instituto nacional tecnologico direccion general de formacion
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INSTITUTO NACIONAL TECNOLOGICO DIRECCION GENERAL DE FORMACION PROFESIONAL DEPARTAMENTO DE CURRICULUM MANUAL PARA EL PARTICIPANTE MOTORES MONOFÁSICOS INSTRUCTOR: Roberto José Oviedo Díaz ESPECIALIDAD: Electricidad NOVIEMBRE 2008 INSTITUTO NACIONAL TECNOLÓGICO (INATEC) DIRECCION GENERAL DE FORMACION PROFESIONAL DEPARTAMENTO DE CURRÍCULUM Unidad de Competencia: • Instalación y Mantenimiento de Motores Eléctricos. Elementos de Competencias: • Motores asincrónicos monofásicos de AC de uso industrial. NOVIEMBRE 2008 INDICE Página INTRODUCCION ............................................................................................................... 1 OBJETIVO GENERAL ....................................................................................................... 1 OBJETIVOS ESPECIFICOS .............................................................................................. 1 RECOMENDACIONES GENERALES ............................................................................. 2 UNIDAD I: MOTORES ASINCRÓNICOS MONOFÁSICOS DE AC DE USO INDUSTRIAL. ..................................................................................................................... 3 1. Motores Monofasicos ....................................................................................................... 3 1.1-Introducción ..................................................................................................................... 3 1.2-Principio de operación. ..................................................................................................... 3 1.3-Partes principales de un motor monofásico. ...................................................................... 5 2. Clasificación de los motores monofásicos........................................................................... 6 3 Motor monofásico de fase partida ........................................................................................ 6 3.1-Características .................................................................................................................. 8 3.2-Conexión del motor de fase partida ................................................................................ 10 3.3- Averías ......................................................................................................................... 11 3.4 Medir la resistencia eléctrica de los devanados de régimen y arranque ........................... 13 4- Motores monofásicos con condensador de arranque ...................................................... 13 4.1- Características ............................................................................................................... 14 4.2- Conexión ...................................................................................................................... 15 5 Motor monofásico con condensador permanente ............................................................. 15 5.1- Características ............................................................................................................... 16 5.2- Conexión ...................................................................................................................... 17 6- Motores monofásicos universales .................................................................................... 17 6.1- Introducción .................................................................................................................. 17 6.2- Partes principales .......................................................................................................... 18 6.3- Característica de operación............................................................................................ 19 6.4- Control de velocidad ..................................................................................................... 20 7 Motores monofásicos con espira de sombra ...................................................................... 22 7.1-Introducción ................................................................................................................... 22 7.2- Características ............................................................................................................... 22 7.3- Principio de operación ................................................................................................... 23 7.4- Inversión de giro de los motores.................................................................................... 25 7.5- Descripción de las pruebas a motores monofásicos ........................................................ 25 EJERCICIOS DE AUTO EVALUACIÓN ....................................................................... 27 GLOSARIO ........................................................................................................................ 30 BIBLIOGRAFIA ................................................................................................................ 