Motores eléctricos monofásicos de corriente alterna

Los motores eléctricos están diseñados para ofrecer su mejor rendimiento general cuando funcionan con el voltaje de diseño que se muestra en la placa de identificación. Sin embargo, este voltaje a menudo no se mantiene. En cambio, varía entre los límites mínimo y máximo sobre lo que se denomina dispersión de voltaje. La dispersión de voltaje generalmente se debe al cableado y los transformadores del sistema de distribución eléctrica y varía en proporción a las corrientes del motor o de la carga.

En la mayoría de las plantas modernas que usan sistemas de distribución de energía de centro de carga, las variaciones en el voltaje normalmente estarán dentro de los límites recomendados de 110 a 120, 220 a 240, 440 a 480 y 550 a 600 para jaula de ardilla monofásica y trifásica y. motores síncronos. Sin embargo, hay plantas más antiguas con grandes sistemas de bajo voltaje. Los alimentadores largos de bajo voltaje a menudo causan caídas de voltaje que dan como resultado voltajes por debajo del estándar en las terminales del motor, especialmente durante el arranque del motor, cuando las corrientes pueden ser hasta seis veces mayores que lo normal a plena carga.

Los motores monofásicos y polifásicos requieren diferentes enfoques o métodos para arrancarlos en diversas condiciones de operación. La mayoría de los motores monofásicos se ponen en marcha mediante el cierre de un interruptor de encendido y apagado o un arrancador magnético.

Arranque del motor

Una de las partes más importantes del motor eléctrico es el mecanismo de arranque. Se necesita un tipo especial para usar con motores monofásicos. Se utiliza un interruptor centrífugo para iniciar el devanado del circuito una vez que el motor ha alcanzado el 75 % de su velocidad de funcionamiento.

Las variaciones de fase dividida, de arranque por capacitor y otras de estos tipos necesitan el mecanismo de arranque para que funcionen.

El estator de un motor de fase dividida tiene dos tipos de bobinas, una llamada bobina de marcha y otra bobina de arranque. El devanado de recorrido se hace enrollando el alambre de cobre revestido de esmalte a través de las ranuras en las perforaciones del estator. El devanado inicial se hace de la misma manera excepto que el cable es más pequeño. Las bobinas que forman los devanados de arranque se colocan en pares en el estator directamente uno frente al otro y entre los devanados de funcionamiento. Cuando observa el extremo del estator, ve devanados de marcha y de arranque alternados .

El motor monofásico

Aunque la mayoría de los motores utilizados en la industria son trifásicos, existen muchas aplicaciones para los motores monofásicos. Funcionan con 120 ó 240 voltios, tienen poca potencia y casi todos están diseñados para arrancar desde la línea.

Estos motores se llaman así porque sus devanados de campo se conectan directamente a una fuente monofásica, y se clasifican en motores conmutadores, de inducción o síncronos según el método que se usa para arrancarlos.

Un motor de inducción monofásico no arranca por si solo. El campo magnético formado en el estator por la fuente de energía de ca permanece alineado en una dirección. Aunque estacionario, este campo magnético pulsa igual que la onda del voltaje. Este campo induce un voltaje en el devanado del rotor, pero el campo del rotor sólo puede alinearse con el campo del estator. Estando alineados estos dos campos, no se produce momento de torsión.

Por lo tanto, es necesario hacer girar al motor con algún aparato auxiliar. Una vez que el motor gira con suficiente velocidad, la interacción entre los campos del rotor y del estator mantendrá la rotación. El rotor seguirá aun entando su velocidad, tratando de alcanzar la velocidad sincrónica. Finalmente, llegará a una velocidad de equilibrio igual a esa velocidad menos el deslizamiento.

Algunos motores de inducción monofásicos están diseñados para operar con un solo voltaje y otros son de doble voltaje. A diferencia de los motores trifásicos que funcionan según el principio de un campo magnético giratorio, los diferentes tipos de motores monofásicos funcionan según principios diferentes. Algunos funcionan según el principio de un campo magnético giratorio, pero otros no.

El tipo más frecuente de motor monofásico que puede requerir diferentes métodos de arranque es el motor de fase dividida. Si dos devanados de estator con impedancia distinta se colocan separados 90° pero se conectan en paralelo a una fuente monofásica, el campo producido parecerá girar. Este es el principio de operación de la división de fase. En el motor de fase dividida el devanado de arranque tiene mayor resistencia y menor reactancia que el devanado principal o de marcha.

Los motores de fase dividida funcionan según el principio de un campo magnético giratorio. Para producir un campo magnético giratorio, debe haber más de una fase. Los motores de fase dividida se denominan así porque dividen una fase en dos para imitar un sistema de potencia de dos fases. Un sistema de potencia de dos fases produce dos voltajes separados 90 grados desfasados entre sí (Figura 1).

