medidas correctivas ya sea sobre la carga y/o sobre
la red.
En cuanto a las limitaciones impuestas por la red, tambié decir que tiene dos aspectos:
Como es sabido, el motor asincrónico trifásico con rotor en jaula de ardilla, toma una corriente
en el arranque del orden de cinco a siete veces la corriente nominal, siguiendo un curso a
medida que aumenta su velocidad como indica la Figura 4.a.
Debe considerarse que estas curvas son válidas solo si la potencia de cortocircuito de la red es
prácticamente infinita comparada con la potencia del motor. De no ser así, habrá que
considerar que la caída de tensión provocada durante el arranque en el punto de acometida
común con otras cargas no afecte el funcionamiento de estas.
Esto por supuesto depende de la magnitud de la caída, de la frecuencia de los arranques y de la
naturaleza de dichas cargas. Una caída del 15 % suele ser admisible si el arranque no es
frecuente, si no se afecta a protecciones de mínima tensión, u otras cargas susceptibles.
El cálculo de caída de tensión puede hacerse usando el dato de corriente de arranque con su
cos phi, lo cual supone que la corriente no se verá afectada por la caída de tensión, o si se
quiere hacer con mayor exactitud, calculando la impedancia equivalente del motor
(correspondiente al arranque) e incluirla en el circuito equivalente de la red con el motor.
Figura 6: Red ejemplo para el cálculo del efecto del arranque del MTI sobre la red

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Si se considera la influencia de la red sobre la corriente de arranque:
𝑍𝑀 =
𝑉𝑛𝑓
𝐼𝑎𝑟𝑟𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒
= 0.275 + 𝑗 0.874 Ω
𝐼𝑎𝑟𝑟𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 =
𝑉𝑛𝑓
𝑍
= 222 ∠67° 𝐴
∆𝑢
𝑢
=
3 𝐼𝑎𝑟𝑟𝑎𝑞𝑢𝑒
𝑢
𝑅 𝑐𝑜𝑠𝜑 + 𝑋𝑠𝑖𝑛𝜑 = 0.078 → ∆𝑢% = 7.8%
La cupla del motor es proporcional al cuadrado de la tensión. Por lo tanto el arranque con
cupla antagónica alta puede verse comprometido si la caída de tensión es importante.
Siguiendo el ejemplo anterior, como una caída de tensión del 7.8% la tensión valdrá el 92.2%,
y la cupla el 85%.Si se considera que por el efecto de las cargas la tensión en barras ya era un
5% menor, entonces la cupla valdrá un 76%.
La reducción de cupla es máxima en el pico inicial de la corriente de arranque, y la curva de
cupla real se va “ajustando”, a la curva ideal, a medida que el motor acelera, y la corriente
disminuye.
Cuando la caída de tensión producida durante el arranque directo se hace inadmisible por
efecto provocado sobre otras cargas, pero el accionado admite reducir la cupla motora, se
recurre a los métodos de reducción de tensión como arranque estrella-triangulo (2.2), auto
transformador(2.3) o arranque suave (2.6) (dichos métodos de arranque son denominados “de
tensión reducida”, ya que se basan en controlar la magnitud de la tensión aplicada a los
devanados estatóricos del motor) .
Por otro lado, cuando es necesario disminuir la corriente de arranque sin disminuir la cupla,
incluso aumentarla, se recurre al arranque con resistencias rotóricas (2.4) o al arranque
utilizando un variador de frecuencia (2.7).
2.1.3 Alimentador asociado al método de arranque directo
El bloqueo del rotor (condición de rotor bloqueado) por alguna falla mecánica es una falla
grave que puede devenir en la destrucción térmica y dieléctrica del motor. Por esta razón, el
alimentador del motor debe incluir un dispositivo de protección basado en detección de
sobrecorriente para prevenir este tipo de sobrecarga térmica (recordar que cuando el rotor se