31 INTRODUCCION El manual del participante “Motores Monofásicos” pretende que los(as) participantes adquieran las destrezas y habilidades necesarias para conectar y brindar mantenimiento a motores eléctricos monofásicos. El manual contempla una unidad modular, donde sus contenidos se desarrollan en orden lógico desde los elementos más sencillos hasta llegar a los más complejos. El manual del participante esta basado en sus módulos y normas técnicos respectivas y corresponde a la unidad de competencia “Instalación y Mantenimiento de Motores Eléctricos” de la especialidad de técnico en electricidad. Se recomienda realizar las actividades y los ejercicios de auto evaluación para alcanzar el dominio de la competencia: Instalación y Mantenimiento de Motores Eléctricos”, para lograr los objetivos planteados, es necesario que los y las participantes tengan en cuenta las normas de seguridad, al momento de brindar mantenimiento a maquinas eléctricas. OBJETIVO GENERAL § Realizar eficientemente, montaje y puesta en funcionamiento de motores eléctricos monofásicos de AC. De uso industrial. OBJETIVOS ESPECIFICOS § Aplicar correctamente normas de seguridad, según el tipo de trabajo en instalaciones eléctricas. § Explicar adecuadamente la secuencia de ejecución de los primeros auxilios, según el tipo de accidente eléctrico. § Explicar los efectos de la corriente eléctrica sobre el cuerpo humano, según sus consecuencias. § Distinguir detalladamente los tipos de extintores de acuerdo a su aplicación. 1 RECOMENDACIONES GENERALES Para iniciar el estudio del manual, debe estar claro que siempre su dedicación y esfuerzo le permitirá adquirir la Unidad de competencia a la cual responde el Módulo Formativo de Motores monofásicos. • Al iniciar el estudio de los temas que contiene el manual debe estar claro que su dedicación y esfuerzo le permitirá adquirir la competencia a la cual responde el Módulo formativo. • Al comenzar un tema debe leer recomendaciones generales. detenidamente los objetivos y • Trate de comprender las ideas y analícelas detenidamente para comprender objetivamente los ejercicios de auto evaluación. • Consulte siempre a su docente, cuando necesite alguna aclaración. • Amplíe sus conocimientos con la bibliografía indicada u otros textos que estén a su alcance. • A medida que avance en el estudio de los temas, vaya recopilando sus inquietudes o dudas sobre éstos, para solicitar aclaración durante las sesiones de clase. • Resuelva responsablemente los ejercicios de auto evaluación. 2 UNIDAD I: MOTORES ASINCRÓNICOS MONOFÁSICOS DE AC DE USO INDUSTRIAL. 1. Motores Monofasicos 1.1-Introducción Los motores eléctricos son máquinas eléctricas rotatorias que transforman la energía eléctrica en energía mecánica. Un motor monofásico es un motor de inducción con dos bobinados de estator, uno principal y otro auxiliar o de arranque. Ambos bobinados se conectan en paralelo y la tensión de red se aplica a ambos, separados por un espacio de 90 grados eléctricos a lo largo del estator. Estos fueron los primeros motores en ser usados en la industria y en la actualidad aun perduran. Se utiliza en equipos que no necesitan arranques muy altos; como ventiladores, secadores de pelo y bombas centrifugas entre otros. Los motores pueden ser de jaula de ardilla, o de rotor bobinado, los primeros en general se prefieren por razones de simplicidad, solidez y costo. Sin embargo los motores de rotor bobinado poseen características diferentes a las de un motor de rotor en jaula de ardilla que los hacen más eficientes en determinadas condiciones de trabajo. Por lo tanto, para la selección de un motor adecuado es necesario contar con la mayor cantidad de información sobre diferentes tipos de motores y sus características de funcionamiento y así poder llevar a cabo la selección de un motor que cubra las necesidades requeridas. Prácticamente todas las realizaciones de este tipo de motores son con el rotor en jaula de ardilla. Suelen tener potencias menores de 1KW, aunque hay notables excepciones como los motores de los aires acondicionados con potencias superiores a 10KW. 1.2-Principio de operación. Para aplicaciones de muy baja potencia (de hasta 1CV), normalmente domésticas o de oficina, se usan este tipo de motores de inducción, con rotor jaula de ardilla. En ellos, el estator se alimenta con una única tensión, por lo que no es posible generar un campo magnético giratorio; consiguiéndose tan sólo, un campo pulsante. En la figura 1 adjunta se ilustra cómo quedaría el circuito magnético de uno de estos motores. El flujo magnético creado por la bobina del estator se cierra por el rotor (normalmente de jaula de ardilla) y los dos entrehierros. Encontrándonos ante un simple – y mal – transformador con el secundario en cortocircuito. 3 Circuito magnético de un motor Fig. 1 El flujo que atraviesa el circuito magnético será senoidal, al serlo también la tensión de alimentación que lo produce. En una bobina situada en el rotor, el flujo que logre atravesar los entrehierros inducirá tensiones en la forma: Y estas tensiones, al estar las bobinas del rotor cortocircuitadas, producirán corrientes que, a su vez, harán que el material magnético del rotor incremente el campo magnético propio y colabore al fortalecimiento del flujo conjunto del sistema (flujo común). El motor de inducción monofásico tiene un grave inconveniente, que es: § no es capaz de arrancar por sí sólo. Efectivamente, el campo que el inductor creará en el entrehierro será un campo pulsante, pero no giratorio. Y si en un primer momento consideramos que el rotor es simplemente una masa de hierro o acero, el campo magnético oscilatorio, lo más que va a conseguir será hacerlo temblar dado que el campo al que está sometido cambia de sentido 60 veces por segundo (en caso de alimentar a 60Hz), pero no lo moverá, dado que el campo producido por el bobinado del estator está siempre en la misma posición. Si el rotor tiene conductores alojados en su periferia, y éstos están cortocircuitados en forma de jaula de ardilla, la situación no cambia demasiado respecto a la anterior. Bien es cierto, que en esos conductores se inducirán tensiones debidas a que el flujo magnético que cortan es variable. Esas tensiones darán origen a sendas corrientes. Las corrientes creadas magnetizarán el rotor; cada una según la posición que ocupe; y el campo magnético total que aparecerá como consecuencia de la alimentación del estator, será la suma de todos los campos creados por cada una de las bobinas del rotor. Pero seguirá sin haber movimiento. 