1.4.9. Arranque de motores trifásicos con rotor en cortocircuito

El Concepto del Arranque Estrella-Triángulo (Y-?) y su Relevancia Industrial

Como vimos en la lección 1.4.6, para mitigar la brutal caída de tensión en la red durante el arranque de motores medianos y grandes, debemos aplicarles una tensión reducida en el momento de la conexión. Este fenómeno se debe a la ausencia de fuerza contraelectromotriz (FCEM) en el rotor estático. Al no haber movimiento relativo inicial entre el campo magnético giratorio del estátor y las barras del rotor en cortocircuito que produzca esta FCEM, la impedancia que presenta el motor a la red es extremadamente baja, casi coincidente con la resistencia óhmica pura del devanado, la cual es ínfima. Esto provoca que el motor absorba corrientes que pueden ser entre 5 y 8 veces su intensidad nominal (In), produciendo esfuerzos térmicos severos en los aislamientos y caídas de tensión que pueden afectar a otros equipos conectados en la misma línea eléctrica de suministro.

El sistema Estrella-Triángulo es una solución electromecánica sumamente ingeniosa que logra este objetivo sin usar transformadores ni resistencias externas, aprovechando únicamente la dualidad de tensión que ofrecen los seis bornes del motor (U1, V1, W1, U2, V2, W2). Esta dualidad radica en la relación raíz de tres (1.732) existente entre las tensiones de línea y de fase en un sistema trifásico equilibrado. Al arrancar inicialmente en estrella, las bobinas quedan sometidas a la tensión de fase, reduciendo drásticamente tanto la corriente absorbida de la red como el par motor desarrollado, lo cual suaviza la sacudida mecánica sobre los engranajes o correas de transmisión.

Para que un motor pueda arrancarse con este método, se debe cumplir una condición ineludible impuesta por el diseño de los devanados del estátor. Según la normativa internacional IEC 60034-1, la placa de características debe especificar explícitamente las tensiones nominales admitidas. La regla de oro es la siguiente:

Análisis Profundo de la Secuencia Electromecánica

A diferencia de un arranque directo que requiere un solo contactor, el cuadro eléctrico de un arranque Estrella-Triángulo emplea obligatoriamente tres contactores, un relé térmico de protección y un temporizador. Físicamente, en la caja de bornes del motor se retiran TODAS las pletinas de cobre de conexión (tanto las que unen W2-U2-V2 para estrella como las que unen U1-W2, V1-U2 y W1-V2 para triángulo), y se extienden 6 gruesos cables de potencia desde el cuadro general de distribución hasta la bornera del motor.

Fase 1: El Arranque Inicial (Conexión en Estrella - Y)

Al pulsar el botón de marcha en la botonera de la máquina, la lógica cableada (o el autómata programable PLC) ejecuta la siguiente secuencia cronológica de manera rigurosamente exacta:

1. Se excita primero la bobina del Contactor de Estrella (K3). Este contactor no conecta la red de alimentación, sino que su única misión es cortocircuitar sólidamente los cables que retornan de los bornes W2, U2 y V2. Al cerrarse, crea el punto neutro artificial del motor (emulando físicamente el efecto de las pletinas horizontales originales).
2. Inmediatamente después, con un retardo de apenas unos milisegundos condicionado por el enclavamiento de contactos auxiliares, se excita la bobina del Contactor de Línea (K1), que inyecta los 400V de la red directamente a los bornes de entrada U1, V1, W1.
3. El Resultado Eléctrico: El motor queda conectado en Estrella. Recibe 400V de la línea, pero internamente, por la división geométrica de las tensiones vectoriales, cada bobina solo "siente" la tensión simple: $400/√3 \a≈ 230V$. Al estar sometida a una tensión que es $1/√3$ de la nominal, la corriente que circula por cada fase del devanado es también $1/√3$ de la que circularía a plena tensión. Además, como en conexión estrella la corriente de línea es igual a la corriente de fase, la corriente total absorbida de la red resulta ser exactamente un tercio (1/3) de la que se absorbería en un arranque directo. Lamentablemente, el par motor (fuerza de torsión) es proporcional al cuadrado de la tensión aplicada. Al reducir la tensión en un factor de $1/√3$, el par de arranque cae drásticamente en un factor de $(1/√3)^2 = 1/3$. Por tanto, este método solo es viable si la máquina arranca en vacío o con un par resistente muy débil al inicio, como sucede en ventiladores centrífugos, bombas de agua en vacío, sierras de cinta sin carga de corte o compresores dotados de una válvula de descarga presurizada.

