Las bombas se encuentran entre las cargas más exigentes que se ponen en marcha en un sistema eléctrico de media tensión. Cuando una bomba centrífuga de gran tamaño se conecta directamente a la red, puede absorber entre seis y ocho veces su corriente nominal en la primera fracción de segundo. Al mismo tiempo, la aplicación repentina de par motor provoca un impacto mecánico en la bomba, las tuberías, las válvulas y el equipo asociado.

Para los operadores de plantas de tratamiento de agua, instalaciones de aguas residuales, plantas desalinizadoras, redes de riego y explotaciones mineras, estas fuerzas repentinas suponen mucho más que un simple problema eléctrico. Pueden provocar golpes de ariete, roturas de tuberías, daños en las válvulas de retención, desgaste prematuro de cojinetes y juntas, y costosos trabajos de mantenimiento no programados.

Un arrancador suave de media tensión para bombas aborda tanto los retos eléctricos como los mecánicos del arranque del motor. Al aumentar gradualmente la tensión y el par del motor, limita la corriente de arranque, reduce la carga sobre la red eléctrica y permite que el sistema hidráulico acelere suavemente, lo que ayuda a minimizar los picos de presión y a proteger las infraestructuras críticas.

En esta guía, explicaremos por qué el arranque controlado es esencial para las aplicaciones de bombeo, qué provoca el golpe de ariete, por qué una parada suave controlada es tan importante como un arranque suave, y cómo elegir la tecnología de arranque de media tensión adecuada para su aplicación.

1. Por qué las bombas necesitan un arranque controlado

Las bombas centrífugas se comportan de forma diferente a casi cualquier otra carga accionada por motor.

En el momento del arranque, la bomba pasa de estar parada a alcanzar la velocidad máxima, mientras que el fluido permanece prácticamente inmóvil en la tubería. El motor tiene que acelerar tanto la masa giratoria de la bomba y el impulsor como la columna de fluido en la tubería de descarga, y debe hacerlo frente a un sistema que se resiste a los cambios bruscos.

El arranque directo a la red de un motor de bomba de media tensión genera varios problemas al mismo tiempo:

• Pico de corriente eléctrica. La corriente de rotor bloqueado en un motor de media tensión puede alcanzar entre el 600 y el 800 por ciento de la corriente a plena carga, lo que supone una gran demanda para los transformadores, los equipos de conmutación y la conexión a la red eléctrica.
• Caída de tensión. Esa corriente de arranque hace descender la tensión del barrido en toda la instalación, lo que puede provocar el disparo de cargas sensibles, alterar los relés de protección o atenuar los circuitos de iluminación que comparten la misma fuente de alimentación.
• Golpe mecánico en el motor. El arranque a tensión máxima aplica un par casi instantáneo al eje, al acoplamiento y a los cojinetes, lo que acelera el desgaste de componentes que, a escala de media tensión, resultan caros y tardan en sustituirse.
• Choque hidráulico en el sistema de tuberías. La columna de fluido se ve obligada a acelerar casi instantáneamente, lo que constituye la causa principal de los transitorios de presión que se analizan a continuación.
  

Figura 1. Comparación típica de las características de arranque del arranque directo en línea y del arrancador suave de media tensión. Los perfiles reales de corriente y par varían en función del diseño del motor, las características de la carga, los ajustes del arrancador y la aplicación.

Un arrancador suave aumenta gradualmente la tensión, el par y la velocidad durante un periodo establecido, normalmente de diez a sesenta segundos, dependiendo de la aplicación. El motor alcanza la velocidad máxima de forma suave, la columna de líquido se acelera al mismo ritmo que este y todo el sistema, tanto eléctrico como mecánico, sufre una fracción del esfuerzo al que estaría sometido en un arranque directo o en estrella-triángulo.

2. ¿Qué es el golpe de ariete?

El golpe de ariete, también denominado transitorio hidráulico o pico de presión, se produce cuando una columna de fluido en movimiento se ve obligada a cambiar de velocidad de forma brusca. La energía cinética del agua en movimiento tiene que ir a alguna parte y, cuando no puede disiparse de forma suave, se convierte en un pico de presión que se propaga por la red de tuberías a una velocidad cercana a la del sonido en el agua, a menudo superior a mil metros por segundo.

