Motores Monofásicos Motores Especiales por Ing. Misael Guillermo Díaz

INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE COSAMALOAPAN INGENIERÍA ELECTRÓNICA

Máquinas Eléctricas 5ta y 6ta Unidades MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA Y MOTORES ESPECIALES

Por

Ing. Misael Guillermo Díaz

MAQUINAS ELÉCTRICAS MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA Y MOTORES ESPECIALES

ÍNDICE Tema

página

INTRODUCCIÓN --------------------------------------------------- 3

5° UNIDAD MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA 5.1 PRINCIPIO Y ANÁLISIS DE

5.1.1 Motor Jaula de Ardilla ----------------------------------- 4 5.1.2 Motor con Rotor Bobinado --------------------------------- 7 5.2 ARRANQUE Y CONTROL DE VELOCIDAD DE LOS MOTORES DE INDUCCIÓN

5.2.1 Arranque de Motor de Inducción con Rotor Devanado -------- 9 5.2.2 Métodos de control para Motores de Inducción ------------ 11 5.2.2.1 Controles Electromecánicos –----------------------------------- 11 5.2.2.2 Controles Electrónicos ---------------------------------------- 17

6° UNIDAD MOTORES ESPECIALES 6.1 MOTOR MONOFÁSICO DE INDUCCIÓN ------------------------------- 22

6.1.1 Construcción del motor monofásico de inducción ---------- 23 6.2 ELEMENTOS BÁSICOS DE MOTORES MONOFÁSICOS ------------------- 24 6.3 TEORÍA DE DOBLE CAMPO GIRATORIO ------------------------------ 28 6.4 TEORÍA DE LOS CAMPOS CRUZADOS ------------------------------- 30 6.5 ARRANQUE DE LOS MOTORES MONOFÁSICOS DE INDUCCIÓN -------------31 6.6 DEVANADOS DE FASE PARTIDA ----------------------------------- 32 6.6.1 Definición de Motor de Fase Partida --------------------- 32 6.6.2 Funcionamiento del Motor de Fase Partida ---------------- 33 6.6.3 Inversión del Sentido de Giro --------------------------- 38 6.7 ARRANQUE POR CAPACITOR ------------------------------------- 40 6.8 OPERACIÓN CONTINUA POR CAPACITOR -----------------------------42 6.8.1 Motor con Capacitor de Arranque y de Marcha ------------- 43 6.9 MOTOR UNIVERSAL -------------------------------------------- 44 6.10 MOTOR DE POLOS SOMBREADOS -------------------------------- 45 6.11 MOTOR DE PASOS--------------------------------------------- 47 6.11.1 Funcionamiento de los Motores a Pasos ------------------ 47 6.12 SERVOMOTORES --------------------------------------------- 49 6.13 MOTORES LINEALES ------------------------------------------ 52 6.14 APLICACIÓN DE LOS MOTORES ESPECIALES--------------------------53 CONCLUSIÓN ---------------------------------------------------- 54 BIBLIOGRAFÍA -------------------------------------------------- 55 2

MAQUINAS ELÉCTRICAS MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA Y MOTORES ESPECIALES

INTRODUCCIÓN Los Motores Eléctricos, se encuentran presentes en todo nuestro entorno, en el hogar, la escuela, el trabajo, el comercio, la industria y en todos los lugares donde existe suministro de energía eléctrica. Estos nos hacen la vida más fácil y cómoda en el caso del hogar; mediante un ventilador para soplarnos en época de calor. Otra aplicación en el hogar son las licuadoras, las cuales facilitan a las cocineras la molienda de los ingredientes para la preparación de los alimentos. También los encontramos en la maquinas-herramientas, como taladros; en la estética personal diaria, a través de las maquinas afeitadoras o en la secadora de cabello. Lo anterior son solo algunos de los muchos ejemplos muy cotidianos de las aplicaciones de los motores eléctricos. Sin embargo existen aplicaciones mucho más complejas en las cuales necesitamos de motores especiales, como en procesos industriales, en los que se necesita elegir motores adecuados para desarrollar ese trabajo es decir, con el par de arranque, potencia, velocidad y facilidad de control entre muchas otras características. A continuación les presentaremos de forma documental los diferentes tipos de motores monofásicos de corriente alterna, los motores especiales, sus características eléctricas y mecánicas, como sus principios físicos de funcionamiento, tipos de arranque, par de arranque, control, así como sus diferentes tipos de aplicaciones, desde el hogar hasta la industria entre muchas otras cosas más.

3

MAQUINAS ELÉCTRICAS MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA Y MOTORES ESPECIALES

5° UNIDAD MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA 5.1 PRINCIPIO Y ANÁLISIS DE 5.1.1 Motor Jaula de Ardilla Un rotor de jaula de ardilla es la parte que rota usada comúnmente en un motor de inducción de corriente alterna. Un motor eléctrico con un rotor de jaula de ardilla también se llama "motor de jaula de ardilla". En su forma instalada, es un cilindro montado en un eje. Internamente contiene barras conductoras longitudinales de aluminio o de cobre con surcos y conectados juntos en ambos extremos poniendo en cortocircuito los anillos que forman la jaula. El nombre se deriva de la semejanza entre esta jaula de anillos y barras y la rueda de un hámster (ruedas probablemente similares existen para las ardillas domésticas).

Fig. 1) Un rotor de jaula de ardilla de una bomba centrifuga para agua. La base del rotor se construye con láminas de hierro apiladas. La figura 2 muestra solamente tres capas de apilado pero se pueden utilizar muchas más. Los devanados inductores en el estator de un motor de inducción instan al campo magnético a rotar alrededor del rotor. El movimiento relativo entre este campo y la rotación del rotor induce corriente eléctrica, un flujo en las barras conductoras.

4

MAQUINAS ELÉCTRICAS MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA Y MOTORES ESPECIALES

Alternadamente estas corrientes que fluyen longitudinalmente en los conductores reaccionan con el campo magnético del motor produciendo una fuerza que actúa tangente al rotor, dando por resultado un esfuerzo de torsión para dar vuelta al eje. En efecto, el rotor se lleva alrededor el campo magnético, pero en un índice levemente más lento de la rotación. La diferencia en velocidad se llama "deslizamiento" y aumenta con la carga. A menudo, los conductores se inclinan levemente a lo largo de la longitud del rotor para reducir ruido y para reducir las fluctuaciones del esfuerzo de torsión que pudieron resultar, a algunas velocidades, y debido a las interacciones con las barras del estator. El número de barras en la jaula de la ardilla se determina según las corrientes inducidas en las bobinas del estator y por lo tanto según la corriente a través de ellas. Las construcciones que ofrecen menos problemas de regeneración emplean números primos de barras.

Fig. 2) Esquema del rotor de jaula de ardilla. El núcleo de hierro sirve para llevar el campo magnético a través del motor. En estructura y material se diseña para reducir al mínimo las pérdidas. Las laminas finas, separadas por el aislamiento de barniz, reducen las corrientes parásitas que circulan resultantes de las corrientes de Foucault (en inglés, 'Eddy current'). El material, un acero bajo en carbono pero alto en silicio (llamado por ello acero al silicio), con varias veces la resistencia del hierro puro, en la reductora adicional. El contenido bajo de carbono le hace un material magnético suave con pérdida bajas por histéresis. El mismo diseño básico se utiliza para los motores monofásicos y trifásicos sobre una amplia gama de tamaños. 5

MAQUINAS ELÉCTRICAS MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA Y MOTORES ESPECIALES

Los rotores para trifásica tienen variaciones en la profundidad y la forma de las barras para satisfacer los requerimientos del diseño. Este motor es de gran utilidad en variadores de velocidad.

De acuerdo a sus curvas características par-velocidad, los motores de jaula de ardilla se diseñan en los tipos A, B, C Y D, como se muestra en la Figura 3. El diseño tipo B es el más común y cubre la mayoría de las aplicaciones delos motores.

Fig. 3) Grafica par-velocidad para motores de diseño A, B , C Y D.

