13.9: Motores de Inducción Monofásicos

Un motor trifásico puede funcionar desde una fuente de alimentación monofásica. (Figura abajo) Sin embargo, no se iniciará por sí mismo. Se puede arrancar a mano en cualquier dirección, llegando a la velocidad en pocos segundos. Solo desarrollará 2/3 de la potencia nominal de 3 φ porque no se usa un devanado.

3-φmotor funciona desde 1-φ potencia pero no arranca.

Bobina simple de un motor monofásico

La bobina simple de un motor de inducción monofásico no produce un campo magnético giratorio, sino un campo pulsante que alcanza la máxima intensidad a 0 ^o y 180 ^o eléctrico. (Figura abajo)

El estator monofásico produce un campo magnético pulsante y no giratorio.

Otra visión es que la bobina simple excitada por una corriente monofásica produce dos fasores de campo magnético contrarrotativos, coincidiendo dos veces por revolución a 0 ^o (Figura superior-a) y 180 ^o (figura e). Cuando los fasores giran a 90 ^o y -90 ^o cancelan en la figura b. A 45 ^{o y -45 o} (figura c) son parcialmente aditivos a lo largo del eje +x y cancelan a lo largo del eje y. Existe una situación análoga en la figura d. La suma de estos dos fasores es un fasor estacionario en el espacio, pero alternando polaridad en el tiempo. Por lo tanto, no se desarrolla par de arranque.

Sin embargo, si el rotor se gira hacia adelante a un poco menos que la velocidad síncrona, desarrollará un par máximo al 10% de deslizamiento con respecto al fasor giratorio hacia adelante. Se desarrollará menos torque por encima o por debajo del 10% de deslizamiento. El rotor verá 200% - 10% de deslizamiento con respecto al fasor de campo magnético contrarrotativo. Se desarrolla poco par (ver curva de par vs deslizamiento) que no sea una ondulación de doble frecuencia a partir del fasor contrarrotante. De esta manera, la bobina monofásica desarrollará par, una vez arrancado el rotor. Si el rotor se inicia en la dirección inversa, desarrollará un par similar grande a medida que se acerca a la velocidad del fasor que gira hacia atrás.

Los motores de inducción monofásicos tienen una jaula de ardilla de cobre o aluminio incrustada en un cilindro de laminaciones de acero, típico de los motores de inducción polifásicos.

Motor de condensador de división permanente

Una forma de resolver el problema monofásico es construir un motor bifásico, derivando potencia bifásica de una sola fase. Esto requiere un motor con dos devanados separados 90 ^o eléctricos, alimentados con dos fases de corriente desplazadas 90 ^o en el tiempo. Esto se llama un motor de condensador de división permanente en la Figura a continuación.

Motor de inducción de condensador de división permanente.

Este tipo de motor sufre mayor magnitud de corriente y cambio de tiempo hacia atrás a medida que el motor sube a la velocidad, con pulsaciones de par a toda velocidad. La solución es mantener el condensador (impedancia) pequeño para minimizar las pérdidas. Las pérdidas son menores que para un motor de polo sombreado. Esta configuración de motor funciona bien hasta 1/4 caballos de fuerza (200 vatios), aunque, generalmente se aplica a motores más pequeños. La dirección del motor se invierte fácilmente cambiando el condensador en serie con el otro devanado. Este tipo de motor se puede adaptar para su uso como servomotor, se describe en otra parte de este capítulo.

Motor de inducción monofásico con bobinas de estator incrustadas.

Los motores de inducción monofásicos pueden tener bobinas incrustadas en el estator como se muestra en la Figura anterior para motores de mayor tamaño. Sin embargo, los tamaños más pequeños usan menos complejos para construir devanados concentrados con postes salientes.

Motor de inducción de arranque por condensador

En la figura siguiente se puede usar un condensador más grande para arrancar un motor de inducción monofásico a través del devanado auxiliar si es conmutado por un interruptor centrífugo una vez que el motor está al día. Además, el devanado auxiliar puede ser muchas más vueltas de alambre más pesado que el usado en un motor de fase dividida de resistencia para mitigar el aumento excesivo de temperatura. El resultado es que hay más par de arranque disponible para cargas pesadas como los compresores de aire acondicionado. Esta configuración de motor funciona tan bien que está disponible en tamaños de varios caballos de fuerza (varios kilovatios).

Motor de inducción de arranque por condensador.

Motor de inducción del motor de funcionamiento por condensador

Una variación del motor de arranque del condensador (Figura a continuación) es arrancar el motor con un condensador relativamente grande para un par de arranque alto, pero dejar un condensador de menor valor en su lugar después de comenzar para mejorar las características de funcionamiento sin generar una corriente excesiva. La complejidad adicional del motor de funcionamiento por condensador se justifica para motores de mayor tamaño.

Motor de inducción de motor de funcionamiento por condensador.

