Los limitadores de corriente de arranque permiten controlar los elevados picos de intensidad que pueden aparecer cuando determinados equipos eléctricos se conectan a la red. Transformadores, motores, fuentes de alimentación y otras cargas pueden demandar durante unos instantes una corriente considerablemente superior a la de su funcionamiento normal.
Aunque este fenómeno puede durar muy poco tiempo, sus efectos pueden ser importantes: disparos de protecciones, caídas de tensión, esfuerzos eléctricos y dificultades para conectar equipos de elevada potencia.
¿Qué provoca esta corriente y cómo puede limitarse?
¿Qué es la corriente de arranque?
La corriente de arranque es una corriente transitoria que aparece cuando se conecta o energiza un determinado equipo eléctrico.
También se utilizan términos como corriente de irrupción, corriente de conexión o, en inglés, inrush current.
Su valor puede superar significativamente la corriente nominal que el equipo consume una vez alcanzado su régimen normal de funcionamiento.
Sin embargo, no todas las cargas producen este fenómeno por el mismo motivo.
En un motor eléctrico, por ejemplo, las condiciones eléctricas y electromecánicas existentes mientras el rotor comienza a girar pueden provocar una corriente elevada.
En un transformador, en cambio, la elevada corriente transitoria durante la energización está estrechamente relacionada con el flujo magnético del núcleo y con el instante de conexión.
Por eso, antes de seleccionar una solución para limitarla, es fundamental entender qué equipo la está generando.
¿Qué son los limitadores de corriente de arranque?
Los limitadores de corriente de arranque son dispositivos o sistemas diseñados para reducir el pico de corriente que se produce durante la conexión de una carga.
Su funcionamiento puede basarse en diferentes principios.
Algunas soluciones introducen temporalmente una impedancia en el circuito. Otras controlan progresivamente la tensión aplicada. En determinadas aplicaciones también pueden utilizarse sistemas electrónicos o estrategias específicas para controlar la magnetización de un transformador.
El objetivo general es el mismo: conseguir que la transición desde el estado desconectado hasta el funcionamiento normal se produzca de manera controlada.
Una vez finalizado el periodo transitorio, el sistema debe permitir que el equipo funcione en sus condiciones nominales.
¿Por qué se producen picos de corriente al conectar un equipo?
Cuando conectamos una carga eléctrica, sus condiciones iniciales pueden ser muy diferentes de las existentes después de unos segundos de funcionamiento.
Pensemos en tres ejemplos.
Un condensador inicialmente descargado puede demandar una corriente elevada mientras comienza a cargarse.
Un motor parado presenta unas condiciones diferentes a las que tendrá cuando alcance su velocidad nominal.
Y el núcleo magnético de un transformador puede experimentar un transitorio importante cuando se aplica tensión.
El resultado es que durante unos milisegundos, ciclos o segundos —dependiendo de la aplicación— puede circular una corriente muy superior a la habitual.
El problema aparece cuando ese pico interfiere con las protecciones o con el resto de la instalación.
¿Qué problemas puede provocar una corriente de arranque elevada?
Una corriente transitoria elevada no significa necesariamente que exista una avería. Puede formar parte del comportamiento normal del equipo.
Sin embargo, esto no implica que sus efectos deban ignorarse.
Disparo intempestivo de protecciones
Uno de los problemas más evidentes es la actuación no deseada de fusibles o interruptores automáticos.
Si la protección interpreta el pico como una condición que requiere desconexión, el equipo puede no llegar a arrancar correctamente.
Caídas de tensión
Una corriente elevada produce una mayor caída de tensión sobre las impedancias de la instalación.
Esto puede provocar una reducción momentánea de la tensión disponible para otros receptores conectados a la misma red.
Esfuerzos sobre componentes
Contactores, interruptores, conexiones y otros componentes deben soportar las condiciones transitorias asociadas a la puesta en marcha.
Cuando los arranques son frecuentes, este aspecto puede adquirir todavía más importancia.
Problemas de disponibilidad
En una instalación industrial, un disparo durante el arranque puede detener una máquina o incluso afectar a parte de un proceso productivo.