Fase 2: El Período Crítico de Transición Abierta

A medida que el rotor acelera, la curva de par del motor se cruza con la curva de par resistente de la carga y la velocidad se estabiliza. En este punto (habitualmente entre el 75% y el 85% de la velocidad síncrona), mantener la conexión estrella resulta contraproducente, ya que el motor no dispone de fuerza para alcanzar su velocidad nominal. Transcurrido un tiempo regulado (generalmente entre 5 y 15 segundos, dependiendo directamente del momento de inercia de la masa de la carga impulsada), el temporizador (KT1) inicia la maniobra más delicada de todo el proceso: la conmutación al vuelo.

1. El temporizador, mediante su contacto normalmente cerrado temporizado (NC), desexcita primero el Contactor de Estrella (K3). Al abrirse K3, el motor queda eléctricamente desconectado de la red por su extremo inferior y, al romperse la estrella, deja de fluir corriente por las bobinas. El motor queda momentáneamente girando sin alimentación, mantenido de forma exclusiva por la energía cinética acumulada (inercia). En este ínfimo lapso temporal, el campo magnético residual en el rotor en movimiento induce una fuerza electromotriz en el estátor que va desfasándose rápidamente respecto a la frecuencia de la red (generando tensión remanente peligrosa).
2. Existe una pausa de seguridad, o "tiempo muerto", absolutamente imperativa de al menos 40 a 50 milisegundos impuesta por el temporizador especial para estrella-triángulo (o por un enclavamiento mecánico). Su objetivo primordial es permitir que se extinga por completo cualquier arco eléctrico persistente en las cámaras de apagachispas de los contactos de K3. Si no existiera este tiempo muerto, y el contactor de Triángulo se cerrara mientras el arco de Estrella aún ioniza el aire adyacente, se produciría un cortocircuito cruzado entre las tres fases de consecuencias catastróficas, pulverizando los contactos y haciendo saltar las protecciones magnetotérmicas de la nave industrial entera.

Fase 3: La Marcha Definitiva (Conexión en Triángulo - ?)

1. Una vez finalizado el tiempo de seguridad y asegurada por completo la extinción del arco, el temporizador, a través de su contacto normalmente abierto (NO), excita la bobina del Contactor de Triángulo (K2). Es fundamental recalcar que el Contactor de Línea (K1) nunca se abrió durante toda la transición temporal y permanece estoicamente cerrado desde el principio del proceso.
2. El Resultado Operativo: El cierre de K2 ejecuta el cruce de los cables U1-W2, V1-U2 y W1-V2 directamente en el interior del armario eléctrico (emulando el trabajo de las pletinas verticales que unían los bornes). El motor queda súbitamente conectado en Triángulo. Cada bobina del estátor recibe ahora los 400V plenos de la red de forma individual.
3. Al recibir la tensión plena, el motor experimenta un pico de corriente transitorio (conocido ampliamente como pico de conmutación o transición abierta) que puede ser bastante severo si el campo residual del rotor se encuentra en franca oposición de fase con la red en el instante preciso del cierre. No obstante, el motor produce un "tirón" o escalón de par electromagnético notable y acelera el 20% de la velocidad restante hasta alcanzar instantáneamente el 100% de su velocidad nominal y de su par útil disponible. A partir de este preciso momento, el motor seguirá funcionando a plena carga y con su máxima eficiencia energética de manera completamente indefinida hasta que el operador pulse el botón de paro o se active alguna de las alarmas térmicas.

