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Introducción: La importancia del problema de la corriente excesiva de arranque
Como equipos eléctricos esenciales en campos como la producción industrial y el consumo eléctrico residencial, el rendimiento de arranque de los motores de CA afecta directamente su vida útil, la estabilidad de la red eléctrica y la eficiencia energética. En la práctica, la corriente de arranque de los motores de CA suele ser muy superior a la nominal. Este fenómeno no solo puede provocar el sobrecalentamiento de los devanados del motor y el envejecimiento de los materiales aislantes, sino también fluctuaciones en la tensión de la red, lo que afecta al funcionamiento normal de otros equipos de la misma. Por lo tanto, determinar las causas de la corriente de arranque excesiva en los motores de CA y tomar medidas específicas para su supresión es fundamental en la práctica de la ingeniería.
I. Análisis de las causas de la corriente de arranque excesiva en motores de CA
En primer lugar, partiendo del principio de inducción electromagnética y las características estructurales de los motores, analizamos las causas principales de la corriente de arranque excesiva. En los motores de CA asíncronos, la velocidad del rotor es cero al arrancar. Tras suministrar corriente alterna trifásica a los devanados del estator, la velocidad de corte relativa entre el campo magnético giratorio generado y los conductores del rotor alcanza su valor máximo. Según la ley de inducción electromagnética, se induce una fuerza electromotriz inducida muy intensa en los conductores del rotor, lo que genera una enorme corriente en el rotor. Mediante el acoplamiento electromagnético, la corriente del rotor reacciona sobre los devanados del estator, provocando un aumento brusco de la corriente del estator. Normalmente, la corriente de arranque puede alcanzar de 5 a 8 veces la corriente nominal. Además, el factor de potencia de los motores de CA durante el arranque es extremadamente bajo, ya que se utiliza una gran cantidad de corriente para establecer el campo magnético y la proporción de corriente utilizada para el trabajo efectivo es pequeña, lo que agrava aún más el fenómeno de la corriente excesiva. En los motores de CA síncronos, aunque no presentan el problema de deslizamiento de los motores asíncronos, es necesario superar la inercia del rotor para lograr la sincronización durante el arranque. Si se arranca directamente, la corriente también aumentará debido a un par de arranque insuficiente.
II. Peligros de una corriente de arranque excesiva
Los riesgos que conlleva una corriente de arranque excesiva son cruciales. Por un lado, esta corriente generará una gran cantidad de calor Joule en los devanados del motor. Si los arranques son frecuentes o el tiempo de arranque es demasiado largo, la temperatura de los devanados superará el rango permitido, acelerando el envejecimiento de los materiales aislantes, acortando la vida útil del motor e incluso provocando la rotura de los devanados en casos graves. Por otro lado, la alta corriente durante el arranque del motor producirá una gran caída de tensión en la impedancia de las líneas de la red eléctrica, lo que provocará una caída instantánea de la tensión de la red. En equipos sensibles a la tensión (como instrumentos de precisión, tornos CNC, equipos de iluminación, etc.), esto puede provocar fallos de funcionamiento, degradación del rendimiento o incluso el apagado. Al mismo tiempo, también reducirá la calidad del suministro eléctrico de la red eléctrica y afectará a su funcionamiento estable.
