1.4.6. Finalidad de las diferentes formas de arranque

El Problema Fundamental: El Arranque Directo de la Línea (DOL) y su Impacto en el Entorno Industrial

El método de arranque más simple, económico, robusto y tradicionalmente utilizado a lo largo de décadas en la inmensa mayoría de las instalaciones industriales es el denominado Arranque Directo (DOL por sus siglas en inglés, Direct On Line). Este método, desde una perspectiva puramente electromecánica, consiste en la conexión integral y sin intermediarios de los tres devanados del motor asíncrono trifásico directamente a las fases de la red de suministro eléctrico de potencia. Esta maniobra se ejecuta aplicando el 100% de la tensión nominal de la red (por ejemplo, 400V o 690V) de manera absolutamente instantánea y repentina, generalmente mediante el cierre rápido de los contactos principales de un único contactor electromecánico gobernado por un relé térmico o un guardamotor magnetotérmico. A pesar de su extrema simplicidad conceptual, su innegable fiabilidad debido a la escasez de componentes y su bajísimo coste de implementación inicial, esta técnica rudimentaria acarrea consecuencias físicas, térmicas y eléctricas de tal magnitud que la hacen completamente inviable, y a menudo directamente ilegal por normativa, para máquinas rotativas de mediana y gran potencia en escenarios industriales modernos.

Para comprender la verdadera naturaleza del problema, es imprescindible analizar el comportamiento electromagnético de la máquina en el instante transitorio de conexión. Durante el milisegundo exacto en que los contactos del contactor se cierran y la tensión de red inunda las bobinas del estátor, el pesado rotor de la máquina asíncrona se encuentra completamente estático debido a su inercia mecánica. Es decir, su velocidad de rotación es estrictamente nula ($n = 0$ RPM) y, en consecuencia, según la teoría de máquinas eléctricas, su coeficiente de deslizamiento es máximo ($s = 1$). En estas rigurosas condiciones iniciales transitorias, el estátor del motor, al recibir de golpe y sin ninguna rampa de modulación la totalidad de la fuerza electromotriz de la red de alimentación, actúa de forma idéntica al devanado primario de un transformador de potencia ideal cuyo devanado secundario (representado físicamente por las barras de aluminio o cobre de la jaula de ardilla del rotor y sus anillos de cortocircuito en los extremos) estuviese en una situación de cortocircuito franco, metálico y puro, hallándose además mecánicamente bloqueado e impedido de girar. La impedancia transitoria que la máquina presenta a la red en este preciso punto de operación es extraordinariamente baja, de carácter casi puramente inductiva, y se encuentra limitada en última instancia única y exclusivamente por la modesta resistencia óhmica de los propios hilos de cobre de los devanados, sumada a la reactancia de dispersión magnética inherente a las ranuras del núcleo magnético de chapas de acero al silicio y a las cabezas de las bobinas que sobresalen en los extremos del estátor.

Esta drástica y repentina reducción transitoria de la impedancia interna total del motor provoca un efecto devastador: fuerza a que la máquina rotativa absorba ávidamente de la red de distribución eléctrica exterior una corriente inrush o intensidad de arranque ($I_A$) de una magnitud verdaderamente colosal e inmanejable. Esta corriente parásita suele oscilar, de forma general, entre unos valores de 5 y 8 veces el valor de la Intensidad Nominal ($I_n$) de placa de características, pudiendo incluso llegar a alcanzar picos extremos y sostenidos de hasta 10 o 12 veces la corriente nominal en los diseños de motores más modernos y vanguardistas de muy alta eficiencia energética (clasificados bajo las estrictas normativas internacionales como clases IE3, IE4 o incluso la incipiente IE5 de reluctancia síncrona). Esta exacerbación del pico de arranque en los motores eficientes se debe paradójicamente a su geometría optimizada y al uso masivo de materiales conductores de muy baja resistencia (tanto estatórica como rotórica), diseñados primariamente con el noble fin de minimizar las pérdidas por efecto Joule durante el régimen de funcionamiento nominal permanente a plena carga, pero que sacrifican a cambio el comportamiento de la impedancia en vacío. Simultáneamente a este descomunal sumidero de amperios, el violento establecimiento del campo magnético giratorio en el minúsculo entrehierro que separa estátor y rotor genera un choque electromagnético sin precedentes que se traduce en el eje mecánico en un par de arranque transitorio ($T_A$) extremadamente brusco, errático y violento, alcanzando de manera cuasi-instantánea valores de torque típicamente comprendidos entre 1.5 y 2.5 veces el par nominal de diseño ($T_n$). Por si fuera poco, este brutal tirón cinemático viene invariablemente acompañado de un fortísimo componente pulsatorio subtransitorio a la frecuencia fundamental de la red (50 Hz o 60 Hz) durante los primeros milisegundos y ciclos de la forma de onda sinusoidal, sometiendo a todo el conjunto a vibraciones de alta frecuencia y gran amplitud.

