Motores de CA

UNIDAD 5

MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA

Objetivo:

Comprenderá el principio de funcionamiento de los motores de corriente alterna Introducción

Los motores de corriente alterna son los que tienen mayor uso en la industria y en la vida cotidiana debido a que por ser el tipo de corriente que suministran las compañías suministradoras, son los que mayor demanda tienen. En esta unidad se analizarán las partes principales que componen a un motor de corriente alterna de inducción tipo jaula de ardilla, así mismo se describirá el principio básico de operación, las características de operación, las pérdidas eléctricas que se presentan en la máquina para poder obtener su circuito equivalente, de igual manera se analizarán los tipos de conexiones trifásicos de mayor uso. En la segunda parte se analiza el motor de corriente alterna tipo rotor devanado y los motores monofásicos de corriente alterna para finalmente describir algunas de las aplicaciones principales de este tipo de motores. 5.1 Estudio de las partes constitutivas de los motores de corriente alterna asíncronos.

En la figura5.1 se aprecian las partes principales que componen a un motor de corriente alterna de inducción tipo jaula de ardilla.

84

Instituto Tecnológico Tecnológico de la Costa Costa Grande Departamento de Metal-Mecánic Metal-Mecánica a Academia de Metal-Mecánic Metal-Mecánica a

Figura 5.1a Partes de un motor motor de inducción de corriente alterna tipo jaula de ardilla, ardilla, ABB, ABB, “Motor construction” en: Low en: Low Voltage General Purpose Purpose Motors, pág.141).

a) Tapa frontal.

8. Estator.

b) Caja de conexiones.

9. Tornillos de sujeción

c) Placa de datos.

10. Rodamientos

d) Rotor.

11. Empaques.

e) Ventilador.

12. Tapa posterior

f) Tapa del ventilador. g) Tapa de la caja de conexiones.

13. Tornillos de sujeción

Ing. Héctor García Melchor Melchor

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Instituto Tecnológico de la Costa Grande Departamento de Metal-Mecánica Academia de Metal-Mecánica

Figura 5.1b Despiece de un motor de inducción de corriente alterna tipo jaula de ardilla, Siemens, Motores trif´scicos de inducción: generalidades. pág. 23).

Las partes principales del motor de corriente alterna tipo jaula de ardilla son el rotor y el estator. Estator

Carcasa: Es la estructura que sirve como soporte del motor, por lo general se construye de hierro fundido acero o aluminio, es resistente a la corrosión y en la mayoría de los casos presentan aletas que permiten un enfriamiento mucho más rápido del motor. Núcleo: El núcleo magnético del estator está compuesto de chapas de acero magnético con tratamiento térmico para reducir al mínimo las pérdidas el hierro. Devanado: El devanado del estator está compuesto por tres bobinas con iguales características, una por fase formando un sistema trifásico para conectarse a la red de suministro. El material utilizado es cobre. Rotor

Eje: El eje del motor también conocido como flecha, es el encargado de transmitir la potencia mecánica desarrollada por motor y recibe un tratamiento térmico para evitar problemas con deformación y fatiga. Núcleo de chapas: Estas tienen las mismas características que las del estator. Barras y anillos de cortocircuito: estas son fabricadas con aluminio, cobre o bronce y fundidos a presión en una pieza única. Ing. Héctor García Melchor

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Para que motor gire con menos ruido1 las ranuras y las barras se colocan ligeramente inclinadas respecto al eje del rotor formando hileras simples. Las aletas de los anillos terminales y el ventilador colocado al final del eje sirven para impulsar a través del motor el aire necesario para extraer el calor debido a las pérdidas. El eje gira sobre rodamientos de bola, ocasionalmente sobre cojinetes fricción de modo que entre el rotor y el estator se obtenga un entre hierro relativamente estrecho, de aproximadamente 0.2 a 1 mm [1]-[3]. 5.2 Principios básicos de operación del campo magnético giratorio.