4 Si en ese rotor incapaz de moverse, mediante algún medio externo se pone en movimiento, entonces la cosa cambia. Al moverse la bobina, la posición que ocupa está cambiando con el tiempo. De esta manera los sistemas ideados para el arranque de los motores asíncronos monofásicos se basan por tanto en provocar un desequilibrio entre los pares antagonistas que generan ambos campos magnéticos. Las principales realizaciones se basan en cambiar, al menos durante el arranque, el motor monofásico por un bifásico (que "arranca sólo"). Un motor bifásico tiene dos devanados en el estator, desplazados /(2·P). 1.3-Partes principales de un motor monofásico. La mayoría de los motores monofásicos consta de las siguientes partes: Fig 2 § Es estator es el componente estático de una máquina eléctrica, también llamado inductor. § El rotor es la parte móvil y ese movimiento es originado por el campo inducido (así también se lo llama "inducido"). § Tapas, Son los elementos que van a sostener en la gran mayoría de los casos a rodamientos que soportan la acción del rotor. § Bornes de conexión 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. § El eje es una extensión externa de la armadura que pasa a través de la cubierta y § coraza del motor. Ventilador es utilizado para enfriar el motor y evitar recalentamiento. Partes principales de un motor monofásico Fig. 2 5 2. Clasificación de los motores monofásicos Los motores monofásicos se clasifican en: § Motores de fase partida § Motores de arranque con capacitor § Motores con capacitor permanente § Motores de polos sombreados § Motores universales 3 Motor monofásico de fase partida -Introducción Este motor es uno de los primeros motores monofásicos usados en la industria, y aún permanece su aplicación en forma popular. Estos motores se usan en: • Máquinas herramientas • Ventiladores • Bombas • Lavadoras • Secadoras, etc. La mayoría de ellos se fabrican en el rango de 1/30 (24.9W) a 1/2HP (373W). El motor de fase partida tiene dos grupos de devanados en el estator (ver Fig. 3). El primer grupo se conoce como el devanado principal o devanado de trabajo, y el segundo, como devanado auxiliar o de arranque. Estos dos devanados se conectan en paralelo entre si, el voltaje de línea se aplica a ambos al energizar el motor. Los dos devanados difieren entre si, física y eléctricamente. El devanado de trabajo esta formado de conductor grueso y tiene mas espiras que el devanado de arranque. Generalmente, el devanado de arranque se aloja en la parte superior de las ranuras del estator, en tanto que el de trabajo en la parte inferior. El devanado de arranque tiene menos espiras de una sección delgada o pequeña de conductor. 6 Grupos de Devanados en el estator Fig. 3 En general, un motor de fase partida (fig. 4) consiste de una carcaza, un estator formado por laminaciones, en cuyas ranura se alojan las bobinas de los devanados principal y auxiliar, un rotor o parte giratoria formada por conductores basados de barras de cobre o aluminio embebidos en el rotor y conectados entre si por medio de anillos de cobre en ambos extremos, formando lo que se conoce como una jaula de ardilla. Se les llama así porque la configuración de los anillos y las barras conductoras se asemejan realmente a una jaula de ardilla. Motor de fase partida Fig. 4 7 El devanado de arranque ayuda a arrancar al motor de C. A. De fase partida y es removido el circuito por un switch centrifugo cuando el motor alcanza del 75% al 80% de su velocidad nominal., de manera que a velocidad nominal, el motor funciona solo con su devanado de operación. A esta velocidad, un mecanismo a base de resorte abre, ya que la fuerza centrifuga del rotor vence la del resorte que hace que el swith permanezca cerrado. Como se observa, en el circuito de arranque, el swith centrifugo esta conectado en serie con el devanado de arranque. El motor continúa operando debido a las corrientes inducidas en el devanado del rotor y a su movimiento. Si el swith centrifugo no esta cerrado cuando es energizado el motor, este no arrancará y puede producir un fuerte ruido y demandar una corriente excesiva. Debido a que el rotor no gira, su impedancia es aproximadamente igual a la resistencia de las barras del rotor y actúa como el secundario de un transformador en corto, esto hace que el primario (devanado de trabajo) demande mucha corriente, y si esta condición permanece por mucho tiempo, entonces el devanado de trabajo sufre un calentamiento excesivo. 3.1-Características Características del motor de fase partida § § § § § Consta de dos devanados, principal y auxiliar Lleva incorporado un interruptor centrifugo, cuya función es la de desconectar el devanado auxiliar después del arranque del motor. Poseen un par de arranque moderado. Se utilizan bastante como motores de impulsión para lavadoras, secadoras y lavavajillas, etc. En algunas ocasiones utiliza un relevador de corriente Uso del relevador de corriente Para proporcionar una protección adicional en caso de que el swith centrifugo no abra en los motores de fase partida, se puede incorporar un relevador de corriente, en adición o en lugar del swith centrifugo. Este relevador, es un dispositivo electromagnético con su bobina conectada en serie con el devanado de trabajo (operación). Un grupo de contactos de este relevador, normalmente abiertos, se conectan en serie con el devanado de arranque, lo que hace efectiva esta operación, es la corriente de arranque entregada al motor antes de que llegue a su velocidad de operación. 