Arrancador Directo (DOL): Fundamentos, Protecciones y Análisis de un Caso Práctico

 

1. Introducción

El arranque directo (DOL, Direct-On-Line) es el método más simple y difundido para poner en marcha motores eléctricos de jaula de ardilla.
Su gran ventaja es la simplicidad y el bajo costo, pero también presenta corrientes de arranque elevadas que deben considerarse en la selección de protecciones.

En este artículo revisaremos:

• Los componentes esenciales de un DOL.

• Las curvas típicas de protección.

• Un caso práctico realista con un motor de 10 kW, un alimentador de cable #12 AWG y una falla a tierra.

• La importancia de proteger tanto el motor como el cableado, de acuerdo con normativa internacional.

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2. Fundamentos del Arranque Directo

Cuando un motor se conecta directamente a la red:

• Corriente de arranque: 6–8 veces la corriente nominal (In).

• Torque inicial: elevado.

• Equipamiento básico: contactor, relé térmico o guardamotor.

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3. Dispositivos de protección en un DOL

🔹 3.1 Guardamotor

• Combina protección térmica (sobrecarga prolongada) y protección magnética (corto instantáneo).

• Respuesta térmica: segundos/minutos.

• Respuesta magnética: instantánea (<10 ms).

🔹 3.2 Relé térmico

• Basado en lámina bimetálica.

• Responde a sobrecargas graduales (no a cortos).

• Requiere protección complementaria contra cortocircuitos.

🔹 3.3 Contactor

• Dispositivo de maniobra que conecta/desconecta el motor.

• Para motores industriales se usa clase AC-3 (jaula de ardilla).

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4. Curvas típicas de disparo

Según IEC 60947-4-1:

• A 1.5 In → disparo en varios minutos.

• A 6–8 In → disparo en menos de 10 s (protección térmica).

• A 15–20 In → disparo inmediato (protección magnética).

(Gráfico log-log corriente/tiempo sugerido para tu blog).

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5. Normativa internacional

• IEC 60947-4-1 → controladores de motor combinados auto-protegidos.

• NEMA ICS 2 → protección y maniobra de motores en Norteamérica.

• Ambas normativas enfatizan que la protección debe garantizar seguridad del motor y del cableado, no solo del equipo final.

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6. Caso práctico: Motor de 10 kW con falla en el alimentador

6.1 Datos del motor

• Potencia: 10 kW

• Tensión: 460 V

• Frecuencia: 60 Hz

• FP: 0.85

• Eficiencia: 90 %

👉 Corriente nominal:

$$I_n = \frac{10,000}{\sqrt{3}\cdot 460 \cdot 0.85 \cdot 0.9} \approx 15.6 \, A$$

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6.2 Datos del alimentador

• Cable: #12 AWG cobre, 4 conductores (3 fases + neutro) en una sola chaqueta.

• Longitud: 50 m (ida, 100 m circuito completo).

• Ampacidad del cable (NEC 310.16, 75 °C): 25 A (para 3 conductores cargados).

• Como el neutro en trifásico balanceado no porta corriente significativa, se consideran 3 conductores activos.

👉 Conclusión preliminar: el cable soporta 25 A, superior a la corriente del motor (15.6 A), cumpliendo norma → siempre se debe dimensionar el cable ≥ corriente nominal + factor de arranque.

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6.3 Impedancia del alimentador

• Resistencia típica: 5.21 mΩ/m × 100 m = 0.521 Ω

• Reactancia: ≈ 0.0083 Ω/100 m

• Impedancia total:

$$Z = \sqrt{0.521^2 + 0.0083^2} \approx 0.521 \, \Omega$$

6.4 Corriente de cortocircuito fase-tierra

Tensión de fase:

$$V_{fase} = \frac{460}{\sqrt{3}} \approx 266 \, V$$
$$I_{cc} = \frac{V_{fase}}{Z} = \frac{266}{0.521} \approx 510 \, A$$

👉 Corriente de falla = ~510 A ≈ 33 veces la corriente nominal del motor.

