MOTORES MONOFASICOS
Los motores monofásicos son utilizados cuando no se dispone de un sistema trifásico y/o para pequeñas potencias.
Generalmente se utilizan para potencias menores de 2Kw o 3Kw.
El suministro de corriente alterna (ca) trifásica no siempre está disponible en todas las instalaciones eléctricas.
El ejemplo mas claro es el de las viviendas, donde tenemos gran cantidad de electrodomésticos con motores pero no disponemos de trifásica, solo corriente monofásica (fase + neutro) a 230V.
Casi todos los frigoríficos y expositores de frío comerciales de los supermercados, los aires acondicionados o bombas de calor, los portones de los garajes, etc., también están accionados por motores monofásicos.
OJO, para pequeños electrodomésticos (batidoras, molinillos, máquinas de afeitar, etc.) la tendencia es utilizar el motor universal, del que hablaremos en otro capítulo, y que son motores de corriente alterna.
Podemos considerar los motores monofásicos como los hermanos pequeños de los motores trifásicos, puesto que comparten con ellos la sencillez del conexionado y el principio de funcionamiento.
Sin embargo no se pueden compararse en rendimiento energético ni en potencia.
Dentro de los motores monofásicos tenemos 3 tipos principales: de fase partida, de fase partida con arranque por condensador y de espira en cortocircuito o de sombra.
Primero veamos cual es el principio de funcionamiento de estos motores y luego cada uno de los tipos por separado.
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Libro Máquinas Eléctricas
Indice de Contenidos:
- Funcionamiento del Motor Monofásico
- Tipos de Motores Monofásicos
- Motor Monofásico de Fase Partida
- Motor de Fase Partida con Arranque por Condensador
- Motor Monofásico de Espira en Cortocircuito o Espira de Sombra
- Arranque de los Motores Monofasicos Circuitos y Esquemas
- ¿Como Identificar el bobinado principal del auxiliar si no lo sabemos?
- Velocidad de los Motores Monofásicos
- ¿Por qué depende del Número de Polos la Velocidad?
- Tipos de Corriente en los Motores
- Rendimiento de un motor
- Potencias en los Motores Monofásicos
- ¿Por Qué No arrancan Por si Solos los Motores Monofásicos?
Funcionamiento del Motor Monofásico
Los motores monofásicos, al igual que los trifásicos, están constituidos por un estator donde se alojan los devanados o bobinas inductoras, y un rotor (inducido) en jaula de ardilla con barras en cortocircuito.
Muchas cosas sobre los principios de funcionamiento de un motor eléctrico ya las vimos en el motor eléctrico de forma más desarrollada de lo que lo veremos aquí.
Si no entiendes algo te recomendamos que veas: Motor Eléctrico.
La jaula de ardilla en el rotor son simplemente unas barras de aluminio que están en cortocircuito mediante unos anillos (unidas por anillos metálicos para ponerlas en cortocircuitos).
Estas barras son conductores eléctricos.
Si al conectar el estator a la corriente o tensión monofásica se creara en él un campo magnético giratorio, durante su giro este campo magnético iría cortándo las barras del estator (conductores), creándose en ellas una fem (fuerza electromotriz o tensión) según descubrió Faraday.
Faraday: un campo magnético que corta un conductor produce en el conductor una tensión o fuerza electromotriz en sus extremos.
Si unimos los extremos, por el conductor circulará una corriente, corriente que será de cortocircuito si no hay receptor entre los dos puntos del conductor.
Como las barras están en cortocircuito, la fem generada en ellas por el corte del campo magnético, se transforma en una corriente de cortocircuito por las barras.
A su vez, según descubrió Oersted, esta corriente por los conductores (barras) crea un campo magnético a su alrededor cuya polaridad depende si la corriente inducida entra o sale por la chapa o barra (conductor).
Si las chapas o barras están unidas en forma de espira, la interacción del campo giratorio del estator, con el campo magnético inducido en el rotor, crean pares de fuerza. Estos pares de fuerzas hacen que el rotor gire.
Resumiendo: Si al conecta el estator tenemos un campo giratorio en el bobinado del estator, este crea (induce) un campo magnético en el rotor.
Si tenemos un campo magnético estático (en el rotor) dentro de otro campo magnético giratorio (en el estator), el campo estático del rotor girará siguiendo al campo giratorio del estator.
El rotor girará y ya tenemos funcionando nuestro motor.
La velocidad del rotor no puede ser nunca igual a la del campo giratorio del estator, ya que entonces el campo del rotor no cortaría las barras del rotor y no se induciría campo magnético en el, por eso son motores asíncronos, las dos velocidades no están sincronizadas.
Nikola Tesla descubrió que un sistema trifásico o bifásico genera un campo giratorio.
Nuestro problema es que un sistema monofásico de corriente alterna, como el que alimenta un motor monofásico, NO genera un campo giratorio, y como vimos, para que nuestro motor funcione, necesitamos generar de alguna manera un campo giratorio en el estator.
Fíjate en la curva Par-Velocidad de un motor monofásico:
Resulta evidente que el motor no tiene par de arranque (circulo rojo del esquema) y por tanto no podría vencer en vacío y cuando intentamos arrancarlo ni sus propios rozamientos.
Par de arranque = Fuerza de giro
Esto es lógico, porque un devanado monofásico recorrido por una corriente alterna monofásica, no produce el campo giratorio necesario.
Sin embargo, si se utilizara una ayuda como algún medio manual (con la mano), mecánico auxiliar, u otro, para ponerlo en marcha, el motor empezará a girar en el sentido en el que es impulsado y aumentará su velocidad hasta acercarse a la de sincronismo quedando así en condiciones de desarrollar trabajo mecánico sin ninguna ayuda.