Las consecuencias de un golpe de ariete no controlado incluyen:

• Fallos en las uniones de las tuberías y roturas de las mismas, especialmente en codo, tes y reductores, donde las ondas de presión se reflejan y amplifican
• Válvulas de retención dañadas o que se cierran bruscamente, lo que acelera su desgaste y puede provocar que la propia válvula falle
• Soportes y tirantes de tuberías aflojados debido a las repetidas cargas de choque
• Daños por cavitación en los impulsores y las volutas cuando la presión localizada desciende por debajo de la presión de vapor durante el transitorio
• Grietas por fatiga en tuberías de acero soldadas tras meses o años de ciclos repetidos

Dado que la onda de presión se propaga por todo el sistema conectado, los daños no siempre se producen en la bomba. Un arranque o una parada suaves pueden romper una junta situada a cientos de metros de distancia, lo que explica en parte por qué el golpe de ariete se diagnostica con frecuencia erróneamente como un problema de calidad de la tubería o de instalación, en lugar de como un problema de arranque y parada en el origen.

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Figura 2: Golpe de ariete en un sistema de bombeo, en el que se comparan los transitorios de presión generados durante el arranque directo a red (DOL) con el flujo suave que se consigue utilizando un arrancador suave de media tensión.

3. Por qué la parada suave es tan importante como el arranque suave

Las plantas que invierten en un arrancador suave suelen centrarse exclusivamente en la rampa de arranque y tratan la parada como algo secundario, ya sea dejando que la bomba se detenga por inercia o simplemente cortando la alimentación. Esto es un error y, en el caso concreto de las bombas, puede anular gran parte de los beneficios obtenidos en la fase de arranque.

Cuando se apaga directamente el motor de una bomba, esta no se detiene al instante. Desacelera siguiendo su propia curva de inercia, que en muchas combinaciones de bomba y tubería es lo suficientemente rápida como para que la columna de líquido siga moviéndose mientras la bomba ya ha dejado de impulsarla. El resultado es el clásico síntoma del golpe de ariete: un golpe seco o un ruido sordo en las tuberías inmediatamente después de la parada, más perceptible en líneas de descarga largas y en sistemas con cambios de nivel.

La parada suave es especialmente importante para:

• Tuberías largas y aplicaciones con altura estática elevada, en las que la columna de fluido tiene un impulso significativo
• Sistemas con válvulas de retención propensas a los golpes bruscos, ya que una desaceleración controlada permite que la válvula se cierre suavemente en lugar de cerrarse de golpe contra el flujo inverso
• Bombas de turbina vertical y de eje en línea, en las que una parada incontrolada también puede someter a tensión al conjunto del eje y los cojinetes
• Cualquier instalación que ya haya sufrido fallos en las uniones de las tuberías, daños en las válvulas o ruidos de golpes inexplicables durante la parada

En aplicaciones de bombeo, un arrancador suave que solo ofrezca un arranque suave y no una parada suave controlada resuelve solo la mitad del problema. El golpe de ariete generado al detenerse puede ser tan perjudicial como el generado al arrancar, y en sistemas con tramos de tubería largos suele ser incluso peor.

Figura 3: Comparación entre la desaceleración controlada del motor y la parada no controlada, en la que se destaca la prevención del golpe de válvula y del golpe de ariete.

4. Requisitos de par de arranque para los distintos tipos de bombas

No todas las bombas plantean las mismas dificultades de arranque, y la configuración adecuada del arrancador suave depende en gran medida del tipo de bomba y de cómo esté configurado el sistema en el momento del arranque.

Aquí es donde dimensionar correctamente un arrancador suave es tan importante como elegir la propia tecnología. Un arrancador suave seleccionado basándose únicamente en la corriente indicada en la placa de características del motor, sin tener en cuenta la curva de par de la bomba concreta y sus condiciones de arranque, o bien no desarrollará el par suficiente para acelerar la carga de forma suave, o bien aplicará más corriente de la necesaria, lo que socavará la reducción de la sobrecarga eléctrica que justificó el uso del arrancador suave en primer lugar.

5. Aplicaciones típicas

Tratamiento de aguas

Las bombas de captación de agua bruta, de trasvase y de alto rendimiento de las plantas de tratamiento de agua suelen funcionar en largas redes de distribución en las que los transitorios de presión pueden recorrer distancias considerables. Un arrancador suave de media tensión proporciona una aceleración controlada y una parada suave, lo que ayuda a minimizar los golpes de ariete, a proteger la infraestructura crítica de las tuberías y a reducir la sobrecarga en las bombas, las válvulas y la red eléctrica. Una menor corriente de arranque también ayuda a las empresas de servicios públicos a mantenerse dentro de los límites de la oferta y la demanda.

