La razón principal por la que los motores de CC necesitan un arranque de tensión reducida radica en la discrepancia entre sus características eléctricas y mecánicas al arrancar: la fuerza contraelectromotriz (Ea) es cero al inicio del arranque, lo que genera una corriente de arranque muy superior al valor nominal al arrancar a plena tensión. Esto, a su vez, causa diversos problemas, como daños en el motor y fallos en el circuito. El arranque de tensión reducida suprime el exceso de corriente al reducir la tensión de arranque, garantizando así la seguridad del sistema. Los detalles se pueden explicar desde tres puntos de vista: el mecanismo de generación de la corriente de arranque, los riesgos del arranque a plena tensión y el principio del arranque de tensión reducida.
En primer lugar, el aumento anormal de la corriente de arranque de los motores de CC se debe a la característica principal de la ausencia de fuerza contraelectromotriz. Según la ecuación de equilibrio de tensión del circuito de inducido de un motor de CC: U = Ea + IaRa, donde U es la tensión aplicada a través del inducido, Ea es la fuerza contraelectromotriz generada por la rotación del inducido, Ia es la corriente del inducido y Ra es la resistencia del devanado del inducido. Al arrancar el motor, el rotor está en estado estático y el conductor del inducido no corta el campo magnético, por lo que la fuerza contraelectromotriz Ea = 0. En este caso, la ecuación del circuito se simplifica a Ia = U/Ra. Dado que el devanado del inducido está hecho de alambre de cobre, su resistencia Ra suele ser muy baja (la Ra de los motores de CC pequeños es de solo unos pocos ohmios, y la de los motores grandes es incluso inferior a 1 ohmio). Si se aplica directamente la tensión nominal máxima U, la corriente de arranque Ia aumentará bruscamente, llegando normalmente a ser de 10 a 20 veces la corriente nominal. Por ejemplo, un motor de CC con un voltaje nominal de 220 V y una resistencia de armadura de 1 Ω puede tener una corriente instantánea de 220 A cuando arranca con voltaje completo, mientras que su corriente nominal puede ser solo de 15 A y el factor de amplificación de corriente está mucho más allá del rango seguro.
En segundo lugar, una corriente de arranque tan elevada puede causar múltiples riesgos fatales para el motor y el sistema de alimentación. En el caso del motor, por un lado, la corriente excesiva someterá al devanado del inducido a una enorme fuerza eléctrica. Según la fórmula de la fuerza de Ampere, esta fuerza eléctrica es proporcional al cuadrado de la corriente. Una corriente diez veces superior a la nominal generará una fuerza eléctrica cien veces superior a la nominal, lo que puede provocar fácilmente la deformación del devanado y la rotura de la capa de aislamiento, provocando un cortocircuito entre espiras. Por otro lado, el rápido aumento de la corriente en poco tiempo generará una gran cantidad de calor Joule en el devanado, provocando un aumento brusco de la temperatura, superando el límite de resistencia térmica del material aislante, lo que puede provocar el envejecimiento del aislamiento o incluso su quema. En el caso del sistema de alimentación, la corriente de arranque tan elevada provocará una caída repentina de la tensión de la red, lo que generará un "choque de tensión" que afectará al funcionamiento normal de otros equipos de la misma red. Por ejemplo, puede provocar la atenuación de las lámparas y el descontrol de los instrumentos de precisión. Al mismo tiempo, la gran corriente también generará un fuerte arco eléctrico en los componentes de control, como interruptores y contactores, acelerando el desgaste de los contactos e incluso provocando fallas de cortocircuito.
El arranque por tensión reducida suprime la corriente de arranque de la fuente reduciendo artificialmente la tensión de arranque inicial y restaura gradualmente la tensión nominal tras el aumento de la velocidad del motor, lo que se ajusta perfectamente a las características de arranque del motor. Su lógica principal es reducir U en la etapa inicial del arranque. Incluso si Ea = 0, Ia = U/Ra puede controlarse dentro de un rango seguro (normalmente de 1,5 a 2,5 veces la corriente nominal). A medida que aumenta la velocidad del motor n, Ea aumenta proporcionalmente a n. En este momento, U aumenta gradualmente para mantener Ia en el valor de corriente correspondiente al par de arranque adecuado. Hasta que el motor alcanza la velocidad nominal, Ea se estabiliza en la fuerza contraelectromotriz nominal. En este momento, U aumenta al valor nominal y el motor entra en funcionamiento normal.
En la práctica, existen diversos métodos para implementar el arranque a tensión reducida. Los motores de CC pequeños suelen utilizar la "reducción de tensión por resistencia en serie", que divide la tensión conectando una resistencia variable al circuito de inducido y la desconecta gradualmente tras el arranque. Los motores de CC grandes suelen utilizar la "regulación de tensión por tiristor", que controla con precisión la tensión de salida ajustando el ángulo de conducción del tiristor para lograr un arranque suave. Estos esquemas no solo evitan los riesgos del arranque a plena tensión, sino que también garantizan el par necesario para el arranque del motor, lo que hace que la aplicación de los motores de CC en la producción industrial, el transporte y otros sectores sea más segura y fiable.
En resumen, el arranque a tensión reducida de los motores de CC no es una operación innecesaria, sino una medida de protección necesaria basada en su principio eléctrico. Su función principal es equilibrar la relación entre la corriente de arranque y el par mediante la regulación de la tensión, lo que no solo protege al propio motor, sino que también garantiza la estabilidad del sistema de alimentación. Es un elemento clave para el funcionamiento seguro de los motores de CC.