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bloquea, el deslizamiento es 𝑠 = 1 y con ello, la corriente máxima circula por el estator y por
el rotor, ya que la resistencia de carga 𝑅𝑐 = 𝑅2
′ 1−𝑠
𝑠
en el circuito equivalente se hace mínima).
Una solución económica y eficiente consiste en la instalación de un relé térmico en serie con
la alimentación del motor, también denominado guardamotor o relé de protección de motores.
Figura 7: Alimentador de motor para arranque directo, incorporando un relé térmico con sus contactos y un contactor de
potencia. (nota: el conductor PE corresponde al conductor de puesta a tierra de la instalación, el cual es conectado a la
carcasa del motor para derivar corrientes de fuga en caso de disminuir la resistencia de aislación de alguno de los
devanados estatóricos con respecto a la carcasa)
Figura 8: Esquema unifilar simplificado del alimentador

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2.2 Arranque estrella-triangulo:
El arranque estrella-triángulo consiste en arrancar el estator del motor conectado en conexión
estrella, y cuando la velocidad se estabiliza luego de un periodo de tiempo, conmutarlo a conexión
triangulo, completándose así la aceleración y el proceso de arranque.
Figura 9: Evolución de la corriente y del par motor en un arranque estrella-triángulo
 Corriente de arranque = (1.3…3)In (33% de la corriente de arranque directo)
 Par de arranque = (0.5…1) Mn (33% del par de arranque desarrollado en arranque
directo)
 Arranque con tensión reducida, disminuyendo los valores de corriente y par de arranque
 Ocurrencia de un pico de corriente y de par motor, durante la conmutación de la conexión
estrella a la conexión triángulo.
Área de aplicación
 Accionamientos que pueden arrancar sin carga mecánica, la cual es conectada
mecánicamente cuando el MTI ha completado el arranque y alcanzado la velocidad de
régimen.

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La cupla motora de un motor asincrónico trifásico es proporcional al cuadrado de la fuerza
electromotriz, que en términos prácticos puede considerarse igual a la tensión aplicada. Por lo
tanto:
𝑀𝑚 = 𝑓 (𝑉𝑓
2
)
La corriente en los devanados del rotor es proporcional a la tensión aplicada:
𝐼2 = 𝑓(𝑉𝑓)
Al hacer la conexión inicial en estrella, la tensión aplicada a cada bobina valdrá 1/ 3 respecto de
la conexión en triángulo, por lo tanto la cupla valdrá
1
3
2
=
1
3
de la cupla en triángulo.
La corriente en cada bobina se reduce también a
1
3
y por lo tanto, en la línea se reduce a
1
3
.
(Ver Figura 9 y Figura 10)
VL
= 380 V
L
= 380 V
Estator del MTI , conexión D
Estator del MTI , conexión Y
L
= 300 A
I
f
= 173 A
I
IL = If = 100 A
V
Figura 10: Relación de corrientes de línea en un arranque estrella - triángulo
Evidentemente este método de arranque es apto solo para accionados cuya cupla antagónica sea
inicialmente reducida, y creciente con la velocidad, como por ejemplo, ventiladores, compresores
y bombas rotativas, y en general maquinas que arrancan en vacío.

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En el caso de que la corriente de arranque original para arranque directo sea inaceptable en
términos de efectos sobre la red a la que está conectado el motor, se puede inferir un criterio para
diseñar el sistema, el cual surge de considerar al arranque satisfactorio si el pico de corriente en la
conmutación no resulta mayor que el pico inicial. De no lograrse esto, se pierde el objetivo
principal que es reducir la caída de tensión durante el arranque.
Una ventaja adicional de la conexión estrella-triángulo es que si en marcha, se presentara a
menudo y por lapsos prolongados en estado de baja carga o marcha en vacío, se puede conmutar a
estrella, mejorándose sensiblemente el factor de potencia y el rendimiento.
2.2.1 Alimentador asociado al arranque estrella-triángulo
La conmutación de la conexión estrella a triángulo de los devanados del estator del motor es
llevada a cabo por medio de un relé temporizado que actúa sobre contactores en el circuito del
alimentador. El tiempo de arranque requerido depende de la carga mecánica, y no debería
conmutarse a triángulo por lo menos hasta que el motor haya alcanzado el 75 u 80% de su
velocidad nominal (𝑛𝑛) para asegurar que la mínima post-aceleración sea necesaria a
desarrollar en la conexión triángulo. (Nota: Debe recordarse que las corrientes asociadas al
proceso de post-aceleración en conexión triángulo son grandes, tal como en el caso de
arranque directo, y este es el efecto que justamente se busca mitigar).
Al arrancar en la conexión estrella, el contactor de estrella primero conecta entre sí a los
terminales de devanado U2, V2,W2, para formar una estrella. Luego, el contactor principal
aplica la tensión de línea a los terminales de devanado U1,V1,W1. Luego de que el tiempo
seteado se haya alcanzado, el relé temporizado emite una orden de apertura al contactor de
estrella, y una orden de cierre al contactor de triángulo con fin de conectar a los terminales U2,
V2,W2 con la tensión de red.
Figura 11: Alimentador para arranque estrella-triángulo