Aguas residuales

Los sistemas de bombeo de aguas residuales funcionan en algunas de las condiciones más adversas, con arranques frecuentes, sólidos abrasivos, caudales fluctuantes y válvulas de retención expuestas a un desgaste constante. Un arrancador suave de media tensión reduce el golpe de válvula durante la parada, minimiza la tensión mecánica durante el arranque y prolonga la vida útil de las bombas, las juntas, los cojinetes y las tuberías asociadas, al tiempo que reduce las necesidades de mantenimiento.

Desalinización

Las bombas de alimentación de alta presión de las plantas desalinizadoras funcionan contra una altura estática considerable y son muy sensibles a los transitorios de presión hidráulica. El arranque controlado y la parada suave reducen la carga mecánica sobre las bombas y ayudan a proteger las tuberías, los dispositivos de recuperación de energía y los equipos de alta presión. En muchas instalaciones de desalinización, se considera que una parada suave correctamente configurada es esencial para la fiabilidad a largo plazo del sistema.

Riego

Los grandes sistemas de riego suelen utilizar tuberías enterradas de gran longitud que son especialmente susceptibles al golpe de ariete. Las sobrepresiones pueden recorrer distancias considerables antes de provocar averías en las tuberías que resultan difíciles y costosas de localizar. Un arrancador suave de media tensión ayuda a proteger la red de distribución al proporcionar una aceleración suave y una desaceleración controlada, al tiempo que reduce los picos de demanda eléctrica cuando se ponen en marcha varias bombas de forma secuencial.

Minería

Las aplicaciones mineras plantean exigencias excepcionales a los sistemas de bombeo, especialmente en lo que respecta al achique de minas y al transporte de lodos. Estas bombas suelen funcionar con un par de arranque elevado, ciclos de trabajo exigentes y suministros eléctricos remotos o de baja potencia. Un arrancador suave de media tensión correctamente dimensionado reduce la tensión mecánica en todo el tren de bombeo, al tiempo que limita la carga eléctrica en generadores, transformadores y cables de alimentación largos, mejorando la fiabilidad general del sistema en entornos exigentes.

6. Elección de la tecnología adecuada

No todas las aplicaciones de bombeo requieren la misma tecnología de arranque. La elección adecuada depende de la demanda de par de arranque, el ciclo de trabajo, la potencia de la red eléctrica y de lo crítico que sea para el proceso un control preciso de la velocidad.

Arrancador suave de media tensión HRVS-DN

Para la mayoría de las aplicaciones de bombeo a velocidad fija, el arrancador suave de media tensión HRVS-DN es la solución ideal. Proporciona una aceleración y una desaceleración controladas, lo que reduce la corriente de arranque, minimiza los golpes hidráulicos y protege tanto la red eléctrica como el sistema de tuberías.

Entre las aplicaciones típicas se incluyen:

• Plantas municipales de tratamiento de agua
• Instalaciones de tratamiento de aguas residuales
• Plantas desalinizadoras
• Redes de riego
• Sistemas de desagüe de minas
• Agua de proceso industrial

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Arrancador suave de media tensión DriveStart

Algunas aplicaciones de bombeo requieren un par de arranque más elevado, un control más avanzado del motor o deben funcionar en condiciones de red difíciles. En estos casos, DriveStart ofrece una solución de arranque de media tensión basada en IGBT con un rendimiento y una flexibilidad mejorados.

DriveStart resulta especialmente adecuado para:

• Sistemas de bombeo de alta inercia
• Aplicaciones de bombeo con gran altura de elevación
• Procesos de bombeo industriales complejos
• Proyectos con restricciones exigentes en cuanto a servicios públicos
• Aplicaciones que requieren un rendimiento de arranque mejorado

Más información sobre el arrancador suave de media tensión DriveStart

¿Qué tecnología es la más adecuada para su aplicación de bombeo?

La tabla siguiente ofrece una guía general para seleccionar la tecnología de arranque más adecuada. La selección definitiva debe tener siempre en cuenta las características hidráulicas y eléctricas específicas de la aplicación.