La operación del motor trifásico de inducción tipo jaula de ardilla se rige bajo el principio de funcionamiento de un transformador, es decir; está basado en la aplicación de la ley de inducción electromagnética de Faraday y la fuerza de Lorentz en un conductor. Cuando el devanado del estator es conectado a una fuente de suministro trifásica, se produce un campo magnético de una magnitud constante y que gira alrededor de la periferia del rotor a una velocidad sincrónica. Éste campo rotatorio induce una fuerza electromotriz en el devanado del rotor. Como el rotor está constituido por barras cortocircuitadas, la tensión inducida produce también una corriente inducida en ellas, produciendo su vez su propio campo magnético, mismo que interactúa con el campo magnético principal, experimentándose una fuerza o par que hace girar al rotor. A este par desarrollado se le conoce como par de arranque. Cuando el motor es energizado con una carga inicial, se requiere que el par de la carga sea menor que el par de arranque para que el rotor comience a girar. Cuando el motor arranque sin carga, el rotor alcanzará rápidamente una velocidad muy cercana a la velocidad síncrona, sin embargo nunca podrá girar a esta velocidad debido a que sus bobinas parecerían fijas respecto al campo rotatorio y no habría fem inducida en ellas. Al no existir una fem inducida en el rotor, no circularía ninguna corriente y como consecuencia no se manifestaría ninguna fuerza debida a la no interacción de los campos magnéticos del rotor y estator [1]-[4]. En la figura 5.2 se puede observar lo anteriormente descrito.

1

zumbido electromagnético

Ing. Héctor García Melchor

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Figura 5.2 Rotación de un cilindro conductor de vida a corrientes inducidas, Ch. L. Dawes , “El motor de inducción polifásico” en: Electricidad Industrial Vol 2, pág.274).


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Enseguida se describe el principio de rotación del campo magnético giratorio [5]. Rotación del Campo Magnético – Inicio

En la figura 52a, un tiempo de arranque ha sido seleccionado de tal forma que la fase A no tiene flujo actual y sus bobinas asociadas no tienen campo magnético. La fase B hace fluir corriente en la dirección negativa y la fase C hace fluir corriente en la dirección positiva. Basados en la gráfica de la figura, B1 y C2 son polos sur y B2 y C1 son polos norte. Las líneas de flujo magnéticas dejan el Polo Norte B2 y entran en el Polo Sur próximo, C2. Las líneas de flujo magnéticas también dejan el Polo Norte C1y entran en el Polo Sur próximo, B1. La suma vectorial de los campos magnéticos es indicada por la flecha.

(Siemens, Components in DC motors/Electrical Training Courses: Power distribution, motor & Controls, Adaptado por el autor.).

Figura 5.2a Rotación del campo magnético giratorio-Inicio.


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Rotación del Campo Magnético - Tiempo 1

La figura 5.2b muestra el avance del vector de campo magnético cuando cada fase a tenido un desplazamiento de 60°. Observe que para el tiempo 1 la fase C no tiene flujo de corriente, y ningún campo magnético se ha desarrollado en C1 y C2. La A de fase hace corriente fluir en la dirección positiva y la B de fase hace corriente fluir en la dirección negativa. Esto quiere decir que serpenteo A1 y B2 son polos del norte y segundo tono aórtico cardíaco de serpenteos y B1 son polos del sur. El vector magnético resultante del campo se ha desplazado 60 ° en la dirección que gira en sentido del reloj.

(Siemens, Components in DC motors/Electrical Training Courses: Power distribution, motor & Controls, Adaptado por el autor.).

Figura 5.2b Rotación del campo magnético giratorio-Tiempo 1.


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Rotación del campo magnético - Tiempo 2

En el tiempo 2, la fase B no tiene flujo de corriente y los devanados B1 y B2 no tienen campo magnético. La corriente en la fase A fluye en la dirección positiva, pero la corriente de la fase C fluye en la dirección negativa. El vector del campo magnético resultante se ha desplazado otro 60° como se puede observar en la figura 5.2c.

Figura 5.2c Rotación del campo magnético giratorio-Tiempo 2. (Siemens, Components in DC

motors/Electrical Training Courses: Power distribution, motor & Controls, Adaptado por el autor.).