Por ello, controlar estos transitorios también puede contribuir a mejorar la continuidad de servicio.
¿Cómo funciona un limitador de corriente de arranque?
El principio más sencillo consiste en aumentar temporalmente la impedancia que encuentra la corriente durante la conexión.
Si se introduce una resistencia adecuada en serie con la carga, por ejemplo, el pico inicial disminuye.
Una vez superado el transitorio, esa resistencia puede dejar de intervenir para evitar pérdidas innecesarias durante el funcionamiento normal.
Sin embargo, esta no es la única estrategia.
Dependiendo de la potencia, la carga y la aplicación pueden utilizarse termistores NTC, resistencias con sistemas de bypass, arrancadores suaves, soluciones electrónicas o sistemas específicos para transformadores.
Por tanto, cuando hablamos de limitadores de corriente de arranque estamos hablando de una familia de soluciones, no de un único dispositivo.
¿Qué es un limitador de corriente de arranque NTC?
Una de las soluciones conocidas para determinadas aplicaciones consiste en utilizar un termistor NTC.
NTC significa Negative Temperature Coefficient, es decir, coeficiente de temperatura negativo.
Este componente presenta una resistencia relativamente elevada cuando está frío.
Al conectarse el equipo, esa resistencia ayuda a limitar la corriente inicial.
A medida que circula corriente, el termistor aumenta su temperatura y su resistencia disminuye, permitiendo el funcionamiento normal con una caída de tensión mucho menor.
Esta solución puede encontrarse, por ejemplo, en determinadas fuentes de alimentación y equipos electrónicos.
Sin embargo, tiene limitaciones.
Después de desconectar el equipo, el NTC necesita tiempo para enfriarse. Si se realiza una reconexión inmediata mientras permanece caliente, su resistencia será inferior y su capacidad para limitar el nuevo pico también puede serlo.
Por este motivo, la selección del método siempre debe considerar las condiciones reales de funcionamiento.
¿Cómo funciona un limitador mediante resistencia y bypass?
Otra estrategia consiste en colocar una resistencia en serie durante la fase inicial de conexión.
La resistencia limita la corriente.
Después de un intervalo determinado o cuando se cumplen ciertas condiciones, un contactor, relé o semiconductor realiza un bypass de la resistencia.
A partir de ese momento, la carga queda conectada normalmente y la resistencia deja de disipar energía de forma continua.
Esta arquitectura permite separar claramente dos estados:
Fase de arranque: corriente limitada.
Funcionamiento normal: conexión prácticamente directa.
Su dimensionamiento debe tener en cuenta tanto la corriente que se pretende limitar como la energía que tendrá que soportar el elemento resistivo durante cada maniobra.
¿Qué diferencia existe entre un limitador de corriente y un arrancador suave?
Aunque ambos conceptos están relacionados, no son exactamente lo mismo.
Un arrancador suave se utiliza habitualmente con motores eléctricos y controla la tensión aplicada durante la fase de arranque mediante dispositivos semiconductores.
En lugar de aplicar inmediatamente toda la tensión de red, puede realizar una rampa progresiva.
Esto permite reducir determinados esfuerzos eléctricos y mecánicos asociados al arranque.
Algunos arrancadores suaves incorporan además funciones específicas de limitación de corriente, midiendo la corriente del motor y modificando el control para mantenerla dentro de un valor parametrizado.
Por tanto, un arrancador suave puede actuar como una solución para limitar la corriente durante el arranque de un motor, pero no todos los limitadores de corriente son arrancadores suaves.
¿Por qué un motor consume más corriente durante el arranque?
Cuando un motor está detenido, sus condiciones electromecánicas son diferentes de las existentes cuando gira a su velocidad de funcionamiento.
En determinados motores, la corriente demandada durante el arranque directo puede ser varias veces superior a la corriente nominal.
A medida que el rotor acelera, las condiciones cambian hasta alcanzar el régimen normal.
Esta es una de las razones por las que el arranque de motores debe considerarse durante el diseño de una instalación industrial.