Fig. 1 - Alternador de dos fases

Para dividir una fase en dos, los motores de fase dividida contienen dos devanados o bobinados separados: el bobinado de marcha y el bobinado de arranque (Figura 2). Los bobinado de marcha y arranque están conectados en paralelo entre sí.

Fig. 2 - El bobinado de marcha y el de arranque están conectados en paralelo entre sí.

Los devanados de marcha están todos conectados entre sí, por lo que la corriente eléctrica debe pasar completamente a través de una bobina antes de ingresar a la siguiente, y así sucesivamente a través de todos los devanados de marcha en el estator. Los devanados de arranque están conectados entre sí de la misma manera y la corriente debe pasar a través de cada uno de ellos.

Los dos cables de los devanados de marcha en el estator están conectados a terminales en un bloque de terminales aislado en una campana de un extremo donde el cable de alimentación está conectado a los mismos terminales. Un cable del devanado de inicio también está conectado a una de estas terminales. Sin embargo, el otro cable del devanado inicial está conectado al interruptor estacionario montado en la campana final. Luego, otro cable conecta este interruptor a la terminal opuesta en el bloque aislado.

El interruptor estacionario no gira, pero se coloca de manera que los pesos en la parte giratoria del interruptor, ubicada en el eje del rotor, se muevan hacia afuera cuando el motor alcance la velocidad y abran el interruptor para evitar que la corriente eléctrica pase por el devanado de arranque.

Luego, el motor funciona mediante el devanado principal hasta que se apaga. Cuando el motor alcanza una velocidad predeterminada, usualmente de 70 a 80 % de la velocidad sincrónica, un interruptor centrifugo montado en el eje del motor se abre, desconectándose el devanado de arranque. O sea, a medida que el rotor disminuye en velocidad, los pesos en el interruptor giratorio se mueven nuevamente hacia adentro para cerrar nuevamente el interruptor estacionario y activar el devanado de arranque para la próxima vez que se inicie.

Fig. 3 - El condensador de arranque produce un cambio de fase de 90 grados entre la corriente de devanado de marcha y la corriente de devanado de arranque.

Los tres tipos de motores de fase dividida son :

1. de funcionamiento por inducción con arranque por resistencia,
2. funcionamiento por inducción con arranque por condensador y
3. funcionamiento por condensador con arranque por condensador.

Los motores de funcionamiento por inducción con arranque por resistencia y funcionamiento por condensador con arranque por condensador deben desconectar el devanado de arranque cuando el motor alcanza aproximadamente el 75 por ciento de su velocidad nominal.

El motor de funcionamiento por inducción con arranque por condensador tiene un condensador conectado en serie con el devanado de arranque para aumentar el par de arranque del motor (Figura 3).

El condensador aumenta el par de arranque al producir un mayor cambio de fase entre la corriente en el devanado de marcha y la corriente en el devanado de arranque.

El par de arranque máximo se desarrolla cuando la corriente de devanado de funcionamiento y la corriente de devanado de arranque están desfasadas 90 grados entre sí. Los devanados de arranque de los motores de funcionamiento por inducción con arranque por resistencia y de arranque por inducción con condensador están diseñados para permanecer en el circuito solo por un período de tiempo muy corto y se dañarán si no se desconectan.

Los motores con condensador de arranque y funcionamiento con condensador están diseñados de tal manera que los devanados de arranque no se desconectan del circuito. Estos motores funcionan de manera muy similar a los verdaderos motores de dos fases. Por lo general, se utilizan como motor compresor para sistemas de aire acondicionado central en hogares y para alimentar ventiladores de techo y otros aparatos que no requieren algún método para desconectar el devanado de arranque.

Reversibilidad

La dirección de rotación del motor de fase dividida se puede cambiar invirtiendo los cables del devanado de arranque.

Interruptor centrífugo

Los motores de fase partida destinados a funcionar al aire libre usan un interruptor centrífugo conectado al eje del rotor. El interruptor centrífugo es operado por contrapesos accionados por resorte. Cuando el rotor alcanza una cierta velocidad, los contrapesos superan los resortes y abren el interruptor, desconectando el devanado de arranque de la línea de alimentación.

Algunos motores de funcionamiento con condensador de arranque por condensador, a veces denominados motores de condensador dividido permanente, emplean el uso de un condensador de arranque además de un condensador de operación o marcha. El condensador de arranque se utiliza para proporcionar un par adicional durante el período de arranque y debe desconectarse después de que el motor alcance aproximadamente el 75 por ciento de la velocidad nominal. Los motores de caja abierta generalmente usan un interruptor centrífugo para realizar esta función. Al colocar un capacitor en serie con el devanado de arranque de un motor de fase dividida se mejoran las características de arranque.

