cocc_cortez: motores

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INTRODUCCION

Este trabajo es un desarrollo explicativo del funcionamiento de los motores monofásicos de inducción, y además estos mismos son maquinas transformadoras estáticas.

Nos referimos al motorasincrónico. Este es una maquina de corriente alterna, de la que solamente una parte: el rotor o el estator, esta conectado a la redy la otra parte trabaja por inducción, siendo la frecuencia de las fuerzas electromotrices inducidas proporcionalmente al resbalamiento.

Por consiguiente la elección de un motor de cualquier tipo para una determinada instalación requiere el conocimiento de los conjuntos de características, las del motor y las de la instalación, algunas necesarias porque están impuestas, y no pueden ser elegidas arbitrariamente, otros en cambiopueden ser seleccionadas entre un conjunto de posibilidades.

Para adoptar efectivamente el motor se debe tener en cuenta, las exigencias de la instalación donde se ha utilizar, considerando que como el motor tendrá ciertos limites, los cuales no deberán ser superadas; por otra parte el motor con sus características propias, impondrá a la instalación ciertos requerimientos, que esta deberá satisfacer y a la vez se pueden utilizar directamente.

El comportamiento de estas maquinas cuando son sometidas a condiciones normales de trabajo, sus componentes y estructura son algunos de los temas que se trataran en este trabajo.

TEORÍA DEL MOTOR MONOFÁSICO

Los motores monofásicos tienen un gran desarrollo debido a su gran aplicación en electrodomésticos, campo muy amplio en su gama de utilización, al que se suma la motorización, la industria en general y pequeñas máquinas herramienta.

Este tipo de motores tiene la particularidad de que pueden funcionar con redes monofásicas, lo que los hace imprescindibles en utilizaciones domésticas.

Los motores monofásicos más utilizados son los siguientes:

Motores provistos de bobinado auxiliar de arranque
Motores con espira en cortocircuito
Motores universales

MOTORES MONOFASICOS CON BOBINADO AUXILIAR DE ARRANQUE

Los motores monofásicos al tener su bobinado conectado a una sola fase de la red, solamente crean un flujo alterno de direcciónconstante, que no es capaz de producir el giro del rotor. Sí puede girar por sí mismo, una vez haya adquirido velocidad.

MOTOR ASINCRONO MONOFASICO
CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES
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Figura 1

Carcasa. Fijación del motor a patas. Motor cerrado de protección. Carcasa de aletas para la refrigeración.
Estator. Ajustado a la carcasa en caliente.
Bobinado estatórico.
Rotor. De aleación de aluminio colado bajo presión. Equilibrado dinámico.
Bobinado rotórico.
Colector.
Ventilación forzada.
Caja de bornes con condensador incorporado.

MOTOR MONOFASICO DE INDUCCION
TEORÍA DEL MOTOR MONOFÁSICO DE INDUCCIÓN

Si se interrumpe uno de los tres hilos de línea por los que se alimenta un motor trifásico de inducción, de los llamados de Jaula De Ardilla, cargado y a plena marcha, el motor seguirá marchando normalmente a la misma velocidad que tenía anteriormente. Únicamente su potencia habrá disminuido en un 20% aproximadamente.

Podemos intentar lo mismo con el motorparado. Es decir, un motor trifásico con carga, pero en reposo, al que se inutiliza una fase; si se conecta ahora a la redcon solo dos fases, o sea como motor monofásico, el motor no se pone en marcha, continua en reposo, haciendo un ruido característico.

De lo anterior deducimos que el motor monofásico de inducción no puede ponerse en marcha por si solo: necesita de un medio auxiliar que lleve el motor hasta una determinada velocidad de giro, pues solamente en marcha se produce el intercambio energía eléctrica-energía mecánica necesaria.

La corriente alternamonofásica que atraviesa el arrollamiento del estator de un motor monofásico de inducción produce un flujo magnético que esta en fase con esta misma corriente, como se muestra en la figura 2. Los valoresque toma el flujo magnético en los instantes 1, 2, 3 … 9 estan representados en la figura 3, donde se han dibujado las líneas de fuerza de este flujo magnético y los vectores representativos de la magnitud de este mismo flujo magnético.

Los motoresmonofásicos de inducción son una variante de los motores síncronos con rotor en jaula de ardilla. La configuración tiene sus polos en forma saliente.

El motor arranca como un motor asíncrono y luego pasa a motor síncrono, si no hay impedimento, por caga excesiva.
La velocidad es constante y viene determinada por la frecuencia de la red.
La carga puede hacer que el motor pierda el sincronismo.
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Figura 4
MOTOR MONOFÁSICO DE INDUCCIÓN CON ESPIRAS EN CORTOCIRCUITO

Este motor puede arrancarse directamente por si mismo, lo que se consigue por el efecto que producen las llamadas espiras en cortocircuito. El sistema consiste en dividir los polos en dos partes desiguales.

