Motor monofásico - Energia Ingenieros

UCCI
Máquinas eléctricas
3. MOTORES MONOFÁSICOS
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Temario
El motor de inducción monofásico.
Con un devanado auxiliar.
Con arranque por capacitor.
Con capacitor permanente.
Con arranque por capacitor y operación
por capacitor.
Motor universal
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Motor de inducción monofásico
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Introducción
Como no todas las redes
de alimentación eléctrica
son trifásicas es también
conveniente poder
emplear motores de
inducción monofásicos
de jaula de ardilla por
ser robusto, barato y de
mantenimiento sencillo.
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El motor monofásico
A diferencia del motor de inducción trifásico ,
los motores de inducción monofásicos con
una sola bobina no generan un campo
giratorio, si no pulsante, donde el sentido y la
magnitud del campo magnético varía con la
corriente alterna.
De allí que no pueden arrancar por sí mismos
y requieren de una acción externa para poder
arrancar.
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Campo pulsante
φ
φ
Fuente AC
monofásica
t
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Descomposición del campo pulsante
El campo magnético pulsante puede
descomponerse en dos campos giratorios cuyos
sentidos de giros son opuestos y que ejercerán
torques de sentidos opuestos sobre el rotor.
Por lo tanto se obtendrán dos curvas ParVelocidad.
Nótese que en reposo ambos torques son
iguales y de sentidos contrarios por lo que
anularán sus efectos.
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Impulso externo
Cuando
externamente se
impulse el rotor en un
sentido cualquiera
predominará este
torque sobre el otro
sobre el rotor, que
continuará girando en
el sentido impulsado.
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Se requiere
Como sabemos el principio de
funcionamiento del motor de inducción se
basa en la existencia de un campo magnético
giratorio.
Quiere decir, que se deberá crear este campo
empleando solo corriente AC monofásica.
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Motor 1φ con devanado auxiliar
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Motor 1φ con devanado auxiliar
RA + j XA
IT
RP + j XP
Se emplea dos
devanados que están
desplazados 90º uno
del otro.
Asimismo se busca
que las corrientes por
dichas bobinas estén
desfasadas. Para ello
las bobinas tendrán
diferente impedancia.
U
IA
IP
se cumple que :
R P < X P y RA > X A
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Diagrama fasorial y campo
U
φA
IA
IP
φP
φT
Con las corrientes por las bobinas llamadas
principal (P) y auxiliar (A) generan un campo
magnético giratorio, como el mostrado.
Si los flujos φA y φP están a 90º y fuesen de la
misma magnitud el campo giratorio sería
constante, de lo contrario sería variable.
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Construcción
El estator posee ranuras uniformemente
distribuidas en el se alojan los dos devanados
cuyas características físicas son diferentes.
Los ejes magnéticos de los devanados están
desfasados 90°.
Incluye un interruptor centrífugo o relé
magnético, para sacar de servicio al devanado
auxiliar una vez arrancado el motor ya que se
corre el riesgo de que se queme el motor.
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Construcción
El rotor es del tipo jaula de ardilla.
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Devanado auxiliar
Este devanado auxiliar especial montado
dentro del estator, se le conoce como
devanado de arranque, debido a que solo
opera en el arranque.
Este devanado se caracteriza por tener
sección delgada y pocas espiras. Su
resistencia es elevada, debido a ello debe de
operar solo en el arranque, por el
calentamiento producido.
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Devanado principal
También llamado devanado de trabajo; que se
caracteriza por poseer sección gruesa y mayor
cantidad de espiras.
Su resistencia es menor que su reactancia y
bastante menor que la resistencia del
devanado de arranque.
Las corrientes por los devanados de operación
y de arranque se encuentran desfasadas un
ángulo de aproximadamente 25°
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Devanados de trabajo y de arranque
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Par arranque
Tarr = k IP IA Sen α
Donde:
IP e IA son las corrientes por los devanados
principal y auxiliar respectivamente.
α es el ángulo entre las corrientes.
Debido a que el ángulo es muy pequeño, el
torque de arranque está entre 1 a 2 veces el
Torque nominal.
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Circuito y diagrama fasorial
RA + j XA
IT
IA
I A ⋅ Cosα
U
U
RP + j XP
α ≈ 15º
I p ⋅ Cosβ
IP
Interruptor
centrígugo
β ≈ 40º
25º
IA
IP
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Característica par-velocidad
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Otras características
La corriente de arranque es elevada, entre 4
a 7 veces la corriente nominal.
La corriente de vacío es del orden del 60 al
80% de la corriente nominal.
El Cosϕ de plena carga es aproximadamente
0,6 en atraso.
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Aplicaciones
Electrodomésticos
(que producen
ruido).
Quemadores de
aceite.
Máquinas
herramientas.
Pulidoras.
Lavadoras de ropa.
Lavadoras de vajilla.