6

MAQUINAS ELÉCTRICAS MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA Y MOTORES ESPECIALES

5.1.2 Motor con Rotor Bobinado El motor de inducción de rotor devanado opera bajo los mismos principios que los motores de jaula de ardilla, pero difieren en la construcción del rotor. En lugar de barras en corto circuito, el rotor está constituido de bobinas cuyas terminales llegan a unos anillos rozantes montados sobre el eje.

Fig.4) Conexión de un motor con rotor bobinado. Las conexiones de las resistencias externas al circuito del rotor a través de los, anillos rozantes, permite la variación de las carteristas par-velocidad. El rango de variación de velocidad es alrededor 5:1, se puede lograr agregando resistencias externas al circuito del rotor. Sin embargo, es a expensas de la deficiencia eléctrica, a menos que se use energía deslizante recuperable en el circuito.

Fig. 5) Par nominal de un motor con rotor devanado. 7

MAQUINAS ELÉCTRICAS MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA Y MOTORES ESPECIALES

El máximo par que un motor puede producir está determinado por el diseño de su rotor, pero la velocidad a la cual este par está desarrollado depende de la resistencia externa de rotor. Cada diseño de rotor devanado tiene una familia de curvas par-velocidad que corresponde a varios valores de resistencia externa al rotor, como se muestra en la figura 5.

Fig.6) Motor con rotor devanado

8

MAQUINAS ELÉCTRICAS MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA Y MOTORES ESPECIALES

5.2 ARRANQUE Y CONTROL DE VELOCIDAD DE LOS MOTORES DE INDUCCIÓN 5.2.1 Arranque de Motor de Inducción con Rotor Devanado 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

MAQUINAS ELÉCTRICAS MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA Y MOTORES ESPECIALES

En la figura 6.1 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.

Fig. 6.1) Efecto producido sobre las curvas par-deslizamiento al intercalar una resistencia en el rotor

10

MAQUINAS ELÉCTRICAS MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA Y MOTORES ESPECIALES

5.2.2 Métodos de control para Motores de Inducción 5.2.2.1 Controles Electromecánicos Hasta la llegada de los modernos controladores de estado sólido, los motores de inducción no eran las máquinas adecuadas para aplicaciones que requerían considerable control de velocidad. El rango normal de operación de un motor de inducción típico está confinado a menos de 5% de deslizamiento y la variación de la velocidad en ese rango es más o menos directamente proporcional a la carga sobre el eje del motor. Aun si el deslizamiento fuera mayor, la eficiencia del motor sería muy pobre puesto que las pérdidas en el cobre del rotor son directamente proporcionales al deslizamiento del motor. Existen sólo dos técnicas para controlar la velocidad de un motor de inducción, una de las cuales consiste en variar la velocidad sincrónica (velocidad de los campos magnéticos del rotor y del estator) puesto que la velocidad del rotor siempre permanece cerca de n sin c. La otra técnica consiste en variar el deslizamiento del motor para una carga dada. La velocidad sincrónica de un motor de inducción está dada por:

n sin C = En donde:

fe es la frecuencia de línea. P el número de polos. Por tanto las únicas formas en que se puede variar la velocidad sincrónica de la máquina son: 1.-) cambiando la frecuencia eléctrica. 2.-) cambiando el número de polos de la máquina. El control del deslizamiento puede ser llevado a cabo bien sea variando la resistencia del rotor o variando el voltaje en las terminales del motor. 11

MAQUINAS ELÉCTRICAS MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA Y MOTORES ESPECIALES

CAMBIO DE POLOS Existen dos métodos importantes para cambiar el número de polos en un motor de inducción: 1.-) El método de los polos consecuentes. 2.-) Devanados de estator múltiples. El primer método es antiguo (1897) y se basa en el hecho de que el número de polos en los devanados estatóricos de un motor de inducción se puede cambiar con facilidad en relación 2:1 con sólo efectuar simples cambios en la conexión de las bobinas. En la figura 7 se muestra el estator de un motor de dos polos adecuado para este método. Al variar los polos, se produce un funcionamiento relativamente satisfactorio puesto se ha variado el número de polos tanto del estator como del rotor. Dichos motores polifásicos de jaula y monofásicos se denominan motores de inducción de velocidad múltiple. Estos motores poseen devanados estatóricos, específicamente diseñados para la variación de polos mediante los métodos de conmutación manual y/o automática, en que los diversos devanados estatóricos primarios se conectan en combinación serie paralelo. Los motores de inducción de velocidad múltiple son asequibles en combinaciones de velocidad síncrona doblada o cuatriplicada, mediante la variación de polos.

Fig. 7) Devanado estatórico de dos polos para cambio de polos. En la figura 8 se puede ver cómo en una configuración de dos polos, cuando la conexión en una de las dos bobinas se invierte, los dos son polos norte y el flujo magnético retorna al estator en puntos intermedios entre las dos bobinas. Los polos sur son llamados polos consecuentes y el devanado es ahora de cuatro polos. 12

MAQUINAS ELÉCTRICAS MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA Y MOTORES ESPECIALES

Fig. 8) Devanado de 2 a 4 polos mediante polos consecuentes. Como método de control de velocidad sólo puede utilizarse para producir velocidades relativamente fijas (600, 900, 1200 ó 1800 r.p.m.) para un motor de inducción cuya velocidad varía sólo ligeramente (del 2 al 8%) desde vacío a plena carga. La variación polar como método de control de la velocidad presenta las siguientes ventajas: 1) Elevado rendimiento a cualquier ajuste de la velocidad. 2) Buena regulación de la velocidad para cualquier ajuste de la misma. 3) Simplicidad de control en la obtención de cualquier velocidad determinada mediante la conmutación manual o automática, y 4) Reguladores de velocidad auxiliares asociados al motor relativamente baratos. La variación polar se emplea, primordialmente, donde se desee obtener la versatilidad de dos o cuatro velocidades relativamente constantes que estén ampliamente separadas. Por ejemplo, en taladradoras para perforar materiales de diferente dureza y grosor. Sus mayores inconvenientes son:  Se requiere un motor especial, que posea los devanados necesarios y las terminales llevados al exterior del estator para intercambio de polos.  No puede conseguirse un control gradual y continuo de la velocidad. 13

MAQUINAS ELÉCTRICAS MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA Y MOTORES ESPECIALES

 Un inconveniente del método de polos consecuentes es que las velocidades obtenidas están en relación 2:1, y no se pueden conseguir velocidades intermedias mediante los procedimientos de conmutación. Este inconveniente queda superado mediante la utilización de dos devanados independientes, cada cual creando un campo y un número de polos total independientes. Por ejemplo, si hablamos de un motor trifásico de dos devanados, uno de ellos se bobina para cuatro polos, y el otro, para seis polos. De esta forma, el primer devanado producirá una velocidad elevada de 1800 r.p.m., mientras que el segundo, una baja de 1200 r.p.m. Los inconvenientes de dicho motor en comparación con el de polos subsecuentes son: 1) Mayor tamaño y peso para la misma potencia de salida (puesto que sólo se emplea un devanado al mismo tiempo). 2) Costo más elevado debido al mayor tamaño de la carcasa. 3) Mayor reactancia de dispersión porque las ranuras necesarias para los dos devanados son más profundas. 4) Regulación más pobre de la velocidad debido a la mayor reactancia de cada devanado.

CONTROL DE LA RESISTENCIA DEL SECUNDARIO La inserción de una resistencia rotórica suplementaria produce un incremento en el deslizamiento del rotor. Este método presenta las siguientes ventajas: 1) Variación de la velocidad sobre una amplia gama por debajo de la velocidad síncrona del motor. 2) Simplicidad de funcionamiento, tanto desde el punto de vista manual como automático. 14

MAQUINAS ELÉCTRICAS MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA Y MOTORES ESPECIALES

3) Costos iniciales y de mantenimiento bajos para los reguladores manuales y automáticos. Sin embargo, presenta los inconvenientes de: 1) Bajo rendimiento, debido al aumento de las pérdidas de la resistencia del rotor (a grandes valores de deslizamiento, estas pérdidas son casi las totales, ver la figura 9)

Fig. 9) Control de velocidad mediante variación de la resistencia del rotor. 2) Pobre regulación de velocidad. El motor de inducción de rotor bobinado se emplea mucho con control de la resistencia secundaria para cargas de naturaleza intermitente, requiriendo par de arranque elevado y aceleración y desaceleración relativamente rápidas, tales como, grúas de fundiciones, siderúrgicas y donde una elevada corriente de arranque ocasione serias perturbaciones de la línea. Ya que la velocidad y el deslizamiento de un motor de inducción de rotor bobinado son proporcionales a la resistencia del rotor, el método de control de la velocidad mediante la variación de la resistencia secundaria del rotor se denomina a veces control del deslizamiento.

