El arranque directo de un motor de inducción de jaula impone exigencias eléctricas y mecánicas que muchas instalaciones no pueden absorber. Dos tecnologías electrónicas resuelven este problema: el arrancador suave (soft starter) y el variador de frecuencia (variable frequency drive, VFD). Ambas mejoran el arranque, pero responden a necesidades distintas. Este artículo explica el principio de cada una, las compara por criterios técnicos y propone una guía de decisión.
El problema del arranque directo
En el arranque directo (direct-on-line, DOL), el motor absorbe la corriente de rotor bloqueado, que en motores de uso general se sitúa típicamente entre 6 y 8 veces la corriente nominal (In). IEC 60034-12 define los diseños de arranque N y H, con sus variantes, y fija para cada uno los límites de par de rotor bloqueado, par mínimo y potencia aparente de rotor bloqueado; las variantes «E» de alta eficiencia admiten corrientes de arranque mayores [1]. Las características asignadas y los servicios del motor se definen en IEC 60034-1 [2].
Las consecuencias prácticas son:
- Caída de tensión que afecta a otros consumidores y puede impedir el arranque en redes débiles o alimentadas por generadores.
- Par de arranque brusco, que genera golpes en acoplamientos, reductores y correas.
- Golpe de ariete (water hammer) en bombas, especialmente en la detención.
- Esfuerzos térmicos y electrodinámicos en los devanados.
En Chile, el pliego técnico normativo RIC N°07 de la Superintendencia de Electricidad y Combustibles (SEC) aborda los métodos de partida de motores en las instalaciones de consumo: admite la partida con tensión reducida y establece que cada motor cuente con un partidor individual, que puede ser un autotransformador u otro medio electrónico [3]. Esta disposición da cabida tanto al arrancador suave como al variador de frecuencia como medios de partida.
Principio del arrancador suave
El arrancador suave intercala entre la red y el motor pares de tiristores (SCR, silicon-controlled rectifier) conectados en antiparalelo en cada fase. Mediante el control del ángulo de fase (phase angle control), retrasa el disparo de los tiristores en cada semiciclo y reduce el valor eficaz de la tensión aplicada. La frecuencia no cambia, por lo que no hay control de velocidad en régimen.
El par del motor de inducción es aproximadamente proporcional al cuadrado de la tensión (T ∝ U²) y la corriente, a la tensión [4]. Si la corriente de rotor bloqueado es 6·In y se limita a 3·In, la tensión efectiva es cercana al 50 % y el par baja a cerca del 25 % del par de rotor bloqueado. Por ello, el arrancador suave requiere cargas de bajo par de arranque.
Las funciones habituales son:
- Rampa de tensión desde un valor inicial hasta la plena tensión.
- Limitación de corriente, normalmente entre 2 y 4·In según la carga.
- Control de par, que linealiza la aceleración y atenúa el golpe de ariete en bombas.
- Parada suave mediante reducción gradual de la tensión.
- Contactor de bypass (bypass contactor), que al terminar la rampa cortocircuita los tiristores; en régimen permanente las pérdidas y los armónicos son mínimos.
La norma IEC 60947-4-2
Los arrancadores semiconductores de hasta 1.000 V CA están cubiertos por IEC 60947-4-2:2020 (edición 4.0, con enmienda 1 de 2024) [5]. Para motores de jaula, la norma define la categoría de utilización AC-53a, en que el semiconductor conduce también en régimen, y AC-53b, aplicable cuando un bypass asume la corriente en régimen. La capacidad se expresa con un índice normalizado: para AC-53a, Ie: AC-53a: X-Tx: F-S, donde X es la corriente de arranque como múltiplo de Ie, Tx su duración en segundos, F el factor de marcha en porcentaje y S los ciclos por hora; para AC-53b, el último término es el tiempo mínimo de desconexión entre arranques. Esta notación permite verificar si el equipo soporta el tiempo de arranque y la frecuencia de maniobras de la aplicación.
Principio del variador de frecuencia
El variador rectifica la tensión de red, la almacena en un circuito intermedio de continua y la reconstruye con un inversor de modulación por ancho de pulso, entregando tensión y frecuencia variables. Al mantener su relación, el motor opera con flujo cercano al nominal y desarrolla par nominal desde velocidad cero con corriente cercana a In (ver el artículo sobre el principio del variador). Sus características asignadas se especifican en IEC 61800-2 [6].
Comparación por criterios técnicos
| Criterio | Arrancador suave | Variador de frecuencia |
|---|---|---|
| Control de velocidad en régimen | No; solo actúa en arranque y parada | Sí, en todo el rango |
| Corriente de arranque | Reducida, típicamente 2–4·In | Cercana a In para par nominal |
| Par de arranque | Reducido (∝ U²) | Nominal o superior desde velocidad cero |
| Ahorro energético en régimen | No significativo | Elevado en cargas de par cuadrático con caudal variable |
| Armónicos | Solo durante el arranque si hay bypass | Permanentes mientras opera |
| Pérdidas y calor | Mínimas con bypass | Algunos puntos porcentuales de la potencia |
| Espacio | Reducido | Mayor, con filtros y ventilación |
| Costo inicial relativo | Menor | Mayor |
| EMC | Exigencias menores | Cableado, puesta a tierra y filtrado según IEC 61800-3 |
| Mantenimiento | Simple | Ventiladores y condensadores con vida útil definida |
| Frenado y regeneración | No; solo parada controlada | Frenado dinámico o regenerativo según topología |
| Funciones de seguridad | Dependen de dispositivos externos | STO y otras funciones integradas |
El ahorro energético se debe a las leyes de afinidad: en bombas y ventiladores centrífugos la potencia varía aproximadamente con el cubo de la velocidad (ver perfiles de carga mecánica). IEC 61800-9-2 define el método para determinar la eficiencia del sistema motor-variador en distintos puntos de operación [7], e IEC 61800-3 los requisitos de compatibilidad electromagnética (electromagnetic compatibility, EMC) [8]. Los armónicos se tratan en el artículo sobre armónicos y calidad de energía y la función STO (Safe Torque Off), en el de seguridad funcional en drives.