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2.3 Arranque por autotransformador:
Este método de arranque en principio es igual al arranque estrella-triangulo, ya que se trata de
disminuir la corriente aplicando tensión reducida a los devanados estatóricos. Sin embargo, en este
caso se tiene la oportunidad de contar con más de un escalón hasta llegar a la tensión nominal, y
además se puede elegir un valor de tensión pare cada escalón que resulte adecuado. Por cuestiones
económicas es conveniente en primer lugar considerar los valores de tensión del
autotransformador de construcción estándar.
Se ha visto antes que como para determinadas curvas de cupla antagónica no resultaba
conveniente el arranque estrella-triangulo, ya que el pico de corriente en la conmutación se hacía
inadmisiblemente elevado. En estos casos se hace especialmente adecuado este tipo de arranques
ya que se dispone de valores intermedios de tensión elegidos de tal forma que la corriente no
supere el valor predeterminado. En la Figura 12 se muestra mediante un equivalente monofásico la
variación de corriente en la línea al aplicar una tensión del 50%.
La cupla igual que la corriente se reduce al 25%
Figura 12: Variación de la corriente de línea a partir de la inserción de un autotransformador que reduce la tensión de
arranque
En la Figura 13 se observa como se mantiene la corriente debajo del 50% del arranque directo,
pasando al 70% al 86% y al 100% de la tensión. Las cuplas correspondientes son del 50, 75 y
100% con respecto al arranque directo.
Figura 13: Modificación de la corriente de línea y del par motor a partir de la inserción de autotransformador

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2.4 Arranque por resistencia rotórica
Para ponerse en marcha un accionamiento con cupla antagónica elevada durante todo el proceso
de arranque, no se puede recurrir a los sistemas de tensión reducida (antes mencionados), ya que
en estos se reduce notablemente la cupla motora.
En este caso, si no es necesario reducir la corriente de arranque, se podrá optar por el arranque
directo, eligiendo un motor con elevada cupla de arranque, estos son los de doble jaula. Debe
considerarse que para igualdad de características un motor de este tipo tiene menos rendimiento y
menor factor de potencia. Cuando la cupla del motor con doble jaula no fuera suficiente o cuando
además de aumentar la cupla se necesita reducir la corriente de arranque, se debe recurrir a un
motor de rotor bobinado y anillos rozantes.
También suele ser imprescindible el arranque con resistencias cuando las condiciones de arranque
son difíciles desde el punto de vista térmico, es decir, cuando debe acelerar una gran masa de
inercia. Al contrario que en el rotor jaula donde el calor del proceso de arranque (o frenado), se
desarrolla solo en el rotor, en el caso de motor con anillos rozantes, una parte importante de calor
se disipa en la resistencia externa al mismo.
Puede obtenerse una familia de curvas características eligiendo sobre las mismas, las adecuadas
para el accionamiento, según sea el fin definido.
2.4.1 Curvas características en caso ejemplo
Figura 14: Modificación de la curva de par motor a partir de las conmutaciones de resistencia rotórica. Los números sobre las
curvas indican la razón (R2’ total / R2’). En la curva indicada con (1) no se intercala resistencia rotórica adicional en serie con el
rotor devanado.