15

MAQUINAS ELÉCTRICAS MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA Y MOTORES ESPECIALES

CONTROL DE VOLTAJE EN LÍNEA El par del motor de inducción bajo condiciones de arranque y de marcha varía con el cuadrado del voltaje aplicado al primario del estator. Para una carga determinada, reduciendo el voltaje de línea se reducirá el par con el cuadrado de la reducción del voltaje de línea, y la reducción del par producirá un incremento del deslizamiento. Aunque reducir el voltaje de línea y el par como método de incrementar el deslizamiento servirá para controlar la velocidad hasta cierto grado en motores monofásicos de fase partida, particularmente, y en motores de inducción pequeños, en general, resulta el método menos satisfactorio de control de la velocidad para motores polifásicos, ya que el par máximo a la mitad del voltaje nominal es un cuarto del mismo a dicha tensión nominal. Por lo tanto, no es posible obtener el par nominal, ni siquiera la mitad del mismo, porque la velocidad del motor disminuye rápidamente y éste se para antes de que pueda desarrollar el par nominal. Entonces, para que este método funcione, es necesario que el par de carga se reduzca considerablemente a medida que se reducen el voltaje y la velocidad en el estator; por lo que funcionará de forma aceptable en un motor parcialmente cargado. Si una carga tiene una característica par-velocidad como la mostrada en la figura 10 la velocidad del motor puede ser controlada en un rango limitado, variando el voltaje de línea. Este método de control de velocidad se utiliza a veces para manejar pequeños motores de ventilación.

Fig. 10) Control de velocidad por relación del voltaje de línea. 16

MAQUINAS ELÉCTRICAS MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA Y MOTORES ESPECIALES

CONTROL DE LA FRECUENCIA DE LÍNEA Si se cambia la frecuencia eléctrica aplicada al estator de un motor de inducción, la velocidad de rotación de sus campos magnéticos n sin C cambiará en proporción directa al cambio de frecuencia eléctrica, y el punto de vacío sobre la curva característica par-velocidad cambiará con ella. La velocidad sincrónica del motor en condiciones nominales se conoce como velocidad base. Utilizando control de frecuencia variable, es posible ajustar la velocidad del motor por encima o por debajo de la velocidad base, tal como se muestra en la figura 11; en donde la velocidad base es de 1800 r.p.m.

Fig. 11) Curvas características par-velocidad para todas las frecuencias.

5.2.2.2 Controles Electrónicos El control de velocidad de motores desde hace tiempo dejo de ser exclusivo de motores de corriente directa y se aplicó a motores de corriente alterna. Sin embargo, la aparición de rectificadores controlados ha hecho que adquiera una mayor importancia en motores de corriente alterna; en motores de inducción se ha obtenido mediante el control de voltaje aplicado al estator o variando la resistencia en el rotor cuando es de tipo devanado, ambos procedimientos pueden ser logrados con el rectificador controlado. APLICACIÓN DEL RECTIFICADOR CONTROLADO A MOTORES DE INDUCCIÓN El rectificador controlado se puede utilizar para el control del voltaje aplicado a las terminales del mismo, colocándolo en serie con las terminales del estator. También puede ser utilizado en las terminales del rotor para controlar la corriente del mismo, este segundo método constituye el propósito de este trabajo. Operación del rectificador controlado: 17

MAQUINAS ELÉCTRICAS MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA Y MOTORES ESPECIALES

El funcionamiento del rectificador controlado es esencialmente el de un rectificador en el cual el comienzo de la conducción puede ser controlado mediante una señal de disparo pequeña alimentada a la rejilla. La conducción solo puede detenerse reduciendo la corriente a cero o a un nivel muy bajo. Cuando se utilizan estos dispositivos en corriente alterna, el cese de la conducción se obtiene fácilmente. Existen muchos arreglos que se utilizan para el control de corriente alterna; entre otros están los mostrados en la figura 12: en el primero (a) solo hay conducción controlada durante medio ciclo, o sea que este arreglo sirve para la conversión de corriente alterna a directa, el segundo (b) conduce durante ambos medios ciclos pero solo existe conducción controlada durante uno de los medios ciclos y el los últimos dos (c) y (d) el control de la conducción es durante los dos medios ciclos.

Fig. 12

Control de resistencia con el rectificador controlado: Existen varios circuitos distintos que pueden utilizarse para el control de resistencia, entre los cuales se pueden considerar como típicos los mostrados en las figuras.

Fig. 13 El circuito mostrado en la parte izquierda de la figura 13 permite el control de la resistencia desde el valor infinito a un valor R, cuando los rectificadores no conducen y cuando conducen todo el tiempo respectivamente.

18

MAQUINAS ELÉCTRICAS MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA Y MOTORES ESPECIALES

El circuito de la parte derecha de la figura 13 permite el control de resistencia en un rango menor, es decir entre R1 y la combinación en paralelo de R1 y R2. Si R2=0, la variación será entre R1 y cero. Características del voltaje del rotor: Una de las principales características que se encuentran en el rotor lo es el voltaje que se obtiene en terminales del mismo, en primer lugar la magnitud del voltaje y la frecuencia son variables, es decir al aumentar la velocidad, la magnitud del voltaje disminuye y a la vez también disminuye la frecuencia. Esto impone algunas restricciones en cuanto al circuito de disparo. Otra de las características lo es la forma de onda, que no es una senoidal perfecta, sino que cuenta con una pequeña oscilación superpuesta (de mucho mayor frecuencia), debida a las ranuras presentes en el estator y el rotor que hacen que la reluctancia no sea constante al girar el rotor; estas oscilaciones hacen que los circuitos de disparo que dependen de esta forma de onda no produzcan conducción en forma simétrica.

Aplicación de los circuitos controladores de resistencia al rotor de un motor de inducción: Los circuitos mostrados en la figura 13 se pueden utilizar en el rotor, juntando tres semejantes para conectarlos en delta o estrella. Como generalmente en el rotor no se tiene disponible un neutro, es mas práctico el circuito delta, ya que en el circuito estrella es necesario que dos rectificadores se encuentren en estado de conducción para que exista circulación de corriente. El circuito formado por tres elementos del tipo mostrado en la figura 13 en la parte izquierda tiene la ventaja de que el control de velocidad se logra desde cero a la máxima permitida por la resistencia R, arreglo bastante conveniente para evitar problemas de arranque del motor. El circuito formado por tres elementos como los mostrados en la figura 13 parte derecha hace posible la obtención de una mejor regulación de velocidad, sin embargo, no tiene la ventaja del circuito anterior en cuanto se refiere al arranque del motor. Cuando los circuitos de disparo son alimentados por el voltaje que aparece a través de los rectificadores se obtiene un efecto de autorregulación muy conveniente. 19

MAQUINAS ELÉCTRICAS MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA Y MOTORES ESPECIALES

Esto se debe a que cuando aumenta la carga del motor la velocidad se reduce y al suceder esto el voltaje del rotor aumenta ocasionando que el disparo ocurra antes con la consiguiente reducción de las resistencia efectivas y la velocidad no disminuye tanto. Circuitos de disparo: Hay una variedad muy grande de circuitos de disparo que se pueden utilizar; la selección de uno de ellos depende del trabajo a desarrollar por el motor en cuestión. Entre los más sencillos, puede citarse los formados por simple resistencias o combinaciones de resistencias y capacitancias como los mostrados en la figura 14.