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Rotación del Campo Magnético – Un ciclo

Al final de seis intervalos de tiempo, el campo magnético ha alternado una revolución completa tal como puede apreciarse en la figura 5.2d. Este proceso se repite 60 veces por segundo para una fuente de tensión de 60 Hz.

Figura 5.2d Rotación del campo magnético giratorio-1 ciclo” (Siemens, Components in DC

motors/Electrical Training Courses: Power distribution, motor & Controls, Adaptado por el a utor.).


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5.3 Análisis de las características de funcionamiento del motor de inducción.

Las características de funcionamiento del motor de inducción tienen que ver con la relación que guardan sus parámetros eléctricos tales como deslizamiento, velocidad, par, voltaje, frecuencia, eficiencia y factor de potencia; todos estos parámetros también se relacionan con la carga conectada en el eje del motor [2]-[7]. En la tabla 1, se indican las principales características de los motores de inducción de jaula ardilla. Carga

Corriente (por unidad)

Tamaño del motor

Pequeño2 Grande3

A plena carga Sin carga Rotor bloqueado

Par (por unidad)

Deslizamiento (por unidad)

Pequeño

Grande

Pequeño

Grande

Eficiencia

Factor de potencia

Pequeño

Grande

Pequeño

Grande

0.96 a 0.98 0

0.8 a 0.85 0.2

0.87 a 0.9 0.05

0

0.4

0.1

1

1

1

1

0.03

0.004

0.5

0.3

0

0

0

5a6

4a6

1.5 a 3

0 0.5 a 1

0.7 a 0.9 0

1

1

0

Figura 5.3 características típicas de motores de inducción de jaula ardilla, T. Wildi, Máquinas eléctricas y sistemas de potencia., pág.276).

De acuerdo con esta tabla, se puede apreciar que las mejores características se obtienen cuando el motor se trabaja a plena carga o lo más cercano a ella. Cuando el motor se opera en vacío observamos que el factor de potencia tiende a cero, la eficiencia es cero y la corriente eléctrica de motor es mínima. Sin embargo observamos también que el deslizamiento es muy cercano a cero cuando el motor se opera sin carga. En la gráfica de la figura 5.3 puede observarse alguna de las características anteriormente indicadas en la tabla, otras más se observan en la figura 5.4 donde se hace un análisis del comportamiento del motor ante variaciones de la tensión [4], [8].

Figura 5.3 efecto de la carga sobre la velocidad, el par desarrollado y la corriente del rotor de un motor de inducción , I. L. Kosow, Máquinas eléctricas y transformadores., pág.323). 2

menor a 15 C.P. mayor de 1500 C.P. y hasta 25,000 C.P.

3


93


Figura 5.4 Rendimiento del motor crítico vs variación en el voltaje,Baldor, motor CA de inducción, pág.2-3).

En la figura 5.5 se aprecia el comportamiento del motor cuando se exhibe la carga aplicada a su eje, podemos observar cómo a medida que la carga excede su valor nominal tanto la eficiencia como el factor de potencia disminuyen en la máquina.

Figura 5.5 efecto de grandes cargas sobre la corriente primaria y el factor de potencia del estator, I. L. Kosow, Máquinas eléctricas y transformadores., pág.326).


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5.4 Estudio de la corriente del rotor para la obtención de la reactancia de magnetización y de dispersión.

En un motor de inducción tipo jaula ardilla, cuando se le suministra tensión al devanado del estator, se induce un voltaje en el rotor de la máquina. Por lo general a mayor movimiento relativo entre los campos magnéticos del inductor y del inducido, mayor será el voltaje resultante del rotor y la frecuencia del mismo. Cuando el rotor de la máquina es bloqueado, se presenta el mayor movimiento relativo entre los campos magnéticos de rotor y estator, de tal forma que se induce un mayor voltaje y frecuencia en el rotor de la máquina. La magnitud y la frecuencia de voltaje inducido en la parte rotatoria de la máquina son directamente proporcionales al deslizamiento del rotor. De tal forma que si se representa la magnitud de la tensión inducida del rotor a rotor bloqueado como ER0, la magnitud de la tensión inducida con cualquier deslizamiento, quedará definida por la siguiente expresión: E sE y la frecuencia del voltaje inducido con cualquier deslizamiento por la siguiente ecuación f sf . R 0