No basta con conocer únicamente la corriente nominal indicada para funcionamiento continuo.
También deben estudiarse el método de arranque, la duración del proceso, la frecuencia de maniobras, las características de la carga mecánica y el comportamiento de las protecciones.
¿Cómo se limita la corriente de arranque de un motor?
Existen diferentes métodos.
En determinadas aplicaciones puede utilizarse un arranque estrella-triángulo. En otras se emplean arrancadores suaves o variadores de frecuencia.
La elección depende del motor y del proceso.
Un arrancador suave permite controlar progresivamente la tensión aplicada durante el arranque.
Un variador de frecuencia, por su parte, controla tanto la frecuencia como la tensión suministrada al motor y permite gestionar su aceleración de una forma mucho más completa.
Por eso no existe una única respuesta a la pregunta de cómo limitar la corriente de arranque de un motor.
La solución adecuada dependerá del comportamiento que necesite la máquina.
¿Qué es la corriente de arranque de un transformador?
Los transformadores presentan un fenómeno particularmente interesante: la corriente de magnetización transitoria que puede producirse durante su energización.
Cuando se aplica tensión al devanado primario, debe establecerse el flujo magnético en el núcleo.
Dependiendo de factores como el instante de conexión, las características del núcleo y el magnetismo remanente, el flujo transitorio puede alcanzar valores elevados y llevar al núcleo hacia condiciones de saturación.
Cuando esto sucede, la corriente magnetizante puede aumentar considerablemente.
Por tanto, un transformador que posteriormente trabaja dentro de sus valores nominales puede demandar durante su conexión un pico muy superior a su corriente normal.
Este fenómeno se conoce habitualmente como inrush de transformador.
¿Por qué la corriente de irrupción de un transformador puede ser tan elevada?
La clave está en el comportamiento magnético del núcleo.
En corriente alterna, el flujo depende de la tensión aplicada y de su evolución temporal.
Cuando el transformador ya está funcionando en régimen permanente, el flujo oscila dentro de las condiciones previstas por su diseño.
Pero durante la primera energización, las condiciones iniciales pueden hacer que la evolución del flujo sea asimétrica.
Además, el núcleo puede conservar cierto flujo remanente después de una desconexión anterior.
Si el nuevo flujo transitorio se suma de manera desfavorable a ese magnetismo remanente, el núcleo puede entrar temporalmente en una región de fuerte saturación.
Como consecuencia, la corriente absorbida aumenta de manera significativa.
¿La corriente de arranque significa que el transformador está averiado?
No necesariamente.
Una corriente de irrupción elevada durante la energización puede ser un fenómeno transitorio normal.
Precisamente por ello, las protecciones y el resto de los componentes de la instalación deben seleccionarse considerando el comportamiento real del transformador durante la conexión.
El reto consiste en diferenciar correctamente un transitorio de magnetización de una condición de defecto.
Si las protecciones están dimensionadas sin tener en cuenta el inrush, pueden producirse disparos innecesarios.
Y si simplemente se sobredimensionan sin realizar un estudio adecuado, podrían comprometerse otros criterios de protección.
La solución debe abordarse desde el diseño completo del sistema.
¿Cómo se puede limitar la corriente de arranque de un transformador?
Existen diferentes estrategias.
Una posibilidad es introducir temporalmente una impedancia durante la energización y retirarla posteriormente.
En determinadas instalaciones también pueden emplearse sistemas electrónicos de conexión controlada.
Otra estrategia especialmente interesante consiste en actuar sobre las condiciones magnéticas del transformador antes de realizar la conexión principal.
Es aquí donde aparece el concepto de premagnetización.
¿Qué es la premagnetización de un transformador?
La premagnetización busca preparar el estado magnético del núcleo antes de que el transformador quede sometido a su alimentación normal.
En lugar de realizar una conexión directa sin controlar las condiciones iniciales, el sistema establece previamente determinadas condiciones magnéticas.
El objetivo es reducir el transitorio que aparecería durante una energización convencional.
