Principios de motores trifásicos y transitorios de arranque

El motor asíncrono trifásico (o motor de inducción con rotor en jaula de ardilla) es la máquina rotativa más empleada en la industria debido a su sencillez de construcción, robustez y bajo mantenimiento. El funcionamiento físico de esta máquina se basa en la creación de un campo magnético giratorio en el estátor mediante alimentación trifásica desfasada $120^\circ$. Este campo barre los conductores del rotor cortocircuitados e induce en ellos corrientes inducidas por la ley de Faraday. La interacción de estas corrientes con el campo magnético giratorio genera fuerzas de Lorentz, que producen el par motor que hace rotar el eje.

Sin embargo, en el instante inicial del arranque directo (cuando el rotor está inmóvil, velocidad $n=0$ y deslizamiento $s=1$), la máquina se comporta eléctricamente de forma análoga a un transformador trifásico con el secundario cortocircuitado. La ausencia de fuerza contraelectromotriz ($E$) en los devanados provoca que la corriente de arranque ($I_s$) alcance valores transitorios muy elevados, situados entre $5$ y $8$ veces la corriente nominal ($I_n$) del motor:

$$I_s = \frac{V_s}{√3 \cdot (R_{eq} + jX_{eq})}$$

Este pico de corriente somete a los conductores a esfuerzos térmicos y mecánicos (fuerzas de atracción electromagnética) severos, y provoca caídas de tensión significativas en las líneas alimentadoras del armario general de distribución, afectando a otros receptores de la planta. Por ello, el reglamento y las normas técnicas imponen límites al uso del arranque directo, reservándolo para motores de potencias modestas en relación a la capacidad de la acometida.

Esquemas del arranque directo (DOL)

El arranque directo consiste en conectar el estátor directamente a la red eléctrica a su tensión nominal en un solo paso. Los esquemas normalizados se desglosan en dos circuitos independientes representados de forma multifilar:

1. Circuito de Fuerza (o Potencia): Representa el tendido de los cables de tres fases de alimentación (L1, L2, L3) y puesta a tierra (PE). Consta en orden de aguas abajo de: los bornes del disyuntor magnetotérmico (guardamotor $QF1$) encargado de la protección magnética frente a cortocircuitos e inmunidad térmica, los contactos principales del contactor de línea ($KM1$) y, opcionalmente, un relé térmico ($F1$), terminando en los bornes $U1, V1, W1$ de la placa de bornes del motor.

2. Circuito de Mando: Opera normalmente a baja tensión (ej. 24 V o 230 V). Se conecta en serie con el contacto NC del relé térmico ($95-96$) para detener la maniobra en caso de sobrecarga. Dispone de un pulsador de parada NC ($S1$), un pulsador de marcha NO ($S2$) conectado en paralelo con el contacto auxiliar NO del contactor ($13-14$, llamado contacto de realimentación o autosostenimiento), y la bobina de maniobra del contactor ($KM1$, bornes $A1-A2$). Al presionar brevemente $S2$, se alimenta la bobina, los contactos principales de fuerza se cierran y el contacto auxiliar 13-14 retiene la corriente hacia la bobina de manera autónoma cuando el operario suelta el botón.

Figura: Modificación de la secuencia de fases para inversión del sentido de giro del rotor. Fuente: Generada para fines educativos / Licencia: CC BY-NC-SA

Lógica física del inversor de giro y seguridad

Para invertir el sentido de rotación de un motor asíncrono trifásico, es físicamente indispensable intercambiar la posición de conexión de dos de las tres fases de alimentación del estátor (por ejemplo, intercambiar L1 con L3 y mantener L2 sin cambios). Esto invierte el sentido de giro del campo magnético estatórico y, en consecuencia, el sentido del par inducido en el rotor.

La maniobra se efectúa utilizando dos contactores independientes: KM1 (giro derecha) y KM2 (giro izquierda). Si ambos contactores se cerraran accidentalmente al mismo tiempo debido a una falsa maniobra o si se presionaran ambos botones de marcha a la vez, se produciría un cortocircuito bifásico directo entre fases de consecuencias destructivas para los aparatos del cuadro. Para garantizar la seguridad, el diseño exige la instalación obligatoria de dos tipos de interbloqueos mutuos:

1. Enclavamiento Eléctrico por Contactos Cruzados: En el circuito de mando, se conecta un contacto auxiliar NC de $KM2$ ($21-22$) en serie con la bobina de $KM1$. A su vez, un contacto auxiliar NC de $KM1$ ($21-22$) se conecta en serie con la bobina de $KM2$. Si $KM1$ está energizado, su contacto auxiliar NC estará abierto, impidiendo físicamente que le llegue corriente a la bobina de $KM2$ aunque se pulse el botón de marcha a izquierdas.

2. Enclavamiento Mecánico: Consiste en una pieza plástica o balancín metálico pivotante instalado de fábrica físicamente en medio de las carcasas de ambos contactores. Impide físicamente que el martillo móvil de un contactor descienda si el otro ya está cerrado, evitando el arco eléctrico destructivo incluso en el caso extremo de soldadura térmica accidental de los contactos principales.

Coordinación de protecciones: Guardamotor y relé térmico

El disyuntor guardamotor ($QF1$) provee protección de cortocircuito mediante disparadores magnéticos calibrados para soportar el pico transitorio de corriente de arranque sin dispararse (disparador instantáneo típicamente ajustado a $12-14 \times I_n$). La protección contra sobrecargas lentas de corriente la realiza mediante un disparador térmico bimetálico regulable sensible a la falta de fase (efecto diferencial). El operario de montaje debe regular el disyuntor exactamente a la intensidad nominal ($I_n$) del motor indicada en la placa de características de la bomba.

