MÁQUINAS ELÉCTRICAS MONOFÁSICAS

ML 244

Gregorio Aguilar Robles

5 de diciembre de 2014

INTRODUCCIÓN

La mayoría de los hogares y pequeños negocios no tienen energía trifásica disponible. Para tales lugares, todos los motores deben operar con fuente de potencia monofásica.

El problema de una fase, como fuente de potencia para motores, es que no permite por sí misma producir un campo magnético giratorio. Varios artificios se han desarrollado para suprimir esta dificultad produciendo motores con características específicas, convenientes para cierto campo de usos.

APLICACIONES

Accionan máquinas, lavadoras, bombas, ventiladores, relojes, compresores para acondicionamiento de aire y refrigeración, máquinas de coser, herramientas manuales, etc.

ESTATOR

ROTOR JAULA DE ARDILLA

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

Los motores monofásicos de inducción experimentan una grave desventaja, puesto que solo hay una fase en el devanado del estator, el campo magnético en un motor monofásico de inducción no rota.

Es decir, con un bobinado monofásico, se obtiene un campo magnético alterno.

Puesto que no hay campo magnético rotacional en el estator, un motor monofásico de inducción no tiene par de arranque.

Sabemos que la ecuación de un campo magnético alterno tiene la forma de:

B = Bmax Cos wt Cos

ttt cos*2

1cos*

2

1cos.cos

Sabemos por trigonometría que:

Reemplazando en la ecuación de B, tendremos:

)wt(CosB2

1)wt(CosB

2

1B maxmax

El objetivo es lograr que uno de los 2 campos magnéticos giratorios sea más fuerte que el otro en el motor y en consecuencia, dar a este un “apoyo” inicial en una u otra dirección.

CURVA TORQUE - DESLIZAMIENTO

En su estructura los motores monofásicos de inducción se parecen a los motores de jaula de ardilla, salvo por el arreglo de los devanados del estator.

ARRANQUE DE MOTORES DE INDUCCIÓN MONOFÁSICOS

Como ya sabemos un motor monofásico de inducción no tiene par de arranque intrínseco. Existen diversas técnicas, que se clasifican de acuerdo con el método utilizado para producir el par de arranque.

CLASIFICACIÓN

a) Motores de fase partida

b) Motor con condensador de

arranque

c) Motores con condensador

permanente

d) Motores con doble

condensador

e) Polos estatóricos sombreados

MOTORES DE FASE PARTIDA

Estos motores poseen dos devanados de estator uno principal o de funcionamiento y otro auxiliar o de arranque.

Ambos devanados del estator tienen sus ejes dispuestos a 90º

eléctricos entre sí.

Además debemos destacar que:El arrollamiento P (Principal) posee unaresistencia baja y una reactancia alta.El arrollamiento A (Auxiliar) posee una resistencia alta y una reactancia baja.

RAntoArrollamie

XPntoArrollamie

Como consecuencia de lo anterior se produce un desfasaje entre las corrientes, tal como se indica en el diagrama fasorial.

Dado que la corriente auxiliar esta adelantada respecto a la principal, el campo del estator alcanza su máximo primeramente según el eje del devanado auxiliar y luego según el eje principal.

Una vez arrancado el motor se desconecta el devanado auxiliar, a través del interruptor centrífugo, generalmente cerca al 75% de la velocidad síncrona.

Fueron estos los primeros motores monofásicos usados en la industria y que todavía perduran.

Se usan en máquinas, bombas, ventiladores, lavadoras y una gran cantidad de otras aplicaciones.

Se fabrican en potencias de 1/30 (25 W) a 1/2 HP (373W).

El devanado auxiliar logra que uno de los campos sea mayor que el otro y provee un par de arranque neto para el motor.

Los motores de fase partida poseen un par de arranque moderado.

MOTOR CON CONDENSADOR EN EL ARRANQUE

En algunas aplicaciones el par de arranque es insuficiente para arrancar una carga sobre el eje del motor.

En esos casos, se pueden utilizar motores con arranque por capacitor.

El motor con condensador para la marcha es en el fondo un motor de fase partida, pero en el cual el desfasaje entre las corrientes auxiliar y principal se consigue mediante un condensador en serie con el devanado auxiliar tal como se aprecia.

Esta condición produce un campo magnético giratorio en el estator, el cual a su vez induce una corriente en el devanado del rotor efectuando la rotación.

La corriente que es liberada por el capacitor durante el arranque hace que el par de arranque de estos motores sea dos veces mayor que uno de fase partida sin capacitor.

P

El par de arranque de un motor de fase partida con capacitor es producido por un campo magnético giratorio dentro del motor. Este campo relocaliza el devanado de arranque 90 grados eléctricos desfasados con respecto al bobinado de trabajo, lo que hace que la corriente en el devanado de arranque se adelante a la del devanado de trabajo.

