Torque de motores eléctricos
Relación potencia-torque-velocidad
La relación fundamental es P = T × ω, donde P es potencia en watts, T es torque en N·m, y ω es velocidad angular en rad/s. Un motor de 7.5 kW a 1450 rpm: ω = 2π × 1450/60 = 151.8 rad/s, T = 7500/151.8 = 49.4 N·m. Esta relación explica por qué un motor lento (ej: 750 rpm, 8 polos) para la misma potencia tiene el DOBLE de torque que uno rápido (1500 rpm, 4 polos). Los motores lentos son físicamente más grandes porque deben generar más par.
Curva de torque vs velocidad
Un motor de inducción tiene una curva característica: a velocidad 0 (rotor bloqueado) produce el torque de arranque (Tarr ≈ 1.5-3 × Tn según diseño NEMA A/B/C/D). Al acelerar, el torque pasa por un mínimo (Tmin o "saddle") y luego sube hasta el torque máximo (Tmax, "pullout" o "breakdown torque", típicamente 2-3.5 × Tn). Después de Tmax, el torque cae rápidamente hasta el punto de operación nominal. Si la carga supera Tmax, el motor se "cala" (se detiene) y toma corriente de rotor bloqueado.
Diseños NEMA
NEMA clasifica los motores por su curva de torque: Diseño A: Tarr normal, Tmax alto, corriente arranque alta. Para cargas que necesitan alto par máximo. Diseño B: el más común (>90% del mercado). Tarr ≈ 1.5-1.6×Tn, Tmax ≈ 2-3×Tn, corriente arranque moderada. Para bombas, ventiladores, compresores. Diseño C: Tarr alto (2-2.5×Tn) para cargas que arrancan con carga (cintas transportadoras, agitadores). Diseño D: Tarr muy alto (2.7-3×Tn) con alto deslizamiento, para cargas con impacto (prensas, grúas).
Factor de servicio
El factor de servicio (SF) indica cuánta sobrecarga continua puede soportar el motor sin reducir su vida útil: SF = 1.0: el motor solo puede operar a potencia nominal. SF = 1.15: puede operar al 115% de potencia nominal de manera continua (estándar en motores NEMA). SF = 1.25: para condiciones severas (ambiente caliente, altitud >1000m). El SF NO es un margen de seguridad para subdimensionar el motor; es una reserva para condiciones imprevistas. Un motor que opera permanentemente al 100% del SF tendrá una vida más corta que uno que opera al 80%.
Métodos de arranque de motores en la industria argentina
La corriente de arranque de un motor de inducción es 6-8 veces la corriente nominal (corriente de rotor bloqueado, Irb). Esto causa caídas de tensión en la red y picos de demanda. Los métodos de arranque reducen esta corriente: (1) Arranque directo (DOL): el motor se conecta directamente a la red. Corriente de arranque: 6-8×In. Torque de arranque: 100% del disponible. Permitido por distribuidoras argentinas generalmente hasta 5-7.5 HP (3.7-5.5 kW) en baja tensión. Por encima, la distribuidora puede exigir arrancador suave o estrella-triángulo. (2) Estrella-Triángulo (Y-Δ): el motor arranca en conexión estrella (tensión reducida a 58%) y conmuta a triángulo después de 3-10 segundos. Corriente de arranque: 33% de la DOL (2-2.7×In). Torque de arranque: 33% del nominal — insuficiente para cargas con alto par de arranque (bombas sumergibles, compresores). Es el método más usado en Argentina para motores de 10-75 HP. Requiere 6 cables al motor y contactores K1(línea), K2(estrella), K3(triángulo) + temporizador. (3) Autotransformador: reduce la tensión de arranque al 65-80% mediante un autotransformador con tomas. Corriente de arranque: 42-64% de DOL. Torque de arranque: 42-64% del nominal. Mejor que Y-Δ para cargas con par resistente significativo. Más caro y voluminoso. (4) Arrancador suave (Soft Starter): aumenta gradualmente la tensión de 0 al 100% mediante tiristores (SCR). Corriente de arranque: ajustable, típicamente 2-4×In. Torque de arranque: proporcional al cuadrado de la tensión aplicada. Excelente para bombas (evita golpe de ariete) y cintas transportadoras (aceleración suave). Marcas en Argentina: Siemens 3RW, ABB PSE/PSTX, WEG SSW, Schneider ATS. (5) Variador de frecuencia (VFD): arranca el motor a baja frecuencia (1-5 Hz) y aumenta gradualmente. Corriente de arranque: ≤ 1.5×In (la más baja de todos los métodos). Torque de arranque: 100-150% del nominal (máximo control). Además permite control de velocidad continuo. Es la solución más versátil pero la más cara. Tabla de selección rápida: Motor ≤ 5.5 kW → arranque directo. Motor 7.5-37 kW, par arranque bajo → estrella-triángulo. Motor 7.5-75 kW, par arranque moderado → soft starter. Motor cualquier potencia + control velocidad → VFD.