Fig. 14 Durante el desarrollo de la experimentación se observo que los rectificadores controlados no disparaban en forma simétrica aun cuando se usaran en una fuente de frecuencia y voltaje constante. Esto se debe a que los rectificadores controlados no tienen características idénticas en las señales necesarias para iniciar la conducción. Para remediar esto en una región de control (por ejemplo el comienzo de la conducción) se pueden modificar ligeramente los valores de los elementos de los circuitos de disparo. La figura 14c muestra el circuito de disparo utilizado durante la mayor parte de la investigación. Este circuito obtenido de un manual de Westinghouse tiene la ventaja de que se controla el disparo de dos rectificadores controlados con un solo potenciómetro. La figura 5 muestra los circuitos utilizados en el rotor. En estos no se ha incluido el circuito de disparo, pero el utilizado fue el mostrado en la figura 14c. 20

MAQUINAS ELÉCTRICAS MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA Y MOTORES ESPECIALES

Economía en el uso de rectificadores controlados: El avance en los últimos años de estos dispositivos del tipo semiconductor hacen que este método de control resulte bastante económico debido al bajo precio de gran cantidad de ellos. El mantenimiento es casi nulo y solo debe tenerse precaución de mantener un método adecuado para disipar el calor generado en los rectificadores; esto generalmente se logra con piezas metálicas con aletas para radiar el calor al aire.

Fig. 15

21

MAQUINAS ELÉCTRICAS MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA Y MOTORES ESPECIALES

6° UNIDAD MOTORES ESPECIALES 6.1 EL MOTOR MONOFÁSICO DE INDUCCIÓN La necesidad del motor de inducción monofásico se explica de la siguiente forma: existen muchas instalaciones, tanto industriales como residenciales a las que la compañía eléctrica sólo suministra un servicio de C.A. monofásico. Además, en todo lugar casi siempre hay necesidad de motores pequeños que trabajen con suministro monofásico para impulsar diversos artefactos electrodomésticos tales como máquinas de coser, taladros, aspiradoras, acondicionadores de aire etc. La mayoría de los motores monofásicos son “motores pequeños” de “potencia fraccionaria” (menos de 1 hp). Sin embargo, algunos se fabrican en tamaños normales de caballaje integral: 1.5, 2, 3, 5, 7.5 y 10 hp tanto para 115 V como para 230 V en servicio monofásico y aun para servicio de 440 V entre los límites de 7.5 a 10 hp. Los tamaños especiales de caballaje integral van desde varios cientos hasta algunos miles de hp en servicio de locomotoras, con motores de serie monofásicos de C.A. Los motores monofásicos de inducción experimentan una grave desventaja. Puesto que sólo 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. Es por ello que se emplean diversos métodos para iniciar el giro del rotor, y por lo tanto existe una clasificación de los motores monofásicos basada en los métodos particulares de arranque.

22

MAQUINAS ELÉCTRICAS MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA Y MOTORES ESPECIALES

6.1.1 Construcción del motor monofásico de inducción En cuanto a la construcción del motor monofásico de inducción, hay que señalar que el rotor de cualquier motor monofásico de inducción es intercambiable con algunos polifásicos de jaula de ardilla. No hay conexión física entre el rotor y el estator, y hay un entrehierro uniforme entre ellos. Debido a que los motores monofásicos de inducción no generan por sí solos par de arranque, se tienen dos devanados: el de marcha o principal; y el auxiliar o de arranque, cuya finalidad es producir el giro del rotor. Tanto el devanado principal como el auxiliar, están distribuidos en ranuras espaciadas uniformemente alrededor del estator; sin embargo, el último se encuentra alojado en ranuras con orientación desplazada 90° en el espacio eléctrico con respecto a las del devanado principal. Su funcionamiento es el mismo que el de los motores asíncronos de inducción. Dentro de este primer grupo disponemos de los siguientes motores: 1) De polos auxiliares o también llamados de fase partida. 2) Con capacitor. 3) Con espira en cortocircuito o también llamados de polos partidos.

6.2 ELEMENTOS BÁSICOS DE MOTORES 23

MAQUINAS ELÉCTRICAS MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA Y MOTORES ESPECIALES

MONOFÁSICOS Dentro de las características fundamentales de los motores eléctricos, éstos se hallan formados por varios elementos. Sus partes principales son: el estator, la carcasa, la base, el rotor, la caja de conexiones, las tapas y los cojinetes véase (figura 17). No obstante, un motor puede funcionar solo con el estator y el rotor.

Fig.16) Pares de un Motor con Capacitor. Fig.17) Partes de otro tipo de Motor. EL ESTATOR El estator es el elemento que opera como base, permitiendo que desde ese punto se lleve a cabo la rotación del motor. El estator no se mueve mecánicamente, pero sí magnéticamente. Existen dos tipos de estatores (ver figura 18): A.-) Estator de polos salientes. B.-) Estator ranurado. El estator está constituido principalmente de un conjunto de láminas de acero al silicio (y se les llama “paquete”), que tienen la habilidad de permitir que pase a través de ellas el flujo magnético con facilidad; la parte metálica del estator y los devanados proveen los polos magnéticos.

Fig. 18) Tipos de estatores. Los polos de un motor siempre son pares (pueden ser 2, 4, 6, 8, 10, etc.,), por ello el mínimo de polos que puede tener un motor para funcionar es dos (un norte y un sur). 24

MAQUINAS ELÉCTRICAS MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA Y MOTORES ESPECIALES

Las “revoluciones por minuto” del rotor (RPM) se determinan por la siguiente fórmula: F = Frecuencia de la corriente alterna (50Hz) FxT T = Tiempo en segundos (60 segundos) RPM = ----------- Pp = Pares de polo (todo motor tiene un mínimo de un par de Pp polos un norte y un sur) RPM = Revoluciones por minuto.

ROTOR El rotor es el elemento de transferencia mecánica, ya que de él depende la conversión de energía eléctrica a mecánica. Los rotores, son un conjunto de láminas de acero al silicio que forman un paquete, y pueden ser básicamente de tres tipos (figura 19): A) Rotor Ranurado. B) Rotor de Polos Salientes. C) Rotor Jaula de Ardilla.

Fig. 19) Tipos de Rotores

CARCASA 25

MAQUINAS ELÉCTRICAS MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA Y MOTORES ESPECIALES

La carcasa es la parte que protege y cubre al estator y al rotor. El material empleado para su fabricación depende del tipo de motor, de su diseño y su aplicación. Así pues, la carcasa puede ser: a) Totalmente cerrada. b) Abierta. c) A prueba de goteo. d) A prueba de explosiones. d) De tipo sumergible.

BASE La base es el elemento en donde se soporta toda la fuerza mecánica de operación del motor, puede ser de dos tipos: A) Base frontal. B) Base lateral.

CAJA DE CONEXIONES Por lo general, en la mayoría de los casos los motores eléctricos cuentan con caja de conexiones. La caja de conexiones es un elemento que protege a los conductores que alimentan al motor, resguardándolos de la operación mecánica del mismo, y contra cualquier elemento que pudiera dañarlos.

COJINETES También conocidos como rodamientos, contribuyen a la óptima operación de las partes giratorias del motor. Se utilizan para sostener y fijar ejes mecánicos, y para reducir la fricción, lo que contribuye a lograr que se consuma menos potencia. Los cojinetes pueden dividirse en dos clases generales: A.-) Cojinetes de deslizamiento o bujes (ver figura 20): Operan en base al principio de la película de aceite, esto es, que existe una delgada capa de lubricante entre la barra del eje y la superficie de apoyo. B.-) Cojinetes de rodamiento (véase figura 21): 26

MAQUINAS ELÉCTRICAS MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA Y MOTORES ESPECIALES

Se utilizan con preferencia en vez de los cojinetes de deslizamiento por varias razones: • • • • •

Tienen un menor coeficiente de fricción, especialmente en el arranque. Son compactos en su diseño Tienen una alta precisión de operación. No se desgastan tanto como los cojinetes de tipo deslizante. Se remplazan fácilmente debido a sus tamaños estándares.

Fig.20) Cojinete de deslizamiento.

Fig.21) Cojinete de rodamiento.

