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• carlos maldonado

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MOTORES MONOFASICOS Los motores monofásicos son motores de pequeña potencia fraccionaria mayormente: 1/4 hp, 1/2 hp, 3/4 hp, 1 hp, de uso más bien doméstico o en pequeños talleres o negocios donde se alimentan con corriente alterna monofásica para accionar refrigeradoras, bombas, instrumentos registradores, relojes, aparatos de cocina, máquinas-herramientas portátiles, tocadiscos, ventiladores, compresores, etc.

Los motores monofásicos de corriente alterna tienen una construcción idéntica al motor trifásico de inducción, sólo que tienen una gran limitación ya que sólo poseen una fase en el devanado del estator y por lo tanto el campo magnético en estos motores monofásicos no gira, sino únicamente oscila, haciéndose primero más grande y luego más pequeño, pero manteniéndose siempre en la misma dirección. Esta limitante hace que motor monofásico de inducción no tenga par de arranque propio, y si se hace girar el rotor en cualquier dirección mientras el devanado monofásico este excitado, el motor desarrollará un par en esa dirección.

Partes que lo componen

Capacitor Los capacitores son dispositivos para almacenar electrones; son usados para incrementar el torque de arranque y factor de potencia de los motores eléctricos (Mf / mfd / microfaradios).

Los capacitores de arranque son referidos por sus microfaradios en rangos que pueden ser muy variados. Por ejemplo 108-130 microfaradios y se encuentran en los voltajes como 110v, 220v, 330v, etc. Usualmente su forma física puede ser de un pequeño cilindro de plástico negro.

Interruptor centrifugo Un interruptor centrífugo es un interruptor eléctrico que funciona con la fuerza centrífuga creada desde un eje de rotación, lo más común es que sea de un motor eléctrico o de un motor de gasolina. El interruptor se diseña para activar o para desactivar en función de la velocidad rotatoria del eje.

Quizás el uso más común de interruptores centrífugos es con motores monofásicos o bifásicos de inducción. Aquí, el interruptor se utiliza para desconectar la bobina de arranque una vez que el motor se aproxime a su velocidad de funcionamiento normal. En este caso, el interruptor centrífugo consiste en pesos montados en el eje del motor y llevados cerca del eje por la fuerza del resorte. En el resto, las palancas unidas a los pesos presionan con una leve fricción una placa no conductora contra un conjunto de contactos eléctricos montados en la cubierta del motor, cerrando los contactos y conectando la bobina a la fuente de energía. Cuando el motor se aproxime a su velocidad de funcionamiento normal, la fuerza centrífuga supera la fuerza del resorte y los pesos oscilarán/balancearán hacia afuera, levantando la placa lejos de los contactos eléctricos. Esto permite que los contactos se abran y se desconecte la bobina de arranque de la fuente de energía; el motor entonces continúa funcionando únicamente con la corriente de su bobina de trabajo. Los motores que usan un interruptor centrífugo así, hacen un ruido/clic distinto cuando comienzan y cuando se detienen, debido a la apertura y cierre del interruptor centrífugo.

Estator Constituye la parte fija del motor. El estator es el elemento que opera como base, permitiendo que desde ese punto se lleve a cabo la rotación del motor. El estator no se mueve mecánicamente, pero si magnéticamente. El estator de un motor de inducción es el inductor, es decir el encargado de crear el campo magnético.

Rotor El rotor es el componente que gira (rota), Junto con su contraparte fija, el estator, forma el conjunto fundamental para la transmisión de potencia en motores y máquinas eléctricas en general.

Principio de funcionamiento de un motor monofásico Los motores monofásicos de inducción experimentan una grave desventaja. Puesto que sólo hay una fase en el devanado del estator, el campo magnético en un motor monofásico de inducción no rota. En su lugar, primero pulsa con gran intensidad, luego con menos intensidad, pero permanece siempre en la misma dirección. Puesto que no hay campo magnético rotacional en el estator, un motor monofásico de inducción no tiene par de arranque. Si pensamos en un

