Motores Monofásicos Inducción

MOTOR MONOFÁSICO DE INDUCCIÓN

CARACTERÍSTICAS CONSTRUCTIVAS

El motor monofásico asincrónico, también llamado motor monofásico de inducción, es una máquina de construcción mucho mas sencilla y económica que las de conmutador, donde su aplicación es requerida en pequeñas potencias. Es muy utilizada en aparatos domésticos como ventiladores, refrigeradores, electro bombas, etc.

Este motor está compuesto por elementos auxiliares como son los capacitores electrolíticos e interruptores centrífugos que son muy importantes en el momento de arranque.

Está formado por un circuito magnético muy simple y un rotor igual a los de motores trifásicos en forma de jaula de ardilla, es decir es corto. No se emplean bobinados en los rotores.

El circuito magnético está compuesto por una pieza en forma de herradura, formada por chapas de hierro al silicio, tienen una sola bobina excitatriz que no sobrepasa los 220V, hecha por alambres esmaltados.

El rotor es de chapas colocadas en el mismo sentido que el eje y eléctricamente cortocircuitadas en los extremos. En algunos casos son de aluminio fundido. Los cojinetes son por lo regular de tipo fricción.

RESEÑA ACERCA DEL PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

El giro del rotor se produce a merced del campo giratorio, similar a los trifásicos, con la diferencia que en estos últimos el arranque es automático, sin necesitar dispositivos para iniciar el movimiento. En los monofásicos se puede explicar funcionamiento si se imagina que el rotor ha sido impulsado para que comience a girar.

La Figura 1 representa un motor asincrónico monofásico, formado por una espira abierta, fija, que se conecta a la fuente y otra que puede girar alrededor de su eje y que está en corto.

Supongamos que le damos un envión a la espira cerrada o rotor y que empieza a girar.

La espira fija o estator está recorrida por una corriente alterna y se formará entonces adentro de ella un campo magnético también alterno, por lo que el rotor estará contenido en dicho campo. Tenemos entonces un campo alterno y una espira girando dentro de él, al cortar las líneas de fuerzas del campo se inducirá una corriente en el conductor, cuyo valor depende de la velocidad del corte.

La velocidad que hace que el rotor dé una vuelta durante el tiempo que transcurre un ciclo completo de la corriente, es la llamada Velocidad Sincrónica, y que el rotor no la puede alcanzar, pues cesaría la producción de corriente en él.

Fig.1

El rotor gira a velocidad menor que la de sincronismo, y se induce corriente en sus conductores. Tenemos ahora 2 corrientes, la del estator y la del rotor, entre las que se ejercerá una acción dinámica de repulsión que mantendrá girando al rotor.

Supongamos que el rotor se detiene y que se le dá un impulso en sentido contrario al que se le dio antes. El campo del estator persiste, durante un ciclo tendremos que el campo permanece la mitad del tiempo con un sentido, variando sus valores instantáneos desde 0 hasta un máximo, para volver a 0 (de 1 a 5, según Fig.2) y la otra mitad del tiempo pasa lo mismo pero en la otra dirección (de 5 a 9, según Fig.2).

Si la velocidad de la espira que dá media vuelta durante medio ciclo de la corriente, o del campo de modo que al invertirse el sentido de éste se cambia también el conductor de la derecha por el de la izquierda, no habrá cortes de líneas de fuerzas, no habrá corriente inducida y no se producirá cupla motora alguna.

Pero si la velocidad del motor es menor que la de sincronismo, es decir que el cambio de posición de los conductores no coincide con el cambio de polaridad magnética, se producirá cortes de líneas de fuerzas por los conductores del rotor, inducción de corriente en los mismos y acción y repulsión entre las dos corrientes, con lo que el rotor girará en el sentido en el que se le dio el impulso.

Para poder entender con mayor claridad el principio de funcionamiento del motor monofásico, observemos la siguiente figura:

Fig. 3

Podemos apreciar que cuando tenemos un solo par de polos (principal), se producen fuerzas de igual dirección y de sentido contrario que se anulan entre sí, apareciendo por lo dicho un campo lineal, en tanto no se genera cupla y el rotor no se pone en movimiento.