6.3 TEORÍA DE DOBLE CAMPO GIRATORIO 27

MAQUINAS ELÉCTRICAS MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA Y MOTORES ESPECIALES

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 debidos a cada uno de los dos campos magnéticos. Un motor de inducción monofásico responde a cada uno de los dos campos magnéticos presentes en él; en consecuencia, el par inducido neto en el motor es la diferencia entre las dos curvas par-velocidad (figura 22). Nótese que a velocidad cero no hay par neto; por tanto, el motor no tiene par de arranque. La característica par-velocidad de la figura 22 no es una descripción muy exacta del par en un motor de inducción monofásico, ya que está formada por la superposición de dos características trifásicas; y además ignora el hecho de que ambos campos magnéticos están presentes simultáneamente en el motor monofásico.

Fig. 22) (a) Característica torque-velocidad de un motor trifásico. (b) Curvas par-velocidad de los dos campos magnéticos estatóricos iguales y que rotan en direcciones opuestas. Tanto el campo magnético directo como el inverso están presentes en un motor monofásico y ambos son producidos por la misma corriente. Puesto que la corriente 28

MAQUINAS ELÉCTRICAS MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA Y MOTORES ESPECIALES

que suministra el campo magnético estatórico inverso está limitada a un pequeño valor y que el campo magnético inverso del rotor está a un ángulo muy grande con respecto al campo magnético inverso del estator, el par debido a los campos inversos es muy pequeño cuando el motor opera cerca de la velocidad sincrónica. La figura 23 muestra una característica más exacta par-velocidad; además del par neto medio se producen pulsaciones de par a dos veces la frecuencia estatórica y son causadas cuando los campos magnéticos directo e inverso se entrecruzan, dos veces por ciclo.

Fig. 23) Característica torque-velocidad teniendo en cuenta la limitación de corriente sobre el campo magnético rotacional inverso, causada por la presencia del campo magnético rotacional directo. Estas pulsaciones aumentan la vibración y hacen que los motores monofásicos de inducción sean más ruidosos que los trifásicos del mismo tamaño.

6.4 TEORÍA DE LOS CAMPOS CRUZADOS 29

MAQUINAS ELÉCTRICAS MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA Y MOTORES ESPECIALES

Esta teoría considera el motor de inducción desde un punto de vista totalmente diferente, y se ocupa delas tensiones y corrientes que el campo magnético estacionario del estator puede inducir en las barras del rotor cuando esta se halla en movimiento. Las tensiones del rotor producen un flujo de corriente en el mismo, pero debido a la alta reactancia del rotor la corriente atrasa a la tensión en cerca de 90°. Como el rotor esta girando casi a la velocidad sincrónica, este retardo de tiempo de 90° en la corriente produce una desviación angular de casi 90° entré el plano de la tensión máxima del rotor y el plano de la corriente máxima. El campo magnético del rotor es, por tanto, un poco menor que el campo magnético del estator debido a las perdidas del rotor, pero difieren en casi 90° tanto en espacio como en tiempo. El estator de este tipo de motores es físicamente el mismo que el de una maquina sincrónica, es decir, un estator típico de dos polos. Pero la construcción del rotor constituye la diferencia fundamental entre un motor de inducción trifásico y un motor de inducción monofásico. No existe conexión física entre el rotor y el estator, ya que se encuentran separadas uniformemente (entrehierro). Las ranuras del estator están distribuidas uniformemente, y, en general, se utiliza un devanado dividido imbricado de doble capa monofásico. Ya que un devanado monofásico simple no produciría campo magnético giratorio ni par de arranque. Lo que explican las teorías antes mencionadas.

6.5 ARRANQUE DE LOS MOTORES MONOFÁSICOS DE INDUCCIÓN 30

MAQUINAS ELÉCTRICAS MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA Y MOTORES ESPECIALES

Como ya se explicó, un motor de inducción monofásico no tiene un par de arranque intrínseco. Hay tres técnicas que se usan comúnmente para arrancar estos motores, los cuales se clasifican de acuerdo con los métodos utilizados para producir su par de arranque. Estas técnicas de arranque difieren entre sí en costo y en la cantidad de par de arranque producido, un ingeniero por lo regular emplea la técnica menos cara que cumpla con los requerimientos de par de una aplicación dada. Estas tres técnicas de arranque principales son:  Devanados de fase partida.  Devanados tipo capacitor.  Polos de estator sombreados. Los cueles se van a detallar a continuación

6.6 DEVANADOS DE FASE PARTIDA MOTORES DE FASE PARTIDA

31

MAQUINAS ELÉCTRICAS MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA Y MOTORES ESPECIALES

Debemos de entender que los motores monofásicos tienen una sola fase de alimentación, no poseen un campo giratorio sino que tienen un campo magnético pulsante, la cual se hace difícil de que exista un torque en el arranque, por lo que necesita de dispositivos extras para iniciar el movimiento de la máquina. Para el arranque se utilizará un bobinado auxiliar, estos bien posicionados y colocados adecuadamente de tal forma que se creará una fase ficticia y de esta manera hará posible que se cree un campo giratorio para dar par y así pueda dar movimiento. Los motores eléctricos monofásicos de fase partida son una alternativa para el uso doméstico, pues su aplicación se ve en la vida cotidiana, como por ejemplo en una vivienda se tienen los electrodomésticos tales como la licuadora, ventiladores, batidora, extractora, lustradora, aspiradora, etc. Existen una variedad de tipos de motores, conocemos los tipos de motores con jaula de ardilla y estos son ventajosos por su fabricación, robustez, y sobre todo la duración. También se puede comentar sobre la variedad en cuanto a la utilización de estos motores, es decir que existen para diferentes usos, a veces es necesario que dichos motores funciones de manera inversa, dicho de otra manera que el giro sea contrario y que funciones a diferentes tensiones.

6.6.1 Definición de Motor de Fase Partida La NEMA define el motor de fase partida como motor de inducción monofásico provisto de un arrollamiento auxiliar desplazado magnéticamente respecto al arrollamiento principal y conectado en forma paralela con este ultimo. Los motores de fase partida constan de las mismas partes principales de los motores de inducción.

Fig.24) Partes del Motor de Fase Partida

6.6.2 Funcionamiento del Motor de Fase Partida

32

MAQUINAS ELÉCTRICAS MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA Y MOTORES ESPECIALES

Los motores monofásicos de fase partida tienen solo una fase de alimentación, no poseen campo giratorio como en los polifásicos, pero si tienen un campo magnético pulsante, esto impide que se proporcione un torque en el arranque ya que el campo magnético inducido en el rotor está alineado con el campo del estator. Para solucionar el problema del arranque es que se utiliza un bobinado auxiliar que son dimensionados adecuadamente y posicionados de tal forma que se crea una fase ficticia, permitiendo de esta manera la formación de un campo giratorio necesario en la partida. El arrollamiento auxiliar crea un desequilibrio de fase produciendo el torque y aceleración necesarios para la rotación inicial. Cuando el motor llega a tener una velocidad determinada la fase auxiliar se desconecta de la red a través de una llave que normalmente actúa por una fuerza centrífuga (llave centrífuga), también puede darse el caso que es remplazado por un relé de corriente o una llave externa. Como el bobinado auxiliar es dimensionado solo para el arranque, si no se desconecta se quemará. Se fabrica hasta 1 CV. El ángulo de desfasaje entre las corrientes de los bobinados de trabajo y arranque es reducido, es por ésta razón que éstos motores tienen un torque de arranque igual al nominal o ligeramente superior al nominal limitando su aplicación a cargas mucho más exigentes.

Fig.25) Estructura del Motor de Fase Partida Para el caso que nos ocupa, el devanado de arranque (DA) tiene menos número de espiras de alambre fino, por lo que su resistencia es elevada y su reactancia resulta reducida. El devanado de marcha (DM), por lo contrario, tiene muchas espiras de 33

MAQUINAS ELÉCTRICAS MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA Y MOTORES ESPECIALES

alambre mucho más grueso, siendo su resistencia mucho más baja y su reactancia más elevada, es decir, que ante un voltaje referencial, las corrientes que circulan por cada uno de los dos devanados no estarán en fase por las marcadas diferencias en los aspectos constructivos. Por el devanado de marcha siempre tiende a circular una corriente de mayor magnitud que aquella que circula por el devanado de arranque. Sin embargo, dado el desfase existente entre ambas corrientes y dado el desfase espacial de los dos devanados, al conectar el motor, realmente se generará un campo magnético bifásico que permitirá el desarrollo de un torque de arranque resultante no nulo, que a su vez permitirá que el motor parta del reposo. El sentido de aceleración siempre será el mismo sentido en que gire el campo magnético giratorio producido por ambas corrientes, de tal forma que, este tipo de motor es considerado como no reversible pero sí inversible (requiere desconexión total de la fuente y Acciones conectivas).