Nota: el último punto de la curva sería el funcionamiento en vacío del motor (sin carga).
En ese punto, no tiene par de arranque pero gira a una velocidad cercana a la de sincronismo.
Queda claro que necesitamos una ayuda para que arranque el motor, pero lógicamente no con la mano.
Necesitamos crear del alguna manera, aunque solo sea en el momento del arranque, un campo bifásico partiendo de uno monofásico, que cree un campo magnético giratorio, para que nuestro motor monofásico arranque.
Si te fijas en la curva, el motor monofásico solo tiene problemas en el arranque, una vez arrancado funciona correctamente por si solo.
Más abajo podrás ver la explicación física de por qué realmente los motores no arrancan.
De momento con lo visto de por qué no arranca solo es suficiente, pero si quieres profundizar más: ¿Por qué No Arrancan por si solos los Motores Monofásicos?.
El tipo de ayuda que tenga el motor monofásico para su arranque determinará el tipo de motor que es.
Tipos de Motores Monofásicos
Dentro de los motores monofásicos tenemos 3 tipos principales: de fase partida, de fase partida con arranque por condensador y de espira en cortocircuito o de sombra.
Motor Monofásico de Fase Partida
¿Cómo producir un campo giratorio a partir de una red monofásica?
La respuesta es obtener un campo bifásico a partir de 2 devanados desfasados en el espacio y recorridos por corrientes también desfasadas.
Recuerda Devanado = Bobinado = Bobina (espiras) de cobre.
Estos dos devanados se conectan en paralelo entre si, el voltaje de línea se aplica a ambos al arrancar el motor.
Los dos devanados difieren entre si, física y eléctricamente.
Estos devanados se conectan en paralelo y se llaman devanado auxiliar y principal.
- Devanado Auxiliar o de arranque (START): desplazado físicamente 90º del principal y ocupa 1/3 de las ranuras, ver imagen siguiente.
Además se construye con conductor más fino y suele tener diferente cantidad de vueltasm (menos espiras).
De esta forma se le otorga una impedancia diferente al del devanado principal por lo que la su corriente estará desfasada.
El devanado de arranque tiene menos vueltas y consiste en alambre de cobre de menor diámetro que el devanado de marcha.
Por lo tanto, el devanado de arranque tiene alta resistencia y baja reactancia. Se denomina Z1 y Z2 las conexiones de este devanado en la caja de bornes y está desfasado normalmente 90º físicamente.
El desfase eléctrico de esta forma no suele superar los 30º.
- Devanado Principal o de funcionamiento (RUN): ocupa 2/3 de las ranuras con más vueltas de alambre más grueso, tiene baja resistencia y alta reactancia; pero debido a su impedancia total menor, la corriente en el devanado principal es en general mayor que la correspondiente en el devanado de arranque.
Se denominan U1 y U2 las conexiones de este devanado en la caja de bornes.
Al sumar los campos principal y auxiliar se tiene un vector giratorio que describe una elipse.
No es un campo rotante de magnitud constante pero alcanza para impulsar por sí sólo al rotor en el arranque.
Se recurre a un interruptor centrífugo que desconecta el circuito o devanado auxiliar una vez que el rotor alcanza aproximadamente el 70% de la velocidad asignada.
Este sistema se aplica en potencias entre 50W y 500W.
El motor de fase partida no suele tener un ángulo de desfase eléctrico muy grande, no suele superar los 30º, por eso el par de arranque no suele ser muy grande.
Normalmente se utiliza el de fase partida con condensador para desfasar los dos devanados 90º uno respecto del otro.
La curva solo de fase partida sería la misma que ves a continuación pero un poco más baja porque estaria menos desfasada la fase partida sola que con condensador.
Motor de Fase Partida con Arranque por Condensador
Los devanados se conectan en paralelo con un condensador que se llama condensador de arranque.
Ya sabes (o denerías) que la corriente al atravesar los condensadores queda desfasa 90º respecto a la tensión.
De esta forma la corriente eléctrica por cada devanado queda desfasadas 90º una respectyo a la otra (Ip respecto a IA) y lo que obtenemos es un sistema bifásico con uno monofásico, que además tiene un desfase de 90º (incluso mayor por el desfase físico de las bobinas)
Ahora el campo magnético creado por nuestro motor ya es un campo giratorio y en el arranque girará, aunque recuerda que solo nos hace falta en el arranque, luego desconectaremos el devanado auxiiar y el condensador.
Puedes ver estos circuitos RC (resistencia con condensador) con más detalle explicados si te interesa en el siguiente enlace: Circuitos de Corriente Alterna.
Nota: Los bornes se nombran con U1 y U2 los principales y con Z1 y Z2 los auxiliares. Antiguamente U-V y Z-W.
Si te fijas en el motor de la imagen de arriba tiene un interruptor centrífugo.
Este interruptor centrífugo desconecta el devanado auxiliar y el condensador una vez que el motor llega a una determinada velocidad (sobre el 80% de la nominal), ya que no son necesarios.
Te planteamos un pequeño ejercicio.
¿Serías capaz de dibujar los conductores o el cableado para el motor de la imagen de arriba donde vienen los bornes de cada parte del motor?
En aplicaciones más exigentes, el condensador de arranque deberá tener más capacidad para que el par de arranque sea el suficiente. Esto se puede conseguir con dos condensadores:
- Un condensador permanente siempre conectado en serie con el devanado auxiliar.
- Un condensador de arranque, conectando en paralelo con el permanente en el momento del arranque, para aumentar la capacidad, y que luego será desconectado.
La secuencia de funcionamiento es la siguiente:
1. Se produce el arranque (punto 0) con ambos condensadores en paralelo (se suman las capacidades) obteniendo alto par de arranque.