Los motores de inducción con espira en corto circuito tienen gran aplicación en electrodomésticos y pequeños aparatos. Al no tener escobillas prácticamente no necesitan mantenimiento y al mismo tiempo están casi exentos de averías.

MOTOR MONOFÁSICO DE INDUCCIÓN TIPO FASE PARTIDA

Entre los procedimientos para iniciar el arranque o giro de este tipo de motores de inducción, está el llamado de fase partida, que consiste básicamente en crear un campo magnético giratorio que mueva el inducido durante el período de arranque

El campo magnético se obtiene por capacidad o por inductancia.
Para obtener el campo giratorio por capacidad, se utilizan dos arrollamientos de bobinas en serie, llevando una de ellas condensador, que es la que realiza el desfase y por tanto el arranque del motor.

El valor de la capacidad del condensador a conectar en el motor viene dado por la siguiente fórmula:

C= capacidad en microfaradios

P= potencia del motor en kw

U= tensión de alimentación en V

cosF= factor de potencia del motor
MOTOR ASINCRONO PARA C.C. Monofásico de fase partida con posibilidad de giro instantáneo
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Figura 5
En la polarización de maquinas, apartados de diversos tipos, nos encontramos en la práctica con una gama muy amplia de necesidades a cubrir, desde pequeñas potencias donde resulta más difícil encontrar el motor que satisfaga las necesidades.
Si se interrumpe uno de los tres hilos de línea por los que se alimenta un motor trifásico de inducción, de los llamados de <<jaula de ardilla>>, cargado y a plena marcha, el motor seguirá marchando normalmente a la misma velocidad que tenía anteriormente. Únicamente su potencia habrá disminuido en un 20% aproximadamente.
Podemos intentar lo mismo con el motor parado. Es decir, un motor trifásico con carga, pero en reposo, al que se inutiliza una fase; si se conecta ahora a la red con solo dos fases, o sea como motor monofásico, el motor no se pone en marcha, continua en reposo, haciendo un ruido característico

MOTORES SÍNCRONOS

Implicando, se puede utilizar un alternador como motor en determinadas circunstancias. Si se excita el campo con c-c y se alimenta por los anillos colectores a la bobina del rotor con c-a, la máquina no arrancará. El campo alrededor de la bobina del rotor es alterno en polaridad magnética pero durante un semiperiodo del ciclo completo, intentará moverse en una dirección y durante el siguiente semiperiodo en la dirección opuesta. El resultado es que la máquina permanece parada. La máquina solamente se calentará y posiblemente se quemará.

Para generar el campo magnético del rotor, se suministra una CC al devanado del campo; esto se realiza frecuentemente por medio de una excitatriz, la cual consta de un pequeño generador de CC impulsado por el motor, conectado mecánicamente a él. Se mencionó anteriormente que para obtener un par constante en un motor eléctrico, es necesario mantener los campos magnéticos del rotor y del estator constantes el uno con relación al otro. Esto significa que el campo que rota electromagnéticamente en el estator y el campo que rota mecánicamente en el rotor se deben alinear todo el tiempo.

MOTORES UNIVERSALES

Los motores universales trabajan con voltajes de corriente continua o corriente alterna. Tal motor, llamado universal, se utiliza en sierra eléctrica, taladro, utensilios de cocina, ventiladores, sopladores, batidoras y otras aplicaciones donde se requiere gran velocidad con cargas débiles o pequeña velocidad. Estos motores para corriente alterna y directa, incluyendo los universales se distinguen por su conmutador devanado y las escobillas. Los componentes de este motor son: Los campos (estator), la masa (rotor), las escobillas (los excitadores) y las tapas (las cubiertas laterales del motor). El circuito eléctrico es muy simple, tiene solamente una vía para el paso de la corriente, porque el circuito está conectado en serie. Su potencial es mayor por tener mayor flexibilidad en vencer la inercia cuando está en reposo, o sea, tiene un torque excelente, pero tiene una dificultad, y es que no está construido para uso continuo o permanente.

Otra dificultad de los motores universales, en lo que a radiose refiere, son las chispas del colector (chisporroteos) y las interferencias de radio que ello lleva consigo o ruido. Esto se puede reducir por medio de los condensadores de paso, de 0,001 µF a 0,01 µF, conectados de las escobillas a la carcasa del motor y conectando ésta a masa. Estos motores tienen la ventaja que alcanzan grandes velocidades pero con poca fuerza. Existen también motores de corriente alterna trifásica que funcionan a 380 Velos motores universales además de ser mas ecológicos gastan menos electricidad.