Fig. 26) Circuito eléctrico de un motor de fase partida

34

MAQUINAS ELÉCTRICAS MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA Y MOTORES ESPECIALES

Fig. 27) Diagrama Fasorial de corrientes y tensiones en el MFP. Con el fin de poder desconectar el devanado de arranque, después de cumplida su función, se ha ideado un interruptor de acción mecánica (IC), cuyo estado cambia por la acción de la fuerza centrífuga. Al arrancar el motor este IC debe abrirse más o menos cuando el deslizamiento (s) haya alcanzado el valor del 25 %. Naturalmente que el IC permanece cerrado durante el reposo y se abre después de haber alcanzado un 75 % (s= 0.25) de la velocidad nominal por dos razones, a saber: el torque desarrollado por el campo giratorio en el DM es mayor que el torque desarrollado por ambos devanados a un valor de s del 15 % y por lo tanto, los dos devanados nunca deben permanecer conectados al alcanzar el motor el 85 % de la velocidad nominal, al quedar conectado sólo el DM, la corriente total que durante el arranque es igual a la suma Fasorial de las dos corrientes, se ve reducida a la corriente circulando únicamente por el DM, por lo que, las pérdidas por efecto Joule se verán reducidas. Este IC puede ser sustituido por interruptor de estado sólido (triac) o por un relevador de contactos magnéticos. Si al arrancar el motor, el IC no se abre, el excesivo calor generado por la alta resistencia del DA hará que la temperatura del estator aumente, pudiendo llegar a quemarse sus devanados. Tal y como ya se afirmó, una vez que el motor acelera y alcanza el 75 % de su velocidad nominal, el IC se abre, de tal forma que la corriente tomada de la red disminuye drásticamente, pudiendo comprobarse el funcionamiento normal del IC hasta con una pinza o gancho de amperímetro. En otras palabras, el devanado auxiliar logra que uno de los campos magnéticos estatóricos rotacionales opuestos sea mayor que el otro y provee un par de arranque neto para el motor. La capacidad del devanado de arranque se basa sólo en trabajo 35

MAQUINAS ELÉCTRICAS MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA Y MOTORES ESPECIALES

intermitente. Si el interruptor centrífugo se descompone y no puede abrir, por lo general debido a que se pegan los contactos, el calor excesivo que produce el devanado de arranque, de alta resistencia, aumentará de tal manera la temperatura del estator, que finalmente se quemarán ambos devanados. Los motores de fase partida de mejor diseño tienen relevadores térmicos interconstruidos, conectados en serie con la terminal de la línea, para desconectar el motor del suministro siempre que la temperatura sea muy elevada.

Fig. 28) (a) Relación entre los campos magnéticos principal y auxiliar. (b) IA alcanza su valor máximo antes que IM, produce una rotación neta de los campos magnéticos en sentido contrario de las manecillas del reloj. (c) Característica par-velocidad resultante.

36

MAQUINAS ELÉCTRICAS MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA Y MOTORES ESPECIALES

Fig.29) Par de arranque de un MFP.

Fig. 30) Esquema de Potencia

6.6.3 Inversión del Sentido de Giro La inversión del sentido de giro resulta una operación muy sencilla en un motor de fase partida, pues basta para ello permutar la conexión de los terminales del arrollamiento de trabajo o del arrollamiento de arranque.

37

MAQUINAS ELÉCTRICAS MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA Y MOTORES ESPECIALES

Fig.31) Disposición correcta de las bobinas del estator. La figura nº 32 se muestra esquemática mente el mismo motor representado en la figura nº31 pero con la conexión de los terminales del arrollamiento de arranque permutada.

Fig.32) conexión del bobinado estatórico para la inversión del sentido del giro. La explicación de esto es que el campo magnético del arrollamiento de arranque se genera antes que el del arrollamiento de trabajo. Por consiguiente, todo sucede como si el campo magnético girase desde un polo del arrollamiento de arranque hacia el polo más próximo y de igual signo del arrollamiento de trabajo. A veces es necesario averiguar el sentido de giro de un motor y debemos reconocer a simple vista arrollamientos: •

El hilo del arrollamiento de trabajo es más grueso que el del arrollamiento de 38

MAQUINAS ELÉCTRICAS MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA Y MOTORES ESPECIALES

barranque. •

Un extremo del arrollamiento de arranque suele estar conectado normalmente al interruptor centrifugo.

•

El arrollamiento del arranque esta generalmente dispuesto encima del de Trabajo.

6.7 ARRANQUE POR CAPACITOR Estos motores monofásicos de corriente alterna cuyo rango va de fracciones de HP hasta 15 HP, se usan ampliamente con muchas aplicaciones de tipo monofásico tales como accionamiento a maquinas y herramientas como pueden ser taladros, pulidoras, motobombas, etc. Como medio de mejorar el par relativamente bajo del motor de fase partida se agrega un capacitor al devanado auxiliar para producir una relación casi real de 90° entre las corrientes de los devanados de arranque y de marcha, en lugar de aproximadamente 25° figura 33(b), elevando el par de arranque a los límites normales del par nominal. 39

MAQUINAS ELÉCTRICAS MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA Y MOTORES ESPECIALES

La figura 33(a) muestra el diagrama de conexiones del motor de arranque por capacitor, cuya diferencia implica la adición de un capacitor en el devanado auxiliar. Se puede advertir también a partir de la figura 34, el mejoramiento del torque de partida debido a la inclusión del capacitor. Debido a su mayor par de arranque, que es de 3.5 a 4.5 veces el par nominal, y a su reducida corriente de arranque para la misma potencia al instante del arranque, el motor de arranque por capacitor se fabrica hoy en tamaños de caballaje integral hasta de 7.5 hp. El capacitor se conecta en serie con el devanado de arranque y el switch o interruptor centrífugo.

Fig.33) Motor de arranque por capacitor (a) esquemático (b) desfase de corrientes. Los pares del motor de fase partida van del 1.5 a 2.0 veces el par nominal y nunca son mayores de ¾ hp.

40

MAQUINAS ELÉCTRICAS MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA Y MOTORES ESPECIALES

Fig. 34) Característica par-velocidad de un motor de inducción de arranque por capacitor.

En virtud de su mayor par de arranque, los motores de fase partida y arranque por capacitor se emplean para bombas, compresores, unidades de refrigeración, acondicionadores de aire y lavadoras grandes, en los que se necesita un motor monofásico.

6.8 OPERACIÓN CONTINUA POR CAPACITOR (Capacitor Permanente) Este motor presenta dos devanados iguales (igual resistencia), pero en unos de ellos se conecta un condensador en serie, calculado para que en el punto nominal del motor, las corrientes de los devanados sean los más parecidas posibles y su desfase sea próximo a 90º. De esta forma el campo giratorio es casi perfecto y el motor se comporta a plena carga con un par muy estable y un buen rendimiento (figura 35).

41

MAQUINAS ELÉCTRICAS MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA Y MOTORES ESPECIALES

Fig. 35) Motor monofásico con capacitor de marcha. (a) esquemático, (b) característica torque-velocidad.