motor de un solo par de polos, podemos ver fácilmente que el campo generado por el devanado principal al conectarse a una fuente de tensión alterna, tiene una dirección fija y un signo cambiante en forma sinusoidal. Los motores de inducción requieren un campo magnético rotante para inducir las corrientes adecuadas en el rotor y producir un par mecánico. Existen dos teorías para explicar funcionamiento del motor de inducción monofásico, la teoría del doble campo rotatorio y la teoría del campo cruzado. De acuerdo con la teoría del doble campo rotatorio, un campo magnético que varía en el tiempo pero que se encuentra estacionario en el espacio, se puede descomponer en dos campos magnéticos rotatorios de igual magnitud pero con direcciones de giro opuestas. Si consideramos, la condición del rotor en reposo; sabemos que el campo magnético que produce el motor pulsa hacia arriba y abajo con el tiempo, y en cualquier momento su magnitud está dada por B = Bm cos Wt, donde Bm es la densidad de flujo máximo en el motor. Esencialmente el flujo puede descomponerse en dos componentes llamados B1 y B2 de tal forma que la magnitud de B1 es igual a la magnitud de B2. Luego B1 = B2 = 0.5B. Suponiendo que B1 gira en el sentido de las agujas del reloj, el sentido de giro de B2 será opuesto tal como se observa en la figura.

Por lo tanto se tienen dos campos rotatorios de igual magnitud y constantes que girarán de manera sincrónica pero en sentidos opuestos. Se induce así una fem en el circuito del rotor debido a cada campo rotatorio. La polaridad de esta fem inducida en el rotor se encontrará en oposición a la del otro. Por lo tanto las corrientes del rotor inducidas por estos campos rotatorios circularán en

direcciones opuestas, es decir el par de arranque desarrollado en cada campo rotatorio es de igual magnitud. Como las direcciones de par son opuestas el par neto resultante es igual a cero. De ésta forma los rotores no giran ya que en un caso ideal los momentos inducidos a cada lado del eje son iguales y opuestos. Como ya se conoce de la teoría de motores trifásicos, los campos magnéticos rotantes inducen un momento en los rotores que varía con la velocidad de éstos últimos. La curva de torques que generan el campo 1 y 2 se ilustra en la figura.

Donde se puede ver que al sumarse los efectos (zona sombreada) no se obtiene ningún par resultante con el rotor detenido. Así llegamos a la característica principal de los motores de inducción monofásicos: no pueden arrancar por sí solos.

Motor de fase partida El motor de fase partida es uno de los tipos de motores monofásicos más antiguos construidos para fines comerciales. Un motor de fase partida es un motor de inducción monofásico que tiene un devanado principal y otro devanado auxiliar (de arranque), estando los dos devanados desplazados lo más posible a 90 grados eléctricos. El devanado principal tiene gran reactancia y baja resistencia, y el devanado de arranque tiene gran resistencia y baja reactancia, para obtener el efecto de fase partida, separándolo del circuito un interruptor centrífugo que desconectará el devanado de arranque después que el motor haya alcanzado una determinada velocidad. Este motor está construido en jaula de ardilla.

El devanado principal y el devanado de arranque están colocados en el estator. Usualmente el devanado principal tiene un hilo de mayor de sección y menos espiras que el devanado de arranque. Para el arranque, ambos devanados, principal y de arranque, están conectados en paralelo sobre la línea de alimentación. En serie con el devanado de arranque está el interruptor de arranque, el cual interrumpe el circuito cuando se alcanza, aproximadamente, una velocidad de 75% al 100% de la de sincronismo. Este interruptor usualmente es accionado mediante sistemas centrífugos.

Funcionamiento El motor de fase partida es uno de los distintos sistemas ideados para el arranque de los motores asíncronos monofásicos. Se basa en cambiar, al menos durante el arranque, el motor monofásico por un bifásico (que puede arrancar sólo). El motor dispone de dos devanados, el principal y el auxiliar; además, lleva incorporado un interruptor centrífugo cuya función es la de desconectar el devanado auxiliar después del arranque del motor.

En el momento del arranque uno y otro se hallan conectados a la red de alimentación, cuando el motor ha alcanzado aproximadamente el 75% de su velocidad de régimen, el interruptor centrífugo se abre y deja fuera de servicio el arrollamiento de arranque; el motor sigue funcionando entonces únicamente con el arrollamiento de trabajo principal. Durante la fase de arranque, las corrientes

que circulan por ambos arrollamientos están desfasadas entre sí al tener distinta resistencia, debido a que se confeccionan con hilo de diferente calibre. Este desfase en las corrientes junto al desfase geométrico en la situación de las bobinas hace que el campo magnético resultante sea giratorio, aunque no circular; es decir, que no tiene la misma fuerza magneto motriz en toda la circunferencia del estator. Por eso el par motor durante el arranque es débil, aunque suficiente para arrancar.

Inversión del sentido de giro La inversión del sentido de giro resulta una operación muy sencilla en un motor de fase partida, pues basta para ello cambiar la conexión de los terminales del arrollamiento de trabajo o del arrollamiento de arranque.