Si le colocamos otro bobinado (auxiliar), el cual está conectado a la misma red que el principal también se producirán fuerzas que se anularán entre sí, y en ambos bobinados tendremos campos lineales.

Para poder convertir estos campos lineales en un campo elíptico produciendo la cupla que pondrá en movimiento al rotor, hay que generar un desfasaje de los campos φ principal y φ auxiliar, agregando en el bobinado auxiliar elementos que sean capaz de ello, como capacitores, bobinas, o resistencias .

En los siguientes Figuras podemos ver la acción que generan estos elementos en el motor:

Agregando capacitor en el

bobinado auxiliar – Fig. 4 Agregando Resistencia en el

bobinado auxiliar – Fig. 5 Agregando una Bobina en el

bobinado auxiliar – Fig. 6

CORRIENTES DEL ROTOR

Estudiando el problema más profundamente se ve que en el rotor se inducen dos corrientes que se superponen, una que es la que se describió y cuya frecuencia es la diferencia entre la frecuencia de la Red y la que corresponde a la velocidad del rotor y otra debida al campo giratorio de sentido contrario y cuya frecuencia será la suma de las dos referidas.

Para el estator quieto y no habiendo sucesión cíclica de fases, el campo giratorio puede considerarse en uno u otro sentido de giro tal como si hubiera dos campos giratorios. Al girar el rotor barre a ambos campos, a uno con velocidad muy chica y al otro con velocidad muy grande.

El motor de la Fig. 1 tiene 2 polos y con una f = 50 Hz., Ns = 3000 rpm. El rotor tendrá inducido dos corrientes siendo:

Si el rotor gira a razón de 2880 rpm la f de una de las corrientes es:

y la otra será:

La suma de las dos frecuencias del rotor da el doble de la frecuencia del estator. La consecuencia es que este motor tiene mayores pérdidas en el cobre por efecto Joule. Además el factor de potencia es menor, también es menor su η por tener mayores pérdidas en el Cobre y porque como el rotor tiene corriente de frecuencia elevada se producen mayores pérdidas en el núcleo del mismo.

ARRANQUE DE LOS MOTORES MONOFÁSICOS

Como vimos anteriormente, los motores monofásicos de inducción no arrancan por sí solos, sino que necesitan de un envión inicial hasta lograr que se establezca una acción dinámica entre las corrientes del estator y del rotor. Lo que antes se realizaba para iniciar el movimiento era tirar de la correa o hacer girar la polea, pero en casi todos los motores modernos tal acción inicial se provee por sistemas automáticos.

El sistema de arranque debe, pues, suministrar un impulso capaz de hacer girar al rotor durante un corto lapso, pues en seguida comienza a actuar la cupla motora y el funcionamiento se hace normal, siendo innecesario el mecanismo auxiliar. Es por esto que casi siempre el sistema de arranque se desconecta una vez que el motor está en marcha, siendo la desconexión manual o automática, más frecuentemente de este último tipo.

El efecto de movimiento que se emplea se basa en el llamado principio de Ferraris, que dice que si sobre un sistema capaz de girar al recibir un impulso actúan dos campos magnéticos que guardan posiciones geométricas desplazadas entre sí, a la vez que hay entre ambos flujos un desfasamiento angular en el tiempo, se origina una cupla motora que lo pone en movimiento.

Aclaremos lo dicho con la Figura 7. el sistema o rotor está colocado de modo que es atravesado por los dos flujos magnéticos provenientes las dos bobinas recorridas por las corrientes I1 e I2. Si las dos corrientes no están en fase, cosa que se consigue por diferentes métodos que se verán más adelante, y las bobinas no están sobre un mismo eje, sino que guardan un desplazamiento geométrico como se ve en la Figura, sobre el rotor se origina una cupla girante que lo pone en movimiento.

Fig. 7

El desplazamiento geométrico óptimo entre las bobinas es de 90º, pero también se obtiene el efecto citado con ángulos menores. Asimismo, el efecto es mayor cuanto mayor sea la diferencia de fase entre las dos corrientes, de modo que será máximo si ésta es de 90º.

Una de las bobinas de la Figura 7 está constituída por el bobinado normal del motor, y la otra es la que se denomina devanado auxiliar, realizado ocupando

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