Fig. 4 - Motor de capacitor

Figura 5- Vista despiezada de un motor de funcionamiento con condensador de arranque y otro condensador de arranque adicional.

Usos

Este tipo de motor se utiliza para ventiladores, sopladores de hornos, quemadores de aceite, electrodomésticos de oficina y calefactores unitarios.

Motor de inducción de arranque por repulsión

Igual que un motor de corriente continua, el rotor del motor de inducción de arranque por repulsión tiene devanados conectados a un conmutador. Las escobillas de arranque hacen contacto con el conmutador, de manera que el motor arranca como un motor de repulsión. Al acercarse a su velocidad de operación, un mecanismo centrífugo cortocircuita todos los segmentos del conmutador de manera que funciona como motor de inducción. Este tipo de motor se fabrica en tamaños que van desde 1/2 hasta 15 hp y se usan en aplicaciones que requieren un alto par motor al arrancar.

El motor de inducción de arranque por repulsión, arranca con un tipo de funcionamiento y, cuando alcanza casi la velocidad, cambia a otro tipo de funcionamiento. Se producen fuerzas de torsión muy altas durante el arranque por la repulsión entre el polo magnético en la armadura y el mismo tipo de polo en el devanado de campo del estator adyacente.

La fuerza de repulsión se controla y cambia de modo que la velocidad de rotación de la armadura aumente rápidamente y, si no se detiene, continuaría aumentando más allá de una velocidad operativa práctica. Se evita mediante un interruptor mecánico accionado por velocidad que hace que la armadura actúe como un rotor eléctricamente igual al rotor de los motores de inducción monofásicos. Es por eso que el motor se llama motor de repulsión-inducción.

Fig. Motor monofásico de arranque por repulsión, funcionamiento por inducción y elevador de escobillas.

El estator de este motor está construido de manera muy parecida a la de un motor de arranque de capacitor o de fase dividida, pero solo hay devanados de funcionamiento o de campo montados en el interior.

Las tapas de los extremos mantienen la armadura y el eje en posición y sujetan los cojinetes del eje.

La armadura consta de muchas bobinas separadas de alambre conectadas a segmentos del conmutador. Montados en el otro extremo de la armadura están los pesos del gobernador, que mueven las varillas de empuje que pasan a través del núcleo de la armadura. Estas varillas empujan contra un anillo de cortocircuito montado en el eje en el extremo del conmutador de la armadura. Los portaescobillas y las escobillas están montados en la campana del extremo del conmutador, y las escobillas, conectadas por un cable pesado, presionan contra los segmentos en lados opuestos del conmutador.

Cuando el motor se detiene, la acción del regulador de peso evita que el anillo de cortocircuito toque el conmutador. Cuando se enciende la alimentación y la corriente fluye a través de los devanados del campo del estator, se induce una corriente en las bobinas del inducido. Las dos escobillas conectadas entre sí forman una bobina electromagnética que produce un polo norte y sur en la armadura, colocados de modo que el polo norte de la armadura esté al lado de un polo norte en los devanados del campo del estator. Dado que los polos iguales intentan separarse, la repulsión producida en este caso puede satisfacerse de una sola manera, girando la armadura y alejando la bobina de la armadura de los devanados de campo.

La armadura gira cada vez más rápido, acelerando hasta que alcanza aproximadamente el 80% de la velocidad de funcionamiento. A esta velocidad, los pesos del regulador vuelan hacia afuera y permiten que las varillas de empuje se muevan. Las varillas de empuje, que son paralelas al eje del inducido, han mantenido el anillo de cortocircuito lejos del conmutador.

Ahora que el gobernador ha alcanzado su velocidad diseñada, las varillas pueden moverse juntas eléctricamente de la misma manera que lo hicieron los discos de aluminio fundido en la jaula del rotor del motor de inducción. Esto significa que el motor comienza a funcionar como un motor de inducción.

Usos

El motor de inducción de repulsión puede arrancar cargas muy pesadas y difíciles de girar sin consumir demasiada corriente. Se fabrican desde 1/2 hasta 20 hp. Este tipo de motor se usa para aplicaciones tales como compresores de aire grandes, equipos de refrigeración, polipastos grandes y son particularmente útiles en lugares donde el voltaje de línea bajo es un problema. Este tipo de motor ya no se usa en la industria de la refrigeración. Algunas unidades operativas más antiguas se pueden encontrar con este tipo de motor todavía en uso.