A veces es necesario averiguar el sentido de giro de un motor y debemos reconocer a simple vista arrollamientos:   

El hilo del arrollamiento de trabajo es más grueso que el del arrollamiento de arranque. Un extremo del arrollamiento de arranque suele estar conectado normalmente al interruptor centrífugo El arrollamiento del arranque esta generalmente dispuesto encima del de trabajo.

Motor con condensador de arranque Estos motores son utilizados para todas aquellas aplicaciones y usos generales propios de un servicio duro en que se requieren pares de arranque y de funcionamiento importantes.

Un motor con arranque por condensador es un motor en el que se hace uso del devanado de arranque y del condensador solamente durante el arranque. Los pares de los motores con arranque por condensador son, generalmente, más altos que los pares correspondientes a los motores de fase partida. Como en el caso de un motor de fase partida, el devanado principal es el más voluminoso de los dos. En un motor de arranque por condensador, éste hace que la corriente de la fase de arranque adelante a la tensión de la fase principal, lo que permite obtener un importante ángulo de desfase entre las corrientes de los dos devanados. Este motor desarrolla un par de arranque más de dos veces superior al de un motor de fase partida. Se ve así, que un condensador constituye un dispositivo de arranque mucho más efectivo que una resistencia.

Los capacitores para el motor de condensador tienen que estar dimensionados para la máxima tensión que se pueda producir. En la tabla se muestran algunos valores comerciales usados

Funcionamiento El motor de fase partida tiene muy poco par de arranque, lo que limita muchísimo su utilización. La solución pasa por mejorar el campo giratorio y para ello las corrientes de los devanados deben ser lo más parecidas posible en el arranque y estar desfasadas en el arranque un valor próximo a 90º (90º sería ideal). Para ello podemos conectar un condensador en serie con el devanado de arranque, de forma que la intensidad de este devanado (IA) adelanta respecto a V y se desfasa mucho con respecto a (IP). El par de arranque aumentó notablemente y este motor se llama motor de fase partida con condensador de arranque. Una vez alcanzada la velocidad de régimen, el devanado auxiliar debe desconectarse mediante un interruptor centrífugo.

Motor con doble condensador.

El motor de doble condensador (capacitor de arranque y de marcha), combina las ventajas de funcionamiento casi sin ruido y de control limitado de velocidad del capacitor de marcha con el alto par de arranque del motor de arranque por capacitor. Se emplean dos capacitores durante el periodo de arranque. Uno de ellos, el capacitor electrolítico de arranque, semejante al que se usa para el trabajo intermitente del motor de arranque por capacitor, tiene una capacitancia bastante alta, de 10 a 15 veces el valor del capacitor de marcha y se saca del

circuito mediante un interruptor centrifugo al alcanzar el 75% de la velocidad síncrona y con ello produce el par de arranque necesariamente alto. Entonces el motor continúa acelerando como motor de un capacitor.

La ventaja principal del motor de capacitor de dos valores es su alto par de arranque, trabajo poco ruidoso y buen par de funcionamiento. Se clasifica como motor invertible porque cuando las terminales de la línea de un devanado se invierten, se pone a trabajar en reversa del modo acostumbrado.

Funcionamiento En aplicaciones más exigentes, en las cuales el par de arranque debe ser mayor, el condensador deberá tener más capacidad para que el par de arranque sea el suficiente. Esto se puede conseguir con dos capacitores:  

Un capacitor permanente siempre conectado en serie con uno de los devanados. Un capacitor de arranque, conectando en paralelo (la capacidad equivalente es la suma de ambos) con el permanente en el momento del arranque, para aumentar la capacidad, y que luego será desconectado.

Secuencia de funcionamiento 1. Se produce el arranque (punto 0) con ambos condensadores en paralelo (se suman las capacidades) obteniendo alto par de arranque. 2. Cerca del punto de funcionamiento del motor, se elimina el condensador de arranque (punto 1) 3. El motor evoluciona hasta el punto 2 solo con el condensador permanente. De esta forma se consigue alto par de arranque, estabilidad en el par y buen rendimiento. Para eliminar el capacitor se utilizan, en función del tipo de motor: Interruptores centrífugos: conforme la velocidad se aproxima a la nominal (un 80 % aproximadamente), abren un contacto desconectando el Arranque. Relés de intensidad (típicos de compresores de frío): la bobina del relé se conecta en serie con el devanado principal. Cuando la intensidad se aproxima a la nominal (un 80 % aproximadamente), significa que el motor ya está “lanzado” y el contacto del relé se abre desconectando el arranque.