Análisis Sistémico y Exhaustivo de las Consecuencias Negativas Generadas por los Altos Picos Transitorios de Arranque

Mientras que en motores asíncronos fraccionarios o de pequeña envergadura (típicamente aquellos de menos de 4 kW, 5.5 kW o excepcionalmente 7.5 kW de potencia en el eje, dependiendo de la elasticidad de la red local) el arranque directo es un mal menor perfectamente tolerable, fácil de proteger con fusibles de curva aM y constituye la norma general en pequeños talleres, en motores de potencias medias, grandes y muy grandes (desde 11 kW hasta varios megavatios en media tensión), la aplicación instantánea de la totalidad de la tensión nominal de placa genera alteraciones sistémicas y problemas de suma gravedad que trascienden la propia máquina. Estos problemas afectan de manera simultánea y dramática a dos frentes de vital importancia: por un lado, la estabilidad, calidad y robustez de la red de suministro eléctrico exterior; y por otro, la integridad física, vida útil y fiabilidad de los componentes mecánicos de transmisión que conforman la cadena cinemática integral del sistema o tren de arrastre.

1. Perturbaciones Eléctricas Críticas en la Red de Distribución Pública y en la Micro-Red Privada

• Caídas Abruptas y Profundas de Tensión (Huecos de Tensión Críticos): La gigantesca, voraz y repentina demanda de intensidad reactiva por parte del motor durante la magnetización inicial, al interactuar inevitablemente con la impedancia inherente propia de la línea de suministro (cables, embarrados, transformadores de distribución), provoca una brutal caída de tensión longitudinal en todos los nodos cercanos ($e = R \cdot I \cdot \cos(\phi) + X \cdot I \cdot \sin(\phi)$). Si el punto topológico de conexión del motor se encuentra ubicado en el seno de una red eléctrica de baja potencia de cortocircuito (lo que en jerga se conoce como una "red blanda o débil"), o si el motor se encuentra en el extremo final de una línea muy larga, esta caída de potencial puede ser tan profunda y duradera en el tiempo que arrastre consigo a toda la infraestructura eléctrica de la planta. Este colapso transitorio de voltaje desencadena problemas gravísimos e inaceptables, tales como el reseteo o apagado súbito de sistemas informáticos de control distribuido (DCS), el cuelgue de autómatas programables (PLC), el bloqueo de variadores de frecuencia y fuentes conmutadas sensibles, un parpadeo extremo e insoportable en los sistemas de iluminación (fenómeno internacionalmente catalogado como flicker, regulado bajo la normativa IEC 61000) o la temida desconexión indeseada y en efecto cascada de las bobinas de otros relés y contactores de máquinas vecinas debido al "efecto chicharra", lo que conduce de forma irremediable a la paralización completa, caótica y millonaria de la cadena de producción de toda la fábrica.
• Restricciones Normativas Estatales y Sanciones Económicas Severas: Las corporaciones y empresas distribuidoras de energía eléctrica, con el loable fin de proteger la integridad sistémica, la estabilidad de la frecuencia y la calidad general del suministro de la red pública interconectada que comparten miles de usuarios, establecen en sus contratos de acceso normativas, reglamentos electrotécnicos de baja tensión (REBT) y códigos de red extraordinariamente rigurosos. Estos códigos técnicos prohíben de forma absoluta y terminante la conexión directa mediante DOL de motores que superen un determinado umbral estricto de potencia aparente (un umbral que generalmente se sitúa por encima de los 5.5 kW, 7.5 kW o 11 kW en instalaciones industriales conectadas en baja tensión estándar, dependiendo siempre de la reglamentación específica del país en cuestión, del nivel de tensión y de la capacidad aparente de cortocircuito del transformador general de acometida). El incumplimiento flagrante de estas directrices de la compañía comercializadora no solo impide de facto la certificación y legalización oficial de la instalación eléctrica ante la administración del ministerio de industria, sino que puede acarrear multas económicas verdaderamente exorbitantes por deterioro de la calidad de red, la penalización constante por excesos de máxima demanda instantánea (maxímetro), o en casos de reincidencia que pongan en peligro la estabilidad del nodo, la suspensión inmediata e irrevocable del suministro eléctrico trifásico por parte de la compañía operadora.
• Fatiga Térmica Exponencial y Degradación Dieléctrica Prematura Acelerada: Centrándonos desde la perspectiva interna de la propia máquina eléctrica y su supervivencia, la prolongada circulación de enormes intensidades que sextuplican o septuplican de forma indiscriminada el valor de diseño nominal durante toda la fase de aceleración inercial, provoca que los miles de espiras de alambre de los devanados de cobre se calienten de manera extraordinariamente rápida, adiabática y exponencial. Este aumento súbito de calor se debe al implacable efecto Joule ($P_{Cu} = 3 \cdot I^2 \cdot R$, notando que la corriente está elevada al cuadrado, por lo que el calor generado en el arranque es $8^2 = 64$ veces superior al nominal). Este violento e incontrolado incremento brusco de la temperatura de los hilos conductores somete a los delicados materiales aislantes e higroscópicos de las bobinas (barnices epoxídicos, esmaltes de poliuretano, papeles aislantes nomex o mylar, resinas de impregnación al vacío VPI) a un severo y destructivo estrés térmico. Un arranque pesado y doloroso que se prolongue durante demasiados segundos a causa del acoplamiento a una máquina de una enorme y masiva inercia mecánica (como un gigantesco molino triturador de bolas o un inmenso ventilador centrífugo de tiro inducido), o la realización de arranques y paradas sucesivas con una cadencia (duty cycle) demasiado elevada sin permitir los tiempos de enfriamiento estipulados por el fabricante, degradarán y envejecerán de forma irreversible y prematura el sistema de aislamiento de clase F o H. Esto reducirá drásticamente la vida útil esperada del motor de varias décadas a unos escasos meses o, en el peor y más catastrófico de los escenarios, terminará provocando la carbonización del aislamiento, la fusión parcial del cobre y el consiguiente cortocircuito franco, ruidoso y explosivo entre espiras de la misma fase, contra masa del estátor o entre fases distintas, inutilizando por completo y de forma definitiva el estátor de la máquina y requiriendo un costoso y demorado proceso de rebobinado integral en un taller electromecánico especializado.