R

r

e

La reactancia del rotor de un motor de inducción depende de la inductancia del rotor y de la frecuencia de la tensión además de la corriente en el rotor. Si consideramos una inductancia del rotor LR , la reactancia estará dada por X L 2 f L R

R

r

R

Combinando esta ecuación con la de frecuencia del voltaje inducido con cualquier sX siendo XR0 la reactancia del rotor bloqueado [1]. deslizamiento tenemos X R

R 0

En la figura 5.6 se muestra el circuito equivalente del rotor, la intensidad de corriente para este circuito es I

R

E R R R

jsX

R 0

Figura 5.6 Modelo del circuito de rotor de un motor de inducción, S. J. Chapman,Máquinas eléct ricas, pág.391.


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5.5 Obtención de las Pérdidas en el cobre y deslizamiento del rotor.

Como se indicó en el apartado anterior la relación de los campos magnéticos determinan el voltaje inducido en la barra del rotor. La diferencia entre la velocidad síncrono y la velocidad del rotor se conoce como velocidad de deslizamiento y el deslizamiento a su vez nos permite describir el movimiento relativo de los campos y es igual a la velocidad relativa expresada como una fracción de la unidad o un porcentaje y queda definido por la siguiente expresión s

n sin

nm

c

n sin

.

c

Las pérdidas que se producen en un motor de inducción, son muy similares a la de un transformador eléctrico con la única diferencia de que en un motor de inducción la potencia de entrada es una potencia eléctrica y la potencia de salida es una potencia mecánica, en la figura 5.7 se aprecian las pérdidas que ocurren en la máquina antes de la entrada de potencia hasta su salida. Se puede observar como las primeras pérdidas son pérdidas eléctricas producidas en los devanado del estator y conocidas como pérdidas en el cobre, después aparecen las pérdidas de hierro también conocidas como pérdidas en el núcleo y que obedecen a la cantidad de potencia perdida por histéresis y corrientes parásitas en el estator, después la potencia es transferida al rotor de la máquina a través del entre hierro existente entre rotor y estator hasta potencia se le conoce como potencia en el entrehierro. Posteriormente se producen las pérdidas en el cobre del rotor y las pérdidas mecánicas provocadas por la fricción y rozamiento de los elementos en movimiento, finalmente se consideran las pérdidas misceláneas para obtener así la potencia de salida en el eje por rotor de la máquina [1], [3].

Figura 5.7 Modelo del circuito de rotor de un motor de inducción, S. J. Chapman,Máquinas eléctricas, pág.391.


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5.6 Obtención del circuito equivalente del motor de inducción.

Cuando se le registra un motor de inducción trifásico las intensidades de corriente son iguales en magnitud y tienen una diferencia de fase 120° eléctricos. Lo mismo ocurre en las corrientes de los devanados del rotor. Debido a que los devanados del estator y del rotor están acoplados magnéticamente, un motor de inducción es muy similar a un transformador trifásico con la única diferencia que en un motor se tendría el secundario giratorio. Por lo anterior expuesto el motor trifásico puede representarse por fase mediante un circuito equivalente con cualquier deslizamiento. En la figura 5.8 se muestra un circuito equivalente por fase que representa el funcionamiento de un motor de inducción [3], si se observa es el mismo circuito equivalente para un transformador eléctrico, sólo que en este caso R1 y jX 1 representa la resistencia del estator y la reactancia de dispersión del estator, Rc y JX m representan las pérdidas magnéticas en el núcleo del motor. El transformador ideal representa el entre hierro entre rotor y estator. Rr y JXr representan la resistencia y la reactancia del rotor.

Figura 5.8 Circuito equivalente por fase de un motor de inducción trifásico, B.S. Gurú, Electric Machinery and transformers pág.514.