MOTORES DE JAULA DE ARDILLA

La mayor parte de los motores que funcionan con c-a de una sola fase tienen el rotor de tipo jaula de ardilla. Los rotores de jaula de ardilla reales son mucho más compactos y tienen un núcleo de hierro laminado.

Los conductores longitudinales de la jaula de ardilla son de cobrey van soldados a las piezas terminales de metal. Cada conductor forma una espira con el conductor opuesto conectado por las dos piezas circulares de los extremos. Cuando este rotor está entre dos polos de campos electromagnéticos que han sido magnetizados por una corriente alterna, se induce una fem en las espiras de la jaula de ardilla, una corriente muy grande las recorre y se produce un fuerte campo que contrarresta al que ha producido la corriente ( ley de Lenz). Aunque el rotor pueda contrarrestar el campo de los polos estacionarios, no hay razón para que se mueva en una dirección u otra y así permanece parado. Es similar al motor síncrono el cual tampoco se arranca solo. Lo que se necesita es un campo rotatorio en lugar de un campo alterno.

Cuando el campo se produce para que tenga un efecto rotatorio, el motor se llama de tipo de jaula de ardilla. Un motor de fase partida utiliza polos de campo adicionales que están alimentados por corrientes en distinta fase, lo que permite a los dos juegosde polos tener máximos de corriente y de campos magnéticos con muy poca diferencia de tiempo. Los arrollamientos de los polos de campo de fases distintas, se deberían alimentar por c-a bifásicas y producir un campo magnético rotatorio, pero cuando se trabaja con una sola fase, la segunda se consigue normalmente conectando un condensador (o resistencia) en serie con los arrollamientos de fases distintas.

Con ello se puede desplazar la fase en más de 20° y producir un campo magnético máximo en el devanado desfasado que se adelanta sobre el campo magnético del devanado principal.
Desplazamiento real del máximo de intensidad del campo magnético desde un polo al siguiente, atrae al rotor de jaula de ardilla con sus corrientes y campos inducidos, haciéndole girar. Esto hace que el motor se arranque por sí mismo.
El devanado de fase partida puede quedar en el circuito o puede ser desconectado por medio de un conmutador centrífugo que le desconecta cuando el motor alcanza una velocidad predeterminada. Una vez que el motor arranca, funciona mejor sin el devanado de fase partida. De hecho, el rotor de un motor de inducción de fase partida siempre se desliza produciendo un pequeño porcentaje de reducción de la que sería la velocidad de sincronismo.

ARRANQUE Y CONTROL DE VELOCIDAD

Si la velocidad de sincronismo fuera 1.800 rpm, el rotor de jaula de ardilla, con una cierta carga, podría girar a 1.750 rpm. Cuanto más grande sea la carga en el motor, más se desliza el rotor. En condiciones óptimas de funcionamiento un motor de fase partida con los polos en fase desconectados, puede funcionar con un rendimiento aproximado del 75%.
Otro modo de producir un campo rotatorio en un motor, consiste en sombrear el campo magnético de los polos de campo. Esto se consigue haciendo una ranura en los polos de campo y colocando un anillo de cobre alrededor de una de las partes del polo.

Mientras la corriente en la bobina de campo está en la parte creciente de la alternancia, el campo magnético aumenta e induce una fem y una corriente en el anillo de cobre. Esto produce un campo magnético alrededor del anillo que contrarresta el magnetismo en la parte del polo donde se halla él.

En este momento se tiene un campo magnético máximo en la parte de polo no sombreada y un mínimo en la parte sombreada. En cuanto la corriente de campo alcanza un máximo, el campo magnético ya no varía y no se induce corriente en el anillo de cobre. Entonces se desarrolla un campo magnético máximo en todo el polo. Mientras la corriente está decreciendo en amplitud el campo disminuye y produce un campo máximo en la parte sombreada del polo.

De esta forma el campo magnético máximo se desplaza de la parte no sombreada a la sombreada de los polos de campo mientras avanza el ciclo de corriente. Este movimientodel máximo de campo produce en el motor el campo rotatorio necesario para que el rotor de jaula de ardilla se arranque solo. El rendimiento de los motores de polos de inducción sombreados no es alto, varía del 30 al 50 por 100. Una de las principales ventajas de todos los motores de jaula de ardilla, particularmente en aplicaciones de radio, es la falta de colector o de anillos colectores y escobillas. Esto asegura el funcionamiento libre de interferencias cuando se utilizan tales motores. Estos motores también son utilizados en la industria. El mantenimiento que se hace a estos motores es fácil.

