7/28/2019 Motores Monofasicos de Corriente Alterna (Incompleto)

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MOTORES MONOFASICOS DE CORRIENTE ALTERNA

Un gran número de motores de capacidades comparativamente pequeñas, se fabrican paraoperar con alimentación monofásica. La mayoría de ellos se producen para operar en

potencias fraccionarias de HP y se denominan técnicamente “motores pequeños” . Losmotores monofásicos desarrollan una gran variedad de servicios útiles en: aplicaciones delhogar, la oficina, las fábricas y los comercios, así como otros usos diversos. Los motores deC.A. monofásicos se pueden dividir en tres categorías generales:

1. MOTORES DE INDUCCION.2. MOTORES CON CONMUTADOR.3. MOTORES SINCRONOS.

Los motores de inducción, a su vez, se pueden clasificar como motores de fase partida,motores de polos sombreados y motores de inducción-repulsión, de acuerdo con el método

de producir par de arranque.

Los motores más comunes con conmutador son los llamados motores tipo universal, asícomo los de inducción-repulsión.

El tipo original de motor monofásico es el que se conoce como de repulsión, de acuerdo a suforma de arranque. Estos motores han sido perfeccionados a través de los años, a partir delmodelo original de repulsión. En la actualidad existen varios tipos mejorados que se conocencomo:

MOTORES DE FASE PARTIDA.

MOTORES DE ARRANQUE CON CAPACITOR. MOTORES CON CAPACITOR PERMANENTE.

MOTORES DE INDUCCION-REPULSION.

MOTORES DE POLOS SOMBREADOS.

MOTORES UNIVERSALES.

MOTORES MONOFASICOS DE FASE PARTIDA.

Este tipo de motores fue uno de los primeros tipos de motores monofásicos usados en laindustria y aún permanece su aplicación en forma popular. Se emplean en: maquinasherramientas, ventiladores, bombas, lavadoras, secadoras y una gran variedad de

aplicaciones distintas. La mayoría de estos motores se fabrican en el rango de 1/30HP(24.9W) a 1/2HP (373W).

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PRINCIPIO DE OPERACIÓN.

Todos los motores monofásicos tienen un problema en común que es arrancar.

Normalmente, para originar el par de arranque, se requiere de algún medio auxiliar queproduzca la reacción con la onda de C.A. monofásicos, se hable de un “devanado de trabajo” 

y otro devanado de arranque o algún medio auxiliar como el capacitor.

Dentro del título de fase partida se agrupan los motores de arranque con capacitor y dearranque con resistencia, algunos de estos son monofásicos de inducción, cuyos nombres otítulos son: DE ARRANQUE CON CAPACITOR, DE FASE PARTIDA, DE POLOS

SOMBREADOS, CON CAPACITOR Y ARRANQUE CON CAPACITOR, CON 

CAPACITADOR PERMANENTE, ETC 

Cuando se aplica un voltaje de C.A. al devanado de trabajo de un motor de inducción, lacorriente circula a través de los devanados, la cual produce un campo magnético queexpande, contrae y cambia la polaridad en fase con la corriente. Los devanados de trabajo

actúan como el primario de un transformador. Su campo magnético induce una corrientehacia el secundario (rotor o armadura de motor). La corriente en la armadura crea un campomagnético que se opone al campo magnético del devanado de trabajo, esto hace que lospolos distintos se atraigan uno a otro y prevengan al rotor girar. Bajo estas condiciones,existe solo una fuerza en el plano horizontal sin fuerza en el sentido vertical que cause que elrotor gire.

Cuando la polaridad del campo magnético cambia, debido a la variación en la polaridad de lacorriente, la polaridad del campo del rotor cambia al mismo tiempo. Los dos campos se estánconstantemente atrayendo uno al otro, por lo tanto el rotor es puesto es posición y no girara.

Si se hace girar el rotor manualmente, entonces inicia su movimiento en la misma dirección,solo que a una velocidad inferior a la de sincronismo. Esto significa que para producir el par giratorio en un motor de inducción monofásico, se requiere de un impulso adicional, pero laforma de hacerlo manualmente no es práctica, de manera que se tiene que incorporar algúnelemento que de diseño permita cumplir con el inicio de la rotación del motor.

LOS DEVANANDOS DEL ESTATOR.