Un condensador de arranque de motor puede ser un condensador electrolítico no polar de doble ánodo que podría ser de dos capacitores electrolíticos polarizados conectados en serie + a + (o - a -). Dichos condensadores electrolíticos con clasificación de CA tienen pérdidas tan altas que solo se pueden usar para trabajos intermitentes (1 segundo encendido, 60 segundos apagado) como el arranque del motor. Un condensador para el funcionamiento del motor no debe ser de construcción electrolítica, sino de un tipo de polímero de menor pérdida.

Motor de inducción de motor de fase dividida de resistencia

Si un devanado auxiliar de muchas menos vueltas de cable más pequeño se coloca a 90 ^o eléctrico al devanado principal, puede arrancar un motor de inducción monofásico. (Figura abajo) Con menor inductancia y mayor resistencia, la corriente experimentará menos desplazamiento de fase que el devanado principal. Se pueden obtener aproximadamente 30 ^o de diferencia de fase. Esta bobina produce un par de arranque moderado, el cual es desconectado por un interruptor centrífugo a 3/4 de velocidad síncrona. Esta disposición simple (sin condensador) sirve bien para motores de hasta 1/3 caballos de fuerza (250 vatios) que conducen cargas fácilmente arrancadas.

Motor de inducción de motor de fase dividida de resistencia.

Este motor tiene más par de arranque que un motor de polo sombreado (siguiente sección), pero no tanto como un motor bifásico construido a partir de las mismas partes. La densidad de corriente en el devanado auxiliar es tan alta durante el arranque que el consiguiente aumento rápido de la temperatura impide el reinicio frecuente o las cargas de arranque lentas.

Corrector de factor de potencia Nola

Frank Nola de la NASA propuso un corrector de factor de potencia para mejorar la eficiencia de los motores de inducción de CA a mediados de la década de 1970. Se basa en la premisa de que los motores de inducción son ineficientes a menos de plena carga. Esta ineficiencia se correlaciona con un bajo factor de potencia. El factor de potencia menor que la unidad se debe a la corriente de magnetización requerida por el estator. Esta corriente fija es una proporción mayor de la corriente total del motor a medida que disminuye la carga del motor. A carga ligera, no se requiere la corriente de magnetización completa. Se podría reducir disminuyendo el voltaje aplicado, mejorando el factor de potencia y la eficiencia. El corrector del factor de potencia detecta el factor de potencia y disminuye el voltaje del motor, restaurando así un factor de potencia más alto y disminuyendo las pérdidas.

Dado que los motores monofásicos son aproximadamente de 2 a 4 veces más ineficientes que los motores trifásicos, existe un potencial de ahorro de energía para los motores de 1 φ. No hay ahorros para un motor completamente cargado ya que se requiere toda la corriente de magnetización del estator. El voltaje no se puede reducir. Pero hay ahorros potenciales de un motor menos que completamente cargado. Un motor nominal de 117 VCA está diseñado para funcionar a tan alto como 127 VCA, tan bajo como 104 VCA. Eso significa que no está completamente cargado cuando se opera a más de 104 VCA, por ejemplo, un refrigerador de 117 VCA. Es seguro que el controlador de factor de potencia baje el voltaje de línea a 104-110 VCA. Cuanto mayor sea el voltaje de línea inicial, mayores serán los ahorros potenciales. Por supuesto, si la compañía eléctrica entrega más cerca de 110 VCA, el motor funcionará de manera más eficiente sin ningún dispositivo adicional.

Cualquier motor de inducción monofásico sustancialmente inactivo, 25% FLC o menos, es un candidato para un PFC. Sin embargo, necesita operar una gran cantidad de horas al año. Y cuanto más tiempo esté al ralentí, como en una sierra para madera, punzonadora o cinta transportadora, mayor será la posibilidad de pagar por el controlador en pocos años de operación. Debería ser más fácil pagarlo por un factor de tres en comparación con el motor 3-φ-motor más eficiente. El costo de un PFC no se puede recuperar por un motor que opera solo unas pocas horas al día. [7]

Resumen: Motores de inducción monofásicos

• Los motores de inducción monofásicos no son de arranque automático sin un devanado auxiliar del estator accionado por una corriente desfasada de cerca de 90 ^o. Una vez iniciado el devanado auxiliar es opcional.
• El devanado auxiliar de un motor de condensador de división permanente tiene un condensador en serie con él durante el arranque y el funcionamiento.
• Un motor de inducción de arranque por condensador solo tiene un condensador en serie con el devanado auxiliar durante el arranque.
• Un motor de funcionamiento por condensador típicamente tiene un condensador electrolítico grande no polarizado en serie con el devanado auxiliar para arrancar, luego un condensador no electrolítico más pequeño durante el funcionamiento.
• El devanado auxiliar de un motor de fase dividida de resistencia desarrolla una diferencia de fase frente al devanado principal durante el arranque en virtud de la diferencia de resistencia.