La figura 5.9 se muestra el circuito equivalente del motor de inducción referido al lado del estator, tal como se hizo con los circuitos equivalentes del transformador, finalmente en la figura 5.10 se muestra precipite equivalente de la figura 5.9 modificado para representar la resistencia del rotor y de la carga.

Figura 5.9 Circuito equivalente por fase de un motor de inducción trifásico referido al lado del estator, B .S. Gurú, Electric Machinery and transformers pág.516.


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Figura 5.10 Circuito equivalente de la figura5.9 modificado para mostrar las resistencias del rotor y de la carga, B.S. Gurú, Electric Machinery and transformers pág.517.

5.7 Conexiones normalizadas en los motores de inducción:

Los motores eléctricos de inducción trifásicos pueden conectarse en estrella o bien delta, el uso de una u otro tipo de conexión es decisión del fabricante del equipo. Sin embargo como sabemos, una de las desventajas principales de este tipo de motor es que su velocidad se mantiene constante independientemente de la carga conectada al motor. Normas técnicas para la fabricación de motores eléctricos como son la IEC y NEMA, estas normas además de establecer criterios para la fabricación de motores también establecen la marcación de terminales de los mismos. NEMA utiliza para el marcado números que van desde el 1 hasta el 12, mientras que IEC combina las letras U, V, W y los números desde el 1 hasta el 6. La marcación de los números obedece a nivel de tensión con el cual podrá ser el legislador motor o bien cuando se desea un motor con dos o más velocidades [6], [8]. 5.7.1 Estrella doble paralelo.

La conexión estrella doble o también conocida como estrella paralela preferentemente es usada en motores NEMA cuando se desea conectar el motor a la tensión menor y con potencias de hasta 20 CP y en motores IEC también para indicar una menor tensión y en potencias hasta de 9 CP. 5.7.2 Estrella serie.

La conexión estrella generalmente izada en motores NEMA para la tensión más alta y en potencias hasta 20 CP y en motores IEC para la mayor tensión. 5.7.3 Delta serie

La conexión triángulo o delta se utiliza en motores IEC para la menor tensión en cualquier potencia y para motores NEMA usada para la mayor tensión en potencias mayores de 20 CP.


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5.7.4 Delta paralelo.

La conexión de ángulo doble triángulo paralelo es utilizada en motores IEC para la tensión menor y potencias mayores a 9 CP y en motores NEMA para la menor tensión y potencias mayores a 20 CP. De acuerdo con las conexiones anteriormente descritas los fabricantes de motores efectúan combinaciones de estas conexiones para que los motores puedan funcionar con las dos tensiones de servicio a las que fueron diseñados. Así podemos tener las siguientes combinaciones: a) Triángulo para la menor tensión/estrella para la mayor tensión. b) Estrella doble para la menor tensión/estrella para la mayor tensión. c) Triángulo para la mayor tensión/triángulo doble para la menor tensión. Otra característica importante en los motores trifásicos es lo relativo al número de terminales para conexión, las cuales van de acuerdo con los diseños de cada fabricante y con las formas y que pueden ser arrancados motores4. Así, encontraremos motores con tres terminales para conexión, lo cual nos indicará que únicamente podrá ser conectado a un solo nivel de tensión y de la conexión trifásica es interna y su arranque será voltaje pleno. Otros motores tendrán seis terminales para conexión, en este caso el motor puede ser conectado en triángulo o en estrella y además podrá ser arrancado atención reducida utilizando el método estrella-Delta. También existen motores que tienen nueve terminales para conexión, esos motores se pueden conectar en doble estrella o en doble triángulo con la única limitante de que debe arrancarse a voltaje pleno. Por último podemos encontrar también motores con 12 terminales para conexión y pueden conectarse de la misma forma que los de nueve terminales con la ventaja que pueden ser arrancados a tensión reducida por el método estrella-triángulo. En las figuras 5.11 a la 5.205 se muestran la marcación de terminales de acuerdo con la norma NEMA.