El motor práctico de fase partida tiene dos grupos de devanados en el estator. El primer grupo, se conoce como el devanado principal o devanado de trabajo; el segundo, se leconoce como devanado auxiliar o de arranque. Estos dos devanados se conectan en

paralelo entre sí, el voltaje de línea se aplica a ambos al energizar el motor.

Los devanados difieren entre si física y eléctricamente. El devanado de trabajo está formadode conductor grueso y tiene más espiras que el devanado de arranque, este, generalmentese aloja en la parte inferior. El devanado de arranque tiene menos espiras de una seccióndelgada o pequeña de conductor.

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En general un motor de fase partida consiste de una carcaza; un estator formado por laminaciones, en cuyas ranuras se alojan las bobinas de los devanados principal y auxiliar;un rotor o parte giratoria que está formado por conductores a base de barras de cobre oaluminio, embebidos en el rotor y conectados entre sí por medio de anillos de cobre enambos extremos, formando lo que se conoce como una jaula de ardilla, debido a que la

configuración de los anillos y las barras conductoras se asemejan a una jaula de ardilla real.Se proporciona a estos motores un switch centrífugo, para abrir el circuito del devanado dearranque cuando el motor alcanza su velocidad de operación.

ARRANQUE DEL MOTOR. 

Una de las partes más importantes del motor eléctrico es su mecanismo de arranque. Paralos motores monofásicos se usa un tipo especial a base de un switch centrifugo, paradesconectar el devanado de arranque cuando el motor ha alcanzado de un 75% a un 80%de su velocidad de operación, de manera que a q velocidad nominal el motor funciona solocon su devanado de operación.

Como se observa del circuito del arranque, el switch centrífugo está conectado en serie conel devanado de arranque. Este switch esta normalmente cerrado cuando el motor está enreposo, al arrancar permanece cerrado hasta que se alcanza del 75% al 80% de suvelocidad de operación. A esta velocidad, un mecanismo a base de resorte, debido a lafuerza centrífuga del rotor, vence la fuerza que hace que el switch permanezca cerrado, y, seabre.

El motor continúa operando a consecuencia de las corrientes inducidas en el devanado delrotor, debido a su movimiento. Si el switch centrifugo no está cerrado cuando el motor energizado, este no arrancara. Puede hacer un fuerte ruido y demandar una corriente

excesiva. Debido a que el rotor no gira, su impedancia es aproximadamente igual a laresistencia de las barras del rotor y actúa como el secundario de un transformador en corto;esto hace que el primario (devanado de trabajo) demande mucha corriente, y si estacondición permanece por mucho tiempo, entonces el devanado de trabajo sufre uncalentamiento excesivo.

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PARTES PRINCIPALES DEL MOTOR DE FASE PARTIDA.

ROTOR:

El rotor se compone de tres partes fundamentales. La primera de ellas es el núcleo, formadopor un paquete de láminas o chapas de hierro de elevada calidad magnética. La segunda esel eje, sobre el cual va ajustado a presión el paquete de chapas. La tercera es elarrollamiento llamado de jaula de ardilla, que consiste en una serie de barras de cobre degran sección, alojadas en sendas ranuras axiales practicadas en la periferia del núcleo yunidas en cortocircuitos mediante dos gruesos aros de cobre, situados uno a cada extremodel núcleo. En la mayoría de los motores de fase partida el arrollamiento rotorico esde aluminio y esta fundido de una sola pieza.

ESTATOR.

El estator se compone de un núcleo de chapas de acero con ranuras semicerradas, de unapesada carcasa de acero o de fundición dentro de la cual esta introducido a presión el núcleode chapas, y de dos arrollamientos de hilo de cobre aislado alojados en las ranuras yllamados respectivamente arrollamiento principal o de trabajo y arrollamiento auxiliar o dearranque. En el instante de arranque están conectados uno y otro a la red de alimentación;

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sin embargo, cuando la velocidad del motor alcanza un valor prefijado el arrollamiento dearranque es desconectado automáticamente de la red por medio de un interruptor centrífugomontado en el interior del motor.

ESCUDOS O PLACAS TERMICAS.