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M
[N.m]
n [rpm]
Característica Mecánica de un arranque a resistencia rotórica por etapas
Mm [Nm] Mr MmA [Nm]
I2'
[A]
n [rpm]
Corriente rotórica referida al estator'
I2' [A] I2 lim [A]

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2.4.2 Alimentador asociado al arranque por resistencias rotóricas
0,0E+00
2,0E+01
4,0E+01
6,0E+01
8,0E+01
1,0E+02
1,2E+02
0
200
400
600
800
1000
1200
[rev/min2]
[rev/min]
t [s]
Velocidad y aceleración rotórica
n [rpm] a [rad/s2]

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L1
L2
L3
3 ~ 50Hz 380V
F1F
K1M
3 ~
K3A
K2A
K1A
R1A
1
2
3
4
5
6
K1M
PE
M
1
2
3
4
5
6
U V W
Figura 15: Alimentador asociado al arranque por resistencias rotóricas
2.5 Circuito de mando / control

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F3F
L1
F2F
S0Q
S1Q K1M
K3A K2A K1A
K1A
K2A
K3A
K2A
K3A
K3T K2T K1T
K1A
K2A K1A
K1M K3A K3T K2A K2T K1A K1T
Figura 16: Circuito de mando asociado al alimentador para el método de arranque por resistencias rotóricas
Funcionamiento:
1. Al pulsar el pulsador S1Q se energiza la bobina auxiliar del contactor K1M, el cual tensiona
(con tensión de red) al estator del motor. Además se energiza la bobina K1T del contacto
temporizado K1T, empezando a contar un tiempo t1.
2. Cuando el temporizador K1T llega al tiempo t1, se cierran los contactos del contactor K1A
(NA), energizando también a la bobina auxiliar K1A (y enclavándose) que cierra los contactos
del contactor K1A , desintercalando el último tramo de la resistencia adicional puesta en serie
con el rotor del MTI.
3. Cuando se alcanza el tiempo t2, se cierra el contacto temporizado K2T, energizando a la
bobina del contactor K2A, provocando esto que se desintercale el segundo tramo de resistencia
rotórica adicional. Como K2A se energizó, abre el contacto K2A (NC) desernegizando a la
bobina K1A (ya no hace falta que estén sus contactos cerrados pues K2A la inutiliza al
puentear a la resistencia adicional en un punto más arriba)

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El mismo procedimiento ocurre hasta que se alcanza el tiempo final t3 , cuando se desintercala
toda la resistencia adicional (puenteado en su punto superior con el contacto K3A)
2.6 Arranque utilizando un arrancador suave
En muchos casos, el arranque directo y el arranque estrella-triángulo no son la mejor solución para
arrancar el motor trifásico de inducción, ya que grandes corrientes pico pueden influenciar a la red
eléctrica y la conmutaciones de ambos tipos de arranque puede someter a esfuerzos mecánicos
(estrés) a los componentes de la máquina.
El arrancador suave (en inglés, soft starter) provee una solución a dichos problemas, ya que
proporciona una tensión que crece en el tiempo en forma de rampa continua, libre de
conmutaciones, consiguiendo así disminuir los picos de corriente de arranque y valores alto de
cupla mecánica ya que las conmutaciones son eliminadas. La tensión aplicada a los devanados
estatóricos del motor es entonces aumentada desde un valor prefijado hasta el valor nominal
durante un tiempo también configurable. El arrancador suave también es capaz de controlar la
detención de marcha del motor al realizar el proceso inverso (reducir progresivamente la tensión
aplicada a terminales).
Los arrancadores suaves son preferidos para aplicaciones en que el arranque se realiza bajo carga
(es decir, con la carga mecánica conectada al eje del motor desde el inicio). Además, éste
dispositivo es preferible por sobre los arrancadores estrella-triángulo, ya que suele ser más
económico que estos últimos, y además, implica un menor gasto de energía durante el proceso de
arranque (algo ideal cuando se trata de motores de gran potencia).
 Impacto sobre la red eléctrica: Mediano a bajo
 Corriente de arranque= (2…6)In (Reducida por control de tensión)
 Par de arranque = (0.1 ... 1) Mn (controlado por tensión: 𝑀𝑚 ∝ 𝑉2
)
 Característica de arranque configurable
 Aplicable a accionados que requieran un aumento progresivo del par y/o reducción de
corriente.