2. Destrucción Sistemática por Estrés Mecánico en la Cinemática de la Máquina Acoplada

• Rotura Catastrófica de Componentes Transmisores y Órganos de Máquina: El violento tirón inicial generado de forma instantánea por el descomunal y repentino par de arranque electromagnético (que hemos visto que puede superar el 250% del par nominal) es extraordinariamente perjudicial, invasivo y destructivo para cualquier tipo de sistema mecánico, articulación o tren de arrastre que se encuentre solidariamente acoplado al eje saliente del motor. Este impacto dinámico, de una violencia similar al de un fuerte martillazo directo contra los engranajes, es capaz a muy corto plazo de fatigar elásticamente y romper limpiamente tensores y correas trapezoidales o dentadas, destrozar por completo y descabezar los dientes cementados de las caras de engranajes y coronas reductoras, cizallar como si fueran de mantequilla los pasadores de seguridad, ejes estriados y chavetas de acoplamiento elástico, o incluso llegar a provocar la flexión y deformación plástica permanente de ejes de transmisión de acero macizo que han sido subdimensionados para tal esfuerzo de torsión pico. En el ámbito de los grandes ventiladores y soplantes industriales para hornos o minas, la súbita y demencial aceleración angular impuesta por el motor DOL puede llegar a desprender literalmente de cuajo y de forma balística los propios y pesados álabes metálicos de la turbina rodante debido a la inmensa fuerza de inercia y fuerza centrífuga repentina, causando daños incalculables a la infraestructura civil circundante y poniendo en riesgo mortal a los trabajadores.
• Golpes de Ariete y Colapso Estructural en Redes Hidráulicas de Alta Presión: En gigantescos y complejos sistemas de bombeo centrífugo de fluidos, típicos de estaciones de bombeo de agua potable, plantas desalinizadoras, oleoductos o refinerías petroquímicas, arrancar el grupo turbomotobomba a su plena potencia motriz en una fracción infinitesimal de segundo supone un verdadero desafío para la física de fluidos. Esta maniobra de fuerza bruta impulsa la gigantesca y pesada columna inercial de líquido en reposo contenido en el interior de la tubería a una velocidad vertiginosa casi de forma instantánea. Este cambio brutal de la cantidad de movimiento del fluido da origen ineludible a ondas de choque de presión supersónicas que se desplazan a la velocidad del sonido en el agua a través de los cientos de kilómetros de canalizaciones de acero (este es el destructivo y temido fenómeno acústico e hidráulico universalmente conocido en la ingeniería civil como "golpe de ariete", fenómeno de Joukowsky o martillo de agua). Estas poderosas e invisibles ondas de sobrepresión transitoria golpean sin piedad y reiteradamente, rebotando en los extremos, codos de 90 grados, derivaciones en T y enormes válvulas de retención de asiento pesado. La inmensa energía cinética concentrada en la onda es perfectamente capaz de reventar literalmente bridas, fugar por juntas de estanqueidad, agrietar soldaduras radiografiadas e incluso de llegar a fracturar y hacer estallar tuberías de fundición dúctil o acero al carbono de muy grueso calibre, provocando derrames tóxicos o inundando por completo y de forma desastrosa la sala de control de bombas y su cuadro eléctrico.
• Daños Materiales de Magnitud, Caída Libre de Cargas Críticas y Pérdidas Masivas de Producto Terminado: En todo tipo de aplicaciones industriales orientadas a la logística y manipulación de materiales (Material Handling), como por ejemplo larguísimas cintas transportadoras (conveyors) de minerales y áridos a cielo abierto en minería, delicados sistemas de embotellado y packaging de vidrio a alta velocidad, puentes grúa de gran tonelaje, polipastos o grúas pórtico de elevación portuaria, un arranque que carezca por completo de progresividad y control de rampa de aceleración provocará fortísimas sacudidas longitudinales, aceleraciones pendulares y tirones irregulares. Este caótico comportamiento mecánico y cinemático no solo genera el balanceo incontrolable, errático y sumamente peligroso de cargas extrapesadas colgantes de varias toneladas sostenidas por eslingas, con el consiguiente e inaceptable riesgo de impacto o aplastamiento fatal para los operarios de la nave industrial; sino que, en el caso de las cintas transportadoras, desencadena inexorablemente el patinaje destructivo del tambor motriz sobre la banda de goma, provocando humo y fuego, así como el vuelco lateral en cascada, la rotura de envases, la caída libre y el derrame masivo, descontrolado e irrecuperable de todo el producto manufacturado o transportado a lo largo del recorrido. Esto provoca obligatoriamente paradas de línea prolongadas que se extienden durante días para la farragosa limpieza y reajuste mecánico, ocasionando gigantescas e inasumibles mermas económicas y lucros cesantes en la cuenta de resultados de la empresa operadora.

