Consideraciones clave al especificar arrancadores suaves para aplicaciones de motores industriales

Numerosas aplicaciones industriales como cintas transportadoras, bombas, puertas automáticas, puentes grúa y más, utilizan motores asíncronos que funcionan a velocidades constantes, no necesitan altos niveles de par de torsión de arranque y pueden beneficiarse de la simplicidad de utilizar arrancadores suaves de motor. Los arrancadores suaves protegen los motores y los componentes mecánicos del sistema de las sacudidas, aumentan la vida útil, reducen los picos de demanda eléctrica para minimizar el consumo de energía y pueden mejorar la seguridad del operario.

Existe una amplia gama de arrancadores de motor y, para obtener el máximo beneficio y vida útil, deben especificarse adecuadamente. Algunas de las preguntas básicas son:

• ¿Se aplican en un entorno UL/NEMA o IEC?
• ¿El motor es monofásico o trifásico?
• ¿Cuál es el voltaje, el nivel de potencia y los amperios a plena carga del motor?
• ¿Necesita la aplicación parámetros ajustables como tiempos de arranque y deceleración y niveles de par de torsión de desatasco?
• ¿Qué protocolo de comunicaciones se utilizará?

Más allá de los aspectos básicos, hay consideraciones importantes relacionadas con las demandas de ciberseguridad, la necesidad de arrancadores de motor coordinados, tal como se definen en las normas 60947-4-1 y 60947-6-2 de la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC, por sus siglas en inglés), la protección térmica o contra sobrecargas y las clases de motores, tal como se definen en la norma 49 del Instituto Nacional Estadounidense de Normalización (ANSI) para "relé térmico / sobrecarga térmica de máquinas o transformadores", y un amplio rango de opciones de protección adicionales.

Este artículo repasa brevemente los aspectos básicos a la hora de seleccionar arrancadores suaves de motor antes de presentar una revisión más detallada de las características avanzadas, como consideraciones sobre arrancadores de motor coordinados, características de protección, necesidades de ciberseguridad y arrancadores suaves ejemplares de Schneider Electric.

Principios básicos

Existen diferencias entre las especificaciones de los motores utilizados en un entorno UL/NEMA y en un entorno IEC. Es esencial conocer la ubicación de la aplicación; NEMA se aplica en Norteamérica, mientras que IEC se utiliza en Europa y otras regiones. En general, NEMA permite más variación en numerosas especificaciones, mientras que IEC tiende a tener tolerancias más estrictas.

Por ejemplo, en las placas de características NEMA, la corriente de carga nominal del motor tiene una tolerancia de ±10%, mientras que las placas de características IEC no incluyen una tolerancia de corriente de carga. En los motores NEMA, la tensión nominal se indica con una tolerancia de ±10%, y los motores IEC tienen una tolerancia de ±5%. NEMA e IEC utilizan diferentes sistemas de clasificación para definir los perfiles par de torsión-velocidad de los motores y el factor de servicio del motor.

Otras consideraciones importantes son si el motor se alimentará con corriente monofásica o trifásica, y cuál será el voltaje, la potencia y los amperios a plena carga específicos del motor. Algunas aplicaciones requieren tiempos de arranque o deceleración ajustables. ¿Cuáles son las características del motor si el eje del motor se atasca en condiciones de funcionamiento? ¿Puede el arrancador soportar el mayor consumo de corriente?

También es necesario examinar los requisitos de conectividad de la aplicación. Los arrancadores de motor simples no tienen conectividad. Algunos arrancadores suaves están diseñados para gestionar un único protocolo, como Modbus. Otros pueden tener opciones como Profinet, Modbus, Ethernet/IP, CANopen, etc.

Arrancadores de motor coordinados

Los fallos eléctricos en los controladores de motores, como los arrancadores suaves, pueden crear problemas de seguridad. Para hacer frente a los fallos se necesitan diversos dispositivos de protección, como fusibles o disyuntores. La IEC ha elaborado normas y procedimientos de prueba para garantizar la seguridad mediante la "coordinación" de los distintos dispositivos.

Las normas exigen que un arrancador coordinado se pruebe en condiciones de fallo extremas. El dispositivo es necesario para eliminar rápidamente la avería sin riesgo para el operario ni daños en la instalación del motor. La norma IEC 60947-4-1 detalla dos tipos de coordinación: Tipo I y Tipo II. La coordinación de tipo III se detalla en la norma IEC 60947-6-1. Los tres tipos de coordinación se definen como:

Tipo I - es la coordinación básica. Su costo es bajo y resulta adecuado cuando el tiempo de actividad de la máquina no es una prioridad. El tipo I no admite la continuidad de las operaciones. Una vez puesto en marcha, se recomienda sustituir el arrancador antes de volver a poner en marcha el motor.