La norma IEC 60947-4-1 establece dos tipos de coordinación de arranque que determinan el estado de los componentes tras producirse un cortocircuito en el motor:

  • Coordinación Tipo 1: Tras producirse un cortocircuito, se acepta que el contactor o el relé térmico queden dañados y no puedan seguir operando, exigiendo su sustitución. No debe haber riesgo para las personas ni daños a las partes externas del armario.
  • Coordinación Tipo 2: No se permite ningún daño en el contactor ni en el relé térmico tras un cortocircuito, excepto el riesgo menor de soldadura de contactos si se pueden separar fácilmente. Es la coordinación recomendada para instalaciones industriales críticas para minimizar los tiempos de parada productiva.
Figura: Interfaz física de mando para el arranque y parada de maquinaria en planta. Fuente: Generada para fines educativos / Licencia: CC BY-NC-SA
🐍 Código Python: Simulador de Corriente Transitoria de Arranque y Coordinación de Fusibles


# Script para calcular la evolución de la corriente durante el arranque de un motor

# y verificar que la curva del disyuntor no se intersecte con el pico de corriente.



import math



def simular_transitorio_arranque(potencia_kw, tension_v=400, rend=0.88, fp=0.85):

    # Calcular corriente nominal

    in_motor = potencia_kw * 1000 / (math.sqrt(3) * tension_v * rend * fp)

    ip_arranque = in_motor * 6.5 # pico de arranque típico de 6.5 veces In

    

    print("💡 SIMULACIÓN DE TRANSITORIO Y COORDINACIÓN DE MOTOR:")

    print("=" * 60)

    print(f"💡 Potencia nominal: {potencia_kw} kW | Tensión: {tension_v} V")

    print(f"💡 Intensidad Nominal (In): {in_motor:.2f} A")

    print(f"💡 Pico Máximo de Arranque (Ip): {ip_arranque:.2f} A")

    print("-" * 60)

    

    # Simulación del perfil temporal simplificado del arranque (en segundos)

    perfil_tiempo = [0.0, 0.2, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0]

    for t in perfil_tiempo:

        # La corriente decae de forma exponencial a medida que el motor gana velocidad

        if t == 0.0:

            corriente_t = ip_arranque

        else:

            corriente_t = in_motor + (ip_arranque - in_motor) * math.exp(-2.0 * t)

            

        estado = "💡 PICO INICIAL" if corriente_t > 3 * in_motor else "? ESTABLE"

        print(f"Tiempo: {t:.1f} s | Corriente Instantánea: {corriente_t:.2f} A | Estado: {estado}")

        

    print("=" * 60)



# Simulación para motor de 7.5 kW

simular_transitorio_arranque(potencia_kw=7.5)

Este código representa el transitorio térmico inicial del arranque directo.

💡 Cálculos del transitorio de arranque: Puedes contrastar la corriente nominal calculada en la simulación y dimensionar las protecciones en la calculadora técnica: Abrir Módulo de Motores en REBT Calc.
💡 Dimensionamiento de disyuntores: Puedes contrastar la corriente transitoria de arranque del script con los parámetros de la calculadora REBT: Abrir simulador de motores en vivo.

🔧 Laboratorio Práctico: Dimensionamiento de protecciones para arranque directo de motores

Se diseña el armario eléctrico para una trituradora industrial que equipa un motor trifásico asíncrono de 15 kW de potencia, alimentado a 400 V con un factor de potencia ($\cos\varphi$) de 0,85 y un rendimiento del 89%. De acuerdo con el reglamento técnico, el arranque se ejecutará de forma directa. Para dimensionar correctamente el disyuntor magnetotérmico y comprobar que soporta el transitorio de corriente de arranque sin disparos intempestivos, se realizan los siguientes cálculos:

  1. Abre el módulo de Motores Trifásicos en la calculadora REBT Calc.
  2. Introduce los parámetros de diseño del motor de la trituradora:
    • Potencia Útil: Configura la potencia a 15 kW.
    • Tensión de Alimentación: Selecciona 400 V.
    • Rendimiento: Introduce 0,89 (89%).
    • Factor de Potencia: Ajusta el valor a 0,85.
  3. Registra la intensidad nominal calculated por la aplicación ($I_n \a≈ 29,4 \text{ A}$).
  4. Determina el rango de disparo instantáneo necesario para la protección magnética considerando una relación de arranque del fabricante de $I_s = 6,5 \cdot I_n \a≈ 191 \text{ A}$.
📂 Abrir Módulo de Motores en REBT Calc

Pregunta de Laboratorio:

Si la corriente nominal del motor es de 29,4 A y su corriente de arranque es de 191 A, ¿cuál debe ser la regulación del relé térmico disyuntor?

📋 Caso Práctico: Intensidad de Arranque Directo

Contexto: En un taller de mecanizado se produce un disparo intempestivo del magnetotérmico general al poner en marcha un compresor mediante arranque directo.

Pregunta: ¿Por qué la corriente de arranque directo (DOL) de un motor asíncrono trifásico es muy superior a la nominal?

📋 Caso Práctico: Enclavamientos de Seguridad en Inversores

Contexto: Estás cableando en el taller el circuito de control de un puente grúa que utiliza dos contactores para elevar y descender la carga.

Pregunta: ¿Cuál es la función del enclavamiento eléctrico por contactos cruzados en un inversor de giro de motor?

📋 Caso Práctico: Clasificación de Coordinación de Protecciones

Contexto: En un pliego técnico de una planta de automoción se exige que las protecciones del armario general cumplan con Coordinación de Tipo 2.

Pregunta: De acuerdo con la norma IEC 60947-4-1, ¿qué caracteriza a una coordinación de protecciones de Tipo 2?