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Figura 17: Características de corriente y de par en función de la velocidad
La tensión aplicada a los terminales del motor es modificada por el dispositivo al controlar la
forma de onda de la tensión por medio de rectificadores controlado. Para ello, típicamente se
implementan dos tiristores en anti-paralelo por fase: uno de ellos para controlar el semiciclo
positivo y el otro para el negativo.
Figura 18: a) Construcción de una rampa positiva por medio de tiristores y modificación de la forma de onda de la tensión
aplicada. b) Rampa de tensión aplicada (gráfico de valores RMS vs tiempo)
Luego de que el tiempo de arranque ha sido alcanzado y la tensión aplicada a alcanzado el tope de
la rampa, (condición TOR, o Top of Ramp), los tiristores son puenteados por medio de un
contactos de bypass.
Debe señalarse que el tiempo de seteado de rampa de arranque (t arranque) no necesariamente
coincidirá con el tiempo total de aceleración mecánica del rotor del motor, ya que dicho tiempo es
dependiente del momento de inercia 𝐽 de la carga mecánica y de la curva de par motor del MTI.
2.6.1 Alimentador asociado al método de arranque por arrancador suave
(a)
(b)

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El controlador se sitúa en serie con la alimentación al MTI, aguas abajo de los elementos de
protección (guardamotor).
Figura 19: Alimentador asociado al método de arranque por arrancador suave
2.7 Arranque utilizando variador de frecuencia
Los variadores de frecuencia son la mejor solución para implementar arranques continuos y sin
conmutaciones para motores trifásicos de inducción. Poseen la capacidad de variar la frecuencia
de la tensión aplicada al estator del motor, como así también su módulo. Cuentan además con
funciones de limitación de corriente que previene los picos de corriente en la red, y mitigan los
esfuerzos mecánicos en las diferentes partes de la máquina.

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 Impacto sobre la red eléctrica: Bajo
 Corriente de arranque= (0.1…2)In (Ajustable)
 Par de arranque = (0.1 ... 2) Mn (controlado por tensión y frecuencia: 𝑀𝑚 ∝ 𝑉/𝑓)
 Alto par motor con baja corriente
 Aplicable a accionados que requieran un arranque suave controlado y/o control de velocidad
Figura 20: Evolución de corriente y de par con la velocidad mecánica, utilizando un variador de frecuencia
Además de proveer un arranque suave, un variador de frecuencia también provee control de
velocidad por medio del control de la frecuencia de la tensión aplicada a los terminales de los
devanados estatóricos del motor. Como es sabido, los motores que se conectan directamente a la
red eléctrica sólo pueden alcanzar condiciones de régimen permanente en un único punto de
operación nominal para una carga dada (es decir, especificaciones de valores nominales de
potencia, velocidad y par). Sin embargo, los motores que se conectan a la red a través de un
variador de frecuencia pueden ser utilizados en un amplio rango de velocidades.
Por ejemplo:
𝑉𝑖 = 4 [𝑉] con 𝑓 = 0.5 [𝐻𝑧]
hasta
𝑉𝑖 = 400 [𝑉] con 𝑓 = 50 [𝐻𝑧].
Donde:
 𝑉𝑖 magnitud de la tensión de alimentación aplicada a los terminales del MTI
 𝑓 frecuencia de la tensión de alimentación aplicada a los terminales del MTI
El hecho de que la relación “magnitud de la tensión de entrada vs. frecuencia de la tensión de
entrada” (𝑉𝑖 /𝑓) sea mantenida constante en todo el rango de velocidades garantiza que en todos
los puntos de operación se mantenga también constante el par motor nominal aplicado a la carga
mecánica (𝑀𝑚 = 𝑀𝑛 ∀ 𝜔).