III. Medios técnicos para suprimir la corriente de arranque excesiva
Para abordar los problemas mencionados, en ingeniería se utilizan varios medios técnicos comunes para suprimir la corriente de arranque excesiva de los motores de CA:
(I) Método de arranque por pasos
La idea central de este método es reducir la fuerza electromotriz inducida durante el arranque disminuyendo la tensión de alimentación de los devanados del estator, lo que reduce la corriente de arranque. Los métodos comunes de arranque reductor incluyen el arranque estrella-triángulo (Y-Δ), el arranque reductor con autotransformador, el arranque reductor por resistencia/reactancia en serie, etc. El arranque estrella-triángulo es adecuado para motores asíncronos que adoptan una conexión en delta durante el funcionamiento normal. Durante el arranque, los devanados del estator se conectan en estrella, lo que reduce la tensión de cada devanado de fase a 1/√3 de la tensión nominal, y la corriente de arranque se reduce entonces a 1/3 de la del arranque directo. Tiene una estructura simple y un bajo coste, y se utiliza ampliamente en motores asíncronos pequeños y medianos. El arranque reductor con autotransformador ajusta la tensión de salida a través de las tomas del autotransformador, lo que permite seleccionar diferentes relaciones de reducción según los requisitos de arranque. Con un rango de aplicación más amplio, pero el equipo es de gran tamaño y un coste relativamente alto. El arranque reductor por reactancia/resistencia en serie reduce la corriente del estator conectando una resistencia o reactancia al circuito del estator para consumir parte del voltaje. Sin embargo, el arranque por resistencia produce una gran pérdida de energía y se utiliza principalmente en situaciones con bajos requisitos de arranque.
(II) Método de arranque del arrancador suave
Un arrancador suave es un nuevo tipo de equipo de arranque basado en tecnología electrónica de potencia. Ajusta suavemente la tensión de alimentación de los devanados del estator mediante dispositivos electrónicos de potencia internos, como tiristores, lo que permite que la velocidad del motor aumente gradualmente desde 0 hasta la velocidad nominal para lograr un arranque suave. El arrancador suave puede controlar con precisión la corriente de arranque entre 1,5 y 2,5 veces la corriente nominal, evitando subidas y bajadas repentinas de tensión. Además, ofrece las ventajas de un par de arranque ajustable y funciones de protección completas (como protección contra sobrecorriente, sobrecalentamiento y pérdida de fase). Es adecuado para aplicaciones con altos requisitos de suavidad en el arranque, como bombas de agua, ventiladores, cintas transportadoras y otros equipos. En comparación con los métodos tradicionales de arranque reductor, los arrancadores suaves tienen mayor inteligencia y pueden realizar control automático, pero su coste es relativamente elevado.
(III) Método de arranque de frecuencia variable
El arranque de frecuencia variable utiliza un inversor para convertir la corriente alterna (CA) de frecuencia industrial en CA con frecuencia y voltaje ajustables para alimentar el motor. Durante el arranque, el inversor genera una frecuencia y voltaje extremadamente bajos, lo que permite que el rotor del motor acelere lentamente. A medida que aumenta la velocidad, la frecuencia y el voltaje de salida aumentan gradualmente hasta alcanzar el valor nominal. Durante el arranque de frecuencia variable, la corriente de arranque del motor se controla siempre dentro de un rango pequeño, lo que prácticamente no afecta a la red eléctrica ni al motor. Además, permite un funcionamiento de bajo consumo, lo que lo convierte en el método de arranque más avanzado e ideal en la actualidad. Sin embargo, el inversor tiene un coste elevado y requiere una puesta en marcha y un mantenimiento profesionales. Es adecuado para grandes motores de CA, equipos de precisión y aplicaciones con altos requisitos de ahorro de energía y rendimiento de arranque, como compresores de gran tamaño, ascensores, máquinas herramienta CNC, etc.
IV. Resumen y perspectivas
En resumen, la causa principal de la corriente de arranque excesiva en motores de CA reside en el efecto de superposición de las condiciones de inducción electromagnética y las características de funcionamiento del motor al momento del arranque. En la práctica, es necesario seleccionar razonablemente medios técnicos como el arranque reductor, el arranque suave o el arranque con frecuencia variable, en función de factores como la potencia del motor, el entorno operativo, la frecuencia de arranque y las condiciones de la red eléctrica, para lograr los objetivos de suprimir la corriente de arranque, proteger los equipos del motor y estabilizar el funcionamiento de la red eléctrica. Con el continuo desarrollo de la tecnología electrónica de potencia y la tecnología de control automático, la tecnología de control de arranque de los motores de CA evolucionará hacia una dirección más eficiente, inteligente y de bajo consumo, proporcionando un suministro de energía más fiable para la producción industrial y el sustento social.