4

A tensión plena o tensión reducida

5

Todas estas figuras fueron obtenidas de E. S. Coyne , “Motores”, en Manual de equipo eléctrico y

electrónico.


99


Figura 5.11 Conexión estrella 6 terminales.

Figura 5.13 Conexión doble estrella o estrella paralela 9 terminales

Figura 5.12 Conexión triángulo 6 terminales

Figura 5.14 Conexión estrella serie 9 terminales


100

Instituto Tecnológico de la Costa Grande Departamento de Metal-Mecánica Academia de Metal-Mecánica Figura 5.15 Conexión triángulo serie 9 terminales

Figura 5.17 Conexión doble estrella o estrella paralela 12 terminales

Figura 5.19 Conexión doble Delta o delta paralelo 12 terminales

Figura 5.16 Conexión doble triángulo o triángulo paralelo 9 terminales

Figura 5.18 Conexión estrella serie 12 terminales

Figura 5.20

Conexión Delta serie 12

terminales


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5.8 Características de arranque del motor de inducción de rotor devanado al modificarle la resistencia óhmica en el circuito del rotor.

El motor de corriente alterna tipo rotor devanado, opera bajo los mismos principios que los motores de jaula de ardilla, pero difieren en la construcción del rotor. En este tipo de motor como su nombre lo indica el rotor está devanado con un propósito muy definido. Unas del de las limitantes del motor con rotor tipo jaula de ardilla es que durante su funcionamiento no hay forma de influir desde el exterior sobre la corriente del circuito en el rotor, en cambio en un motor con rotor devanado si es posible variar la resistencia del circuito del rotor conectando resistencias adicionales, pues el rotor es excitado externamente mediante anillos rozantes. Si se introduce en el circuito del rotor del motor de inducción una resistencia, se aumenta el deslizamiento de la máquina para cualquier valor dado del par. Para valores pequeños de deslizamiento, el par es prácticamente proporcional a la corriente del rotor y al flujo en el entrehierro. El flujo en el entre hierro de un motor de inducción es prácticamente constante, ya que la atención a las terminales, y por lo tanto la fem, son casi constantes. Si se introduce en el circuito del rotor una resistencia, su impedancia se incrementa. Para valores bajos del deslizamiento, que es donde normalmente el motor funciona, la reactancia del inducido es pequeña comparada con la resistencia, siguiendo la impedancia, por lo tanto, casi toda la resistencia. Si él deslizamiento se mantiene constante, la fem inducida del rotor no cambia. La corriente del inducido, que es igual a esta fem dividida por la impedancia del rotor, disminuye, debido al aumento de resistencia dando como resultado que el par también disminuya. Para volver a llevar el par a su valor inicial, se debe aumentar la corriente del inducido, y para aumentar esta corriente, se debe aumentar la fem inducida. Debido a que el flujo del entrehierro es constante, el aumento de la fem sida sólo se puede obtener haciendo que los conductores del rotor corten al flujo a mayor velocidad, por lo tanto, para un par dado, el deslizamiento aumenta cuando se intercala una resistencia del circuito del rotor [9]. En la figura 5.21 se observa que se obtiene el par a plena carga con un deslizamiento mayor cuando la resistencia del rotor se aumenta. La magnitud del par máximo no se modifica, pero el deslizamiento que corresponde este par se desplaza hacia el punto de velocidad cero, es decir, que el par máximo se obtiene para un valor mayor del deslizamiento. El rotor gira a menor velocidad, pero esta disminución de velocidad cero se tiene a expensas del rendimiento, ya que las pérdidas I2R en el circuito del rotor aumentan


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Figura 5.21 efecto producido sobre las curvas par-deslizamiento al intercalar una resistencia en el rotor, Ch. L. Dawes, Electricidad industrial pág.288.

