T7. Tema 7. Els quadres de control de maniobra de motors elèctrics. Sistemes d'arrencada estrella-triangle

Desarrollo del tema

# ELS QUADRES DE CONTROL DE MANIOBRA DE MOTORS ELÈCTRICS (ESTRELLA-TRIANGLE)

## 1. INTRODUCCIÓ

A bord d’un vaixell, una part molt significativa dels consumidors elèctrics són motors asíncrons trifàsics (bombes centrífugues de refrigeració i llast, ventiladors, compressors d’aire, bombes de sentina, etc.). La maniobra d’aquests motors ha de garantir tres objectius principals: (1) fiabilitat i disponibilitat, (2) limitació d’esforços mecànics i elèctrics a la xarxa del vaixell, i (3) seguretat per a la tripulació i el sistema.

Un quadre de control de maniobra no és només un “arrencador”; és un conjunt organitzat de potència, proteccions, comandament, senyalització i interbloquejos, dissenyat per operar en entorn marí (vibracions, humitat, atmosfera salina) i sovint en xarxes elèctriques relativament “febles” (impedància interna notable de generadors i línies) on els pics de corrent d’arrencada poden provocar caigudes de tensió que afectin altres equips crítics.

L’arrencada estrella-triangle (Y-Δ) és un mètode clàssic i robust d’arrencada a tensió reduïda, emprat quan el motor està previst per funcionar en triangle a tensió de línia però es vol reduir el corrent d’arrencada limitant la tensió aplicada als debanats durant els primers segons.

## 2. FONAMENTS TEÒRICS DE L’ARRENCADA DE MOTORS ASÍNCRONS

### 2.1 El problema de l’arrencada directa (DOL)

En una arrencada directa (*Direct On-Line*, DOL), el motor rep la tensió nominal de línia de manera immediata. En el moment inicial, el lliscament és pràcticament 1 (rotor aturat), la freqüència de rotor és elevada i la impedància efectiva vista des de l’estator és baixa. El motor es comporta aproximadament com un transformador amb el secundari gairebé en curt i, per això, el corrent d’arrencada pot assolir valors típics de 6 a 8 vegades el corrent nominal (In).

Conseqüències habituals a bord: - Caiguda de tensió a barres (busbar dip) que pot desestabilitzar equips electrònics, variadors, sistemes de control i il·luminació. - Augment d’esforços electrodinàmics en barres, contactes i conductors. - Estrès tèrmic i mecànic al motor i a la màquina accionada. - Possibles dispars de proteccions si no s’han coordinat adequadament (selectivitat).

### 2.2 Relació tensió–corrent i tensió–parell

De forma simplificada: - El corrent d’arrencada és aproximadament proporcional a la tensió aplicada als debanats. - El parell d’arrencada (i en general el parell electromagnètic) és aproximadament proporcional al quadrat de la tensió aplicada (M ∝ V²).

Això és clau: reduir tensió redueix corrent, però també redueix el parell disponible. Per tant, l’arrencada Y-Δ és adequada sobretot en càrregues de baix parell inicial (bombes centrífugues i ventiladors), però pot fallar en càrregues amb parell resistent elevat o gairebé constant des de zero.

### 2.3 Principi de connexió estrella (Y) i triangle (Δ)

Per aplicar estrella-triangle, el motor ha de disposar de 6 borns accessibles (U1, V1, W1, U2, V2, W2) i estar preparat per treballar: - En Δ a la tensió de línia del sistema. - En Y durant l’arrencada amb tensió reduïda als debanats.

Relacions de tensió: - En estrella: Vfase(Y) = Vlínia / √3 - En triangle: Vfase(Δ) = Vlínia

Així, en fase d’arrencada en estrella cada debanat rep aproximadament el 58% de la tensió nominal (1/√3 ≈ 0,577).

### 2.4 Reducció de corrent i de parell en Y-Δ

En condicions ideals, el corrent de línia d’arrencada en estrella és aproximadament un terç del corrent d’arrencada si s’arranqués en triangle (equivalent a arrencada directa per a un motor dissenyat per funcionar en Δ):

Iarr(Y) ≈ (1/3) · Iarr(Δ)

Com que el parell és proporcional a V²:

Marr(Y) ≈ (1/3) · Marr(Δ)

Implicació: el disseny ha d’assegurar que el parell d’arrencada reduït sigui suficient per accelerar el conjunt motor-càrrega fins a una velocitat propera a la nominal abans de commutar a triangle.

## 3. QUADRE D’ARRENCADA ESTRELLA-TRIANGLE: ARQUITECTURA I COMPONENTS

Un quadre estrella-triangle típic es divideix en: - Circuit de potència (força): alimentació del motor. - Circuit de maniobra (comandament): lògica d’arrencada/aturada, temporització, interbloquejos i alarmes.

### 3.1 Components principals de potència

**Q1 – Interruptor general / protecció contra curtcircuits** Pot ser magnetotèrmic (MCCB) o conjunt seccionador + fusibles. La selecció depèn de nivells de curtcircuit disponibles, selectivitat i requisits de manteniment.