2. Cerca del punto de funcionamiento del motor, se elimina el condensador de arranque (punto 1).
3. El motor evoluciona hasta el punto 2 sólo con el condensador permanente.
Ya vimos que para la desconexión se puede utilizar un interruptor centrífugo, pero en el esquema de los 2 condensadores utilizamos otro elemento diferente llamado Relé de Intensidad.
En los relés de intensidad (típicos de compresores de frío), la bobina del relé se conecta en serie con el devanado principal.
Cuando la intensidad se aproxima a la nominal (un 80 % aproximadamente), significa que el motor ya esta lanzado y el contacto del relé se abre desconectando el condensador de Arranque (CA).
Se pueden utilizar los dos sistemas, interruptor centrífugo o relé de intensidad, los dos son igual de válidos.
El devanado auxiliar puede estar +90º (adelantado) o -90º (retrasado) respeto al principal, depende de la conexión de este devanado.
Si está a +90º girará en un sentido y si está a -90º en el sentido contrario, por lo tanto, para cambiar el sentido de giro de un motor monofásico de fase partida bastará con cambiar las conexiones del devanado auxiliar.
Esto se puede realizar fácilmente en la caja de conexiones o bornes que viene de serie con el motor. U1 y U2 son el devanado principal, Z1 y Z2 el auxiliar.
A veces hay otro borne que sería para la toma de tierra.
Incluso a veces hay 6 bornes en el que uno se deja sin conectar o es para conectar otro condensador.
Luego veremos las velocidades y otras magnitudes de estos motores.
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 que desarrolla alto par de arranque bajo carga y cuando se requiere un motor reversible.
Si te intersa la conexión de los bornes en la caja de bornes de otro tipo de motores, como el dahlander, el de rotor bobinado, el de 9 o 12 bornes, visita la web: Conexión Bornes Motores.
Motor Monofásico de Espira en Cortocircuito o Espira de Sombra
Son motores de muy pequeña potencia, normalmente inferiores a 300w por lo que su uso es muy limitado.
Se usa donde los requisitos de potencia son pequeños, como relojes, secadores de pelo, ventiladores pequeños, etc.
Este motor puede arrancarse directamente por si solo, lo que se consigue por el efecto que producen las llamadas espiras en cortocircuito o de arranque o incluso espira de sombra, que son simples aros de cobre en cortocircuito.
El sistema consiste en dividir los polos del estator en dos partes desiguales y en una de esas partes colocar una espira en cortocircuito, también llamada espira de sombra.
Estos motores son todos de polos salientes en el estator y con el rotor en jaula de ardilla.
La interacción entre el campo magnético pulsante principal y los campos creados por la corrientes inducidas en las espiras de sombra, produce un débil y deformado campo giratorio, capaz de producir un pequeño par de arranque en el motor, arrancando por si solo.
La diferencia entre el campo principal y el inducido en la espira en cortocircuito no llega al 90º, pero es suficiente para crear ese pequeño par de arranque.
Circuitos y Esquemas de Arranque de un Motor Monofásico
Para alimentar un motor monofásico se deben de tener en cuenta que hay que poner elementos de protección en el circuito
Por ejemplo, un interruptor magnetotérmico omnipolar y por ejemplo un relé térmico de sobrecarga que evite el calentamiento excesivo del motor.
Los circuitos de motores se hacen con contactores para el arranque y el control del motor.
El relé térmico suele ir incrustado en el contactor.
Los circuitos de motores se dividen en dos, el de fuerza o potencia y el de mando y señalización.
Este último también se puede llamar de control.
En el circuito de control se manejan regularmente bajos niveles de corrientes y voltajes (señales) en el de fuerza o potencia a la inversa, se manejan altos niveles de corrientes y voltajes.
Los circuitos de control y de señalización, se utilizan los símbolos correspondientes a los mandos de control de contactores, relés y otros aparatos controlados eléctricamente.
Se representa la lógica del funcionamiento de la instalación o automatismo.
El Circuito de Fuerza es donde se hacen las conexiones para lograr encender el motor eléctrico.
Veamos el esquema básico de arranque de un motor monofásico:
Fíjate que el contacto auxiliar 13-14 del contactor en el esquema de mando lo que hace es el llamado "enclavamiento" del contactor, es decir, una vez se pulsa el pulsador de marcha el contactor sigue con corriente (enclavado) aunque soltemos el pulsador de marcha (se abra) ya que ahora la corriente le llega a través de su propio contacto auxiliar, el 13-14.
Muchas veces los elementos que utilizamos para un circuito de un motor monofásico son elementos preparados para las conexiones de motores trifásico.
En este caso, fíjate en el siguiente esquema lo que se suele hacer:
Al final es lo mismo ya que es la misma fase la que corta los contactos 3-4 y 5-6.
Imagina que el motor anterior queremos tener la posibilidad de arrancarlo desde modo local y desde una cierta distancia de donde está situado "a distancia".
Además queremos tener una luz que nos avise cuando el motor está encendido.
Ahora veamos el esquema para la inversión de giro de un motor monofásico. Utilizamos 3 contactores, K1 para el bobinado principal, K2 y K3 para el bobinado auxiliar.
Recuerda para cambiar el sentido de giro de un motor monofásico solo tenemos que cambiar (invertir) las conexiones del devanado auxiliar, como vimos al principio.
Para motores no muy grandes se podría hacer la inversión de giro con un simple conmutador.
¿Como Identificar el bobinado principal del auxiliar si no lo sabemos?
Muy fácil, si tienen continuidad dos bornes o cables son un bobinado.
De los dos que tendremos, el que tenga más resistencia será el principal y que tenga menos el auxiliar.