Esta estrategia resulta especialmente interesante en transformadores de elevada potencia o en instalaciones donde los picos de conexión generan problemas para la red o las protecciones.
La premagnetización demuestra además algo importante: limitar una corriente de arranque no siempre consiste simplemente en insertar una resistencia.
En determinadas aplicaciones es posible actuar directamente sobre la causa física que genera el transitorio.
¿Qué ventajas ofrecen los limitadores de corriente de arranque?
Cuando están correctamente seleccionados para la aplicación, pueden aportar diferentes beneficios.
Reducir picos de corriente
Es su función principal.
Una conexión más controlada evita que la instalación tenga que afrontar determinados valores máximos de corriente asociados a una conexión directa.
Evitar disparos innecesarios
Reducir el pico puede facilitar la coordinación con fusibles, interruptores automáticos y otros dispositivos de protección.
Reducir caídas de tensión
Una menor corriente transitoria puede reducir la perturbación producida sobre la tensión de alimentación.
Esto adquiere especial importancia cuando existen otros equipos sensibles conectados a la misma red.
Mejorar el comportamiento durante la conexión
Una puesta en marcha controlada puede disminuir determinados esfuerzos sobre los componentes que intervienen en la maniobra.
Facilitar la integración de cargas de elevada potencia
En instalaciones donde la capacidad disponible de la red es limitada, controlar los transitorios puede ser determinante para conectar determinados equipos.
¿Cuándo es recomendable utilizar un limitador de corriente de arranque?
No todas las instalaciones necesitan necesariamente un dispositivo específico.
Su utilización debe estudiarse cuando el transitorio de conexión produce consecuencias relevantes.
Algunos indicios pueden ser:
- Disparos frecuentes durante la energización.
- Caídas de tensión apreciables.
- Transformadores de elevada potencia.
- Arranque de motores con elevada demanda inicial.
- Equipos con grandes bancos de condensadores.
- Redes con capacidad de cortocircuito limitada.
- Generadores o sistemas de alimentación sensibles a grandes escalones de carga.
- Procesos con numerosas conexiones y desconexiones.
- Instalaciones donde la continuidad de servicio es especialmente importante.
En estos casos, estudiar el transitorio puede permitir determinar si una solución de limitación aporta ventajas.
¿Cómo elegir un limitador de corriente de arranque?
La selección no debería realizarse únicamente observando la corriente nominal de la carga.
Hay que analizar el transitorio completo.
Entre los parámetros relevantes se encuentran:
- Tensión nominal.
- Corriente nominal.
- Corriente máxima esperada durante el arranque.
- Duración del transitorio.
- Potencia de la carga.
- Energía que debe absorber o gestionar el limitador.
- Frecuencia de conexión.
- Tiempo entre arranques consecutivos.
- Temperatura ambiente.
- Tipo de carga.
- Protecciones existentes.
- Caída de tensión admisible.
- Condiciones de ventilación.
- Necesidad de bypass.
- Requisitos de mantenimiento y fiabilidad.
En un transformador, además, deben analizarse sus características magnéticas y las condiciones de energización.
En un motor será necesario estudiar también la carga mecánica y el par necesario durante la aceleración.
¿Un limitador de corriente reduce el consumo eléctrico?
Esta cuestión merece una aclaración.
La función principal de un limitador no es reducir el consumo energético normal de un equipo.
Su objetivo es controlar el transitorio de conexión.
Una vez que el equipo alcanza su régimen de funcionamiento, su consumo dependerá fundamentalmente de la carga y de su eficiencia.
Además, cualquier sistema de limitación debe diseñarse para que las pérdidas introducidas durante el funcionamiento normal sean mínimas.
Por eso muchas soluciones utilizan un bypass después del arranque.
Confundir reducción de corriente de arranque con ahorro energético puede llevar a expectativas incorrectas.
¿Limitador de corriente, fusible o interruptor automático?
Tampoco realizan la misma función.
El limitador de corriente de arranque busca controlar un transitorio previsto durante la puesta en servicio del equipo.