8 Relevador de corriente usado para el arranque de motores de fase partida (Ver Fig. 5) Los relevadores de corriente se han usado principalmente en los motores sellados herméticamente, como son los de refrigeración y aire acondicionado. Relevador de corriente usado para el arranque de motores de fase partida Fig. 5 Los relevadores de corriente se han usado principalmente en los motores sellados herméticamente, como son los de refrigeración y aire acondicionado. Estos motores se construyen sellados, debido a que están expuestos al gas refrigerante, por lo que no es posible exponer el swith centrifugo y, por otra parte, si se encuentra dentro no seria accesible par mantenimiento. Sin embargo, los relevadores tiempo-corriente se pueden instalar externamente al motor sellado. Por lo general, los relevadores de corriente se seleccionan en forma cuidadosa por el fabricante. 9 3.2-Conexión del motor de fase partida La Nacional Electrical Manufacturer Association (NEMA) de los Estados Unidos, tiene establecida una numeración normalizada y un código de colores que han sido adoptados por varios países, que facilita la identificación de las terminales del motor. El numero de cada conductor o Terminal se identifica con una letra (T1, T2, etc.) y se le asigna un color, figura 6 Conexión del motor de fase partida (Ver fig. 6) 10 3.3- Averías Cuadros de diagnóstico y corrección de fallas o averías Síntoma Posibles causas Posibles soluciones Causado usualmente por problemas en la Revise la fuente de alimentación: El motor no línea, por ejemplo el protectores de sobrecarga, fusibles, funcionamiento con una arranca controles, etc. sola fase en el arrancador. Revise las conexiones de la línea de Alto voltaje. entrada. Zumbido excesivo Haga reparar el motor en el centro Entrehierro excéntrico de servicio recomendado por el (descentrado). fabricante Localice y quite lo que produce la Sobrecarga. Compare fricción excesiva en el motor o la el Amperaje medido carga. con su valor nominal de Reduzca la carga o reemplace el placa. motor por uno de mayor capacidad. Revise la corriente en todas las Funcionamiento con fases (deberá ser aprox. igual) para una sola fase. aislar y corregir el problema. Revise el ventilador externo para asegurarse que el aire se mueve Ventilación inadecuada. bien entre las aletas de enfriamiento. Acumulación excesiva de suciedad en el motor. Limpie el motor. Revise el voltaje en todas las fases Recalentamiento Voltaje desequilibrado. (deberá ser aprox. igual) para aislar del motor y corregir el problema. El rotor roza el estator. Apriete los “pernos pasantes”. Sobrevoltaje o bajo Revise el voltaje de entrada en cada voltaje. fase al motor. El devanado del estator Revise si la resistencia del estator está abierto. en las tres fases está equilibrada. Devanado puesto a Efectúe una prueba dieléctrica y tierra. haga las reparaciones necesarias. Revise todas las conexiones eléctricas para determinar si la terminación, la resistencia mecánica Conexiones y la continuidad eléctrica son incorrectas. adecuadas. Consulte el diagrama de conexión de cables del motor. 11 Síntoma Posibles causas Posibles soluciones Mal alineamiento. Revise y alinee el motor y los equipos accionados por el mismo. Excesiva tensión de correa. Excesivo empuje terminal. Exceso de grasa en el cojinete. Insuficiente grasa en el cojinete. Reduzca la tensión de correa a su punto apropiado para la carga. Reduzca el empuje terminal de la máquina accionada. Recalentamiento Saque grasa hasta que la cavidad del cojinete esté unos 3/4 llena. Añada grasa hasta que la cavidad esté unos 3/4 llena. Limpie el cojinete y la cavidad del cojinete. Rellene con el tipo de grasa Suciedad en el cojinete. correcto hasta que la cavidad esté aproximadamente 3/4 llena. Revise y alinee el motor y los Mal alineamiento. equipos accionados por el mismo. Roce entre las piezas Aísle y elimine la causa del rotativas y las piezas rozamiento. fijas Mande a revisar el equilibro del rotor Vibración El rotor está y hágalo reparar en el Centro de Servicio recomendado por el desequilibrado. fabricante. Sintonice el sistema o solicite Resonancia. asistencia al Centro de Servicio recomendado por el fabricante. Extraiga el rotor y quite las materias Materias extrañas en el extrañas. entrehierro o las Vuelva a instalar el rotor. Revise la Ruido aberturas de integridad del aislamiento. Limpie las ventilación. aberturas de ventilación. Reemplace el cojinete. Quite toda la grasa de la cavidad y coloque el Ruido retumbante El cojinete está en nuevo cojinete. Rellene con grasa o del tipo correcto hasta que la malas condiciones. gimoteante cavidad esté aproximadamente 3/4 llena. 