Corriente de Arranque en Motores de Inducción: Comprendiendo el Fenómeno
Los motores de inducción, ampliamente utilizados en aplicaciones industriales, se caracterizan por una peculiaridad: la corriente de arranque, que puede ser significativamente mayor que la corriente de funcionamiento normal. En este artículo, exploraremos las razones detrás de este fenómeno, las desventajas que presenta y las soluciones para mitigarlo.
¿Por qué los Motores de Inducción Tienen una Alta Corriente de Arranque?
La corriente de arranque de un motor de inducción puede llegar a ser 5 o 6 veces superior a la corriente nominal de carga completa. Por ejemplo, un motor de 11 kW, 22 amperios y 440 voltios podría consumir una corriente de arranque de aproximadamente 132 amperios. Esta corriente decrece gradualmente a medida que el motor acelera hacia su velocidad base o velocidad sincrónica.
Las razones de esta alta corriente de arranque se pueden resumir en dos puntos principales:
Características Inductivas
Un motor de inducción puede considerarse como un transformador con una bobina primaria y una bobina secundaria, la cual está conectada a una carga que varía su impedancia. La bobina secundaria, en este caso, es un circuito simple de una sola vuelta. La impedancia de la carga en el rotor está formada por una resistencia baja (R) y una inductancia baja (L). Por lo tanto, la impedancia se calcula como:
Z = (R + jwL), donde:
- w: Frecuencia, que varía con la rotación del rotor hasta alcanzar cero cuando el rotor alcanza la velocidad sincrónica.
- R: Resistencia.
- L: Inductancia.
- Z: Impedancia.
Cuando el rotor de un motor de inducción está detenido, la corriente en los bucles conductores cortos del rotor es muy alta debido a la baja resistencia y inductancia, mientras que la frecuencia efectiva es la de la frecuencia de alimentación. Esta alta corriente en el rotor genera su propio campo magnético que se opone al campo magnético principal del estator, lo que debilita el campo del estator. Como resultado, la fuerza contraelectromotriz (FEM) en el estator disminuye, haciendo que la tensión de alimentación sea mucho mayor que la FEM del estator. Esto provoca un aumento significativo en la corriente de alimentación, que es la corriente de arranque.
En términos de impedancia, la impedancia del rotor se define como Z = (R + jwL), donde w es la frecuencia. Esta frecuencia es alta al inicio y disminuye a medida que el rotor comienza a girar, hasta alcanzar cero a la velocidad sincrónica. En otras palabras, la impedancia del rotor disminuye a medida que el motor acelera.
Deslizamiento (Slip) Inicial del Motor
La tensión inducida en el rotor depende de la velocidad relativa entre la velocidad sincrónica del campo magnético rotatorio y la velocidad del rotor.
Al inicio, el rotor está en reposo, por lo que su velocidad es cero. En este momento, la diferencia entre la velocidad sincrónica del campo magnético rotatorio y la velocidad del rotor es máxima. Esta diferencia se conoce como deslizamiento (slip) del motor.
El deslizamiento del motor se expresa mediante la siguiente ecuación:
S = (Ns - Nr) / Ns 100, donde:
- S: Deslizamiento.
- Ns: Velocidad sincrónica del motor = 120 f / P, donde f es la frecuencia de alimentación y P es el número de polos.
- Nr: Velocidad del rotor.
Dado que la velocidad del rotor es cero al inicio, los conductores del rotor cortan el flujo máximo, induciendo una tensión máxima en el rotor. A medida que el motor acelera, la velocidad del rotor se alinea con la velocidad sincrónica del motor y el deslizamiento se reduce.
La tensión inducida en el conductor del rotor se puede expresar como:
Er = S Es, donde:
- Er: Tensión del rotor.
- S: Deslizamiento.
- Es: Tensión del estator.
Al inicio, el deslizamiento del motor es igual a la unidad, y la tensión inducida en el rotor es igual a la tensión del estator. La tensión inducida en el rotor disminuye a medida que el motor acelera hacia su velocidad base. Er = Es cuando Nr = 0 y el deslizamiento =
Es evidente que la tensión inducida en el rotor es máxima al inicio del motor. Para limitar la corriente de arranque de un motor de inducción, se utilizan dispositivos como los arrancadores de autotransformador y los variadores de frecuencia (VFD).
Desventajas de las Altas Corrientes de Arranque en Motores de Inducción
Las altas corrientes de arranque en los motores de inducción pueden tener consecuencias negativas para el sistema eléctrico y el propio motor:
Caídas de Tensión
Las altas corrientes de arranque pueden provocar una caída significativa en la tensión del bus conectado. Esta caída de tensión puede afectar el rendimiento de otros motores que operan en el mismo bus. En casos extremos, las caídas de tensión durante el arranque de motores grandes pueden provocar el disparo de otros motores que comparten el mismo bus.
Aumento de Temperatura
Las corrientes de arranque elevadas pueden generar un aumento de temperatura en el motor, lo que puede dañar el aislamiento y reducir la vida útil del motor. Para motores grandes, la vida útil del motor está estrechamente relacionada con el número de arranques.
La corriente de arranque es un factor crucial a considerar en el diseño y operación de los motores de inducción. Comprender las causas de esta corriente, sus posibles consecuencias y las estrategias para mitigarlas es fundamental para asegurar un funcionamiento eficiente y seguro de los motores.
Soluciones para Limitar la Corriente de Arranque
Existen varias técnicas para limitar la corriente de arranque de un motor de inducción, y así proteger el sistema eléctrico y el motor:
Arranque de Autotransformador
Este método utiliza un autotransformador para reducir la tensión aplicada al motor durante el arranque. Al reducir la tensión, también se reduce la corriente de arranque. A medida que el motor acelera, el autotransformador se desconecta gradualmente hasta que el motor alcanza su velocidad nominal.
Variadores de Frecuencia (VFD)
Los VFD controlan la frecuencia y la tensión de la alimentación del motor. En el arranque, el VFD comienza con una frecuencia baja, lo que reduce la velocidad del motor y la corriente de arranque. A medida que el motor acelera, la frecuencia aumenta hasta alcanzar la frecuencia nominal.
Los VFD ofrecen un mayor control sobre el proceso de arranque, lo que permite optimizar el rendimiento del motor y reducir el estrés en el sistema eléctrico.
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