Ventiladores.
Sopladores de aire.
Compresores de
aire.
Bombas de agua
pequeñas.
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Motor 1φ con arranque por
capacitor
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Motor 1φ con arranque por capacitor
En el motor con arranque por capacitor el
desfasaje entre las corrientes de los devanados
se incrementa conectando un capacitor
electrolítico en serie con el devanado auxiliar,
este cercano a 90º.
La capacidad del capacitor absorbe 4kVAR/kW
de potencia del motor.
Ello le permite elevar el par de arranque entre
3,5 a 4,75 veces el torque nominal.
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Circuito y diagrama fasorial
RA + j XA
IT
IA
IA
≈ 82º
U
RP + j X P
CA
IP
U
β ≈ 40 º
Interruptor
centrígugo
IP
166
Partes
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Característica par-velocidad
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Otras características
Debido a su elevado par de arranque
este motor resulta ser reversible.
La corriente de arranque se reduce.
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Aplicaciones
Bombas.
Compresoras.
Unidades de refrigeración.
Acondicionadores de aire.
Máquinas lavadoras grandes.
En general otras aplicaciones que
requieran elevado par de arranque.
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Motor 1φ con capacitor
permanente
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Motor 1φ con capacitor permanente
El devanado auxiliar no es sacado de servicio,
con ello se simplifica la construcción al
prescindir del interruptor centrífugo, y se
mejoran el factor de potencia, el rendimiento
y el ruido debido a las pulsaciones del torque.
El devanado auxiliar es idéntico al principal.
El capacitor y el devanado auxiliar pueden
proyectarse de forma que el funcionamiento
se realice como un sistema bifásico.
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Otras características
RA + j XA
IA
IT
U
RP + j XP
El par de arranque es
reducido, se
encuentra en el rango
de 0,5 a 1,0 veces el
torque nominal.
El capacitor CR
consume
aproximadamente
1kVAR/kW.
CR
IP
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Ventajas
No precisa interruptor centrífugo.
El sentido de giro se invierte fácilmente a su
reducido par de marcha.
Su velocidad se controla con la tensión de
alimentación, debido su sensibilidad a las
variaciones de tensión.
El factor de potencia es alto.
Operación silenciosa sin interferencia de radio
o televisión.
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Motor 1φ con arranque por
capacitor y operación por
capacitor
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Motor 1φ con arranque por capacitor
y operación por capacitor
Con la finalidad de elevar el par de arranque
el motor anterior, se incrementa la capacidad
total añadiendo durante el arranque un
capacitor de arranque CA.
Los valores empíricos de CA=3 CR.
Cuando el motor ya está en marcha se
desconecta este capacitor para que el motor
no se caliente inecesariamente.
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Circuito equivalente
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Curvas par-velocidad
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Motor universal
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Motor universal
Se le llama así
porque puede
funcionar tanto
con corriente
alterna
monofásica como
con corriente
continua.
AC o DC
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Estator
El núcleo se compone
de un paquete de
chapas con dos polos
salientes.
El devanado de
excitación montado en
los polos salientes, es
de pocas espiras de
sección gruesa.
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Rotor o inducido
Es análogo al de las demás máquinas DC.
Posee escobillas que permiten la
conmutación.
Cuando este motor está funcionando con AC,
la conmutación es más pobre que con una
fuente DC. El chisporroteo en las escobillas se
debe a las tensiones inducidas a manera de
transformador en las bobinas sometidas a
conmutación.
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Chisporroteo
Este chisporroteo reduce significativamente la
vida de las escobillas y en algunos ambientes
puede ser una fuerte interferencia para las
frecuencias radiales.
Es por ello que para reducir interferencia es
que se divide el devanado de campo en dos.
Cabe indicar que los motores universales no
poseen interpolos.
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Conexionado
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Par - velocidad
La máquina desarrolla mayor velocidad
operando con alimentación DC que con
alimentación AC para una determinada carga.
Asimismo cabe indicar que desarrolla mayor
potencia con alimentación DC que con AC,
resultando pues que su eficiencia en DC es
superior a la eficiencia que se consigue con
alimentación AC.
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Par - velocidad
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Variante
Para conseguir que el
comportamiento de
régimen del motor
universal sea el
mismo para DC que
para AC, se emplea
otro conexionado,
reduciendo el número
de espiras para la
operación con AC.
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Ventajas
Alta velocidad
Elevada potencia.
Tamaño pequeño.
Elevado par de arranque.
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Desventajas
Requiere de escobillas para la
conmutación, de allí que su
mantenimiento es mayor.
Su velocidad es dependiente de la
carga, corriendo el riesgo de embalarse.
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Aplicaciones
Taladros.
sierras
Aspiradoras.
Otras herramientas
portátiles
semejantes.
Electrodomésticos
(batidoras,
licuadoras, etc.)
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