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Cuando se compara con las soluciones anteriormente descriptas, los variadores de frecuencia
parecen ser, a primera vista, la solución más costosa en términos económicos. Esto se explica por
el costo intrínseco del equipo y la necesidad de instalar otras medidas como apantallamiento de los
cables del motor y filtros para compatibilidad electromagnética. Pero en algunos casos, la
combinación de los siguientes factores conlleva en última instancia a un beneficio económico que
convierte al variador de frecuencia en una solución conveniente.
 Arranque suave
 Eficiencia energética
 Optimización del proceso (mediante el control de velocidad)
La combinación de beneficios anteriormente mencionada se puede conseguir en aplicaciones
relacionadas a grandes bombas y sopladores, ya que al ajustar la velocidad de rotación a las
necesidades del proceso, y por la compensación de interferencia externa, el sistema garantiza una
mayor vida útil y seguridad funcional al proceso. Además, se pueden mencionar las siguientes
ventajas adicionales:
 Proporciona de una mayor estabilidad en la velocidad mecánica 𝜔𝑚 ante fluctuaciones de
la carga mecánica (se llegan a alcanzar fluctuaciones menores a 1%)
 Opción de una conmutación automática de sentido de giro, ya que el campo rotante 𝐵𝑆 es
generado en forma electrónica.
 Funciones de protección de motor avanzadas integradas en el equipo (por ejemplo,
protección por 𝐼2
𝑡, la cual tiene en cuenta la corriente medida y el tiempo en el que esa
corriente es desarrollada. Es demostrable que el integral ∫ 𝐼2
𝑡 𝑑𝑡 es directamente
proporcional a la energía térmica desarrollada en el interior del motor (necesaria a disipar).
Además, pueden ser implementados control de temperatura mediante la confección
modelos térmicos avanzados del motor y el monitoreo de termistores (dispositivos
sensores de temperatura) que pueden instalarse directamente sobre el motor. Así es posible
garantizar protección contra sobrecargas y también contra sub-cargas.
2.7.1 Operación del variador de frecuencia
El variador de frecuencia opera como un convertidor de potencia, en el circuito principal del
alimentador del motor. Posee una etapa de conversión de corriente alterna a continua (la salida
de dicha etapa es comúnmente denominada DC Link), y una segunda etapa donde una nueva
forma de onda es generada en forma electrónica, con posibilidad de variación de su frecuencia
y amplitud. Entre ambas etapas es utilizado un capacitor para proveer al equipo de la energía
reactiva que requiere el MTI para funcionar, de manera de que a efectos de la red, el conjunto
“variador de frecuencia – motor trifásico de inducción” se comporta como una carga resistiva
(cos 𝜙 ≈ 1).
Figura 21: Rectificación de la entrada de tensión senoidal a un valor de tensión continua (DC link)

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Figura 22: Forma de onda a la salida del variador de frecuencia: generación de una forma de onda controlable (a partir de la
generación de pulsos) en amplitud y frecuencia
Figura 23: Esquema simplificado de un variador de frecuencia
Rectificación de la
tensión de entrada
DC link Generación de la nueva
forma de onda,
controlable en
frecuencia y amplitud

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2.7.2 Alimentador asociado al arranque por medio de variador de frecuencia
Los componentes electromecánicos que se conecten a la entrada del variador de frecuencia
(como fusibles y contactores principales) deben ser dimensionados de acuerdo a la corriente de
entrada del equipo. Por otro lado, los componentes que se conecten a la salida del variador de
frecuencia (por ejemplo, cables de motor, filtros y reactores) deben ser dimensionados de
acuerdo a la corriente nominal operacional del motor.
Figura 24: Alimentador asociado al arranque por medio de variador de frecuencia
3. Placa característica de un MTI y aspectos prácticos
Para conectar un MTI a la red, debe verificarse que los valores de tensión y frecuencia nominal de la
placa característica se correspondan con los de la red.
La conexión típicamente es implementada a través de seis tornillos terminales de conexión, en la caja
de terminales del motor. Cada uno de los dos terminales corresponde a los extremos de devanado
estatórico de cada fase (tres pares). En dicha conexión se puede conectar el estator en estrella o en
triángulo
Generalmente, las propiedades de un MTI están definidas es normas o estándares (DIN/VDE 0530,
IEC/EN 60034). Sin embargo, los detalles del diseño constructivo dependen del dominio de los
fabricantes. Por ejemplo, en pequeños motores (P< 4kW) se suelen encontrar motores sin caja de
terminales, donde los devanados están conectados internamente en estrella y solamente tres cables de
conexión se encuentran disponibles para conectar a la red.
Sin importar de la configuración de diseño (con o sin caja de terminales), las conexiones de un MTI
deben estar denotadas en secuencia alfabética (por ejemplo, U1, V1, W1) tal que si se conecta

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directamente a la red (L1, L2, L3) el rotor del motor gire en sentido horario (el sentido de rotación es
determinado al ver de frente al eje del motor).
Figura 25: Sentido de rotación del eje según la conexión de los terminales, respetando el orden alfabético de sus denominaciones
3.1 Conexión del estator en estrella
Para conectar al estator del MTI en estrella, se encuentra estandarizado que en la caja de
terminales los terminales deben ser conectados de la forma indicada (puenteando terminales
W2,U2,V2):
Figura 26: a) esquema de conexión en estrella en la bornera de terminales. b) Diagrama de los devanados estatóricos conectados en
estrella
3.2 Conexión del estator en triángulo
Figura 27: a) esquema de conexión en triángulo en la bornera de terminales. b) Diagrama de los devanados estatóricos
conectados en triángulo

