MOTORES ELÉCTRICOS MONOFÁSICOS DE INDUCCIÓN

DEFINICIÓN:

Los motores monofásicos de inducción experimentan una gran

desventaja. Puesto que solo 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.

Debido a que el campo magnético del estator no rota, no hay movimiento relativo

entre el campo del estator y las barras del rotor. Por lo tanto no hay voltaje

inducido debido al movimiento relativo en el rotor, no fluye corriente debido al

movimiento relativo en el rotor ni hay par inducido.

Se induce un voltaje en las barras del rotor por acción del transformador y puesto

que las barras están cortocircuitadas, fluye corriente en el rotor. Sin embargo el

campo magnético del rotor está alineado con el campo magnético del estator y no

produce par neto sobre el rotor.

τ ind=k BR X BS

τ ind=k BRBS sin γ

τ ind=k BRBS sin 180 °=0

Fig. 01: Motor Monofásico de Inducción en Condiciones de arranque.

Existen dos teorías básicas que explican lo siguiente: “una vez que el motor

comienza a girar, se induce un par en él”, quiere decir que induce un par en el

rotor una vez que empieza a girar. Las teorías son las siguientes:

1. TEORÍA DE DOBLE CAMPO GIRATORIO DE LOS MOTORES DE

INDUCCIÓN MONOFÁSICOS:

Esta teoría establece que un campo

magnético estacionario pulsante se puede transformar en dos campos

magnéticos rotacionales de igual magnitud pero de direcciones opuestas. El

motor de inducción responde a cada uno de los campos magnéticos por

separado y el par neto en la máquina será la suma de los pares debido a

cada uno de los dos campos magnéticos.

La densidad de flujo del campo magnético estacionario está dada por:

BS (t )=(Bmáxcosωt ) j

La característica Par-Velocidad de un motor de inducción trifásico, resultado

de su único campo magnético rotacional, se muestra en la siguiente figura:

Fig. 02: Característica Par-Velocidad de un motor trifásico de

inducción.

Un motor de inducción monofásico responde a cada uno de los dos campos

magnéticos presentes en él; por lo tanto el Par inducido neto en el motor es

la diferencia entre las dos curvas Par-Velocidad. Nótese también que a

velocidad cero no hay par neto; por lo tanto el motor no tiene par de

arranque.

Fig. 03: Curvas características Par-Velocidad de los campos magnéticos estatóricos iguales y que rotan en direcciones opuestas.

2. TEORÍA DE CAMPO CRUZADO EN LOS MOTORES MONOFÁSICOS DE

INDUCCIÓN:

Esta teoría se ocupa de los voltajes y corrientes que el campo

magnético estacionario del estator puede inducir en las barras del rotor

cuando éste está en movimiento.

En las barras del rotor se inducen voltajes cuyo valor pico ocurre en los

devanados que pasan directamente bajo los devanados del estator. Estos

voltajes rotóricos producen un flujo de corriente en el rotor, pero debido a la

alta reactancia de éste, la corriente atrasa al voltaje en casi 90°. Puesto que

el rotor gira cerca de la velocidad sincrónica, esos 90° de atraso en la

corriente producen un desplazamiento angular de casi 90° entre el plano del

voltaje pico del rotor y el plano del corriente pico.

Fig. 04: Par Inducido en un Motor Monofásico de Inducción – Teoría de

Campo Cruzado.

Fig. 05: Campo magnético del Rotor a un ángulo diferente del Campo

magnético del Estator.

Si el rotor hubiera estado girando originalmente en dirección de las

manecillas del reloj, el par resultante tendría esa misma dirección y

mantendría, de nuevo girando el rotor.

ARRANQUE DE MOTORES DE INDUCCION MONOFÁSICA

1. DEVANADOS DE FASE PARTIDA:

Un motor de fase de partida es un motor de

inducción monofásico de dos devanado estatóricos, uno principal (M) y otro

auxiliar(A). Estos están separados 90° eléctricos sobre el estator del motor; el

devanado auxiliar está diseñado para ser desconectado del circuito, a cierta

velocidad dada, mediante un interruptor centrífugo. El devanado auxiliar se diseña

con una relación resistencia /reactancia mayor que la del devanado principal de

modo que la corriente en el devanado auxiliar adelanta a la corriente del devanado

principal. En general esta relación R/X más alta se logra utilizando hilo conductor

menor que el devanado auxiliar. Este hilo conductor menor es permitido en el

devanado auxiliar puesto que tan solo es utilizado para el arranque y, por tanto, no

debe conducir continuamente la corriente plena.

Fig. 06: Vector suma de los campos magnéticos del rotor y el estator para

varios tiempos, que muestran un campo magnético neto que rota en

dirección contraria a las manecillas del reloj:

Fig. 07: Motor de Inducción de Fase Partida

Fig. 08: Corrientes en el Motor en Condiciones de arranque.

Fig. 09: Relación entre los Campos magnéticos Principal y Auxiliar.