El par de arranque del motor puede sobrepasar 300% de su valor nominal.

Los motores con arranque por capacitor son más costosos que los de fase partida y se utilizan en aplicaciones en las cuales se requiere un alto par de arranque. Aplicaciones típicas de estos motores son los compresores, bombas, equipos de aire acondicionado, y otros equipos que deban arrancar con carga.

DESPIECE DEL MOTOR CON ARRANQUE POR CAPACITOR

MOTORES CON CONDENSADORPERMANENTE

En este tipo de motores, no se desconecta el devanado auxiliar después de arrancado el motor, con ello se simplifica la construcción al prescindir del interruptor centrífugo y se mejora el factor de potencia y el rendimiento.

En estos motores el devanado de trabajo y arranque tienen un capacitor en serie.

Este método evita el uso de interruptor de arranque pero el par es menor en el arranque y el trabajo.

El capacitor mejora la característica par-velocidad de un motor de inducción, si este se escoge adecuadamente tal motor tendrá un campo magnético rotacional uniforme y se comporta como un motor trifásico de inducción.

Los motores de capacitor dividido permanentemente tienen par de arranque menor que los motores de arranque por capacitor.

MOTORES CON DOBLE CONDENSADOR

Si se requiere un par de arranque lo más alto posible y las mejores condiciones de operación, se pueden utilizar dos capacitores con el devanado auxiliar. Los motores con 2 capacitores se llaman motores de capacitor de arranque, capacitor de marcha o “capacitor star-capacitor run”.

El capacitor mayor esta presente en el circuito durante el arranque (star) cuando asegura que las corrientes en los devanados principal y auxiliar estén casi balanceadas.

Cuando el motor ha alcanzado velocidad el interruptor centrífugo se abre y el capacitor permanente se deja solo en el circuito con el devanado auxiliar.

El capacitor permanente es suficientemente grande para balancear las corrientes para cargas normales del motor de modo que este opera con alto par y alto factor de potencia.

APLICACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS DEL MOTOR

POLIFÁSICO AL MOTOR MONOFÁSICO

Se ha visto anteriormente que el flujo principal del motor de inducción polifásico es un flujo giratorio y el flujo principal de un motor monofásico en un flujo alterno, fijo en el espacio.

Sabemos que la fuerza magnetomotriz alterna esta dada por la ecuación:

cos.cos.max1 tFF

Esto es la ecuación de la fuerza magnetomotriz alterna si aplicamos trigonometría:

obtendremos:

Esto es la fem alterna puede ser reemplazada por 2 fuerzas magnetomotrices giratorias que viajan en direcciones opuestas y cada una tiene una amplitud igual a la mitad de la fuerza magnetomotriz alterna.

ttt cos*2

1cos*

2

1cos.cos

tFtFF cos.*2

1cos.*

2

1maxmax1

A esta fmm giratoria corresponden 2 flujos que giran en direcciones opuestas cada una con velocidad síncrona. Al flujo giratorio que viaja en la misma dirección de rotación que el rotor se le conoce con el nombre de flujo giratorio adelantado (forward) mientras que al flujo giratorio que viaja en dirección opuesta al rotor se le conoce como flujo giratorio atrasado (reverse o back), lo cual mostramos en el siguiente gráfico:

DESLIZAMIENTO

Sea “ n” rpm la velocidad del rotor, entonces de acuerdo con la definición del deslizamiento “s”,el deslizamiento del rotor con respecto al flujo giratorio adelantado:

Ya que el flujo giratorio atrasado funciona opuesto al rotor, el deslizamiento sb del rotor con respecto a este flujo giratorio atrasado:

ss

sf n

n

n

nns

1

s

s

s

sb n

nn

n

nns

También:

fs

b

sss

sb

sn

ns

n

n

n

n

n

nns

212

12111

BBB

FFF

jXRZ

jXRZ

CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN MOTOR MONOFÁSICO

FLUJO DE POTENCIA EN EL MOTOR MONOFÁSICO

POTENCIA EN EL ENTREHIERRO a) Campo magnético en adelanto

b) Campo magnético en atraso

Potencia total en el entrehierro

21**5.0 IRP FgF

21**5.0 IRP BgB

gBgFg PPP

Par producido o par indicado:

Pérdidas en el cobre del rotor:

s

gind

PT

BPcuFPcuPcu 222

FPsFPcu gf *2

FPsBPcu gf *)2(2

Potencia convertida:

sindrind TsTPconv **)1(*

sindg TP

luego

.

gPsPconv )1(

Nota: debido a que no se han considerado las pérdidas en el núcleo para hallar la

potencia de salida se debe restar a la potencia convertida otras pérdidas que son:

Además:

admecnucleoconvsalida PPPPP

100*

:

entrada

salida

P

P

Eficiencia

FLUJO DE POTENCIA EN UN MOTOR MONOFÁSICO

FIN DEL CURSO

GRACIAS