Motor Universal Recibe el nombre de motor universal aquel que puede funcionar tanto en corriente continua como en corriente alterna monofásica.

Funcionan con c.a. y c.c. y son de fracción de 1 hp y son usados principalmente en aparatos electrodomésticos. El inducido es igual al de un motor de c.c. funciona a la misma velocidad con c.c. o c.a. La velocidad se puede regular por medio de reóstatos y bobinas de tomas múltiples devanadas en torno del campo.

Cuando el motor universal se conecta a la corriente continua con una carga constante, la velocidad y la potencia aumentan proporcionalmente con el voltaje aplicado. Cuando este motor se conecta a la corriente alterna con carga constante, la velocidad y la potencia aumentan proporcionalmente con el voltaje aplicado a partir de los 3000 r.p.m. (revoluciones por minuto).

Constitución de un Motor Universal Bobinas conductoras: Se las conoce con el nombre de inductor o campos inductores. Bobina inducido: Es el rotor bobinado y se le conoce con el nombre de inducido o armadura. Escobillas: Son fabricadas de carbón por ser un material suave y un coeficiente de temperatura negativo. Resortes: Sirven para mantener las escobillas en su lugar por medio de presión mecánica. Tapas o escudos: Sirven para sostener el eje del motor y dar la estructura mecánica al motor.

Características del motor universal     

Funciona con corriente alterna y con corriente directa Posee un par de arranque muy elevado La velocidad es directamente proporcional a la corriente Se utiliza en herramientas manuales, electrodomésticos Para invertir el sentido de rotación, se invierte el sentido de la corriente en cualquiera de los bobinados.

Principio de funcionamiento del motor eléctrico universal Un motor universal es un motor capaz de funcionar en corriente alterna como en corriente continua. Consta de al menos dos electroimanes, uno montado en el eje y otro en la carcasa. El efecto de imán móvil se consigue mediante el colector de delgas, en este caso con el colector conseguimos que el electroimán del eje gire respecto del propio eje (no solidariamente) de forma que siempre este enfrentado respecto de la polaridad del electroimán de la carcasa.

En su funcionamiento como motor de continua tenemos que el electroimán de la carcasa es un imán fijo, y el electroimán del eje esta también siempre orientado

en la misma dirección, independientemente del giro del eje. En su funcionamiento como motor de alterna en el electroimán de la carcasa tenemos un campo magnético (imán) que cambia su polaridad constantemente (conforme a la red eléctrica) y el electroimán del eje también cambia constantemente de forma que su campo eléctrico siempre se opone al del imán de la carcasa. Para identificar este motor lo podemos hacer observando si tiene colector de delgas y si lo usamos conectado a la corriente alterna directamente. La construcción del motor universal es semejante a la del motor de corriente continua de excitación derivación. Cuando el motor universal se conecta a tensión alterna, cambian al mismo tiempo el sentido de la corriente de excitación y del inducido. De esta manera, el par de giro que se produce actúa siempre en el mismo sentido. La rotación se puede invertir cambiando la dirección de la corriente ya sea en el circuito de campo o en el inducido.

Los motores universales son los motores pequeños más utilizados. Alcanzan velocidades superiores a los motores asincrónicos monofásicos, y de esta manera se obtiene una potencia de accionamiento grande para un tamaño pequeño.

Su aplicación principal es para herramientas portátiles debido a su bajo coste, su reducido tamaño, su poco peso y que pueden trabajar en corriente alterna (AC 50-60 Hz), las ventajas de este motor son grandes pares de arranque y elevadas velocidades de rotación cuando se alimentan con excitación en serie (características semejantes al motor de continua con excitación en serie), sus desventajas es q necesitan mantenimiento (cambio de escobillas) aunque en aplicaciones domesticas no se suele llevar a cabo este mantenimiento, se dimensionan las escobillas hasta el fin de la vida del electrodoméstico.

De 2 bobinas de trabajo y 1 bobina auxiliar o de arranque. Este tipo de motores con doble velocidad de régimen llevan tres arrollamientos. Por regla general se bobinan con 6 y 8 polos, y alcanzan entonces unas velocidades aproximadas de 1150 y 875 r.p.m., respectivamente. Se usan principalmente para accionar ventiladores. Al rebobinar estos motores es preciso volver a alojar cada bobina en las ranuras que le corresponden; por consiguiente, durante el desmontaje del arrollamiento original conviene anotar cuidadosamente la posición exacta de las bobinas.