Tienen un par de arranque moderado justamente con baja corriente de arranque y

se utilizan para aplicaciones en las cuales no se requieren muy altos pares de

arranque, tales como ventiladores, sopladores y bombas centrífugas. Se

encuentran disponibles tamaños de fracción de caballo de potencia y son

bastantes baratos.

2. DEVANADOS POR CAPACITOR:

En este tipo de arranque de motor encontramos 3 tipos de máquinas que poseen este devanado, las cuales son:

2.1. MOTORES DE CAPACITOR PERMANENTE:En un motor con arranque por capacitor, se

dispone de un capacitor en serie con el devanado auxiliar del motor.

Seleccionando de manera adecuada el tamaño del capacitor, la fuerza

magnetomotriz de la corriente de arranque en el devanado auxiliar puede ajustarse

para igualarla a la fuerza magnetomotriz de la corriente del devanado principal, y

puede lograrse que el ángulo de fase de la corriente del devanado auxiliar

adelante en 90° la corriente en el devanado principal. Puesto que los dos

devanados están físicamente separados 90°.

Los motores con arranque por capacitor son más costosos que los de fase partida

y se utilizan en aplicaciones en las cuales se requiera un alto de arranque.

Aplicaciones típicas de tales motores son los compresores, las bombas, los

equipos de aire acondicionado y otros equipos que deben arrancar con carga.

Fig. 10: Motor de Inducción con arranque por Capacitor.

2.2. MOTORES DE CAPACITOR PERMANENTE DIVIDIDO Y

MOTORES DE CAPACITOR DE ARRANQUE-CAPACITOR DE

MARCHA:

Los motores de capacitor dividido permanente

son más sencillos que los motores de arranque por capacitor puesto que no

requieren interruptor de arranque. Para cargas normales son más eficientes

y tienen un factor de potencia más alto y par suave que los motores de

inducción monofásicos corrientes.

Sin embargo, los motores de capacitor dividido permanente tienen par de

arranque menor que los motores de arranque por capacitor puesto que el

capacitor debe ser dimensionado para balancear las corrientes en los

devanados principal y auxiliar en condiciones normales de carga.

Si se requiere un par de arranque lo más alto posible y las mejores

condiciones de operación, se pueden utilizar dos capacitores en el

devanado auxiliar. El capacitor mayor está presente en el circuito solo

durante el arranque, cuando asegura que las corrientes en los devanados

principal y auxiliar estén casi balanceadas, para obtener pares de arranque

muy altos. Cuando el motor ha alcanzado velocidad, el interruptor

centrífugo abre y el capacitor permanente se deja solo en el circuito del

devanado auxiliar. El capacitor permanente es suficientemente grande para

balancear las corrientes para cargas normales del motor de modo que este

opera de nuevo con alto par y alto factor de potencia.

Fig. 11: Motor de inducción de capacitor dividido permanente.

Fig. 12: Motor de inducción de capacitor de arranque-capacitor de marcha:

3. POLOS ESTATÓRICOS SOMBREADOS:

3.1. MOTORES DE POLOS SOMBREADOS:

Un motor de inducción de polos sombreados

es aquel que sólo tiene el devanado principal. En lugar de tener devanado

auxiliar, tiene polos salientes, y una parte de cada polo está envuelta por

una bobina cortocircuitada llamada bobina de sombreo. Cuando el flujo del

polo varía. Induce un voltaje y una corriente en la bobina de sombreo, las

cuales se oponen al cambio del flujo original. Esta oposición retarda los

cambios de flujo bajo las partes sombreadas de las bobinas y produce

entonces un ligero desequilibrio entre los dos campos magnéticos

rotacionales opositores del estator.

Este método produce menor par de arranque que cualquier otro tipo de

arranque de motores de inducción.

Fig. 13: Motor con Devanado Estatórico.

COMPARACIÓN DE LOS MOTORES DE INDUCCIÓN MONOFÁSCIOS:

Los motores de inducción monofásicos pueden ser clasificados de mejor a peor,

en términos de sus características de arranque y operación.

1. Motor de capacitor de arranque-capacitor de marcha

2. Motor de Arranque por capacitor

3. Motor con capacitor dividido permanente

4. Motor de fase partida

5. Motor de polo sombreado

El mejor motor es también el más costoso y el peor motor es el menos costoso.

APLICACIONES DE MOTORES MONOFÁSICOS POR INDUCCIÓN

CONCLUSIONES:

Los motores monofásicos no poseen par de

arranque intrínseco.

El arranque se consigue adicionando un devanado

auxiliar con una corriente cuyo ángulo de fase

difiere del devanado principal o sombreando parte

de los polos estatóricos.

Los diferentes motores que hemos conocido han

hecho posible el desarrollo de nuevas máquinas,

herramientas y aparatos, tanto para su aplicación

industrial o doméstica.

Las aplicaciones de los motores monofásicos por

inducción hoy en día son muy amplios, puesto que

cada sistema está diseñado con características

específicas.