La Solución Tecnológica Fundamental y Universal: Los Sistemas de Control de Arranque a Tensión Reducida Estática y Dinámica

A la vista de todos estos abrumadores inconvenientes, gravísimas implicaciones normativas y los enormes costes ocultos de mantenimiento correctivo que conlleva el uso del DOL en la industria moderna pesada, resulta de vital importancia buscar alternativas de la máxima solvencia técnica. La finalidad técnica, económica y filosófica primordial de recurrir al diseño, instalación y programación de equipos, topologías de potencia e infraestructuras de arranque y control vectorial mucho más complejas y costosas (tales como el veterano pero robusto sistema electromecánico Estrella-Triángulo temporizado, el voluminoso uso de autotransformadores con tomas de derivación de Korndörfer, la arcaica inserción progresiva de resistencias de frenado o voluminosas reactancias estatóricas en serie con las líneas, los modernos y miniaturizados Arrancadores Suaves de estado sólido basados en el recorte de fase mediante bloques de tiristores SCR en antiparalelo, o en el pináculo de la ingeniería del siglo XXI, los sofisticados Variadores de Frecuencia o Drives AC equipados con tecnología de modulación por ancho de pulsos PWM e inversores basados en transistores bipolares de puerta aislada IGBT de sexta generación con control de par directo DTC) es, en su más pura esencia conceptual, mitigar de forma activa, controlar exhaustivamente en bucle cerrado y amortiguar radicalmente todos estos destructivos problemas transitorios, dotando a la red de una resiliencia inaudita.

Independientemente de la tecnología histórica o electrónica concreta utilizada por el ingeniero proyectista a la hora de confeccionar el pliego de condiciones del cuadro general de baja tensión (CGBT), el principio rector inmutable y el sagrado objetivo común y transversal que subyace en todas y cada una de estas técnicas de control de potencia es un axioma fundamental que se resume de manera magistral en la siguiente máxima de la ingeniería electrotécnica y de accionamientos:

Suministrar de forma intencionada y controlada una magnitud de tensión eficaz (Vrms) significativamente menor a los bornes y devanados del motor eléctrico durante los primeros, prolongados y críticos segundos del proceso de aceleración inercial (arranque), con el propósito ineludible y normativo de restringir de forma drástica y cuadrática el gigantesco pico de corriente de magnetización absorbido de la red pública comercial; y al mismo tiempo, suavizar linealmente y de forma asintótica la curva de par mecánico de salida en el eje con el fin fundamental de eliminar por completo y de raíz cualquier tirón, holgura, choque de ariete hidráulico o sobreesfuerzo mecánico que pudiese resultar dañino a largo plazo para el tren de arrastre o la red de tuberías.