Como hemos visto en un análisisprevio, un conjunto de tres bobinas desplazadas 120º en el espacio, al que se le aplica un conjunto de tensiones trifásicas, produce un campo magnético rotante. Sin embargo, este análisis no se limita a conjuntos trifásicos, y es relativamente simple comprobar que, si se aplican dos tensiones desfasadas en el tiempo a dos bobinas desplazadas en el espacio, se obtendrá como resultado un campo giratorio (de hecho, es posible verificar esto experimentalmente poniendo en movimiento un motor trifásico con solo dos fases).

Esto sugiere que será suficiente con agregar una segunda bobina alimentada con una tensión adecuada (desfasada con respecto a la principal) para contar con un pequeño campo giratorio que ponga al rotor en movimiento, siguiendo a uno de los campos rotantes.
Básicamente, todos los motores monofásicos se constituyen de ésta manera: poseen una bobina principal o fase principal encargada de dar toda la potencia que se necesita en el eje, una bobina secundaria o fase auxiliar, orientada de distinta manera que la primera y que, junto a ésta produce la fuerza que pone en marcha al motor y un sistema de arranque que se encarga de producir una tensión distinta de la de la red para la bobina secundaria.
Para comprender el funcionamiento del sistema de arranque debemos considerar que el campo magnético generado por una bobina se encuentra en fase con la corriente y que el ángulo de fase de esta respecto de la tensión dependerá de la impedancia de la bobina o del circuito en el que esta se encuentra. Supongamos que la fase principal es puramente inductiva, en ese caso el campo que ésta genera estará atrasado 90º con respecto a la tensión. Si la fase auxiliar tuviera una impedancia con una importante componente resistiva, el atraso del campo con respecto a la tensión de alimentación sería menor que 90º (de hacho puede ser mucho menor e inclusive próximo a 0º) con lo cual se contaría con las condiciones para la obtención del campo rotante. Otra forma de lograr el desfasaje, muy utilizada porque no introduce componentes resistivos en el circuito, con las pérdidas que estos implican, es el agregado de un capacitor en serie con la fase auxiliar.
La ventaja del arranque por capacitor es su elevada cupla inicial mientras que el otro mecanismo permite, invirtiendo la forma en que se efectúan las conexiones de las fases a la red, invertir el sentido de giro del rotor, las figuras muestran, esquemáticamente, estas conexiones.

Una vez que el motor está en marcha, la fase auxiliar puede desconectarse o no, el mejor funcionamiento se logra cuando se la desconecta puesto que se deja trabajando solo al campo principal que es el que desarrolla la potencia en el eje. Para desconectar la fase auxiliar puede utilizarse un método manual o bien, lo que es más habitual, un método automático, el sistema automático más utilizado es un interruptor que se acciona por fuerza centrifuga el cual se ajusta de manera tal que sus contactos se abren cuando el rotor alcanza la velocidad adecuada (el 75% de la velocidad nominal), otro sistema automático aprovecha el hecho de que la corriente del estator disminuye a medida que el motor aumenta su velocidad (tal como se describió para el motor trifásico), esta corriente actúa sobre un dispositivo electromecánico (relé o contactor) que es el encargado de desconectar la fase auxiliar.

CONCLUSIÓN

Al inicio del desarrollo de los motores monofásicos se debieron enfrentar obstáculos de considerable importancia, primero por que la corriente de tensión monofásica no produce un campo magnético giratorio. Luego de sortear este obstáculo los fabricantes se encontraron con la problemática que trae consigo el hecho que los motores monofásicos no poseen par de arranque intrínseco.

Con el paso del tiempo se han ido desarrollando diversas técnicas orientadas a solucionar estos problemas. Dando paso a los motores monofásicos que hemos conocido en este trabajo.

Las aplicaciones de los motores monofásicos hoy son muy amplias, puesto que cada sistema esta diseñado con características especificas, sin embargo cada una de las diferentes configuraciones tienen ventajas y desventajas tanto una con respecto de otra, como cada una con respecto a la instalación misma donde será ubicada.

Los diferentes motores que hemos conocido han hecho posible el desarrollo de nuevas maquinas, herramientas y aparatos, tanto para su aplicación industrial o domestica.

Cada sistema de los estudiantes tienen como objetivo principal introducir alguna mejora a los motores ya existentes, estos cambios consisten en: mejorar el par de arranque, el factor de potencia, la disipación de calor a través del mismo motor (en el caso de los motores que presentan altas resistencias) , evitar corrientes excesivas en el momento del arranque y evitar que las reactancias (inductiva o capacitiva) influyan negativamente en la instalación que los rodea.

También se han desarrollado motores pequeños (micro motores) que pueden ser utilizados en pequeñas maquinas herramientas (taladros, sierras circulares y otras), y otros que se utilizan en aparatos domésticos (bombas de agua de maquinas lavadoras, hornos giratorios y otros electro domésticos).