Los escudos o placas térmicas, están fijados a la carcasa del estator por medio de tornillos opernos; su misión principal es mantener el eje del rotor en posición invariable. Cada escudotiene un orificio central previsto para alojar el cojinete, sea de bolas o de deslizamiento,donde descansa el extremo correspondiente del eje rotorico. Los dos cojinetes cumplen lassiguientes funciones: sostener el peso del rotor, mantener a este exactamente centrado en elinterior del estator, permitir el giro del rotor con la mínima fricción y evitar que el rotor llegue arozar con el estator.

INTERRUPTOR CENTRIFUGO.

El interruptor centrífugo va montado en el interior del motor. Su misión es desconectar el

arrollamiento de arranque en cuanto el rotor ha alcanzado una velocidad predeterminada. Eltipo más corriente consta de dos partes principales, una fija y otra giratoria. La parte fija estásituada por lo general en la cara interior del escudo frontal del motor y lleva dos contactos,por lo que su funcionamiento es análogo al de un interruptor unipolar. En algunosmotores modernos la parte fija del interruptor está montada en el interior del cuerpo delestator. La parte giratoria va dispuesta sobre el rotor.

El funcionamiento de un interruptor es el siguiente: mientras el rotor está en reposo o girandoapoca velocidad, la presión ejercida por la parte móvil del interruptor mantieneestrechamente cerrados los dos contactos de la parte fija. Cuando el rotor alcanzaaproximadamente el 75 % de su velocidad de régimen, la parte giratoria cesa de presionar 

sobre dichos contactos y permite por tanto que se separen, con lo cual el arrollamiento dearranque queda automáticamente desconectado de la red de alimentación. 

 ARROLLAMIENTO DE JAULA DE ARDILLA.

Se compone de una serie de barras de cobre de gran sección, que van alojadas dentro delas ranuras del paquete de chapas rotorico; dichas barras están soldadas por ambosextremos a gruesos aros de cobre, que las cierran en cortocircuito. La mayoría de losmotores de fase partida llevan, sin embargo, un arrollamiento rotorico con barras y arosde aluminio, fundido de una sola pieza.

DEVANADOS ESTATORICOS.

Son los siguientes:

Un devanado de trabajo o principal, a base de conductor de cobre grueso aislado, dispuestogeneralmente en el fondo de las ranuras estatoricas y un devanado de arranque o auxiliar, abase de conductor de cobre fino aislado, situado normalmente encima del devanado detrabajo. Ambos devanados están unidos en paralelo. En el momento del arranque uno y otro

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se hallan conectados a la red de alimentación, cuando el motor ha alcanzadoaproximadamente el 75% de su velocidad de régimen, el interruptor centrifugo se abre y dejaafuera y deja fuera de servicio el devanado de arranque; el motor sigue funcionandoentonces únicamente con el devanado de trabajo principal.

Durante la fase de arranque, las corrientes que circulan por ambos devanados creanun campo magnético giratorio en el interior del motor. Este campo giratorio induce corrientesen el devanado del rotor, las cuales generan a su vez otro campo magnético. Ambos camposmagnéticos reaccionan entre si y determinan el giro del rotor. El devanado de arranque soloes necesario para poner en marcha el motor, es decir, para engendrar el campo giratorio.Una vez conseguido el arranque del motor ya no se necesita más, y por ello esdesconectado de la red por medio del interruptor centrífugo.

DIAGRAMA ELECTRICO.

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MOTORES DE ARRANQUE CON CAPACITOR.

Estos motores son monofásicos de C.A., cuyo rango de potencia va desde fracciones de HPhasta un valor tan grande como 15 HP. Se usan ampliamente en muchas aplicaciones detipo monofásico, tales como:

Accionamiento de máquinas herramientas. (taladros, pulidoras, etc.) Compresores de aire.

Refrigeradores, etc.

Este tipo de motor es similar en su construcción al motor de fase partida, excepto que seconecta un capacitor en serie con el devanado de arranque, como se muestra en la siguientefigura:

Los motores de arranque con capacitor también están equipados como los motores de fasepartida, con devanados de trabajo y de arranque; asimismo, el motor tiene un condensador (capacitor) que permite tener un mayor par de arranque. Como se muestra en la figuraanterior, el capacitor se conecta en serie con el devanado de arranque y el switch centrifugo.