Velocidad de los Motores Monofásicos
La velocidad en los motores de inducción monofásicos o trifásicos, depende del número de polos y la frecuencia de la corriente alterna.
A mayor frecuencia de la corriente alterna será mayor la velocidad y a mayor número polos menor será la velocidad.
Siendo así que el motor de mayor velocidad será el de 2 polos.
En Europa la frecuencia de la corriente monofásica de suministro es de 50 Hz (hertzios) y en América suele ser de 60Hz. La fórmula es la siguiente:
Las velocidades normales de éstos motores a 50Hz oscila entre 1.500rpm y 3000 r.p.m., dependiendo si el motor es de 2 ó 4 polos, teniendo unas tensiones normalmente de 230 V entre fase y neutro.
Esta velocidad es la de sincronismo (la del campo giratorio del estator), por eso la velocidad real del rotor es un poco mas pequeña, recuerda que son motores asíncronos y hay un resbalamiento debido a la carga que se pierde, más o menos del 3%.
Como el número de polos del motor no se puede cambiar, si queremos regular la velocidad de un motor monofásico debemos cambiar de alguna forma la frecuencia del sistema monofásico que le alimenta o bien cambiar el deslizamiento, son las únicas dos formas.
Existen en el mercado variadores de frecuencia especiales para motores monofásicos. Puedes ver uno en el siguiente enlace: Regulador de Velocidad Motor Monofásico.
Otra solución es colocar poleas entre el rotor y otros ejes para aumentar o disminuir la velocidad, pero las potencias finales variarán mucho con respecto a lo del motor.
¿Por qué depende del Número de Polos la Velocidad?
El principio es que en un motor de 2 polos, al recibir un medio ciclo de la corriente alterna, forma una atracción que lo obliga a dar media vuelta para recorrer el espacio que ocupa un polo y al llegar el otro medio ciclo recorrerá el otro polo, completando una vuelta por cada ciclo.
Si la corriente alterna es de 50 ciclos por segundo, el motor dará 50 vueltas por segundo (3000 revoluciones por minuto), en un motor de 4 polos con un ciclo, dará sólo media vuelta, porque los polos ocupan la cuarta parte del estator, que necesitará 4 medios ciclos para dar una vuelta.
La relación que existe, lo da la formula anterior.
Tipos de Corriente en los Motores
Los motores eléctricos pueden tener distintos tipos de corriente o intensidades, que fundamentalmente son: corriente nominal, corriente de vacío, corriente de arranque y corriente a rotor bloqueado.
- Corriente nominal: En un motor, el valor de la corriente nominal es la cantidad de corriente que consumirá el motor en condiciones normales de operación.
- Corriente de vacío: Es la corriente que consumirá el motor cuando no se encuentre operando con carga y es aproximadamente del 20% al 30% de su corriente nominal.
- Corriente de arranque: Todos los motores eléctricos para operar consumen un excedente de corriente, mayor que su corriente nominal, que es aproximadamente de dos a ocho veces superior.
- Corriente a rotor bloqueado: Es la corriente máxima que soportara el motor cuando su rotor esté totalmente detenido.
Rendimiento de un motor
Entendemos como rendimiento de un motor el cociente entre su potencia útil o desarrollada en el eje (este dato lo proporciona el fabricante mediante la placa de características del motor) y la potencia total o absorbida de la red, el resultado nos lo da en tanto por uno, que si multiplicamos por 100 nos dará el resultado en tanto por ciento.
Potencias en los Motores Monofásicos
La tensión y la intensidad en corriente alterna pueden tener un desfase.
Este desfase viene dado por la impedancia del circuito (inductiva, reactiva o capacitiva).
Por lo tanto la potencia absorbida por un motor en corriente alterna viene dada por la expresión:
Pactiva = V x I cos ρ
¿Por Qué No arrancan Por si Solos los Motores Monofásicos?
Si en el estator situamos un bobinado monofásico y lo sometemos a una tensión alterna senoidal (monofásica), el campo magnético que se obtiene es un campo alternativo y fijo, es decir, cambia de polaridad con la frecuencia de forma alternativa, aumentando y disminuyendo en cada polaridad de forma parecida a la intensidad de la corriente en alterna (onda senoidal).
Todo esto lo hace siempre sobre el mismo eje, por lo que no es un campo magnético giratorio. Ver imagen de más abajo.
Este campo del estator, conectado a fase y neutro (monofásica), aunque no sea giratorio, si que cortan sus línea de campo las barras del rotor y se produce una fuerza electromotriz en ellas, que al estar en cortocircuito aparecen una corrientes de cortocircuito por las barras del rotor y por lo tanto se genera alrededor de las barras un campo magnético con un par de fuerzas en el rotor.
El problema es que el par de fuerzas que se crea es un par de fuerzas una vez en un sentido y otro vez en el sentido contrario (cuando cambia de polaridad la corriente en el estator), impidiendo así el giro del rotor.
No tiene par de arranque ya que ambos pares se anulan.
En estas condiciones, si empujamos el rotor manualmente en uno de los dos sentidos, conseguimos desplazar el eje del campo magnético del rotor y el motor comenzará a girar por si solo hasta alcanzar su velocidad nominal.
El motor permanecerá girando en el mismo sentido en el que se impulsó inicialmente hasta que se desconecte de la corriente.
Puesto que no hay campo magnético rotacional en el estator, un motor monofásico de inducción no tiene par de arranque.
Sin embargo, si se utilizara algún medio manual, mecánico auxiliar, u otro, para ponerlo en marcha, el motor empezará a girar en el sentido en el que es impulsado y aumentará su velocidad hasta acercarse a la de sincronismo quedando así en condiciones de desarrollar trabajo mecánico por si solo, o lo que es lo mismo, puede girar sin la necesidad de la ayuda inicial.