**K1 – Contactor de línia** Connecta la xarxa al motor (via relé tèrmic). És el contactor que està actiu tant en estrella com en triangle.

**K3 – Contactor d’estrella** Durant l’arrencada uneix U2, V2 i W2 formant el punt estrella. No ha de poder tancar quan K2 (triangle) està tancat.

**K2 – Contactor de triangle** Durant el funcionament normal realitza la connexió en Δ. Treballa en règim amb el motor a tensió nominal.

**F2 – Relé tèrmic (sobrecàrrega)** Protegeix contra sobrecàrregues perllongades i desequilibris de fase (segons tecnologia). Normalment es col·loca en sèrie a la línia de motor. En aplicacions navals és habitual utilitzar també relés electrònics de motor (protecció integral) segons criticitat.

**PE – Presa de terra i conductor de protecció** Connexió d’equipotencialitat imprescindible. A bord sovint es treballa en sistemes IT (neutre aïllat) a determinades tensions, amb vigilància d’aïllament; això afecta la filosofia de protecció, però no elimina la necessitat de posada a terra d’envolvents metàl·liques.

### 3.2 Components del circuit de maniobra

**S0 – Polsador STOP (NC)** Aturada normal del motor.

**S1 – Polsador START (NO)** Inicia la seqüència d’arrencada.

**KT – Temporitzador Y-Δ** Controla el temps d’estrella i la transició a triangle. Pot ser amb transició oberta (obrir estrella i després tancar triangle) o amb transició tancada controlada (menys habitual en sistemes simples).

**Contactes auxiliars i interbloquejos** - Interbloqueig elèctric: contacte NC de K2 en sèrie amb bobina K3, i contacte NC de K3 en sèrie amb bobina K2. - Interbloqueig mecànic: peça física entre K2 i K3 que impedeix tancament simultani. És molt recomanable, especialment per vibracions.

**Llums pilot (H1/H2/H3)** - “Tensió present” (blau/blanc) - “Motor en marxa” (verd) - “Avaria / relé tèrmic disparat” (vermell)

### 3.3 Esquemes: unifilar i multifilar

**Esquema unifilar (conceptual):** Xarxa → Q1 → K1 → F2 → Motor (6 borns) amb commutació Y/Δ via K3/K2.

**Esquema multifilar (potència):** - En estrella: K1 tancat + K3 tancat + K2 obert. - En triangle: K1 tancat + K2 tancat + K3 obert.

La representació multifilar ha de deixar clar el pontatge dels borns del motor en Δ i el punt comú en Y.

## 4. SEQÜÈNCIA D’ARRENCADA I FUNCIONAMENT

### 4.1 Fase 1: arrencada en estrella

En prémer START: 1) Excitació de K1 (línia) i del temporitzador. 2) Si els interbloquejos ho permeten, excitació de K3 (estrella). 3) El motor rep Vfase = Vlínia/√3, arrenca amb corrent i parell reduïts.

L’objectiu és que el motor arribi aproximadament al 80–90% de la velocitat nominal abans de commutar.

### 4.2 Temporització típica

La temporització depèn de la inèrcia del conjunt i del parell resistent. Valors típics: 5 a 15 s. En aplicacions navals s’ha d’evitar una temporització excessiva perquè: - pot augmentar l’escalfament durant l’arrencada, - pot provocar una acceleració insuficient si el parell en estrella és just, - i pot allargar el temps de caiguda de tensió global.

Una temporització massa curta pot provocar un segon pic de corrent en commutar a triangle (motor encara lent, lliscament alt).

### 4.3 Fase 2: transició a triangle

En acabar el temps: 1) KT ordena l’obertura de K3. 2) Breu temps mort (interrupció controlada) per garantir que K3 està completament obert. 3) Tancament de K2 (triangle).

A partir d’aquí el motor treballa a tensió nominal, amb parell i potència nominal.

### 4.4 Riscos i fallades típiques de la commutació

- **Tancament simultani K2+K3:** provoca curtcircuit trifàsic. Per això són crítics els interbloquejos elèctrics i mecànics. - **Temps mort insuficient:** pot provocar arcs o corrents elevats per solapament. - **Motor infraccelerat:** en commutar a triangle es produeix un pic de corrent alt i pot disparar proteccions.

## 5. DIMENSIONAMENT I CRITERIS DE SELECCIÓ (APLICACIÓ NAVAL)

### 5.1 Dimensionament dels contactors

En un arrencador Y-Δ, els corrents pels contactors no són iguals: - K1 (línia) i K2 (triangle) se solen dimensionar aproximadament a 0,58·In (en funció de l’esquema concret i criteri del fabricant), però a la pràctica es trien segons categoria d’ús (AC-3) i recomanacions de taules del fabricant per a estrella-triangle. - K3 (estrella) condueix un corrent menor, aproximadament 0,33·In.

Exemple orientatiu (motor In = 100 A): - K1 i K2: calibre aproximat 58 A (AC-3) segons simplificació. - K3: calibre aproximat 33 A.