La corriente en el trabajo de arranque que es liberada por el capacitor, se adelanta al voltajeen el devanado de trabajo, obteniendo de esta manera un desplazamiento angular mayor 

entre los devanados de arranque y de trabajo, esto proporciona un incremento en el par dearranque para el motor. Para dar una idea de orden de magnitud , un motor de fase partida

con capacitor tiene un par dos veces mayor que el motor de fase partida sin capacitor.

Los motores de arranque con capacitor se encuentran disponibles en las versiones de par de

arranque normal, para accionar cargas como: ventiladores, sopladores, bombas centrifugas yaplicaciones similares. Los diseños de alto par de arranque se usan en equipos como:compresores recíprocos, bombas, transportadores de carga, etc.

Los motores de fase partida de arranque con capacitor son los que requieren el menor mantenimiento de todos los tipos de motores monofásicos, pero tienen un par de arranque

muy bajo, lo que hace que no sean deseables para ciertas aplicaciones.

El par de arranque en un motor de arranque con capacitor está producido por un campomagnético rotatorio que se establece dentro del motor. Este campo relocaliza el devanado dearranque 90° eléctricos defasados con respecto al devanado de trabajo, produciendo que lacorriente en el devanado de arranque se adelante a la del devanado de trabajo. Estacondición produce un campo magnético giratorio en el estator, el cual a su vez induce unacorriente en el devanado del rotor, produciendo así la rotación del motor.

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MOTOR DE FASE PARTIDA CON CAPACITOR PERMANENTE.

Los motores de fase partida con capacitor permanente usan un capacitor conectado en seriecon los devanados de arranque y de trabajo. El capacitor crea un retraso en el devanado dearranque, que es indispensable para el arrancar el motor y para accionar la carga.

En caso de ser necesario, los devanados de un motor con capacitor permanente se puedenidentificar verificando los valores de las resistencias de los devanados de arranque y detrabajo. El devanado de arranque con su capacitor y el devanado de trabajo, permanecen enel circuito mientras el motor está en operación.

La principal diferencia entre un motor con capacitor permanente y un motor de arranque concapacitor es que, no se requiere de switch centrifugo para los motores con capacitor permanente, estos últimos no pueden arrancar y accionar cargas que requieren un alto par de arranque.

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MOTOR DE INDUCCION REPULSION

El motor de inducción repulsión arranca con un principio de operación, y, cuando casialcanza su velocidad, cambia a otro tipo de operación. Se desarrollan fuerzas tensionales

muy altas durante el arranque, por la repulsión entre el polo magnético en la armadura y lamisma clase de polo en el campo adyacente del devanado del estator.

La fuerza de repulsión es controlada y cambiada, de manera que la velocidad rotacional dela armadura se incrementa rápidamente, y si no es parada, podría continuar incrementándose más allá de su velocidad práctica de operación. Esta prevenida por unswitch mecánico que actúa por velocidad y causa que la armadura actué como un rotor quees eléctricamente el mismo, tal como se comportaría un rotor en un motor monofásico deinducción. Esto es por lo que el motor se llama de inducción-repulsión.

El estator de este tipo de motor se construye en forma similar al de motor de fase partida o

de arranque con capacitor, pero solo hay un devanado de trabajo o de campo montado en elinterior. Se tiene en los extremos una especie de campana para mantener la armadura y eleje en posición, y conservar las chumaceras en el eje.

La armadura consiste de muchas bobinas separadas conectadas a los segmentos delconmutador.

Montados en el otro extremo de la armadura, se tienen contrapesos gobernadores quemueven o empujan a unas varillas que pasan a través de núcleo de la armadura. Estasvarillas empujan contra un anillo en corto circuito montado sobre el eje del conmutador en elextremo de la armadura. Los portaescobillas y las escobillas se encuentran montadas en el

extremo de la campana del conmutador y las escobillas, conectadas por un alambre gruesopresionan contra los segmentos sobre los lados opuestos del conmutador.

Cuando el motor se para, la acción de los contrapesos del gobernador mantienen elcortocircuito en el anillo por contacto con el conmutador. Cuando se energiza y circula lacorriente a través del devanado de campo del estator, se induce una corriente en las bobinasde la armadura, y se coloca en tal posición que, un polo norte en la armadura está próximo aun polo norte en el devanado de campo en el estator. Dado que los polos iguales se repelen,la repulsión producida en este caso se puede satisfacer solo en una dirección, por la rotaciónde la armadura y el movimiento de la bobina de armadura lejos de los devanados de campo.