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3.3 Ejemplo
El MTI cuya placa característica es mostrada en la Figura 28 brinda una especificación de tensión
de 230/400V. A partir de dicha especificación, se infiere que cada devanado del estator está
diseñado para soportar un máximo de 230 V en forma permanente.
Figura 28: Placa característica ejemplo, donde se denota que los devanados estatóricos pueden recibir hasta 230 V
(aplicados en forma directa)
De esta forma, se determina:
 MTI: estator en estrella Tensión de línea máxima de la red: 400V
 MTI: estator en triángulo Tensión de línea máxima de la red: 230V
 En el caso de una red con tensión de línea 400V (≈ 380V), el MTI debe ser conectado en
estrella
3.4 Especificaciones típicas de un MTI: placa de terminales
La placa característica de un MTI provee la información sobre el mismo y determinar si el mismo
está correctamente seleccionado para la aplicación. En la figura se muestra un ejemplo de una
placa característica de un motor Siemens construido bajo normas NEMA. Las especificaciones se
dan para operación en Estados Unidos (señalado en rojo) y en Europa (señalado en azul).

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Figura 29: Placa característica de un MTI
Son especificadas las tensiones nominales y las corrientes nominales para cada conexión y
frecuencia eléctrica.
Comentario sobre especificación de velocidad nominal
Se proporciona el dato de velocidad nominal del motor, para la operación bajo tensión nominal,
frecuencia y carga mecánica nominal. Debe recordarse que si el MTI es operado con una carga
mecánica menor, su velocidad mecánica será ligeramente mayor que la velocidad nominal.

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La velocidad nominal de este motor es 1770 rpm (a 60Hz) y 1475 (a 50 Hz). A partir del dato de
velocidad nominal para cualquier de las dos frecuencias, puede determinarse que el MTI fue
diseñado con P=2 pares de polos en su estator, y que su velocidad sincrónica será 1800 (a 60Hz) y
1500 rpm (a 50Hz).
4. Elección de un MTI
Para la elección de un MTI, los siguientes factores deben ser tenidos en cuenta:
 Características de la carga mecánica
o Tipo de servicio
o Potencia mecánica del accionado (si es posible, la curva de par resistente-velocidad
𝑀𝑟(𝑛))
 Características de la red de alimentación
o Tensión de red
o Frecuencia de red
o Potencia de cortocircuito en el punto de conexión (concepto que cuantifica la
impedancia serie hasta el punto de la red donde el MTI es conectado)
o Tipo de cargas que se conectan a la misma red eléctrica que el MTI, con fin de evaluar
su sensibilidad a fluctuaciones de tensión de alimentación en caso de que el efecto del
arranque del MTI sea apreciable (esto puede influir sobre la elección del método de
arranque del MTI).
 Características del ambiente donde será instalado el MTI
o Tipo de atmósfera (Explosiva, normal, etc.). Este factor influye sobre el grado de
protección “IP” del MTI. Por ejemplo, en el caso de una atmósfera explosiva, cualquier
tipo de producción de chispa debe ser mitigada o aislada del ambiente exterior.
o Temperatura ambiente

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5. Bibliografía
[1] M. Chilikin, Accioanamientos Eléctricos, Editorial MIR, 1979.
[2] S. J. Chapman, Máquinas Eléctricas - Tercera Edición, McGrawHill.
[3] R. O. Ferreyra, Apuntes del curso - Cátedra "Accionamientos Eléctricos" - Área Instalaciones
Eléctricas - Departamento de Ingeniería Eléctrica - Facultad de Ingeniería - UNMDP, Mar del Plata,
2016.
[4] J. Randermann, «Technical paper - Starting and control of three-phase asynchronous motors,» Eaton
Corporation - Electrical Sector - EMEA - Moeller, 2010.
[5] Siemens AG, «Basics of AC Motors,» de quickSTEP Online Course - Siemens LMS.

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