Los fusibles e interruptores automáticos forman parte de las protecciones de la instalación y deben actuar frente a determinadas condiciones anormales según sus características.
La solución no consiste en sustituir las protecciones por un limitador.
Ambos elementos deben estar correctamente coordinados.
El objetivo es conseguir que el transitorio normal de arranque no provoque actuaciones intempestivas, manteniendo al mismo tiempo las protecciones necesarias frente a situaciones realmente anormales.
¿Qué aplicaciones industriales utilizan limitadores de corriente?
El fenómeno aparece en numerosos sectores.
Transformadores eléctricos
La energización puede producir corrientes magnetizantes transitorias importantes, especialmente en determinadas condiciones de conexión.
Motores
Los motores pueden presentar una demanda elevada mientras aceleran hasta alcanzar su régimen de funcionamiento.
Fuentes de alimentación
Los condensadores situados en la entrada pueden demandar una corriente elevada durante su carga inicial.
Sistemas SAI y electrónica de potencia
Los equipos con etapas rectificadoras, condensadores y convertidores pueden necesitar estrategias específicas para controlar la corriente inicial.
Bancos de condensadores
La conexión de capacitancias también puede generar transitorios elevados que deben ser considerados en el diseño.
Equipos industriales de elevada potencia
Cuanto mayor sea la potencia conectada, más importante puede resultar analizar el impacto de la maniobra sobre el resto de la red.
¿Qué ocurre en instalaciones alimentadas por generadores?
La limitación de corriente puede adquirir una importancia adicional cuando una carga se conecta a un generador.
Una red eléctrica de gran potencia y un generador local no responden de la misma manera ante un escalón brusco de carga.
Un pico elevado puede provocar una caída temporal de tensión o afectar a las condiciones de funcionamiento del grupo generador.
Si además existen otros equipos conectados, el transitorio puede repercutir sobre ellos.
Por eso, cuando transformadores o motores de potencia importante son alimentados desde generadores, estudiar las condiciones de arranque resulta especialmente relevante.
¿Qué relación tienen los limitadores con las energías renovables?
Las instalaciones renovables modernas incorporan numerosos equipos eléctricos y electrónicos.
Transformadores, inversores, convertidores, baterías, motores auxiliares y sistemas de almacenamiento forman parte de estas infraestructuras.
En determinadas arquitecturas pueden producirse transitorios durante la conexión de transformadores o la energización de equipos de electrónica de potencia.
Gestionarlos correctamente ayuda a integrar los distintos elementos sin provocar perturbaciones innecesarias sobre la red interna.
El crecimiento de las energías renovables, el almacenamiento y las microrredes está haciendo que el control de los transitorios eléctricos adquiera todavía más importancia.
¿Qué diferencia existe entre corriente de arranque y corriente de cortocircuito?
Son conceptos completamente diferentes.
La corriente de arranque puede ser un transitorio previsto asociado al funcionamiento normal de un equipo durante su conexión.
La corriente de cortocircuito aparece debido a una condición de defecto.
Aunque ambas pueden alcanzar valores elevados, su origen y el comportamiento esperado de las protecciones son distintos.
Esta diferencia es especialmente importante en transformadores.
Un sistema de protección debe ser capaz de tolerar los transitorios normales previstos sin dejar de proporcionar la protección necesaria frente a defectos reales.
¿Puede eliminarse completamente la corriente de arranque?
En muchos equipos, el objetivo práctico no consiste en conseguir que desaparezca cualquier transitorio.
Lo importante es mantenerlo dentro de valores compatibles con la instalación y con los equipos.
Intentar reducir excesivamente la corriente también puede tener consecuencias.
En un motor, por ejemplo, limitar demasiado la corriente podría impedir disponer del par necesario para acelerar correctamente la carga.
En un sistema basado en resistencia, una limitación excesiva puede producir una caída de tensión demasiado grande.
Por eso el diseño debe buscar un equilibrio entre limitar el pico y garantizar que el equipo pueda completar correctamente su puesta en marcha.
¿Qué errores deben evitarse al seleccionar un limitador?