La armadura gira cada vez con mayor rapidez, acelerando hasta que alcanzaaproximadamente el 80% de su velocidad de operación. A esta velocidad los contrapesos delgobernador se despegan y presionan al sujetador de la varilla para que se mueva.

Cuando el gobernador alcanza su velocidad de diseño, las varillas se pueden mover juntaseléctricamente en la misma forma que el disco de aluminio, fundido como en los rotores de

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 jaula de ardilla de los motores de inducción. Esto significa que el motor opera como un motor de inducción; el cual se utiliza en donde se requiera arrancar cargas relativamente pesadas,sin demandar demasiada corriente. Se fabrican de ½ HP hasta 20 HP, y se emplean concargas típicas como: compresores de aire grandes, equipo de refrigeración, etc.

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MOTOR DE POLOS SOMBREADOS.

Este tipo de motores se aplican para casos muy específicos, como en el accionamiento deventiladores o sopladores que tienen requerimientos de potencia muy bajos. Su rango depotencia está comprendido entre valores desde 0.0007 HP hasta ¼ HP, y la mayoría se

fabrica en el rango de 1/100 a 1/20 de HP. La principal ventaja de estos motores es susimplicidad de construcción, su confiabilidad y su robustez, además de que tienen un bajocosto.

 A diferencia de otros motores monofásicos de C.A., los motores de fase partida no requierende partes auxiliares como: capacitores, escobillas, conmutadores o partes móviles comoswitches centrífugos. Esto hace que también su mantenimiento sea mínimo y relativamentesencillo.

Las principales desventajas de los motores de polos sombreados son.

TIENEN UN PAR DE ARRANQUE MUY BAJO.

SU EFICIENCIA ES MUY BAJA, POR EJEMPLO, UN MOTOR DE 1/20 HP TIENEUNA EFICIENCIA DEL ORDEN DEL 35%, PARA MOTORES MAS PEQUEÑOSPUEDE LLEGAR A SER HASTA DEL 5%.

SU FACTOR DE POTENCIA ES MUY POBRE.

 A pesar de estas desventajas, cuando su aplicación es apropiada, el peso de las ventajas essuperior al de las desventajas.

Como se ha mencionado, el motor de inducción de polos sombreados es un motor monofásico, que usa como único método para arrancar la rotación del rotor. El efecto decampo de un campo magnético móvil es producido por la construcción del estator en una

forma especial.

Las porciones de las superficies de la pieza polar están rodeadas por una tira o espiragruesa de cobre denominada “la bobina de sombra” . La tira de cobre produce que el campo

se mueva hacia otras y pase a través de la cara de la pieza polar.

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MOTORES UNIVERSALES.

Los motores universales son pequeños motores con devanado en serie que operan convoltaje de corriente directa (C.D.) o de corriente alterna (C.A.). De hecho, el motor se debecomportar de la misma manera, ya sea que se use con C.A. o con C.D.

Se diseñan y construyen en tamaños de ¾ HP o menores. Los motores universales tipofraccionario pueden ser de 1/50 HP o menores.

Los motores universales tienen prácticamente la misma construcción que los motores deC.D., ya que tienen un devanado de campo y una armadura con escobillas y conmutador,este ultimo mantiene la armadura girando a través del campo magnético; también, cambia elflujo de corriente con relación al devanado de campo y a la armadura, es decir, cumple conuna función de empujar y jalar. Esta acción de jalar y empujar esta creada por los polos nortey sur de los devanados de campo y armadura.

El polo norte de los devanados de campo jala al polo sur de la armadura (espira) hacia el

interior de la parte principal del campo magnético. El conmutador y las escobillas invierten elflujo de corriente a través de la armadura, creando un polo norte en la espira. El polo nortedel devanado de campo repele entonces al polo norte de la armadura.

Esta acción de empujar y jalar produce la acción de giro de la armadura a través del campomagnético del devanado de campo, estableciendo de esta manera la operación del motor.

Cuando el motor universal opera en C.A., la corriente cambia constantemente de direcciónen los devanados de campo. Tanto el devanado de campo como el de la armadura inviertenla corriente simultáneamente, por lo tanto, el motor opera en forma similar a un motor deinducción. Los devanados de campo y armadura se conectan en serie en los motores tipo

universal.