En disseny real s’ha de verificar: - corrent nominal del motor, - categoria d’ús (AC-3 per motors asíncrons), - capacitat de maniobra, escalfament i cicles, - i compatibilitat amb la tensió i la freqüència de bord.

### 5.2 Coordinació de proteccions

- Q1: ha de suportar el corrent d’arrencada sense dispar indegut, però protegir contra curtcircuit. - F2: ajust a In del motor (considerant servei, ventilació, temperatura ambient, etc.). - Selectivitat: important per evitar blackouts per dispar global.

En entorn naval és freqüent exigir alt grau de selectivitat i estudiar l’impacte de l’arrencada sobre la xarxa (busbar dip), especialment quan el motor és gran respecte a la potència de generació en línia.

### 5.3 Limitacions del mètode estrella-triangle

- Requereix motor amb 6 terminals. - Només és adequat per càrregues amb parell d’arrencada baix (ventiladors, bombes centrífugues). - No permet una rampa suau de parell; la commutació pot generar un “cop” mecànic. - No és òptim per motors amb molts arrencades per hora o que necessiten control de velocitat.

### 5.4 Comparativa amb altres mètodes

**Arrencador suau (soft starter):** - Avantatge: rampa de tensió controlada, menys cops mecànics. - Inconvenient: més electrònica, major cost.

**Variador de freqüència (VFD):** - Avantatge: control total de tensió i freqüència, parell elevat a baixa velocitat, eficient i versàtil. - Inconvenient: cost, harmònics, necessitat de filtratge i compatibilitat EMC.

L’arrencada Y-Δ destaca per simplicitat, cost moderat i facilitat de manteniment.

## 6. DISSENY DEL QUADRE I CONSIDERACIONS D’INSTAL·LACIÓ

### 6.1 Disposició interna i cablejat

- Zona superior: seccionament i proteccions generals. - Zona central: contactors i relé tèrmic (potència), amb ventilació adequada. - Zona inferior/lateral: bornes, temporitzador, transformador de maniobra si s’escau.

El cablejat ha de tenir: - seccions adequades i marcació clara, - protecció mecànica contra vibracions, - compatibilitat amb normes marines (cables LSZH quan pertoqui, rutes segures, etc.).

### 6.2 Enclavaments i seguretat

- Interbloqueig elèctric creuat K2/K3 (obligatori). - Interbloqueig mecànic K2/K3 (molt recomanat). - Protecció contra arrencada intempestiva després de retorn de tensió (anti-restart) quan sigui exigible.

### 6.3 Grau de protecció i entorn marí

El grau IP del quadre depèn de l’emplaçament: - Sala de màquines: habitualment IP44 com a mínim. - Zones exposades a esquitxades o coberta: IP56 o superior.

A més, cal considerar: - anticorrosió (pintura marina, acer inoxidable en elements exposats), - segellat de passacables, - drenatges i evitació de condensació.

## 7. NORMATIVA I REFERÈNCIES TÈCNIQUES

Per al disseny d’arrencadors i contactors de motors de baixa tensió, una referència clau és: - IEC 60947-4-1: Contactors i arrencadors de motors (categories d’ús com AC-3).

Per a instal·lacions elèctriques en vaixells, la sèrie general de referència és: - IEC 60092 (diverses parts, incloent disseny i proteccions).

En el context de vaixell, a més, s’apliquen regles de societats de classificació (DNV, Lloyd’s, Bureau Veritas, ABS) que poden fixar requisits addicionals sobre selecció de material, proteccions, proves i documentació.

## 8. MANTENIMENT PREVENTIU I DIAGNÒSTIC

Un quadre estrella-triangle és relativament simple, però requereix disciplina de manteniment:

- Inspecció periòdica de connexions (estrenyiment a parell): les vibracions afluixen borns i poden provocar punts calents. - Revisió de contactes de contactors: desgast, picatge i resistència de contacte. - Comprovació del temporitzador: temps real, repetibilitat i estat de contactes. - Verificació d’interbloquejos: elèctrics i mecànics. - Termografia: detecció precoç de punts calents a contactors, barres i bornes. - Proves funcionals: arrencada i commutació sota condicions segures.

Símptomes típics d’avaria: - Dispars del relé tèrmic a la commutació: temporització massa curta o càrrega alta. - Sorolls o vibracions en commutar: cop mecànic, solapament o desajust. - Contactors enganxats: bobina defectuosa, brutícia, sobreescalfament.

## 9. CONCLUSIÓ

Els quadres de maniobra estrella-triangle continuen sent una solució molt estesa a bord per arrencar motors trifàsics asíncrons amb limitació de corrent d’arrencada. El seu valor principal és la robustesa i simplicitat, però exigeix una correcta selecció de motor (6 borns, parell suficient), una lògica de maniobra segura (interbloquejos estrictes), una coordinació de proteccions adequada i una temporització ben ajustada.

En entorn naval, on la fiabilitat de la xarxa i la selectivitat de proteccions són crítiques, el disseny del quadre ha d’integrar criteris elèctrics, mecànics i normatius per evitar incidències com caigudes de tensió, dispars no desitjats o, en el pitjor dels casos, curtcircuits per maniobra incorrecta.