5.9 Aplicaciones de los motores de inducción polifásicos.

Debido al bajo costo en su construcción y el mínimo mantenimiento que requiere para su operación, el motor de corriente alterna de inducción trifásica es el de mayor uso en las aplicaciones industriales. A continuación se indican a manera de ejemplo alguna de las aplicaciones de los motores trifásicos de corriente alterna de inducción tipo jaula de ardilla y de rotor devanado [1]-[4], [8]: Ascensores. Bombas centrífugas. Bombas de desplazamiento alternativo. Bandas transportadoras. Trituradoras. Ventiladores. Máquinas herramientas. Embotelladoras. Compresoras de arranque sin carga. Hiladoras. Voladoras garrotillo Desmenuzadoras de alimentos. Ing. Héctor García Melchor

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Esmeriladoras. Máquinas para labrar madera. Roscadoras. Sierras. Cepilladoras. Amoladoras. Grúas. Montacargas. Sopladoras. Máquinas de lavandería. Molinos. Industria de alimentos. Industria del caucho. Industria papelera. Industria petrolera. Industria textil. 5.10 Principios de los motores monofásicos.

Los motores monofásicos de corriente alterna tiene una construcción idéntica al motor trifásico de inducción, sólo que tienen una gran limitación ya que sólo tienen 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 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. Existen dos teorías para explicar funcionamiento del motor de inducción monofásico, la teoría del doble campo rotatorio y la teoría del campo cruzado. Enseguida se analizará de manera general la teoría del doble campo rotatorio. De acuerdo con esta teoría, 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. Ing. Héctor García Melchor

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Si consideramos, la condición del rotor en reposo; sabemos que el campo magnético que produce motor pulsa hacia arriba y abajo con el tiempo, y en cualquier momento su magnitud está dada por B B cos t , donde Bm es la densidad de flujo máximo en el motor. m

Esencia de 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 manecillas del reloj, el sentido de giro de B2 será opuesto tal como se observa en la figura 5.22. Por lo tanto se tienen dos campos rotatorios de igual magnitud y constantes elegirán 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 [10]- [12]. Como las direcciones de par son opuestas el par neto resultante es igual a cero.

Figura 5.22 Descomposición de un vector pulsante en dos vectores giratorios iguales y opuestos, B.S. Gurú, Electric Machinery and transformers, pág.569.

5.11 Tipos de motores monofásicos

los motores o de corriente alterna con rotor tipo jaula de rodilla se clasifican de la siguiente manera, ordenados de mejor a peor en función de sus características de arranque [10]- [12]: Motor de capacitor de arranque y capacitor de marcha. Motor por capacitador de arranque. Motor de fase dividida permanente. Motor de fase partida. Ing. Héctor García Melchor

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Motor de polos sombreados. A continuación se señalan algunas características típicas para cada uno de estos motores. Motor de capacitor de arranque y capacitor de marcha.

El motor monofásico con capacitador de arranque y capacitador de marcha es el que mejores características presenta entre los motores de tipo fraccionario. El capacitador de arranque le permite desarrollar mejor par de arranque en el motor mientras que el capacitador de marcha permite mejorar funcionamiento. En la figura 5.23 se observa la representación esquemática para este tipo de motor, como se puede apreciar el condensador de arranque es desconectado del motor por medio del interruptor centrífugo una vez que se alcanza una velocidad de aproximadamente 75% de la velocidad sincrónica, este capacitador es de tipo electrolítico mientras que el capacitór de marcha es del tipo en aceite para corriente alterna y operación continua. En la figura 5.24 puede observarse comportamiento de este motor comparando su velocidad con el par desarrollado.

Figura 5.23 Representación esquemática del motor con capacitor de arranque y capacitór de marcha, B.S. Gurú, Electric Machinery and transformers, pág.581.

Figura 5.24 Característica velocidad-par de un motor de arranque por condensador y marcha por condensador, B.S. Gurú, Electric Machinery and transformers, pág.581.


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Motor por capacitador de arranque.

El motor monofásicos de arranque por condensador, incluye un condensador conectado en serie con el devanado auxiliar o de arranque. Éste capacitor permite mejorar la característica de arranque del motor y queda desconectado por el interruptor centrífugo, cuando el motor alcanza el 75% de su velocidad síncrono aproximadamente. Después de ese tiempo el motor queda conectado únicamente con el devanado de trabajo. Éste tipo de motor se recomienda utilizar cuando los requerimientos de par de arranque son de cuatro a cinco veces el par específicado. El capacitor utilizado en este motor y es del tipo electrolítico.