Con el siguiente video puede que lo entiendas mejor:
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Generalmente se utilizan para potencias menores de 2Kw o 3Kw.
El suministro de corriente alterna (ca) trifásica no siempre está disponible en todas las instalaciones eléctricas.
El ejemplo mas claro es el de las viviendas, donde tenemos gran cantidad de electrodomésticos con motores pero no disponemos de trifásica, solo corriente monofásica (fase + neutro) a 230V.
Casi todos los frigoríficos y expositores de frío comerciales de los supermercados, los aires acondicionados o bombas de calor, los portones de los garajes, etc., también están accionados por motores monofásicos.
OJO, para pequeños electrodomésticos (batidoras, molinillos, máquinas de afeitar, etc.) la tendencia es utilizar el motor universal, del que hablaremos en otro capítulo, y que son motores de corriente alterna.
Podemos considerar los motores monofásicos como los hermanos pequeños de los motores trifásicos, puesto que comparten con ellos la sencillez del conexionado y el principio de funcionamiento.
Sin embargo no se pueden compararse en rendimiento energético ni en potencia.
Dentro de los motores monofásicos tenemos 3 tipos principales: de fase partida, de fase partida con arranque por condensador y de espira en cortocircuito o de sombra.
Primero veamos cual es el principio de funcionamiento de estos motores y luego cada uno de los tipos por separado.
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Indice de Contenidos:
- Funcionamiento del Motor Monofásico
- Tipos de Motores Monofásicos
- Motor Monofásico de Fase Partida
- Motor de Fase Partida con Arranque por Condensador
- Motor Monofásico de Espira en Cortocircuito o Espira de Sombra
- Arranque de los Motores Monofasicos Circuitos y Esquemas
- ¿Como Identificar el bobinado principal del auxiliar si no lo sabemos?
- Velocidad de los Motores Monofásicos
- ¿Por qué depende del Número de Polos la Velocidad?
- Tipos de Corriente en los Motores
- Rendimiento de un motor
- Potencias en los Motores Monofásicos
- ¿Por Qué No arrancan Por si Solos los Motores Monofásicos?
Funcionamiento del Motor Monofásico
Los motores monofásicos, al igual que los trifásicos, están constituidos por un estator donde se alojan los devanados o bobinas inductoras, y un rotor (inducido) en jaula de ardilla con barras en cortocircuito.
Muchas cosas sobre los principios de funcionamiento de un motor eléctrico ya las vimos en el motor eléctrico de forma más desarrollada de lo que lo veremos aquí.
Si no entiendes algo te recomendamos que veas: Motor Eléctrico.
La jaula de ardilla en el rotor son simplemente unas barras de aluminio que están en cortocircuito mediante unos anillos (unidas por anillos metálicos para ponerlas en cortocircuitos).
Estas barras son conductores eléctricos.
Si al conectar el estator a la corriente o tensión monofásica se creara en él un campo magnético giratorio, durante su giro este campo magnético iría cortándo las barras del estator (conductores), creándose en ellas una fem (fuerza electromotriz o tensión) según descubrió Faraday.
Faraday: un campo magnético que corta un conductor produce en el conductor una tensión o fuerza electromotriz en sus extremos.
Si unimos los extremos, por el conductor circulará una corriente, corriente que será de cortocircuito si no hay receptor entre los dos puntos del conductor.
Como las barras están en cortocircuito, la fem generada en ellas por el corte del campo magnético, se transforma en una corriente de cortocircuito por las barras.
A su vez, según descubrió Oersted, esta corriente por los conductores (barras) crea un campo magnético a su alrededor cuya polaridad depende si la corriente inducida entra o sale por la chapa o barra (conductor).
Si las chapas o barras están unidas en forma de espira, la interacción del campo giratorio del estator, con el campo magnético inducido en el rotor, crean pares de fuerza. Estos pares de fuerzas hacen que el rotor gire.
Resumiendo: Si al conecta el estator tenemos un campo giratorio en el bobinado del estator, este crea (induce) un campo magnético en el rotor.
Si tenemos un campo magnético estático (en el rotor) dentro de otro campo magnético giratorio (en el estator), el campo estático del rotor girará siguiendo al campo giratorio del estator.
El rotor girará y ya tenemos funcionando nuestro motor.
La velocidad del rotor no puede ser nunca igual a la del campo giratorio del estator, ya que entonces el campo del rotor no cortaría las barras del rotor y no se induciría campo magnético en el, por eso son motores asíncronos, las dos velocidades no están sincronizadas.
Nikola Tesla descubrió que un sistema trifásico o bifásico genera un campo giratorio.
Nuestro problema es que un sistema monofásico de corriente alterna, como el que alimenta un motor monofásico, NO genera un campo giratorio, y como vimos, para que nuestro motor funcione, necesitamos generar de alguna manera un campo giratorio en el estator.
Fíjate en la curva Par-Velocidad de un motor monofásico:
Resulta evidente que el motor no tiene par de arranque (circulo rojo del esquema) y por tanto no podría vencer en vacío y cuando intentamos arrancarlo ni sus propios rozamientos.
Par de arranque = Fuerza de giro
Esto es lógico, porque un devanado monofásico recorrido por una corriente alterna monofásica, no produce el campo giratorio necesario.
Sin embargo, si se utilizara una ayuda como algún medio manual (con la mano), mecánico auxiliar, u otro, para ponerlo en marcha, el motor empezará a girar en el sentido en el que es impulsado y aumentará su velocidad hasta acercarse a la de sincronismo quedando así en condiciones de desarrollar trabajo mecánico sin ninguna ayuda.
Nota: el último punto de la curva sería el funcionamiento en vacío del motor (sin carga).