Tipo II: es una solución de mayor rendimiento. Permite reducir el tiempo de inactividad y no requiere la sustitución del arrancador tras una avería. El arrancador debe estar listo para su reutilización inmediata tras una avería después de una inspección. Se permiten "reparaciones" sencillas; por ejemplo, los contactos pueden soldarse pero pueden separarse rápidamente.

Tipo III: proporciona el máximo rendimiento. Después de una avería, no debe producirse ningún daño en el equipo y el arrancador debe poder volver a arrancar inmediatamente el motor sin necesidad de reajustes, inspecciones o reparaciones. La coordinación de tipo III está diseñada para soportar aplicaciones de misión crítica.

Clases de disparo con sobrecarga

Además de definir los tipos de coordinación para los circuitos de protección, la norma IEC 60947-4-1 (e IEC 60947-6-2 junto con la norma ANSI 49) define las clases de disparo para la protección térmica y contra sobrecargas del motor. Las clases de disparo definen el tiempo necesario para que un relé de protección se dispare cuando la corriente aumenta hasta 7,2 veces la corriente nominal (Ir). La curva de disparo del dispositivo de protección térmica determina la clase de disparo. Cuanto mayor es el número de clase, más tarda en dispararse el relé; por ejemplo, la clase 20 tarda más en dispararse que la clase 10 (figura 1).

Figura 1: Las clases de disparo vienen determinadas por Ir (A) y el tiempo que tarda en dispararse a 7,2 x Ir (B). (Fuente de la imagen: Schneider Electric)

La norma identifica cuatro clases de disparo: 5, 10, 20 y 30. Estas designaciones de clase corresponden al tiempo máximo de disparo. La precisión del tiempo de disparo es de -20%, + 0%, como sigue:

1. Clase 5, tiempo de disparo de 4 a 5 segundos
2. Clase 10, tiempo de disparo de 8 a 10 segundos
3. Clase 20, tiempo de disparo de 16 a 20 segundos
4. Clase 30, tiempo de disparo de 24 a 30 segundos

Control de voltaje y par de torsión

La familia Altistart 22 de arrancadores suaves de Schneider Electric permite el arranque y la parada controlados de motores asíncronos trifásicos de 4 a 400 kW (3 a 500 HP) mediante el control de voltaje y par. Están diseñados para su uso en aplicaciones con protección del motor de clase 10. Por ejemplo, el modelo ATS22C25Q está optimizado para su uso con bombas y ventiladores y está preparado para tensiones de alimentación de 230 a 440 VCA. Puede admitir motores de 75 kW con una tensión de alimentación de 230 VCA y motores de 132 kW si la tensión de alimentación es de 400 VCA o superior.

Los ciclos de arranque y parada se gestionan mediante rectificadores controlados por silicio (SCR) que controlan el voltaje que ve el motor y limitan la corriente. Una vez que el motor arranca por completo, se enciende un contactor de derivación que retira los SCR del circuito y mejora la eficiencia de funcionamiento. La figura 2 ilustra el funcionamiento de un arrancador suave Altistart 22 en comparación con un arranque no controlado del motor:

• El arranque no controlado de un motor asíncrono provoca un gran aumento de corriente, Is, y un par de torsión de Ts.
• Altistart 22 da como resultado un par de torsión total de Ts1 que depende del ajuste del límite de corriente, ILt. El par de torsión resistivo de la carga, Tr, debe ser inferior al par Ts1, o el motor no arrancará.

Figura 2: Curvas características del par de torsión de arranque. (Fuente de la imagen: Schneider Electric)

Los tiempos de arranque con arrancadores suaves Altistart 22 se definen en relación con la clase de protección del motor de la siguiente manera:

• Clase 10, 16 segundos para un arrancador suave para la corriente nominal del motor
• Clase 20, 32 segundos para un arrancador suave sobredimensionado en un nivel de potencia respecto a la intensidad nominal del motor.
• Clase 30, 48 segundos para un arrancador suave sobredimensionado en dos niveles de potencia respecto a la intensidad nominal del motor.

