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En las plantas de producción industrial, la aguja del amperímetro de los motores de CA (especialmente los asíncronos) suele presentar una desviación brusca al arrancar, mostrando una corriente de entrada muy superior a la nominal. La corriente de arranque de algunos motores pequeños y medianos puede alcanzar de 5 a 7 veces el valor nominal, y la de los grandes motores de alto voltaje es aún mayor. Este fenómeno no solo preocupa al personal de operación y mantenimiento de equipos, sino que también encierra posibles riesgos de seguridad. Para responder a esta pregunta, debemos partir del principio de funcionamiento de los motores de CA y analizar los riesgos y las contramedidas en función de las condiciones reales de trabajo.
1. Causas principales de la corriente de arranque excesiva
Las características de arranque de los motores asíncronos de CA están estrechamente relacionadas con el campo magnético rotatorio y la relación de deslizamiento. Cuando el motor está parado, la velocidad del rotor es 0 y la relación de deslizamiento s = 1 (relación de deslizamiento s = (velocidad síncrona – velocidad del rotor)/velocidad síncrona). En este momento, la velocidad a la que el conductor del rotor corta el campo magnético rotatorio alcanza su valor máximo, y la fuerza electromotriz inducida por el rotor y la corriente inducida también alcanzan su valor máximo. Según el principio de inducción electromagnética, el campo magnético generado por la corriente del rotor interactúa con el campo magnético del estator. Para mantener el equilibrio del campo magnético, el estator aumenta automáticamente la corriente para compensar la influencia del campo magnético del rotor, lo que finalmente provoca un aumento brusco de la corriente de arranque del estator.
Desde la perspectiva del circuito, la impedancia equivalente extremadamente baja del motor al arrancar es otro factor clave. En estado estático, el devanado del estator del motor puede considerarse un circuito en serie de "resistencia + reactancia de fuga". En este momento, la reactancia inductiva del devanado se encuentra en su valor mínimo debido a que el rotor no gira y la resistencia en sí es pequeña. Según la ley de Ohm I = U/Z, bajo la tensión nominal, la disminución de la impedancia Z provoca directamente un aumento significativo de la corriente I. Además, las barras del rotor de los motores asíncronos de jaula están hechas de aluminio fundido o una estructura de barras de cobre, y la resistencia del circuito del rotor es baja al arrancar, lo que agrava aún más el efecto de amplificación de la corriente.
2. Principales daños de una corriente de arranque elevada
Una corriente de arranque excesiva tendrá un impacto negativo en la red eléctrica, el propio motor y los equipos relacionados. En la red eléctrica, una sobrecorriente elevada de corta duración provocará una caída instantánea de la tensión de la red, lo que puede provocar el funcionamiento anormal de otros equipos de la misma (como instrumentos de precisión y sistemas de control PLC), e incluso provocar disparos y fallos de alimentación. En el motor, la corriente excesiva someterá al devanado del estator a una gran fuerza eléctrica. Arranques frecuentes durante un tiempo prolongado pueden provocar el envejecimiento y el daño de la capa de aislamiento del devanado, provocando un cortocircuito entre espiras. Al mismo tiempo, el calor Joule generado por la corriente provocará un aumento brusco de la temperatura del devanado, acortando la vida útil del motor.
En la producción industrial, la sobretensión de arranque también puede afectar la estabilidad del sistema mecánico. La fluctuación del par de arranque, correspondiente a la alta corriente, someterá a la conexión entre el motor y la carga (como ventiladores, bombas de agua y cintas transportadoras) a una carga de impacto, lo que provoca fallos mecánicos como acoplamientos sueltos y desgaste de engranajes, además de un aumento de los costes de mantenimiento del equipo. En entornos inflamables y explosivos (como la industria química y las minas de carbón), la corriente de arranque puede provocar chispas eléctricas, lo que supone un riesgo para la seguridad.
3. Estrategias eficaces de supresión en escenarios industriales
Según los diferentes niveles de potencia y los requisitos de las condiciones de trabajo, los métodos de supresión comúnmente utilizados en la industria se pueden dividir en dos categorías: "arranque reductor" y "arranque suave". Para motores asíncronos pequeños y medianos (generalmente por debajo de 55 kW), el arranque reductor es una opción económica y práctica. La idea principal es reducir la tensión del estator al arranque para reducir la corriente de arranque. Los métodos comunes incluyen el arranque estrella-triángulo (Y-Δ), el arranque reductor con autotransformador y el arranque reductor con reactancia. Entre ellos, el arranque estrella-triángulo es el más utilizado. Durante el arranque, el devanado del estator se conecta en forma de estrella, de modo que la tensión de cada devanado de fase cae a 1/√3 del valor nominal, y la corriente de arranque se reduce entonces a 1/3 de la del arranque directo. Después de que la velocidad del motor aumenta, se conmuta a la conexión delta para restablecer la operación a la tensión nominal.
Para motores grandes (superiores a 100 kW) o escenarios con altos requisitos de suavidad en el arranque (como ascensores y máquinas herramienta de precisión), los arrancadores suaves y los convertidores de frecuencia son las mejores soluciones. El arrancador suave utiliza el control de fase de los rectificadores controlados por silicio (SCR) para que la tensión del estator aumente gradualmente de baja a alta. La corriente de arranque se puede controlar a 2-3 veces el valor nominal, evitando subidas y bajadas repentinas de tensión. Al mismo tiempo, cuenta con funciones de protección contra sobrecorriente y sobrecarga, y es adecuado para diversas características de carga. El convertidor de frecuencia controla el arranque del motor modificando la frecuencia de la fuente de alimentación. Durante el arranque, la frecuencia aumenta gradualmente desde 0 y la velocidad aumenta de forma suave y sincronizada. La corriente de arranque se puede limitar dentro del valor nominal y también puede realizar la función de regulación de velocidad, lo que mata dos pájaros de un tiro en escenarios que requieren un funcionamiento a velocidad variable (como la regulación de la velocidad de conversión de frecuencia del ventilador y el ahorro de energía).
Además, se pueden adoptar medidas auxiliares como el arranque gradual o el arranque con descarga de carga para cargas específicas. Por ejemplo, en equipos de carga pesada, como cintas transportadoras, la carga se desconecta mediante un embrague antes del arranque y se acopla una vez que el motor alcanza la velocidad nominal. En equipos compresores, se puede utilizar la válvula de derivación para descargar la presión del cilindro, reducir la resistencia de arranque y, indirectamente, la corriente de arranque.
En conclusión, la corriente de arranque excesiva de los motores de CA es un fenómeno inherente a sus características electromagnéticas, pero sus efectos adversos pueden controlarse eficazmente mediante métodos de arranque científicos. En entornos industriales, es necesario combinar factores como la potencia del motor, las características de la carga y la capacidad de la red eléctrica para seleccionar un esquema de supresión económico y aplicable o preciso y controlable, que garantice la seguridad del equipo y mejore la estabilidad de la producción.