Este crítico proceso de aceleración controlada, también conocido popularmente por los técnicos de puesta en marcha como "rampa de subida" o "soft start time", se mantiene cuidadosamente vigilado, temporizado y monitorizado por el sistema de control lógico del equipo, ya sea mediante una rudimentaria pero efectiva temporización de relés neumáticos en tecnología de cuadros con relés de contactores puros, o bien mediante la vertiginosa medición digital y el muestreo de los lazos de control de corriente y velocidad proporcionados por sensores de efecto Hall, transformadores de intensidad de núcleo partido y costosos encoders ópticos incrementales o resolvers montados en el eje trasero de la máquina para realimentación de estado en los más modernos servo drives y controladores PID embebidos de lazo cerrado estricto.

Una vez que el voluminoso conjunto máquina-carga ha atravesado y superado por fin con total seguridad su fase más inestable, crítica y peligrosa de arranque asíncrono, y el pesado y metálico rotor jaula de ardilla gira habiendo logrado alcanzar aproximadamente entre un 75% y un 85% de su velocidad nominal y teórica de sincronismo magnético dada por la frecuencia de la red y el número de pares de polos internos —momento clave y trascendental en el cual la fuerza contraelectromotriz (FCEM) generada internamente por efecto generador en el estátor del motor ya posee un valor remarcablemente elevado que se opone de forma natural a la tensión entrante y el propio devanado de aluminio del rotor en jaula de ardilla, por efecto del bajo deslizamiento relativo de la inducción, ha dejado virtualmente de comportarse a nivel eléctrico como un mortífero y peligroso cortocircuito magnético secundario de bajísima resistencia aparente—, los diferentes, complejos y automatizados sistemas lógicos de control perimetral y centralizado proceden sin dilación ni fallo a ejecutar el mandato final del automatismo: proceden a conmutar y reconfigurar la topología de la matriz de sus circuitos de potencia pesada. Esta rápida y precisa conmutación electrónica se lleva a cabo en la práctica ya sea de forma electromecánica robusta y audible (mediante el fuerte e instantáneo cierre percutivo e irreversible de imponentes y ruidosos contactores tetrapolares de "bypass" equipados con potentes cámaras de soplado magnético de extinción del arco para evacuar los gases del plasma), o bien de forma puramente estática, silenciosa y totalmente electrónica y transparente mediante algoritmos del inversor semiconductor, sin presencia de ninguna clase de partes móviles sometidas a fricción ni desgaste abrasivo de los contactos de plata por la chispa.

En este preciso y glorioso instante, y como culminación impecable de todo el proceso paramétrico orquestado, los bornes de fuerza del motor asíncrono trifásico U1, V1 y W1 (o sus correspondientes U2, V2 y W2 en sistemas Estrella-Triángulo) quedan por fin, y de manera segura y controlada, conectados de forma definitiva, galvanizada y permanente con todo el pleno rigor y sin restricciones ni recortes de modulación armónica al 100% de la tensión sinusoidal nominal que le provee la red principal e infinita de alimentación en barra general. Este estado de equilibrio termoeléctrico le permite finalmente y a plena satisfacción de la ingeniería de la planta, a partir de ese instante del ciclo, comenzar a desarrollar de forma ininterrumpida y lineal su contundente y elevado par mecánico de placa íntegro en su abrumador diseño, comenzar a consumir con total seguridad para los conductores y protecciones su ponderada y estable corriente eléctrica de régimen permanente calculada en oficina técnica, mantener su nivel de deslizamiento en vacío nominal en condiciones de confort térmico y, en último término y como colofón del objetivo, entregar sin problemas su abrumadora y robusta potencia mecánica neta a través de su eje de salida mecanizado de diseño a la maquinaria externa o proceso químico al formidable 100% de su capacidad. Todo ello, siendo el éxito de todo el ciclo la más valiosa de las compensaciones y la máxima de la excelencia y el diseño inteligente industrial, habiendo conseguido de forma fehaciente lograr arrancar un leviatán de cobre y acero al 100% del rendimiento útil preservando para siempre y manteniendo de facto y de derecho totalmente intacta a nivel armónico la calidad de la red eléctrica comunitaria compartida, salvaguardando de la misma forma integral el bienestar material de la costosa maquinaria a la que da vida la nave y prolongando por ende la rentabilidad de las inversiones y evitando sustos.