Costo del ciclo de vida
El análisis de costo del ciclo de vida (life cycle cost, LCC) suma inversión, instalación, energía, mantenimiento, detenciones y disposición final. En sistemas de bombeo de operación continua, la energía suele ser el componente dominante [9]. En una carga de caudal variable, el mayor costo inicial del variador se compensa con la reducción del consumo; en una de velocidad fija, el variador agrega pérdidas sin beneficio energético y el arrancador suave resulta más eficiente [10].
Guía de decisión
- ¿Se requiere variar la velocidad durante la operación? Corresponde un variador.
- ¿La carga es de par cuadrático con caudal variable, regulada por válvula o compuerta? El variador permite ahorro energético relevante.
- ¿La carga exige alto par de despegue (correas cargadas, agitadores con producto sedimentado)? El par reducido del arrancador suave puede ser insuficiente.
- ¿La red es débil o alimentada por generador? El variador reduce más la corriente, pero aporta armónicos permanentes.
- ¿Cuántos arranques por hora y de qué duración? Debe verificarse contra el índice AC-53a o AC-53b del arrancador, o contra la capacidad de sobrecarga del variador.
- ¿Cuál es la potencia y la tensión? En potencias elevadas y media tensión, las diferencias de costo, espacio y disipación crecen y conviene evaluarlas con LCC.
Algunas aplicaciones típicas
| Aplicación | Tecnología habitualmente adecuada | Motivo y matices |
|---|---|---|
| Correas transportadoras | Variador | Par de despegue, aceleración controlada y reparto de carga; correas cortas admiten arrancador suave |
| Bombas de agua de caudal fijo | Arrancador suave | Control de par en arranque y parada para atenuar golpe de ariete |
| Bombas con control de caudal o presión | Variador | Ahorro por leyes de afinidad y control de proceso |
| Ventiladores | Variador si el caudal varía; arrancador suave si es fijo | Ventiladores de alta inercia exigen verificar Tx del arrancador |
| Compresores | Arrancador suave o variador | Según el perfil de demanda de aire |
| Agitadores | Arrancador suave | Variador si se ajusta la velocidad o hay alto par de despegue |
Conclusión
El arrancador suave resuelve el arranque y la parada de cargas de velocidad fija con bajo par inicial, con menor inversión, menor espacio y pérdidas prácticamente nulas en régimen gracias al bypass; su capacidad se verifica con las categorías AC-53a y AC-53b de IEC 60947-4-2. El variador es la opción adecuada cuando el proceso requiere variar la velocidad, cuando la carga exige alto par con baja corriente o cuando el ahorro energético compensa su mayor costo inicial. La decisión debe considerar el perfil de carga, las maniobras, la red y el costo del ciclo de vida.
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Referencias
[1] IEC. IEC 60034-12:2024 — Rotating electrical machines – Part 12: Starting performance of single-speed three-phase cage induction motors. Ed. 4.0. Ginebra: IEC, 2024.
[2] IEC. IEC 60034-1:2026 — Rotating electrical machines – Part 1: Rating and performance. Ed. 15.0. Ginebra: IEC, 2026.
[3] Superintendencia de Electricidad y Combustibles (SEC). Pliego Técnico Normativo RIC N°07: Instalaciones de equipos. Versión 1.1, Resolución Exenta N° 33.877. Santiago de Chile, 2020.
[4] Hughes, A.; Drury, B. Electric Motors and Drives: Fundamentals, Types and Applications. 5.ª ed. Oxford: Newnes (Elsevier), 2019.
[5] IEC. IEC 60947-4-2:2020 — Low-voltage switchgear and controlgear – Part 4-2: Contactors and motor-starters – Semiconductor motor controllers, starters and soft-starters. Ed. 4.0, con AMD1:2024. Ginebra: IEC, 2020.
[6] IEC. IEC 61800-2:2021 — Adjustable speed electrical power drive systems – Part 2: General requirements – Rating specifications for adjustable speed AC power drive systems. Ed. 3.0. Ginebra: IEC, 2021.
[7] IEC. IEC 61800-9-2:2023 — Adjustable speed electrical power drive systems (PDS) – Part 9-2: Ecodesign for motor systems – Energy efficiency determination and classification. Ed. 2.0, con AMD1:2025. Ginebra: IEC, 2023.
[8] IEC. IEC 61800-3:2022 — Adjustable speed electrical power drive systems – Part 3: EMC requirements and specific test methods for PDS and machine tools. Ed. 4.0. Ginebra: IEC, 2022.
[9] Hydraulic Institute; Europump. Pump Life Cycle Costs: A Guide to LCC Analysis for Pumping Systems. Parsippany: Hydraulic Institute, 2001.
[10] Hydraulic Institute; Europump. Variable Speed Pumping: A Guide to Successful Applications. Oxford: Elsevier, 2004.