Uno de los errores más habituales es seleccionar el dispositivo únicamente por la corriente nominal.
También es importante evitar:
- Ignorar la energía del transitorio.
- No considerar arranques consecutivos.
- Olvidar la temperatura ambiente.
- Utilizar una solución diseñada para otro tipo de carga.
- No comprobar la coordinación con las protecciones.
- Introducir una caída de tensión excesiva.
- No considerar la disipación térmica.
- Ignorar las características magnéticas del transformador.
- Confundir un transitorio normal con un cortocircuito.
- Utilizar un sistema de limitación sin estudiar el proceso de arranque completo.
Una solución correctamente dimensionada comienza siempre por caracterizar la carga.
Preguntas frecuentes sobre limitadores de corriente de arranque
¿Qué es un limitador de corriente de arranque?
Es un dispositivo o sistema diseñado para reducir el pico de corriente que aparece cuando determinados equipos eléctricos se conectan a la alimentación.
¿Qué significa inrush current?
Inrush current es el término inglés utilizado para referirse a la corriente de irrupción o corriente transitoria que puede aparecer durante la energización de un equipo.
¿Por qué un transformador tiene una corriente de arranque elevada?
Principalmente por el transitorio magnético que aparece al energizar su núcleo. El instante de conexión y el magnetismo remanente pueden favorecer condiciones temporales de saturación y provocar una corriente elevada.
¿Un limitador evita que salte el magnetotérmico?
Puede ayudar a evitar disparos provocados específicamente por picos normales de conexión, siempre que el problema haya sido correctamente diagnosticado y el sistema esté adecuadamente dimensionado. No sustituye a las protecciones de la instalación.
¿Un limitador de corriente es lo mismo que un arrancador suave?
No. Un arrancador suave es una solución utilizada principalmente para controlar el arranque de motores mediante electrónica de potencia. La limitación de corriente es un concepto más amplio y puede realizarse mediante diferentes tecnologías.
¿Se pueden utilizar limitadores con transformadores?
Sí. Existen soluciones específicamente destinadas a reducir los transitorios asociados a la energización de transformadores.
¿Qué es un NTC de arranque?
Es un termistor cuya resistencia disminuye al aumentar su temperatura. Inicialmente presenta una resistencia mayor que limita la corriente y posteriormente reduce su resistencia debido al calentamiento.
¿Qué es un sistema de premagnetización?
Es una solución que actúa sobre el estado magnético de un transformador antes de su energización principal para reducir el transitorio de conexión.
¿Los limitadores ahorran energía?
Su finalidad principal no es reducir el consumo eléctrico, sino controlar los picos de corriente durante la conexión.
¿Cómo saber si necesito limitar la corriente de arranque?
Debe analizarse el comportamiento de la carga y de la instalación. Disparos durante la conexión, caídas de tensión o dificultades para energizar equipos de elevada potencia pueden indicar la necesidad de estudiar el transitorio.
Limitadores de corriente de arranque en instalaciones industriales
Los limitadores de corriente de arranque son una herramienta importante cuando la energización de un equipo provoca picos capaces de afectar a las protecciones, a la tensión de red o al funcionamiento de otros receptores.
Sin embargo, no existe una solución universal.
Motores, transformadores, condensadores y equipos electrónicos producen sus transitorios por razones diferentes. Por ello, el sistema de limitación debe seleccionarse teniendo en cuenta tanto la magnitud de la corriente como su origen, duración y frecuencia.
En el caso concreto de los transformadores, comprender el comportamiento magnético durante la energización permite utilizar soluciones más avanzadas que una simple limitación resistiva.
EREMU, con más de seis décadas de experiencia en el diseño, fabricación y reparación de transformadores eléctricos y equipos asociados, dispone de soluciones adaptadas a diferentes aplicaciones industriales, incluyendo sistemas de premagnetización.
Controlar correctamente la energización no consiste únicamente en reducir un pico de corriente. Consiste en conseguir que transformador, protecciones y red eléctrica funcionen como un único sistema coordinado, fiable y seguro.