En ese punto, no tiene par de arranque pero gira a una velocidad cercana a la de sincronismo.
Queda claro que necesitamos una ayuda para que arranque el motor, pero lógicamente no con la mano.
Necesitamos crear del alguna manera, aunque solo sea en el momento del arranque, un campo bifásico partiendo de uno monofásico, que cree un campo magnético giratorio, para que nuestro motor monofásico arranque.
Si te fijas en la curva, el motor monofásico solo tiene problemas en el arranque, una vez arrancado funciona correctamente por si solo.
Más abajo podrás ver la explicación física de por qué realmente los motores no arrancan.
De momento con lo visto de por qué no arranca solo es suficiente, pero si quieres profundizar más: ¿Por qué No Arrancan por si solos los Motores Monofásicos?.
El tipo de ayuda que tenga el motor monofásico para su arranque determinará el tipo de motor que es.
Tipos de Motores Monofásicos
Dentro de los motores monofásicos tenemos 3 tipos principales: de fase partida, de fase partida con arranque por condensador y de espira en cortocircuito o de sombra.
Motor Monofásico de Fase Partida
¿Cómo producir un campo giratorio a partir de una red monofásica?
La respuesta es obtener un campo bifásico a partir de 2 devanados desfasados en el espacio y recorridos por corrientes también desfasadas.
Recuerda Devanado = Bobinado = Bobina (espiras) de cobre.
Estos dos devanados se conectan en paralelo entre si, el voltaje de línea se aplica a ambos al arrancar el motor.
Los dos devanados difieren entre si, física y eléctricamente.
Estos devanados se conectan en paralelo y se llaman devanado auxiliar y principal.
- Devanado Auxiliar o de arranque (START): desplazado físicamente 90º del principal y ocupa 1/3 de las ranuras, ver imagen siguiente.
Además se construye con conductor más fino y suele tener diferente cantidad de vueltasm (menos espiras).
De esta forma se le otorga una impedancia diferente al del devanado principal por lo que la su corriente estará desfasada.
El devanado de arranque tiene menos vueltas y consiste en alambre de cobre de menor diámetro que el devanado de marcha.
Por lo tanto, el devanado de arranque tiene alta resistencia y baja reactancia. Se denomina Z1 y Z2 las conexiones de este devanado en la caja de bornes y está desfasado normalmente 90º físicamente.
El desfase eléctrico de esta forma no suele superar los 30º.
- Devanado Principal o de funcionamiento (RUN): ocupa 2/3 de las ranuras con más vueltas de alambre más grueso, tiene baja resistencia y alta reactancia; pero debido a su impedancia total menor, la corriente en el devanado principal es en general mayor que la correspondiente en el devanado de arranque.
Se denominan U1 y U2 las conexiones de este devanado en la caja de bornes.
Al sumar los campos principal y auxiliar se tiene un vector giratorio que describe una elipse.
No es un campo rotante de magnitud constante pero alcanza para impulsar por sí sólo al rotor en el arranque.
Se recurre a un interruptor centrífugo que desconecta el circuito o devanado auxiliar una vez que el rotor alcanza aproximadamente el 70% de la velocidad asignada.
Este sistema se aplica en potencias entre 50W y 500W.
El motor de fase partida no suele tener un ángulo de desfase eléctrico muy grande, no suele superar los 30º, por eso el par de arranque no suele ser muy grande.
Normalmente se utiliza el de fase partida con condensador para desfasar los dos devanados 90º uno respecto del otro.
La curva solo de fase partida sería la misma que ves a continuación pero un poco más baja porque estaria menos desfasada la fase partida sola que con condensador.
Motor de Fase Partida con Arranque por Condensador
Los devanados se conectan en paralelo con un condensador que se llama condensador de arranque.
Ya sabes (o denerías) que la corriente al atravesar los condensadores queda desfasa 90º respecto a la tensión.
De esta forma la corriente eléctrica por cada devanado queda desfasadas 90º una respectyo a la otra (Ip respecto a IA) y lo que obtenemos es un sistema bifásico con uno monofásico, que además tiene un desfase de 90º (incluso mayor por el desfase físico de las bobinas)
Ahora el campo magnético creado por nuestro motor ya es un campo giratorio y en el arranque girará, aunque recuerda que solo nos hace falta en el arranque, luego desconectaremos el devanado auxiiar y el condensador.
Puedes ver estos circuitos RC (resistencia con condensador) con más detalle explicados si te interesa en el siguiente enlace: Circuitos de Corriente Alterna.
Nota: Los bornes se nombran con U1 y U2 los principales y con Z1 y Z2 los auxiliares. Antiguamente U-V y Z-W.
Si te fijas en el motor de la imagen de arriba tiene un interruptor centrífugo.
Este interruptor centrífugo desconecta el devanado auxiliar y el condensador una vez que el motor llega a una determinada velocidad (sobre el 80% de la nominal), ya que no son necesarios.
Te planteamos un pequeño ejercicio.
¿Serías capaz de dibujar los conductores o el cableado para el motor de la imagen de arriba donde vienen los bornes de cada parte del motor?
En aplicaciones más exigentes, el condensador de arranque deberá tener más capacidad para que el par de arranque sea el suficiente. Esto se puede conseguir con dos condensadores:
- Un condensador permanente siempre conectado en serie con el devanado auxiliar.
- Un condensador de arranque, conectando en paralelo con el permanente en el momento del arranque, para aumentar la capacidad, y que luego será desconectado.
La secuencia de funcionamiento es la siguiente:
1. Se produce el arranque (punto 0) con ambos condensadores en paralelo (se suman las capacidades) obteniendo alto par de arranque.