6.8.1 Motor con Capacitor de Arranque y de Marcha El motor de capacitor de marcha tiene un punto débil importante que es su bajo par de arranque. El motor de capacitor de arranque y de marcha, combina las ventajas de funcionamiento casi sin ruido y de control limitado de velocidad del capacitor de marcha con el alto par de arranque del motor de arranque por capacitor. Se emplean dos capacitores durante el periodo de arranque. Uno de ellos, el capacitor electrolítico de arranque, semejante al que se usa para el trabajo intermitente del motor de arranque por capacitor, tiene una capacitancia bastante alta, de 10 a 15 veces el valor del capacitor de marcha y se saca del circuito mediante un interruptor centrífugo al alcanzar el 75% de la velocidad síncrona y con ello produce el par de arranque necesariamente alto (figura 36 b). Entonces el motor continúa acelerando 42

MAQUINAS ELÉCTRICAS MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA Y MOTORES ESPECIALES

como motor de un capacitor, con el valor óptimo de la capacitancia del dispositivo de aceite para trabajar en la carga nominal o cerca de ésta. La ventaja principal del motor de capacitor de dos valores es su alto par de arranque, aunado al trabajo poco ruidoso y al buen par de funcionamiento. Se clasifica como motor invertible porque cuando las terminales de la línea de un devanado se invierten, se pone a trabajar en reversa del modo acostumbrado. Entre las aplicaciones podemos mencionar las unidades domésticas de acondicionamiento de aire, en las que se emplea en el compresor y que trabajan con una corriente de ramal igual a 15 A.

Fig. 36) Motor monofásico con capacitor de arranque y de marcha.

6.9 MOTOR UNIVERSAL El motor universal se denomina así por ser el único motor que puede conectarse tanto a corriente alterna como a corriente continua. Cuando el motor universal se conecta a la corriente continua con una carga constante, la velocidad y la potencia aumenta proporcionalmente con el voltaje aplicado. Cuando el motor universal se conecta a la corriente alterna con carga constante, la velocidad y la potencia aumentan proporcionalmente con el voltaje aplicado a partir de los 3000 r.p.m. (revoluciones por minuto). En el motor universal la velocidad dada para un voltaje en corriente alterna es inferior que la que se obtendría si se aplica el mismo voltaje pero en corriente

43

MAQUINAS ELÉCTRICAS MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA Y MOTORES ESPECIALES

continua. Por ello hay herramientas, como taladros que para bajar las revoluciones del motor le intercalan un rectificador de media onda. Los motores universales se construyen para potencias menores a los 0.5 CV (caballos vapor) y velocidades de hasta 3000 r.p.m. y presentan un buen rendimiento. El principio de funcionamiento del motor universal está determinado por el efecto motor que produce un conductor recorrido por una corriente eléctrica y que está sometido a un campo magnético. Por acción magneto motriz existirá un desplazamiento y por ende una rotación. CARACTERÍSTICAS DE LOS MOTORES UNIVERSALES  Funciona con corriente alterna y con corriente directa.  Posee un par de arranque muy elevado.  La velocidad es directamente proporcional a la corriente.  Se utiliza en herramientas manuales, electrodomésticos.  Para invertir el sentido de rotación, se invierte el sentido de la corriente en cualquiera de los bobinados.

6.10 MOTOR DE POLOS SOMBREADOS Todos los motores monofásicos que se describieron anteriormente emplean estatores con entrehierros uniformes con respecto a sus devanados de rotor y estator, que están distribuidos uniformemente por la periferia del estator. Los métodos de arranque se basan en general en el principio de la fase partida de producir un campo magnético rotatorio para iniciar el giro del rotor. El motor de polos sombreados es, en general, un motor pequeño de potencia fraccionaria que no es mayor de 1/10 hp, aunque se han producido motores hasta de ¼ hp. La gran ventaja de este motor estriba en su extrema simplicidad: un devanado monofásico de rotor, rotor con jaula de ardilla vaciada y piezas polares especiales. No 44

MAQUINAS ELÉCTRICAS MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA Y MOTORES ESPECIALES

tiene interruptores centrífugos, capacitores, devanados especiales de arranque ni conmutadores. Tiene tan sólo un devanado monofásico pero es inherentemente de arranque propio. La figura 37(a) muestra la construcción general de un motor de polos sombreados (dos polos salientes).

Fig. 37) Motor de Polos sombreados; (a) construcción, (b) característica torque-velocidad.

Las piezas polares especiales se forman con laminaciones y una bobina de sombreado en cortocircuito, o bien un anillo de cobre macizo de una sola vuelta, alrededor del segmento más pequeño de la pieza polar. La bobina de sombreado está separada del devanado principal de C.A. y sirve para proveer una división de fase del flujo principal del campo, demorando el cambio de flujo en el segmento menor. El flujo en el segmento del polo sombreado siempre está en retraso al correspondiente en el segmento principal, tanto en tiempo como en espacio físico, aunque no existe entre ellos una verdadera relación de 90°. El resultado es que se produce un campo magnético rotatorio, suficiente para originar un pequeño desbalanceo en los pares del rotor, tal que el par en el sentido de las manecillas del 45

MAQUINAS ELÉCTRICAS MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA Y MOTORES ESPECIALES

reloj es mayor que el contrario, o viceversa, y el rotor siempre gira en la dirección del campo rotatorio. El motor de polos sombreados es robusto, barato, pequeño y necesita de poco mantenimiento. Desafortunadamente tiene bajo par de arranque, baja eficiencia y bajo factor de potencia. Tratándose de un motor pequeño, las últimas dos consideraciones no son serias. Su bajo par de arranque limita su aplicación a motores económicos de tornamesas, proyectores de cine, asadores eléctricos, ventiladores y fuelles pequeños, máquinas expendedoras, tornamesas de exhibición en escaparates, sintonizadores de TV de control remoto y otras cargas relativamente ligeras de servomecanismos.

Fig. 38) Polos Sombreados

6.11 MOTOR DE PASOS En nuestros días los motores paso a paso tienen una amplia gama de aplicaciones; esto es debido a que poseen una gran precisión. Esta es la característica que fue determinante en su elección. En el presente capítulo, en el primer apartado, se describe de manera general los principios de funcionamiento de los motores paso a paso.

6.11.1 Funcionamiento de los Motores a Pasos Los motores a pasos son muy utilizados en la actualidad para el desarrollo de mecanismos que requieren de una alta precisión. Este tipo de motores poseen 46

MAQUINAS ELÉCTRICAS MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA Y MOTORES ESPECIALES

cualidades especiales por el hecho de poderlos mover desde un paso hasta una secuencia interminable de pasos dependiendo de la cantidad de pulsos que se les aplique. Este paso puede ir desde pequeños movimientos de 1.8° hasta de 90°. Es por eso que este tipo de motores son muy utilizados, ya que pueden moverse a deseo del usuario según la secuencia que se les indique a través de un microcontrolador. Estos motores poseen la habilidad de quedar enclavados en una posición si una o más de sus bobinas está energizada o bien totalmente libres si no existe corriente alguna circulando por sus éstas. Básicamente estos motores están constituidos normalmente por un rotor sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes y por un cierto número de bobinas excitadoras bobinadas en su estator. Las bobinas son parte del estator y el rotor es un imán permanente. Toda la conmutación (o excitación de las bobinas) deber ser externamente manejada por un controlador. Existen dos tipos de motores paso a paso de imán permanente que son los más utilizados en robótica: unipolares y bipolares.

Fig. 39) Motor a Pasos UNIPOLARES Estos motores suelen tener 6 ó 5 cables de salida dependiendo de su conexionado interno, que suelen ser comúnmente 4 cables por los cuales se reciben los pulsos que indican al motor la secuencia y duración de los pasos y los restantes sirven como alimentación al motor. Secuencias para manejar motores paso a paso unipolares Existen tres secuencias posibles para este tipo de motores, las cuales se detallan a continuación. Todas las secuencias comienzan nuevamente por el paso 1 una vez alcanzado el paso final (4 u 8). Para revertir el sentido de giro, simplemente se deben ejecutar las secuencias en modo inverso. 47

MAQUINAS ELÉCTRICAS MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA Y MOTORES ESPECIALES

1.-) Secuencia Normal Con esta secuencia el motor avanza un paso por vez y debido a que siempre hay al menos dos bobinas activadas, se obtiene un alto torque de paso y de retención. En la tabla 1 se muestran los valores de voltaje que deben suministrarse al motor para la realización de los pasos:

Tabla 1) Secuencia normal de pasos para motores unipolares. 2.-) Secuencia del Tipo Wave Drive En esta secuencia se activa solo una bobina a la vez. En algunos motores esto brinda un funcionamiento más suave, pero por otro lado al estar solo una bobina activada, el torque de paso y retención es menor. En la tabla 2 se muestran los valores que deben suministrarse al motor: Paso Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D +V +V -V -V 1 -V +V +V -V 2 -V -V +V +V 3 +V -V -V +V 4

Tabla 2) Secuencia de tipo wave drive de pasos para motores unipolares.