Selección de motor por aplicación: tabla práctica para proyectos argentinos
Tabla de selección de motores por aplicación industrial, con datos de torque y método de arranque recomendado: BOMBAS CENTRÍFUGAS: par arranque bajo (20-40% Tn), par funcionamiento constante. Motor diseño B, 2 o 4 polos. Arranque: DOL hasta 5.5 kW, soft starter o VFD para mayores (VFD obligatorio si hay control de caudal). Protección: guardamotor con protección contra marcha en seco. Ejemplo: bomba 15 kW, Tn = 98 N·m, Tarr necesario = 30 N·m. Motor WEG W22 4P IE3 entrega Tarr = 210 N·m, más que suficiente. COMPRESORES A TORNILLO: par arranque moderado-alto (50-100% Tn, depende de la presión residual). Motor diseño B o C, 4 polos. Arranque: Y-Δ (si descarga previamente) o soft starter (si arranca con presión). Motores típicos: 15-75 kW. CINTAS TRANSPORTADORAS: par arranque alto (100-150% Tn, depende de la carga). Motor diseño C o D, 4 o 6 polos. Arranque: Y-Δ solo si el par es suficiente, soft starter ideal (aceleración suave evita deslizamiento de la carga). VENTILADORES INDUSTRIALES: par arranque bajo (10-30% Tn, proporcional al cuadrado de la velocidad). Motor diseño B, 2 o 4 polos. Arranque: DOL hasta 10 kW, VFD para control de caudal (ahorro energético del 30-50%). AGITADORES Y MEZCLADORES: par arranque medio-alto (80-120% Tn, especialmente con producto viscoso). Motor diseño C, 4 o 6 polos. Arranque: soft starter o VFD. A menudo con reductor (motorreductor SEW, Nord, Bonfiglioli). GRÚAS Y ELEVADORES: par arranque muy alto (200-250% Tn), par dinámico variable. Motor diseño D con alto deslizamiento, o motor de rotor bobinado con resistencias de arranque. En Argentina, las grúas industriales (puentes grúa en plantas de Techint, Acindar, Siderar) utilizan motores con freno electromagnético integrado para seguridad.
Preguntas frecuentes
¿Cómo sé el torque de arranque de mi motor?
El torque de arranque está en la placa del motor (como relación Tarr/Tn) o en el catálogo del fabricante. Si no tiene el dato, use estos valores orientativos para motores diseño B: 2 polos (3000 rpm): Tarr/Tn ≈ 1.8, 4 polos (1500 rpm): Tarr/Tn ≈ 2.2, 6 polos (1000 rpm): Tarr/Tn ≈ 2.0, 8 polos (750 rpm): Tarr/Tn ≈ 1.8. Para motores de alta eficiencia (IE3/IE4), el torque de arranque puede ser ligeramente menor (~10-15%) que los motores estándar debido a la optimización del diseño.