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6.5 Protección que actúa

• Relé térmico: no actúa (respuesta en segundos).

• Guardamotor: curva magnética → dispara en <10 ms, ya que el umbral de disparo (150–300 A) es superado ampliamente.

• Resultado: el guardamotor protege tanto el motor como el cable, evitando el sobrecalentamiento del #12 AWG.

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7. Conclusiones del caso práctico

1. La corriente nominal del motor es de 15.6 A.

2. El cable #12 AWG soporta 25 A, por lo que está correctamente dimensionado (≥ In).

3. En una falla fase-tierra, la corriente (~510 A) excede tanto la capacidad térmica del motor como la del cable, pero el guardamotor interrumpe en milisegundos.

4. La protección no solo se diseña para el motor, sino también para evitar el calentamiento peligroso del cableado.

5. Este doble criterio (motor + cable) está exigido en normativas IEC y NEC.

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8. Recomendaciones técnicas

• Criterio 1: Motor. El relé térmico protege contra sobrecargas prolongadas, evitando daños en el bobinado.

• Criterio 2: Cable. La protección magnetotérmica/guardamotor debe dimensionarse de manera que la corriente admisible del cable ≥ corriente del motor, incluyendo su maniobra de arranque.

• Para este caso, el cable #12 AWG es adecuado, ya que soporta 25 A y el motor demanda 15.6 A.

• Mantener siempre los cables en canaletas o bandejas cerradas.

• Ajustar correctamente el guardamotor en el rango de corriente nominal.

• Verificar selectividad de protecciones aguas arriba.

• Preferir siempre equipos certificados IEC 60947-4-1 o NEMA ICS 2.

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🔧 Resumen
La protección en un arrancador directo debe cubrir motor + cableado. En nuestro ejemplo, el cable #12 AWG (25 A) garantiza que la corriente del motor (15.6 A) no lo sobrecargue, y en caso de falla el guardamotor interrumpe de inmediato la corriente de 510 A, protegiendo la instalación completa.

Anexos:

1) Normas que exigen el doble criterio (motor + cable)

• IEC 60947-4-1 — Requisitos para contactores, arrancadores y controladores de motor; especifica obligaciones de protección del motor y equipos asociados. IEC WebstoreIteh Standards

• IEC 60364-5-52 — Selección y puesta en obra de sistemas de cableado; define la capacidad de transporte de corriente de los conductores y cómo considerar factores de corrección (temperatura, agrupamiento). webstore.ansi.orgti-soft.com

• NEC (NFPA 70) — Artículo 430 (motores) y Artículo 310 / Tabla 310.15(B)(16) (ampacidades): el NEC establece la protección de la rama de motores (430.xx) y las reglas para dimensionar conductores (310.15/310.16). Estas secciones dejan claro que la protección debe cubrir tanto al motor (sobrecargas del bobinado) como a los conductores (calentamiento por corriente). DefaultNECA IBEW Electricianslorisweb.com

En lenguaje práctico: la IEC y la NEC exigen que la protección se diseñe protegiendo el bobinado del motor y evitando el calentamiento peligroso del cableado. No basta ajustar el relé sólo al In del motor: el conductor debe tener ampacidad mayor o igual a la corriente del motor (y se aplican deratings por condiciones de instalación).

Notas técnicas finales y recomendaciones (para cerrar el artículo)

• Siempre verifica la curva real del fabricante del guardamotor/contactores y usa esas curvas para estudios de selectividad y coordinación.

• Cuando dimensiones conductores bajo IEC 60364-5-52 aplica factores de corrección por agrupamiento, temperatura ambiente y tipo de aislamiento.

• Bajo NEC, usa la Tabla 310.15(B)(16) (antes 310.16) y los artículos 430.22 / 430.52 para decidir ampacidad, ajustes y la máxima capacidad del OCPD de la rama del motor. lorisweb.comelectricallicenserenewal.com