6.12 SERVOMOTORES Un Servo es un dispositivo pequeño que tiene un eje de rendimiento controlado. Este puede ser llevado a posiciones angulares específicas al enviar una señal codificada. Con tal de que una señal codificada exista en la línea de entrada, el servo mantendrá la posición angular del Cuando señala codificada cambia, la posición Pasoengranaje. Bobina A Bobina B la Bobina C Bobina D +V -V se usan -V servos para posicionar 1 cambia. angular de los piñones En -V la práctica, +V -V -V superficies de control2 como-Vel movimiento de palancas, pequeños ascensores y -V -V +V -V 3 timones. Ellos también4se usan títeres, y+V por supuesto, en robots. -V en radio -Vcontrol,-V

48

MAQUINAS ELÉCTRICAS MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA Y MOTORES ESPECIALES

Fig. 40) Servomotor Los Servos son sumamente útiles en robótica. Los motores son pequeños, cuando usted observa la figura 40 de arriba, tiene internamente una circuitería de control interna y es sumamente poderoso para su tamaño. Un servo normal o Standard como el HS-300 de Hitec tiene 42 onzas por pulgada o mejor 3kg por cm. De torque que es bastante fuerte para su tamaño. También potencia proporcional para cargas mecánicas. Un servo, por consiguiente, no consume mucha energía. Se muestra la composición interna de un servo motor en el cuadro de abajo. Podrá observar la circuitería de control, el motor, un juego de piñones, y la caja. También puede ver los 3 alambres de conexión externa. Uno es para alimentación Vcc (+5volts), conexión a tierra GND y el alambre blanco es el alambre de control.

49

MAQUINAS ELÉCTRICAS MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA Y MOTORES ESPECIALES

Fig. 41) Servo Desmontado CONTROL DEL SERVOMOTOR Los servomotores hacen uso de la modulación por ancho de pulsos (PWM) para controlar la dirección o posición de los motores de corriente continua. La mayoría trabaja en la frecuencia de los cincuenta hercios, así las señales PWM tendrán un periodo de veinte milisegundos. La electrónica dentro del servomotor responderá al ancho de la señal modulada. Si los circuitos dentro del servomotor reciben una señal de entre 0,5 a 1,4 milisegundos, este se moverá en sentido horario; entre 1,6 a 2 milisegundos moverá el servomotor en sentido antihorario; 1,5 milisegundos representa un estado neutro para los servomotores estándares. A continuación se exponen ejemplos de cada caso:

Fig. 42) Señal de ancho de pulso modulado.

Fig. 43) Motor en sentido horario (ejemplo 0,7 ms).

Fig. 44) Motor neutral (1,5ms).

50

MAQUINAS ELÉCTRICAS MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA Y MOTORES ESPECIALES

Fig. 45) Motor en sentido antihorario (ejemplo 1,8ms).

6.13 MOTORES LINEALES El principio de funcionamiento del motor lineal permite obtener una forma de conversión de la energía cuyas ventajas se imponen en forma determinante en todos los sectores en donde están en juego fuerzas para traslación; el motor lineal provee por sí mismo un esfuerzo de propulsión sin ningún medio de transmisión mecánica y con solamente el vínculo electromagnético entre las partes fijas y móviles. De esta forma se elimina el recurso clásico de transformar el movimiento de rotación del motor convencional en un movimiento lineal eliminando los conocidos problemas de los sistemas de transmisión y de adherencia en las ruedas motrices. El principal inconveniente radica en el hecho de que es más difícil mantener las distancias entre inductor e inducido que en los motores rotantes, y vale la plena recordar que el entrehierro es lo que demanda la mayor intensidad de campo para lograr la

51

MAQUINAS ELÉCTRICAS MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA Y MOTORES ESPECIALES

inducción necesaria. Los motores lineales tienen por lo general mayor tamaño y menor rendimiento que los motores rotantes de igual potencia. Es fácil deducir que a pesar de su costo todavía demasiado elevado, estos tipos de motores permiten resolver diversos problemas ya sea en el campo del transporte como en de las máquinas herramientas.

6.13.1 Tipos de Motores Lineales La analogía que existe entre los motores rotantes y los motores lineales conduce obviamente a concebir las mismas familias de motores las cuales son:  -los motores de corriente continua  -los motores sincrónico  -los motores asincrónicos La dificultad causada por los contactos rozantes, conducen a preferir en la mayoría de los casos el motor lineal del tipo asincrónico.

6.14 APLICACIÓN DE LOS MOTORES ESPECIALES Como hemos observado a lo largo de este documento Los Motores Especiales tienen una gran y amplia gama de aplicaciones desde la industria hasta nuestro hogar. Los motores de inducción por ejemplo los de jaula de ardilla son muy comunes en los ventiladores domésticos, las lavadoras y en la maquinas-herramientas como taladros entre otros. Los motores jaula de ardilla de igual manera los encontramos por lo general en las licuadoras sin embargo no son la única aplicación que estos tienen. También en la mayoría de ventiladores encontramos motores con capacitor de arranque y con capacitor permanente.

52

MAQUINAS ELÉCTRICAS MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA Y MOTORES ESPECIALES

Como lo mencionamos anteriormente los servomotores tienen mucha utilidad en la robótica así como en la industria de la juguetería; es casual abrir un juguete electromecánico y encontrar servomotores.

CONCLUSIÓN En este trabajo aprendimos sobre los diferentes tipos de motores monofásicos de corriente alterna, su estructura, principio de funcionamiento, tipo y par de arranque, control de velocidad y potencia. Ahora que hemos adquirido el conocimiento de los diferentes tipos de motores monofásicos de corriente alterna, estamos capacitados para en determinado caso poder recomendar y elegir el tipo de motor para suplir la necesidad que se nos plantee, esto en base a características electicas y mecánicas. 53

MAQUINAS ELÉCTRICAS MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA Y MOTORES ESPECIALES

Después de haber estudiado este curso nos en encontramos tal vez no con todos, pero si con los conocimientos necesarios para poder identificar los diferentes tipos de motores de corriente alterna, esto observando sus constitución física y revisando sus placas de características. Hablando del área científico-técnico, mediante las ilustraciones pudimos observar el fenómeno de par de arranque y el comportamiento de cada uno de los diferentes tipos de arranque.

BIBLIOGRAFÍA Control de Motores Eléctricos. Segunda Reimpresión. Ing. Gilberto Enríquez Harper. Prof. Titular ESIME-IPN. (Edit. Limusa. Noriega Editores. Balderas 95 México D.F. ISBN 968-18-5565-5) Manual de Control de Motores Eléctricos. Ing. Gilberto Enríquez Harper. Prof. Titular ESIME-IPN (Secretaría de Educación Publica – Dirección General de Educación Tecnológica Industrial ISBN 96829-6026-6) Unidad 5 Motores de Corriente Alterna. Ing. Héctor García Melchor

54

MAQUINAS ELÉCTRICAS MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA Y MOTORES ESPECIALES

(Instituto Tecnológico de la Costa Grande. Departamento de MetalMecánica. Academia de Metal-Mecánica). MOTOR ELÉCTRICO. TÉCNICO PROFESIONAL. (Educar Chile. www.educarchile.cl). MOTORES DE FASE PARTIDA. CHAPARRO TACURI JIMMY 062511 J ESTEVES DÍAZ CARLOS 062519 K. Capítulo 2: El Motor Monofásico de Inducción Reparación de Motores Eléctricos. R. Rosenberg. Séptima Edición. Manual Electrotécnico. Schneider Electric. Guías de Maquinas Eléctricas II. Ing. Huber Manrique. Electricidad industrial. Ch. L. Dawes. Electric Machinery and transformers. Gurú. www.wikipedia.com/motorjauladeardilla www.nichese.com/monofasico-sin.html www.biblioteca.universia.net www.wikipedia.com/servomotores www.monografías.com/Elmotordearranqueporcapacitorycapacitorenmar cha.

55