OPOSGRATISOPOSGRATISTema 7. Els quadres de control de maniobra de motors elèctrics. Sistemes d'arrencada estrella-triangle
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.
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:
De forma simplificada:
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.
Per aplicar estrella-triangle, el motor ha de disposar de 6 borns accessibles (U1, V1, W1, U2, V2, W2) i estar preparat per treballar:
Relacions de tensió:
Així, en fase d’arrencada en estrella cada debanat rep aproximadament el 58% de la tensió nominal (1/√3 ≈ 0,577).
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.
Un quadre estrella-triangle típic es divideix en:
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.
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
Llums pilot (H1/H2/H3)
Esquema unifilar (conceptual):
Xarxa → Q1 → K1 → F2 → Motor (6 borns) amb commutació Y/Δ via K3/K2.
Esquema multifilar (potència):
La representació multifilar ha de deixar clar el pontatge dels borns del motor en Δ i el punt comú en Y.
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.
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:
Una temporització massa curta pot provocar un segon pic de corrent en commutar a triangle (motor encara lent, lliscament alt).
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.
En un arrencador Y-Δ, els corrents pels contactors no són iguals:
Exemple orientatiu (motor In = 100 A):
En disseny real s’ha de verificar:
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.
Arrencador suau (soft starter):
Variador de freqüència (VFD):
L’arrencada Y-Δ destaca per simplicitat, cost moderat i facilitat de manteniment.
El cablejat ha de tenir:
El grau IP del quadre depèn de l’emplaçament:
A més, cal considerar:
Per al disseny d’arrencadors i contactors de motors de baixa tensió, una referència clau és:
Per a instal·lacions elèctriques en vaixells, la sèrie general de referència és:
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.
Un quadre estrella-triangle és relativament simple, però requereix disciplina de manteniment:
Símptomes típics d’avaria:
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.