12 3.4 Medir la resistencia eléctrica de los devanados de régimen y arranque La medición de la resistencia de los devanados (Ver Fig.7) de operación y de arranque se realiza de la siguiente manera. Medición de la resistencia de los devanados Fig. 7 4- Motores monofásicos con condensador de arranque Los motores de arranque con capacitor Fig.8, están equipados también como los de fase partida, con devanados de trabajo y de arranque, pero el motor tiene un condensador (capacitor). Motor de arranque con capacitor Fig.8 13 Los motores de arranque con capacitor, se encuentran disponibles en las versiones de par de arranque normal, para accionar cargas como: ventiladores, sopladores, bombas centrifugas y otras aplicaciones. Los diseños para alto par de arranque se usan en equipos como: compresores, bombas, transportadores con carga, etc. Los motores de fase partida de arranque con capacitor, son los que requieren el menor mantenimiento de todos los tipos de motores monofásicos. El capacitor se conecta en serie con el devanado de arranque y el swith centrifugo. La corriente en el devanado de arranque que es liberada por el capacitor, se adelanta al voltaje en el devanado de trabajo, obteniendo de esta manera un desplazamiento angular mayor entre los devanados. Lo que proporciona un incremento en el par de arranque del motor (Ver Fig. 9). Para tener una idea de la magnitud de dicho par; un motor de fase partida con capacitor, tiene un par dos veces mayor que el motor de fase partida sin capacitor Par de arranque del motor Ver Fig. 9 4.1- Características Características del motor de fase partida arranque con capacitor § § § § § Tienen el mismo rendimiento durante el funcionamiento que los motores de fase partida. Poseen un par de arranque más elevado. Es utilizado ampliamente en muchas aplicaciones de tipo monofásico, tales como accionamiento de máquinas herramientas (taladros, pulidoras, etcétera), compresores de aire, refrigeradores, etc. Se conecta un capacitor en serie con el devanado de arranque para tener un mayor par de arranque. Su rango de operación va desde fracciones de HP hasta 15 HP. 14 4.2- Conexión La conexión del motor de fase partida con capacitor de arranque (Ver Fig. 10) es de la siguiente manera. Conexión del motor de fase partida con capacitor de arranque Fig. 10 5 Motor monofásico con condensador permanente Los motores de fase partida con capacitor permanente (Ver Fig. 11), usan un capacitor conectado en serie con los devanados de arranque y de trabajo. El capacitor crea un retraso en el devanado de arranque, el cual es necesario para arrancar el motor y para accionar la carga. Motor de fase partida con capacitor permanente Fig.11 15 En caso necesario, los devanados de un motor con capacitor permanente se pueden identificar verificando los valores de la resistencia de los devanados de arranque y de trabajo. El devanado de arranque y el devanado de trabajo con su capacitor, permanecen en el circuito mientras el motor esta en operación. La principal diferencia entre un motor con capacitor permanente y un motor de arranque con capacitor, es que no se requiere swith centrífugo para los motores con capacitor permanente. Estos motores no pueden arrancar y accionar cargas que requieren un alto par de arranque (Ver Fig.12) Par de arranque Fig.12 5.1- Características Características del motor de fase partida con capacitor permanente § § § § § § Las principales características de este motor son la alta eficacia. El funcionamiento silencioso y la reversibilidad continúa. Esto hace que sea adecuado para una amplia gama de electrodomésticos, tales como lavadoras, secadoras, ventiladores y aparatos de aire acondicionado. Utilizan un capacitor conectado en serie con los devanados de arranque y de trabajo. El crea un retraso en el devanado de arranque, el cual es necesario para arrancar el motor y para accionar la carga. La principal diferencia entre un motor con permanente y un motor de arranque con capacitor, es que no se requiere switch centrífugo. Éstos motores no pueden arrancar y accionar cargas que requieren un alto par de arranque. 16 5.2- Conexión Motor de c.a. monofásico de fase partida con capacitor permanente (Ver Fig. 13), no requiere de switch centrífugo, ya que el capacitor nunca se mueve del circuito Conexión del motor de fase partida con capacitor permanente Fig. 13 6- Motores monofásicos universales 6.1- Introducción Los motores universales (Ver Fig.14) son pequeños motores con devanado en serie, que operan con voltaje de corriente directa (C.D) o de alterna (C.A), y se deben comportar de la misma manera. Se diseñan y construyen en tamaños de ¾ de HP o menores. Los motores universales tipo fraccionario pueden ser de 1/150 HP o menores. Motor universal Fig. 14 17 Los motores universales tienen prácticamente la misma construcción que los de C.D, ya que tienen un devanado de campo y una armadura con escobillas y conmutador. El conmutador mantiene a la armadura girando a través del campo magnético del devanado de campo. También cambia el flujo de corriente con relación al devanado de campo y la armadura, es decir, cumple con una función de empujar y jalar; esta acción esta creada por los polos norte y sur de los devanados de campo y armadura. El polo norte de los devanados de campo jala al polo sur de la armadura (espira) hacia el interior de la parte principal del campo magnético. El conmutador y las escobillas invierten el flujo de corriente a través de la armadura, creando un polo norte en la espira. El polo norte del devanado de campo repele entonces al polo norte de la armadura. Esta acción de empujar y jalar produce la acción de giro de la armadura a través del campo magnético del devanado de campo, estableciendo de esta manera la operación del motor. Cuando el motor universal opera con C. A, la corriente cambia constantemente de dirección en los devanados de campo. Tanto el devanado de campo como el de armadura invierten la corriente silmutaneamente, por lo tanto, el motor opera en forma similar a uno de inducción. Los devanados de campo y armadura se conectan en serie en los motores tipo universal 6.2- Partes principales Las partes principales del motor universal son: § § § § La carcasa. El estator El inducido. Los escudos. La carcasa suele ser por lo regular de acero laminado, de aluminio o de fundición con dimensiones adecuadas para mantener firmes las chapas del estator. Los polos suelen