Los arrancadores suaves Altistart 22 están diseñados para aplicaciones que requieren hasta un 350% de la corriente nominal, IcL. Los arrancadores más grandes deben ser especificados para aplicaciones de trabajo pesado que requieren niveles más altos de IcL. Entre los factores clave que determinan el modelo Altistart 22 correcto para una aplicación determinada se incluyen:

• Potencia y corriente nominal en la placa de características del motor
• Ciclo de trabajo o útil
• Capacidad de corriente de arranque
• Número de arranques por hora
• Clase de protección térmica del motor

La facilidad de puesta en servicio es una característica importante de los arrancadores suaves Altistart 22, y se apoya de varias maneras. Por ejemplo, el puerto Modbus integrado permite estas conexiones y usos:

• Para la conexión a una red Modbus, el software SoMove para PC de Schneider Electric permite crear y almacenar archivos de configuración fuera de línea y encargar rápidamente una instalación. El software SoMove para PC también puede utilizarse con fines de supervisión y diagnóstico.
• La aplicación Altistart 22 iPad App se puede utilizar para crear, guardar y transferir configuraciones desde un iPad al Altivar 22.
• Se puede utilizar un teclado de montaje remoto para permitir el acceso desde el exterior de un gabinete.

Además, el Altistart 22 dispone de una interfaz integrada que permite al técnico modificar tanto la programación como los parámetros de ajuste o control (Figura 3).

Figura 3: Las unidades Altistart 22 incluyen una pantalla en el panel frontal y una función de introducción de parámetros. (Fuente de la imagen: Schneider Electric)

Limitación del par de torsión

Los arrancadores suaves Altistart 01 pueden utilizarse como limitador de par en el arranque o como controlador de arranque/parada suave para motores asíncronos de 0,37 a 15 kW (0,5 a 20 HP). Están disponibles para motores monofásicos y trifásicos y disponen de contactores de derivación integrados. Por ejemplo, el ATS01N206RT está diseñado para su uso con motores de hasta 3 HP que funcionan con una tensión de alimentación de 460 a 480 VCA. Estos arrancadores suaves están diseñados para arrancar máquinas que no necesitan un alto par de torsión de arranque como:

• Puertas automáticas y portones
• Máquinas accionadas por correa
• Ventiladores
• Compresores
• Bombas
• Grúas pequeñas

Los modelos ATS01N1 controlan el tiempo de arranque del motor aumentando la tensión aplicada a una fase del motor. En cambio, los modelos ATS01N2 controlan dos fases de la fuente de alimentación del motor para limitar la intensidad de arranque y para la deceleración. Para los modelos ATS01N1, el tiempo de rampa de la tensión de arranque puede ajustarse de 1 a 5 segundos, y el nivel de tensión inicial puede ajustarse aproximadamente del 30 al 80% del nivel de tensión de la línea de CA (Figura 4).

Figura 4: La tensión inicial y el tiempo de rampa pueden ajustarse en los modelos ATS01N1. (Fuente de la imagen: Schneider Electric)

Añadir ciberseguridad

Aplicaciones en las que la ciberseguridad es una consideración importante pueden recurrir a los arrancadores suaves ATS480 de Schneider Electric. Estas unidades se han diseñado de acuerdo con las normas IEC 62443 que definen las mejores prácticas de ciberseguridad para la tecnología operativa en sistemas de automatización y control.

Las características de ciberseguridad de estos arrancadores suaves protegen contra interferencias o ataques casuales o intencionados, como revelación involuntaria de información, manipulación, ataques de denegación de servicio y suplantación/elevación de privilegios. Las funciones de ciberseguridad incluyen:

• Gestión de cuentas de usuario para imponer la autorización
• Características de ciberseguridad mejoradas integradas para restringir o desactivar puertos y servicios.
• Inteligencia sobre amenazas para generar informes relacionados con la seguridad
• Inicio seguro
• Actualización de firmware compatible con ciberseguridad con el firmware firmado digitalmente y sólo se aplica si el ATS480 verifica la autenticidad.

Hay modelos disponibles de 3 a 900 kW. Pueden funcionar con una amplia gama de voltajes de suministro. Por ejemplo, el modelo ATS480C17Y funciona con tensiones de alimentación trifásicas de 208 a 690 VCA (Figura 5). Dependiendo del régimen de funcionamiento de la aplicación y de la tensión de alimentación, esta unidad puede utilizarse con motores de 37 a 160 kW. Utilizan el frenado dinámico y la inyección de CC para detener eficazmente las aplicaciones de gran inercia.

Figura 5: Los arrancadores progresivos ATS 480, como este modelo ATS480C17Y, incluyen amplias funciones de ciberseguridad. (Fuente de la imagen: Schneider Electric)

Conclusión:

Los arrancadores suaves para motores asíncronos son importantes para proteger los equipos y a los operarios en diversas aplicaciones industriales. Como se ha visto, la especificación de arrancadores suaves puede ser un proceso complejo con muchos parámetros y especificaciones a tener en cuenta. Schneider Electric ofrece varias familias de arrancadores suaves que pueden satisfacer diversas necesidades, desde aplicaciones sensibles a los costos hasta requisitos avanzados de alta eficiencia, alta disponibilidad y altos niveles de ciberseguridad.