Normativa Aplicable y Selección de Aparellaje (IEC 60947-4-1)

El diseño exhaustivo de este automatismo no se deja al azar bajo ningún concepto. Según la directiva IEC 60947-4-1 que rige los contactores y arrancadores de motor de baja tensión, resulta obligatorio seguir unos criterios de dimensionamiento térmico específicos. Uno de los mayores errores de principiante en la ingeniería de control es sobredimensionar excesivamente los tres contactores, incrementando inútilmente el coste económico del cuadro y el volumen físico ocupado dentro del armario.

Al encontrarse el motor conectado de forma permanente mediante seis hilos largos, debemos analizar meticulosamente por dónde fluye la corriente una vez establecida la marcha normal continuada en Triángulo. La corriente total de línea ($I_L$) absorbida por el conjunto es la suma fasorial de las corrientes que atraviesan dos bobinas adyacentes. Según la teoría fundamental de los circuitos trifásicos, la corriente de fase ($I_F$) que atraviesa cada bobina de manera individual (y que, por consiguiente, es la que pasa físicamente por los contactos metálicos de K1 y K2) es considerablemente menor que la corriente de línea. En concreto, $I_F = I_L / √3$, lo que equivale matemáticamente al 58% exacto de la Intensidad Nominal (In). Por esta razón irrefutable, los contactores principales K1 (Línea) y K2 (Triángulo) NO se eligen para la corriente total del motor, sino únicamente para soportar el 58% de la misma. Más asombroso aún resulta ser el dimensionamiento del contactor K3 (Estrella). Puesto que su función cardinal es exclusivamente soportar el cierre del neutro durante la breve fase del arranque (donde las corrientes son en sí mismas únicamente de 1/3 de las del equivalente arranque directo) y permanece completamente abierto durante la prolongada marcha en triángulo, su calibre se escoge tradicionalmente para soportar apenas el 33% de la intensidad nominal (In/3), resultando siempre ser el componente de menor tamaño físico de todo el conjunto. Esta optimización económica y espacial, fomentada por los grandes fabricantes de aparamenta, es lo que hace que los bloques arrancadores compactos comerciales tengan esa peculiar configuración asimétrica visual tan característica de las actuales instalaciones de fuerza motriz.

Otro aspecto fundamental es el correcto posicionamiento topológico del relé térmico bimetálico de sobrecarga en el esquema unifilar. Tradicionalmente, se monta físicamente acoplado debajo de los terminales del contactor de Línea (K1) o del de Triángulo (K2). En ambos casos, el relé no está "viendo" directamente la corriente total que viene de la red troncal, sino la corriente fraccionada que circula por la fase (los seis hilos dividen eficazmente la corriente de línea). Por consiguiente, el operario encargado de la puesta en marcha inicial tiene la obligación crítica y absoluta de tarar el dial del relé térmico, no a la corriente nominal completa de la placa del motor (In), sino al 58% estricto de dicho valor (In x 0.58). Un error fatal en este ajuste manual, dejando el dial configurado al 100% de la In, dejaría al motor virtualmente desprotegido frente a sobrecargas lentas destructivas, ya que el motor podría estar consumiendo tranquilamente un 170% de su corriente nominal provocando un incendio interno lento del barniz aislante, mientras que el relé térmico interpretaría erróneamente que la corriente está justo por debajo de su umbral, no llegando a disparar el mecanismo de apertura jamás. Solo en aquellos esquemas sumamente obsoletos o especiales donde el térmico se colocaba "aguas arriba" de toda la derivación principal y de los contactores, el taraje se realizaba a la intensidad nominal completa, algo que hoy en día se encuentra casi extinto debido al desorbitado coste de adquisición de los relés térmicos de gran amperaje comparado con los de calibre fraccionado, además de ocupar un espacio que la industria moderna demanda minimizar.