estar afianzados a la carcasa con pernos pasantes. Con frecuencia se construye la carcasa de una pieza, con los soportes o pies del motor. El estator o inductor, que se representa junto con otras partes componentes, consiste en un paquete de chapas de forma adecuada, fuertemente prensadas y fijadas mediante remaches o pernos. El inducido es similar al de un motor de corriente continua pequeña. Consiste en un paquete de chapas que forma un núcleo compacto con ranuras normales u oblicuas y un colector al cual van conectados los terminales del arrollamiento inducido. Tanto el núcleo de chapas como el colector, van sólidamente asentados sobre el eje. 18 Los escudos, como en todos los motores, van montados en los lados frontales de la carcasa y asegurados con tornillos. En los escudos van alojados los cojinetes, que pueden ser de resbalamiento o de bolas, en los que descansan los extremos del eje. En muchos motores universales pueden desmontarse sólo un escudo, pues el otro está fundido con la carcasa. Los porta escobillas van por lo regular sujetos al escudo frontal mediante pernos. Conmutador o colector Fig.15, es un conjunto de barras conductoras situadas unas a continuación de la otra, aisladas entre sí, generalmente dispuestas en una posición circunferencial y que están conectadas a un conjunto de bobinas, denominado inducido. Visto más en profundidad, cada una de estas laminitas que denominamos delgas está conectada a un punto que corresponde a un segmento del embobinado del motor. Esta bobina da varias vueltas y regresa al conmutador a una delga consecutiva. Si lo vemos de esta manera, las escobillas frotan en el conmutador. Conmutador Fig.15 Escobillas, Son contactos deslizantes de grafito que rozan las delgas mientras el rotor gira, una escobilla está conectada al polo positivo de la corriente y otra al negativo, la corriente que transmiten a las delgas hace que el inducido gire, se mantienen pegadas a las delgas mediante la presión de sendos muelles. 6.3- Característica de operación Los motores universales funcionan generalmente en altas velocidades, de 3.500 a 20.000 r.p.m., esto da lugar a un alto cociente de energía peso y de energía tamaño, haciéndolos deseables para las herramientas, aspiradores y máquinas de costura. Un motor universal tiene altas velocidades usando diversas corrientes de una fuente de energía. El funcionamiento cerca de la carga clasificada es similar para todas las fuentes, comenzar el esfuerzo de torsión es alto y la regulación de la velocidad es pobre, la velocidad es muy alta en las cargas que son bajas. Teóricamente, en la carga cero la velocidad llega a ser infinita, así algunos motores universales deben emplear controles de velocidad. Este motor está construido de manera que cuando los devanados inducidos e inductor están unidos en serie y circula una corriente por ellos, se forman dos flujos magnéticos que al reaccionar provocan el giro del rotor, tanto si la tensión aplicada es continua como alterna. 19 Entre las características de operación del motor Universal deben contarse éstas: § Que pueden construirse para cualquier velocidad de giro y resulta fácil conseguir grandes velocidades, cosa que no puede conseguirse con otros motores de c.a. § Funcionan indistintamente con c.c. y/o con c.a. § Poseen un elevado par de arranque. § La velocidad se adapta a la carga. § Para regular la velocidad de giro basta con conectar un reóstato en serie con el inducido. § Los motores universales tienen prácticamente la misma contracción que los de corriente directa, ya que tienen un devanado de campo y una armadura con sus escobillas y su conmutador. § El conmutador mantiene a la armadura girando a través del campo magnético del devanado de campo. § También cambia el flujo de corriente con relación al devanado de campo y la armadura, es decir cumple con una función de empujar y jalar. § Esta acción de jalar y empujar esta creada por los polos norte y sur de los devanados de campo y armadura. 6.4- Control de velocidad El motor universal, se caracteriza por su velocidad, por eso se utiliza en equipos electrodomésticos que requieren variaciones de velocidad, para poder controlar esta velocidad existen varios métodos entre ellos tenemos: § El control de velocidad y todas las conexiones eléctricas se logra sacando derivaciones (taps) del devanado de campo del motor para conectarse a un switch con botones selectores. Ejemplo 1: Control de motor universal en licuadoras utilizando taps (Ver Fig. 16). Control de motor universal en licuadoras Fig.16 20 Ejemplo 2: Control de motor universal en Secadora de pelo utilizando taps. (Ver Fig.17) Control de motor universal en Secadora Fig.17 § Otro método utilizado para el control de motores universales Fig. 18 es utilizando el dispositivo electrónico conocido como triac, este tipo de control permite un amplio rango de control de velocidad así como un comportamiento “suave” del motor. Esta característica se obtiene con el uso de un triac de control de onda completa con una red de desfasamiento de doble fase, el control de onda completa permite la aplicación de casi la potencia completa al motor en el rango alto de control del motor. R1 R2 120V. AC, 60HZ 240V. AC, 60HZ 100k , 1/2W 15k , 1/2W 200k , 1W - 21 R3 100 C1 0.1 f , 200v 0.1 f , 400v C2 0.1f , 100v C3 0.22 f , 200v 0.22 f , 400v Y T2700B T27000 Control de velocidad Triac para motor universal Fig. 18 El método principal de control de velocidad empleado para motores monofásicos universales de potencia fraccionaria (control de la tensión de inducido) es el método de control de la tensión de línea primaria (de deslizamiento). Lo cual implica una reducción de la tension aplicada al devanado estatórico (de motores de inducción) universal. En el primer caso produce una reducción del par y aumento del deslizamiento. En el último caso, representa simplemente un medio de controlar la velocidad mediante control de la tensión o del flujo inducido. 