La figura 1.70 representa el diagrama de pasos de un motor de tres arrollamientos, en el que se aprecia claramente la disposición relativa de estos últimos. La figura 1.71 reproduce el esquema de conexiones de los tres arrollamientos, y la figura 1.72 el esquema simplificado de los mismos. Un interruptor centrífugo de doble contacto, de acción semejante a la de un conmutador manual, conecta automáticamente el arrollamiento de trabajo octopolar a la red cuando se desea que el motor gire a la velocidad menor. Examinando el esquema de la figura 1.72 se ve que este tipo de motor arranca siempre con el arrollamiento de trabajo correspondiente a la velocidad mayor (6 polos), cualquiera que sea la posición del conmutador de velocidades. Sin embargo, cuando este se halla en la posición “velocidad menor”, el interruptor centrifugo efectúa, una vez alcanzada cierta velocidad, la desconexión del arrollamiento de trabajo hexapolar y la conexión inmediata del arrollamiento de trabajo octopolar.

Nota: estos valores son válidos suponiendo que la frecuencia es de 60 Hz. A una frecuencia de 50 Hz corresponderían 960 y 730 r.p.m. respectivamente

Motores de 1 bobina de trabajo y 1 bobina auxiliar o de arranque. Como ya se ha explicado anteriormente, cuando los polos de un arrollamiento se conectan de manera que todos ellos sean del mismo signo, se engendra un número de polos magnéticos igual al doble del número de polos bobinados. Es fácil percatarse de ello con solo examinar la figura 1.76. Esto permite conseguir sin gran complicación que un motor pueda girar a dos velocidades distintas (simple y doble) consideremos para fijar ideas un motor con cuatro polos bobinados en el arrollamiento de trabajo. Disponiendo un conmutador de manera que, cuando se halla en una de sus posiciones, las conexiones entre polos sean tales que determinen en ellos polaridades alternadas, el motor funcionara con cuatro polos efectivos (velocidad mayor); si la otra posición del conmutador corresponde a una conexión tal entre polos que determine en ellos polaridades idénticas, al colocarlo en dicha posición el motor funcionara con ocho polos efectivos (velocidad menor), en virtud del principio de los polos consecuentes.

En los esquemas de las figuras 1.77 a y b, el motor gira a la velocidad mayor (4 polos) cuando los terminales B y D se conectan a una de las líneas de alimentación y los terminales A y C se conectan a la otra. Obsérvese que para esta velocidad las dos secciones del arrollamiento de trabajo (compuesta cada una por dos polos en serie) están conectadas en paralelo. Por el contrario, el motor gira a la velocidad menor (8polos) cuando se conecte el terminal A a una de las líneas de alimentación y los terminales C y D a la otra (el terminal B queda libre). En este caso obsérvese que las dos secciones del arrollamiento de trabajo están conectadas en serie. Los dos polos del arrollamiento de arranque, por el contrario, permaneces siempre conectados en serie.

De 2 bobinas de trabajo y 2 bobinas auxiliar o de arranque Al rebobinar un motor de este tipo, con cuatro arrollamientos, deberá asimismo tenerse buen cuidado de alojar las bobinas de cada uno en las ranuras que le corresponden.

La figura 1.73 reproduce un típico diagrama de pasos perteneciente a un motor de cuatro arrollamientos (6 y 8 polos). Y la figura 1.74 el esquema de conexiones de los arrollamientos de trabajo y de arranque de la parte hexapolar. Se observa que el arrollamiento de arranque se compone únicamente de tres polos, conectados de manera que todos sean del mismo signo. Al circular corriente por dicho arrollamiento se genera en el núcleo estatórico un polo magnético de signo opuesto entre cada par de aquellos. Se forma por consiguiente un número de polos magnéticos doble que el de polos bobinados, por lo que todo ocurre como si el arrollamiento de arranque tuviese realmente 6 polos. Cuando los polos se forman de esta manera se dice que el arrollamiento es de polos consecuentes. En la parte octopolar del motor, los cuatro polos bobinados del arrollamiento de arranque están también conectados de manera que sean del mismo signo, y por la misma razón expuesta anteriormente, dan origen a cuatro polos magnéticos más de signo opuesto. La figura 1.75 representa el esquema de conexiones simplificado de los arrollamientos del interruptor centrífugo y del conmutador de velocidades del motor en cuestión. Del examen del esquema se deduce que el interruptor centrífugo no tiene otro objeto que la desconexión de los arrollamientos de arranque una vez alcanzada cierta velocidad, ya que el motor puede arrancar y funcionar directamente a la velocidad menor (8 polos), sin necesidad de tener que arrancar previamente a la mayor velocidad (6 polos).