2. Cerca del punto de funcionamiento del motor, se elimina el condensador de arranque (punto 1).
3. El motor evoluciona hasta el punto 2 sólo con el condensador permanente.
Ya vimos que para la desconexión se puede utilizar un interruptor centrífugo, pero en el esquema de los 2 condensadores utilizamos otro elemento diferente llamado Relé de Intensidad.
En los relés de intensidad (típicos de compresores de frío), la bobina del relé se conecta en serie con el devanado principal.
Cuando la intensidad se aproxima a la nominal (un 80 % aproximadamente), significa que el motor ya esta lanzado y el contacto del relé se abre desconectando el condensador de Arranque (CA).
Se pueden utilizar los dos sistemas, interruptor centrífugo o relé de intensidad, los dos son igual de válidos.
El devanado auxiliar puede estar +90º (adelantado) o -90º (retrasado) respeto al principal, depende de la conexión de este devanado.
Si está a +90º girará en un sentido y si está a -90º en el sentido contrario, por lo tanto, para cambiar el sentido de giro de un motor monofásico de fase partida bastará con cambiar las conexiones del devanado auxiliar.
Esto se puede realizar fácilmente en la caja de conexiones o bornes que viene de serie con el motor. U1 y U2 son el devanado principal, Z1 y Z2 el auxiliar.
A veces hay otro borne que sería para la toma de tierra.
Incluso a veces hay 6 bornes en el que uno se deja sin conectar o es para conectar otro condensador.
Luego veremos las velocidades y otras magnitudes de estos motores.
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 que desarrolla alto par de arranque bajo carga y cuando se requiere un motor reversible.
Si te intersa la conexión de los bornes en la caja de bornes de otro tipo de motores, como el dahlander, el de rotor bobinado, el de 9 o 12 bornes, visita la web: Conexión Bornes Motores.
Motor Monofásico de Espira en Cortocircuito o Espira de Sombra
Son motores de muy pequeña potencia, normalmente inferiores a 300w por lo que su uso es muy limitado.
Se usa donde los requisitos de potencia son pequeños, como relojes, secadores de pelo, ventiladores pequeños, etc.
Este motor puede arrancarse directamente por si solo, lo que se consigue por el efecto que producen las llamadas espiras en cortocircuito o de arranque o incluso espira de sombra, que son simples aros de cobre en cortocircuito.
El sistema consiste en dividir los polos del estator en dos partes desiguales y en una de esas partes colocar una espira en cortocircuito, también llamada espira de sombra.
Estos motores son todos de polos salientes en el estator y con el rotor en jaula de ardilla.
La interacción entre el campo magnético pulsante principal y los campos creados por la corrientes inducidas en las espiras de sombra, produce un débil y deformado campo giratorio, capaz de producir un pequeño par de arranque en el motor, arrancando por si solo.
La diferencia entre el campo principal y el inducido en la espira en cortocircuito no llega al 90º, pero es suficiente para crear ese pequeño par de arranque.
Circuitos y Esquemas de Arranque de un Motor Monofásico
Para alimentar un motor monofásico se deben de tener en cuenta que hay que poner elementos de protección en el circuito
Por ejemplo, un interruptor magnetotérmico omnipolar y por ejemplo un relé térmico de sobrecarga que evite el calentamiento excesivo del motor.
Los circuitos de motores se hacen con contactores para el arranque y el control del motor.
El relé térmico suele ir incrustado en el contactor.
Los circuitos de motores se dividen en dos, el de fuerza o potencia y el de mando y señalización.
Este último también se puede llamar de control.
En el circuito de control se manejan regularmente bajos niveles de corrientes y voltajes (señales) en el de fuerza o potencia a la inversa, se manejan altos niveles de corrientes y voltajes.
Los circuitos de control y de señalización, se utilizan los símbolos correspondientes a los mandos de control de contactores, relés y otros aparatos controlados eléctricamente.
Se representa la lógica del funcionamiento de la instalación o automatismo.
El Circuito de Fuerza es donde se hacen las conexiones para lograr encender el motor eléctrico.
Veamos el esquema básico de arranque de un motor monofásico:
Fíjate que el contacto auxiliar 13-14 del contactor en el esquema de mando lo que hace es el llamado "enclavamiento" del contactor, es decir, una vez se pulsa el pulsador de marcha el contactor sigue con corriente (enclavado) aunque soltemos el pulsador de marcha (se abra) ya que ahora la corriente le llega a través de su propio contacto auxiliar, el 13-14.
Muchas veces los elementos que utilizamos para un circuito de un motor monofásico son elementos preparados para las conexiones de motores trifásico.
En este caso, fíjate en el siguiente esquema lo que se suele hacer:
Al final es lo mismo ya que es la misma fase la que corta los contactos 3-4 y 5-6.
Imagina que el motor anterior queremos tener la posibilidad de arrancarlo desde modo local y desde una cierta distancia de donde está situado "a distancia".
Además queremos tener una luz que nos avise cuando el motor está encendido.
Ahora veamos el esquema para la inversión de giro de un motor monofásico. Utilizamos 3 contactores, K1 para el bobinado principal, K2 y K3 para el bobinado auxiliar.
Recuerda para cambiar el sentido de giro de un motor monofásico solo tenemos que cambiar (invertir) las conexiones del devanado auxiliar, como vimos al principio.
Para motores no muy grandes se podría hacer la inversión de giro con un simple conmutador.
¿Como Identificar el bobinado principal del auxiliar si no lo sabemos?
Muy fácil, si tienen continuidad dos bornes o cables son un bobinado.
De los dos que tendremos, el que tenga más resistencia será el principal y que tenga menos el auxiliar.
Velocidad de los Motores Monofásicos
La velocidad en los motores de inducción monofásicos o trifásicos, depende del número de polos y la frecuencia de la corriente alterna.