7 Motores monofásicos con espira de sombra 7.1-Introducción Este tipo de motores es usado en casos específicos, como el de accionamiento de ventiladores o sopladores, que tienen requerimientos de potencia muy bajos. Su rango de potencia esta comprendido en valores desde 0.0007 HP hasta ¼ HP y la mayoría se fabrica en el rango de 1/100 a 1/20 de HP. La principal ventaja de estos motores es su simplicidad de construcción, su confiabilidad y su robustez, además, tienen un bajo costo. A diferencia de otros motores monofásicos de C.A, los motores de fase partida no requieren de partes auxiliares (capacitares, escobillas, conmutadores, etc.) o partes móviles (switchs centrífugos). Esto hace que su mantenimiento sea mínimo y relativamente sencillo. 7.2- Características Las principales características de los motores de polos sombreados son: • • • • • • Tienen un par de arranque muy bajo Su eficiencia es muy baja, por ejemplo, un motor de 1/20 Hp tiene una eficiencia del orden del 35%. Para motor mas pequeño, puede llegar a ser hasta del 5% Su factor de potencia es muy pobre. Método único para arrancar la rotación del rotor Motor de polo sombreado es de uso muy extendido debido a su simplicidad, su bajo coste y su idoneidad para usos en baja potencia Trabajan siempre a altas temperaturas, incluso sin realizar ningún tipo de esfuerzo. 22 7.3- Principio de operación Como se ha mencionado, el motor de inducción de polos sombreados es un motor monofásico con un método único para arrancar la rotación del rotor. El efecto de un campo magnético móvil es producido por la construcción del estator Fig. 19 en una forma especial. Estator y del rotor fig. 19 Las porciones de las superficies de la pieza están rodeadas por una tira o espira gruesa de cobre denominada “la bobina de sombra” Fig. 20. La tira de cobre produce que el campo se mueva hacia atrás y pase a través de la cara de la pieza polar. Bobina de sombra Fig. 20 Son conocidos los motores asincrónicos monofásicos con polo sombreado en los cuales entre los polos próximos se colocan un puente electromagnético, para de esa forma lograr un entre hierro uniforme entre estator y rotor con lo que se logra una disminución de la pérdidas provocadas por las armónicas superiores en el 23 rotor. La ejecución tecnológica de los motores de este tipo es no factible y acelera considerablemente el gasto de instrumentos en el estampado de las láminas. Además con esta construcción, no se logra una altura completamente uniforme del entre hierro, ya que en la zona en que está colocado el anillo cortocircuitado ésta aumenta en varias veces. El motor de polo sombreado Fig. 21, se diferencia en que la bobina de encendido forma parte del circuito en todo instante y adquiere la forma de dos lazos de cobre que rodean parte de cada polo de arranque. Estas partes sombreados del campo producido por el polo del arranque principal y la comente inducida en el lazo hacen que el campo generado por esta parte sombreada atrase el campo principal. La variación en la fase es menor que la ideal de 90° y el módulo del campo sombreado considerablemente menor que el campo principal. Debido a esto el momento inicial es muy pequeño, típicamente es sólo la mitad del momento total. Motor de inducción de polos sombreados Fig. 21 Una parte considerable de la energía se pierde en los lazos que están en el circuito en todo instante y esto da como resultado una baja eficiencia. Una eficiencia mayor del 20% es muy difícil de encontrar y en los motores pequeños puede ser tan pequeño como un 2 o 3%. Esto también trae consigo una pobre regulación de la velocidad. Bajo la óptica de su uso, el motor de polo sombreado es de uso muy extendido debido a su simplicidad, su bajo coste y su idoneidad para usos en baja potencia. La potencia de salida oscila entre 1 y 50 W (0.001 a 0.07 HP) y para estos valores tan bajos de potencia requerida la eficiencia es raramente un problema. Sin embargo, debido a sus grandes pérdidas, este tipo de motores trabajan siempre a altas temperaturas, incluso sin realizar ningún tipo de esfuerzo. 24 Las grandes maquinas bipolares y cuadrupolares utilizan simples arranques de laminación circular con bloques en cada uno de los polos de los anillos sombreado (en algunos casos el anillo es de hecho rectangular). Cuando se ensambla en su carcasa no parece muy diferente de su primo el motor de división de fase. Sin embargo, su reducido tamaño y su construcción radicalmente diferentes se utilizan para reducir los gastos de producción. El estator por lo general es de polos salientes, esta formado por un paquete de chapas con zapata polar, alrededor de la zapata se junta los bobinados de campo. El rotor es de tipo jaula de ardilla. Los escudos son de hierro fundido. 7.4- Inversión de giro de los motores En los motores de polos rasgados la dirección de rotación ésta determinada por la posición de los anillos rasgados, el rotor siempre gira hacia el lado más en punta de los polos. La única forma de hacer que un motor de polos rasgados gire al revés es desmontarlo y volverlo a montar, pero intercambiando esta vez los extremos del rotor. Esto no es normalmente dificultoso, tan sólo se han de cambiar de posición un par de clavijas. 