7. Errores comunes

• Dimensionar el arrancador basándose únicamente en el motor. Seleccionar un arrancador suave basándose únicamente en los kW del motor o en la corriente indicada en la placa de características, sin comprobar el par que necesita la bomba concreta en el arranque, da lugar a arrancadores que tienen dificultades con cargas de altura de elevación elevada o de desplazamiento positivo.
• Ignorar la rampa de parada. Instalar un arrancador suave y dejarlo configurado para parada por inercia o parada instantánea anula gran parte de la protección contra golpes de ariete que se pretendía obtener con la inversión.
• Establecer los tiempos de rampa sin comprobar el sistema de tuberías. Un tiempo de rampa que funcione bien para el motor puede seguir siendo demasiado rápido para una tubería larga con una inercia del fluido significativa. Los tiempos de rampa deben establecerse teniendo en cuenta el sistema hidráulico, no solo el eléctrico.
• Pasar por alto el comportamiento de las válvulas de retención. Incluso con una parada suave, una válvula de retención desgastada, sobredimensionada o mal adaptada al perfil de caudal puede seguir cerrando bruscamente. El arranque y la parada suaves reducen, pero no eliminan, la necesidad de válvulas correctamente especificadas.
• Considerar que la limitación de corriente y el control de par son lo mismo. La limitación de corriente protege el suministro eléctrico, pero por sí sola no garantiza una rampa mecánica suave. El control de par o de rampa en bucle cerrado proporciona un comportamiento de arranque y parada más consistente y repetible en condiciones variables de línea y carga.
• Omitir el ajuste durante la puesta en marcha. Los arrancadores suaves suelen dejarse con los ajustes de rampa predeterminados de fábrica, en lugar de ajustarse al sistema real de bombas y tuberías, lo que hace que el rendimiento quede muy por debajo de lo que el equipo es capaz de ofrecer.

8. Preguntas frecuentes

¿Qué es un arrancador suave de media tensión para bombas?

Es un dispositivo de estado sólido que se instala entre una fuente de alimentación de media tensión y el motor de una bomba y que controla la tensión, la corriente y el par durante el arranque y la parada, lo que permite que la bomba acelere y desacelere gradualmente en lugar de conectarse y desconectarse directamente de la red.

¿Cómo evita un arrancador suave el golpe de ariete?

Al aumentar y reducir la velocidad del motor de forma gradual durante un periodo controlado, un arrancador suave permite que la columna de líquido de la tubería acelere y desacelere progresivamente junto con la bomba, en lugar de verse obligada a cambiar de velocidad casi instantáneamente, lo que es lo que genera los picos de presión que provocan el golpe de ariete.

¿Es realmente necesaria la parada suave, o basta con el arranque suave?

La parada suave es tan importante como el arranque suave para la mayoría de las aplicaciones de bombeo. Un motor que arranca suavemente pero se detiene bruscamente puede seguir generando un golpe de ariete significativo al apagarse, especialmente en tuberías largas y sistemas con una altura estática elevada.

¿Cuál es la diferencia entre un arrancador suave y un variador de frecuencia para bombas?

Un arrancador suave controla la transición entre la parada y la velocidad máxima, pero, una vez arrancada, la bomba funciona a una velocidad fija. Un variador proporciona un control continuo de la velocidad durante todo el funcionamiento. Los arrancadores suaves suelen ser la opción más económica cuando la bomba solo necesita funcionar a una velocidad, mientras que los variadores son adecuados para aplicaciones que requieren un caudal variable o un ahorro energético gracias al funcionamiento a velocidad parcial.

¿Se puede instalar un arrancador suave en una instalación de bomba ya existente?

En la mayoría de los casos, sí. Los arrancadores suaves de media tensión suelen instalarse en motores y aparatos de conexión existentes como parte de proyectos de modernización destinados a reducir el golpe de ariete, disminuir la demanda eléctrica o sustituir equipos de arranque en estrella-triángulo o de arranque directo en línea que se han quedado obsoletos.

¿Cómo se determina el tamaño adecuado del arrancador suave para una bomba?

El dimensionamiento debe tener en cuenta la corriente a plena carga y la corriente de rotor bloqueado del motor, la curva de par de arranque de la bomba en las condiciones reales de puesta en marcha (válvula abierta o cerrada, presencia o ausencia de altura manométrica) y el ciclo de trabajo previsto durante el servicio, en lugar de basarse únicamente en la corriente indicada en la placa de características del motor.