A mayor frecuencia de la corriente alterna será mayor la velocidad y a mayor número polos menor será la velocidad.
Siendo así que el motor de mayor velocidad será el de 2 polos.
En Europa la frecuencia de la corriente monofásica de suministro es de 50 Hz (hertzios) y en América suele ser de 60Hz. La fórmula es la siguiente:
Las velocidades normales de éstos motores a 50Hz oscila entre 1.500rpm y 3000 r.p.m., dependiendo si el motor es de 2 ó 4 polos, teniendo unas tensiones normalmente de 230 V entre fase y neutro.
Esta velocidad es la de sincronismo (la del campo giratorio del estator), por eso la velocidad real del rotor es un poco mas pequeña, recuerda que son motores asíncronos y hay un resbalamiento debido a la carga que se pierde, más o menos del 3%.
Como el número de polos del motor no se puede cambiar, si queremos regular la velocidad de un motor monofásico debemos cambiar de alguna forma la frecuencia del sistema monofásico que le alimenta o bien cambiar el deslizamiento, son las únicas dos formas.
Existen en el mercado variadores de frecuencia especiales para motores monofásicos. Puedes ver uno en el siguiente enlace: Regulador de Velocidad Motor Monofásico.
Otra solución es colocar poleas entre el rotor y otros ejes para aumentar o disminuir la velocidad, pero las potencias finales variarán mucho con respecto a lo del motor.
¿Por qué depende del Número de Polos la Velocidad?
El principio es que en un motor de 2 polos, al recibir un medio ciclo de la corriente alterna, forma una atracción que lo obliga a dar media vuelta para recorrer el espacio que ocupa un polo y al llegar el otro medio ciclo recorrerá el otro polo, completando una vuelta por cada ciclo.
Si la corriente alterna es de 50 ciclos por segundo, el motor dará 50 vueltas por segundo (3000 revoluciones por minuto), en un motor de 4 polos con un ciclo, dará sólo media vuelta, porque los polos ocupan la cuarta parte del estator, que necesitará 4 medios ciclos para dar una vuelta.
La relación que existe, lo da la formula anterior.
Tipos de Corriente en los Motores
Los motores eléctricos pueden tener distintos tipos de corriente o intensidades, que fundamentalmente son: corriente nominal, corriente de vacío, corriente de arranque y corriente a rotor bloqueado.
- Corriente nominal: En un motor, el valor de la corriente nominal es la cantidad de corriente que consumirá el motor en condiciones normales de operación.
- Corriente de vacío: Es la corriente que consumirá el motor cuando no se encuentre operando con carga y es aproximadamente del 20% al 30% de su corriente nominal.
- Corriente de arranque: Todos los motores eléctricos para operar consumen un excedente de corriente, mayor que su corriente nominal, que es aproximadamente de dos a ocho veces superior.
- Corriente a rotor bloqueado: Es la corriente máxima que soportara el motor cuando su rotor esté totalmente detenido.
Rendimiento de un motor
Entendemos como rendimiento de un motor el cociente entre su potencia útil o desarrollada en el eje (este dato lo proporciona el fabricante mediante la placa de características del motor) y la potencia total o absorbida de la red, el resultado nos lo da en tanto por uno, que si multiplicamos por 100 nos dará el resultado en tanto por ciento.
Potencias en los Motores Monofásicos
La tensión y la intensidad en corriente alterna pueden tener un desfase.
Este desfase viene dado por la impedancia del circuito (inductiva, reactiva o capacitiva).
Por lo tanto la potencia absorbida por un motor en corriente alterna viene dada por la expresión:
Pactiva = V x I cos ρ
¿Por Qué No arrancan Por si Solos los Motores Monofásicos?
Si en el estator situamos un bobinado monofásico y lo sometemos a una tensión alterna senoidal (monofásica), el campo magnético que se obtiene es un campo alternativo y fijo, es decir, cambia de polaridad con la frecuencia de forma alternativa, aumentando y disminuyendo en cada polaridad de forma parecida a la intensidad de la corriente en alterna (onda senoidal).
Todo esto lo hace siempre sobre el mismo eje, por lo que no es un campo magnético giratorio. Ver imagen de más abajo.
Este campo del estator, conectado a fase y neutro (monofásica), aunque no sea giratorio, si que cortan sus línea de campo las barras del rotor y se produce una fuerza electromotriz en ellas, que al estar en cortocircuito aparecen una corrientes de cortocircuito por las barras del rotor y por lo tanto se genera alrededor de las barras un campo magnético con un par de fuerzas en el rotor.
El problema es que el par de fuerzas que se crea es un par de fuerzas una vez en un sentido y otro vez en el sentido contrario (cuando cambia de polaridad la corriente en el estator), impidiendo así el giro del rotor.
No tiene par de arranque ya que ambos pares se anulan.
En estas condiciones, si empujamos el rotor manualmente en uno de los dos sentidos, conseguimos desplazar el eje del campo magnético del rotor y el motor comenzará a girar por si solo hasta alcanzar su velocidad nominal.
El motor permanecerá girando en el mismo sentido en el que se impulsó inicialmente hasta que se desconecte de la corriente.
Puesto que no hay campo magnético rotacional en el estator, un motor monofásico de inducción no tiene par de arranque.
Sin embargo, si se utilizara algún medio manual, mecánico auxiliar, u otro, para ponerlo en marcha, el motor empezará a girar en el sentido en el que es impulsado y aumentará su velocidad hasta acercarse a la de sincronismo quedando así en condiciones de desarrollar trabajo mecánico por si solo, o lo que es lo mismo, puede girar sin la necesidad de la ayuda inicial.
Con el siguiente video puede que lo entiendas mejor:
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