¿Qué pasa si la carga necesita más torque que el nominal?
El motor puede entregar transitoriamente hasta Tmax (pullout torque, 2-3.5×Tn) sin problema, siempre que la duración sea breve y no se repita con frecuencia. Si la carga requiere permanentemente más que Tn, el motor se sobrecalienta y la protección térmica lo desconectará. Si la carga instantánea supera Tmax, el motor se cala: se detiene y toma corriente de rotor bloqueado (6-8×In), que lo quemará en segundos si la protección no actúa. Solución: instalar un motor de mayor potencia cuyo Tn cubra el par requerido.
¿Cómo convierto entre kW y HP?
1 HP (Horse Power mecánico) = 0.746 kW. Entonces: kW = HP × 0.746 y HP = kW / 0.746. Ejemplos comunes: 1 HP = 0.746 kW, 2 HP = 1.49 kW, 3 HP = 2.24 kW, 5 HP = 3.73 kW, 7.5 HP = 5.6 kW, 10 HP = 7.46 kW, 15 HP = 11.2 kW, 20 HP = 14.9 kW, 25 HP = 18.6 kW, 30 HP = 22.4 kW. En Argentina se usan ambas unidades indistintamente. Los motores importados de Brasil suelen indicar CV (Cavallo Vapore) = 0.736 kW (ligeramente diferente al HP).
¿Cuánto cuesta la multa por caída de tensión durante el arranque de un motor?
Las distribuidoras argentinas no multan directamente por la caída de tensión de arranque, pero pueden: rechazar la conexión si la potencia del motor supera el límite permitido para arranque directo (generalmente 5.5-7.5 kW) sin arrancador suave. El impacto real es: caída de tensión en la red del usuario (luces parpadean, electrónicos se reinician), caída de tensión que afecta a vecinos (reclamos a la distribuidora), posible daño a equipos sensibles. Las distribuidoras exigen en sus pliegos técnicos que la caída de tensión en bornes del motor durante el arranque no supere el 10-15% de la tensión nominal. Para calcular: ΔV% ≈ (Iarr × Zcable) / V × 100. Si ΔV% > 10%, requiere método de arranque con reducción de corriente.
¿El torque de un motor cambia con la tensión de alimentación?
Sí, proporcionalmente al CUADRADO de la tensión. Si la tensión cae un 10% (de 380V a 342V), el torque disponible disminuye: T = T_nominal × (V/V_nominal)² = T_nominal × (342/380)² = T_nominal × 0.81, es decir, pierde el 19% del par. Esto es particularmente importante en zonas rurales argentinas con redes débiles (subtensión crónica del 5-15%). Un motor que opera al límite de su par nominal con tensión correcta puede calarse con subtensión. En estos casos: redimensionar el cable de alimentación para reducir la caída de tensión, instalar estabilizador de tensión, o sobredimensionar el motor en un escalón de potencia.
¿Qué es la altitud de servicio y cómo afecta al motor en la Puna argentina?
Los motores eléctricos están especificados para operar hasta 1000m sobre el nivel del mar (msnm). A mayor altitud, la densidad del aire es menor → menor capacidad de refrigeración → reducción de la potencia nominal. La reducción es ~1% por cada 100m adicionales sobre 1000m. En la Puna argentina (minería en Catamarca, Salta, Jujuy): Catamarca/Bajo de la Alumbrera: 2600 msnm → reducción del 16%. Salta/Puna: 3500-4000 msnm → reducción del 25-30%. Mina Veladero (San Juan): 4000 msnm → reducción del 30%. Esto significa que un motor de 100 kW a nivel del mar solo puede entregar ~70 kW a 4000m. Se necesita un motor de 143 kW (o 150 kW comercial) para la misma carga. Los fabricantes (WEG, Siemens, ABB) ofrecen motores para altitud con factor de servicio especial o clase de aislamiento superior (clase H en lugar de F).