Figura 5.25 Representación esquemática del motor con capacitor de arranque, B.S. Gurú, Electric Machinery and transformers, pág.580.

Figura 5.26 Característica velocidad-par de un motor de arranque por condensador, B.S. Gurú, Electric Machinery and transformers, pág.580.

Motor de fase dividida permanente.

A este motor también se le conoce como motor de capacitor dividido permanente, es una versión menos cara que la del motor de arranque por capacitador y marcha por capacitador. En este caso el capacitor sirve para proporcionar la arranque del motor y a la vez para su funcionamiento con carga. Debido a que ambos devanados deben permanecer conectados, en este motor no se requiere de un interruptor centrífugo. Otra característica de este motor es que ambos devanados tienen el mismo calibre de conductor ya que la corriente del motor será compartida en ellos. Se recomienda utilizarlos cuando se requiere accionar cargas con Ing. Héctor García Melchor

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mínimo par de arranque. En las figuras 5.27 y 5.28 se pueden apreciar la representación esquemática de este motor así como su característica velocidad-par.

Figura 5.27 Representación esquemática del motor de fase dividida permanente, B.S. Gurú, Electric Machinery and transformers, pág.582.

Figura 5.28 Característica velocidad-par de un motor de fase divida permanente, B.S. Gurú, Electric Machinery and transformers, pág.582.

Motor de fase partida.

A este tipo de motor también se le conoce como motor de fase dividida o de fase hendida, es uno de los motores de mayor uso para aplicaciones que requieren potencias fraccionarias. A diferencia de los motores anteriores, este tipo de motor no lleva capacitor ni de arranque ni de marcha, ricamente utiliza dos devanados separados en cuadratura conectados en paralelo a la fuente de suministro monofásica. A uno de los devanado se le conoce como devanado principal, tiene resistencia baja e inductancia alta y su función es conducir corriente y establecer el flujo necesario a la velocidad especificada. El otro devanado, denominado devanado auxiliar, tiene resistencia alta e inductancia baja. Éste último devanado es desconectado del motor cuando se alcanza una velocidad aproximada a 75% de su velocidad síncrona. La desconexión es realizada a través del interruptor centrífugo. En las figuras 5.29 y 5.30 se pueden apreciar la representación esquemática de este motor así como su característica velocidad-par.


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Figura 5.29 Representación esquemática del motor de fase partida permanente, B.S. Gurú, Electric Machinery and transformers, pág.579.

Figura 5.30 Característica velocidad-par de un motor de fase divida permanente, B.S. Gurú, Electric Machinery and transformers, pág.579.

Motor de polos sombreados.

El motor de polos sombreados es el que posee las peores características de los motores monofásicos de corriente alterna, debe su nombre debido a que el devanado auxiliar de este motor forma un anillo de cobre que se coloca en los polos salientes del mismo. Éstos anillos colocados por los ambientes permiten establecer el campo rotatorio necesario para su funcionamiento. En la figura 5.31 y 5.32 se puede observar el esquema representativo para este motor y su curva característica velocidad-par, en donde se puede apreciar cómo su par de arranque es muy limitado comparado con los motores anteriormente descritos.


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Figura 5.31 Representación esquemática del motor de polos sombreados, B.S. Gurú, Electric Machinery and transformers, pág.599.

Figura 5.32 Característica velocidad-par de un motor de poos sombreados, B.S. Gurú, Electric Machinery and transformers, pág.601.


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Fuentes de consulta

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[11]

T. Wildi, “Motores monofásicos”, en Máquinas eléctricas y sistemas de potencia. 6ª Ed., México: Pearson, 2007, Cap. 18, pp. 399-422.

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S. J. Chapman, “Motores monofásicos y de uso especial”, en Máquinas eléctricas, 4ª Ed., México: Mc. Graw Hill, 2005, Cap. 10, pp. 633-680.


Motores de CA

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