7.5- Descripción de las pruebas a motores monofásicos Las características de comportamiento (eficiencia, pérdidas y factor de potencia) de los motores de inducción monofásicos se obtienen aplicando carga a los mismos y midiendo potencia de salida, potencia de entrada, velocidad y corriente, en los motores que usualmente son de baja potencia. Para determinar las constantes de la maquina es necesario desarrollar varias pruebas; las más comunes que se realizan sobre los motores monofásicos de inducción para la determinación de varias constantes son: a) Medición de la resistencia de los devanados del estator. La resistencia de cada devanado del estator se mide por separado, y en el caso de los motores de arranque con capacitor, el condensador se omite. b) La prueba de rotor bloqueado. Esta prueba se desarrolla con los devanados principal y de arranque separados y las cantidades de entrada: voltajes, corrientes y potencia (watts) se miden en cada caso. Esta prueba, en algunos casos, se hace a voltaje reducido (Del orden del 40% del voltaje nominal) para evitar un valor excesivo de corriente de corto circuito y de calentamiento. c) Prueba de vacío Esta prueba se desarrolla a voltaje nominal, excitando únicamente al devanado principal, y se miden: la corriente, voltaje, potencia, así como la velocidad. d) Determinación de las pérdidas por fricción y ventilación. 25 En esta prueba el voltaje aplicado al motor se reduce hasta que este pueda arrancar y se pueda medir la potencia de entrada, esta es entonces suficiente para mantener operando en vacío; y esta lectura, en estas condiciones, representa las perdidas por fricción y ventilación. 26 EJERCICIOS DE AUTO EVALUACIÓN Después del estudio de la unidad I, te sugiero que realices los siguientes ejercicios de autoevaluación, lo que permitirá fortalecer tus conocimientos. I. Responda la siguiente pregunta. 1. ¿Qué importancia tiene el motor monofásico? 2. ¿Dónde se utilizan los motores monofásicos? 3. ¿Cómo se clasifican los motores monofásicos? 4. ¿Mencione las partes del motor de fase partida? 5. ¿Que es el relevador de corriente y cuando se puede utilizar, en los motores de fase partida? 6. ¿Junto a su instructor desarme un motor de fase partida y luego: a. Identifique las partes del motor de fase partida. b. Mida la resistencia eléctrica de los devanados. c. Arme el motor. d. Conecte el motor de fase partida y compruebe su funcionamiento. 7. ¿Donde se utilizan los motores monofásicos de arranque con capacitor? 8. ¿Para que se le instala un capacitor de arranque? 9. ¿Dibuje el esquema de un motor de arranque con capacitor y coloque sus partes? 10. ¿Junto a su instructor desarme un motor de arranque con capacitor y luego: 27 a. b. c. d. Identifique las partes del motor arranque con capacitor. Mida la resistencia eléctrica de los devanados. Arme el motor. Conecte el motor de arranque con capacitor y compruebe su funcionamiento. 11. ¿Que función realiza el capacitor permanente en un motor monofásico? 12. ¿Junto a su instructor desarme un motor de monofásico de capacitor permanente y luego: a. Identifique las partes del motor de fase partida. b. Mida la resistencia eléctrica de los devanados. c. Arme el motor. d. Conecte el motor de fase partida y compruebe su funcionamiento. 13. ¿Cuáles son las partes principales del motor universal? 14. ¿Mencione las características de operación del motor universal? 15. ¿Mencione los métodos de control de velocidad empleados en los motores universales? 16. ¿Junto a su instructor desarme un motor universal y luego: a. Identifique las partes del motor universal. b. Mida la resistencia eléctrica de los devanados. c. Arme el motor. d. Conecte el motor universal y compruebe su funcionamiento. 17. ¿Dónde se utilizan los motores de polo sombreados? 18. ¿Mencione las características de los motores de polo sombreados? 19. ¿Explique el principio de operación del motor de polo sombreado? 28 20. ¿Explique como se le invierte el giro al motor de polo sombreado? 21. ¿Junto a su instructor desarme un motor de polo sombreado y luego: a. Identifique las partes del motor de polo sombreado. b. Mida la resistencia eléctrica de los devanados. c. Arme el motor. d. Conecte el motor de polo sombreado y compruebe su funcionamiento. 22. ¿Mencione las pruebas que se le realizan al motor monofásico? 29 GLOSARIO Corto circuito: Se produce por el contacto repentino de dos o más conductores de corriente o una línea de corriente y un conductor a tierra. Corriente alterna (c.a.): En este caso, las cargas eléctricas circulan siempre en la misma dirección del punto de mayor potencial al de menor potencial. Par de giro: Es la fuerza con que gira un eje. Se mide en kilogramo*metro (MKS) o newton*metro (S.I.). Par motor: Es la fuerza con que gira un motor. El giro de un motor tiene dos características: el par motor y la velocidad de giro. Por combinación de estas dos se obtiene la potencia. Eficiencia: La eficiencia o rendimiento de un motor eléctrico es una medida de su habilidad para convertir la potencia eléctrica que toma de la línea en potencia mecánica útil. Se expresa usualmente en porciento de la relación de la potencia mecánica entre la potencia eléctrica, esto es: 30 BIBLIOGRAFIA § CHARLAS Y SEMINARIOS SOBRE ESCOBILLAS DE CARBÓN Ing. Luis Fernando Orozco Carbone Lorraine de Colombia S.A. 1990-2007 § Motores Universales. Ministerio De Educación Superior. Instituto Universitario De Tecnología Caripito. Venezuela. 2004. § Quispe O., Enrique C. Motores Eléctricos de Alta Eficiencia. Universidad Autónoma de Occidente. Cali, Colombia. http://energiaycomputacion.univalle.edu.co/edicion21/21art2.pdf § Energy Efficient Motor Driven Systems. European Copper Institute (ECI), Fraunhofer-ISI, KU Leuven and University of Coimbra. Published by ECI in April 2004 31
