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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRICA Y ELECTRONICA ESCUELA DE INGENIERIA ELECTRICA
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MOTORES MONOFASICOS DE INDUCCION Los motores eléctricos monofásicos de inducción son una alternativa para las localidades donde no existe la alimentación trifásica tal como las residencias, oficinas, zonas rurales, etc. Dentro de la variedad de tipos los motores con jaula de ardilla se destacan por su simple fabricación y principalmente por su robustez, confiabilidad y larga vida sin necesidad de un mantenimiento calificado. Los motores monofásicos tienen solo una fase de alimentación, no poseen campo giratorio como en los polifásicos, pero si tienen un campo magnético pulsante, esto impide que se proporcione un torque en el arranque ya que el campo magnético inducido en el rotor está alineado con el campo del estator. Para solucionar el problema del arranque es que se utiliza un bobinado auxiliar que son dimensionados adecuadamente y posicionados de tal forma que se crea una fase ficticia, permitiendo de esta manera la formación de un campo giratorio necesario en la partida.
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MOTORES MONOFASICOS DE INDUCCION Los motores eléctricos monofásicos de inducción son una alternativa para las localidades donde no existe la alimentación trifásica tal como las residencias, oficinas, zonas rurales, etc. Dentro de la variedad de tipos los motores con jaula de ardilla se destacan por su simple fabricación y principalmente por su robustez, confiabilidad y larga vida sin necesidad de un mantenimiento calificado. Los motores monofásicos tienen solo una fase de alimentación, no poseen campo giratorio como en los polifásicos, pero si tienen un campo magnético pulsante, esto impide que se proporcione un torque en el arranque ya que el campo magnético inducido en el rotor está alineado con el campo del estator. Para solucionar el problema del arranque es que se utiliza un bobinado auxiliar que son dimensionados adecuadamente y posicionados de tal forma que se crea una fase ficticia, permitiendo de esta manera la formación de un campo giratorio necesario en la partida.
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IMPORTANTE Son máquinas que poseen una fase y cuentan con sus características características mas importantes son : -
Tienen un campo magnético pulsante. Carece de un campo magnético giratorio. El campo magnético del estator esta en fase con el rotor . Las características características anteriores dificultan dificult an crear un torque.
En consecuencia necesitamos contar con un dispositivo que logrre crear un torque para que el motor pueda ponerse en funcionamiento. De aquí la presencia del bobinado de arranque.
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BOBINADO MONOFASICO
BOBINADO DE ARRANQUE
BOBINADO DE TRABAJO
1
U
2
3
4
5
6
7
W
8
9
10
X
11 12 13 14 15
V
16 17 18 19
Y
20
21 22 23 24
Z
PREPARADO PARA TRABAJAR CON DOS TENSIONES 110 Y 220 VOLTIOS
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MOTOR DE FASE PARTIDA
TIPOS DE MOTORES.- Existen básicamente cinco tipos de motores monofásicos con rotor jaula de ardilla clasificados de acuerdo a las necesidades del torque de arranque. - Motor de fase dividida.- Posee un arrollamiento principal y otro auxiliar (solo para la partida), ambos desfasados 90 grados eléctricos. El arrollamiento auxiliar crea un desequilibrio de fase produciendo el torque y aceleración necesarios para la rotación inicial. Cuando el motor llega a tener una velocidad determinada la fase auxiliar se desconecta de la red a travez de una llave que normalmente actúa por una fuerza centrífuga (llave centrífuga), tambien puede darse el caso que es reemplazado por un relé de corriente o una llave externa. Como el bobinado auxiliar es dimensionado solo para el arranque, si no se desconecta se quemará. Se fabrica hasta 1 CV. El ángulo de desfasaje entre las corrientes de los bobinados de trabajo y arranque es reducido, es por ésta razón que éstos motores tienen un torque de arranque igual al nominal o ligeramente superior al nominal limitando su aplicación a cargas mucho mas exigentes. 6
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BOBINADO DE ARRANQUE
L1
BOBINADO DE TRABAJO
ROTOR JAULA DE ARDILLA
L2 LLAVE CENTRIFUGA 7
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CARACTERISTICAS DE TORQUE
VS
VELOCIDAD DEL MOTOR
MONOFASICO DE FASE DIVIDIDA 250
200 A N I M O N E U Q150 R O T L E D
% N 100 E ( E U Q R O T 50
0 0
10
20
30
40
50
60
70
VELOCIDAD ( EN % DE LA VELOCIDAD SINCRONA )
80
90
100
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MOTOR DE FASE PARTIDA
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CARACTERISTIOCAS DE FUNCIONAMIENTO
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MOTOR CON CAPACITOR DE ARRANQUE
Es un motor semejante al de fase partida. La principal diferencia reside en la inclusión de un capacitor electrolítico conectado en serie con el bobinado de arranque. El capacitor permite un mayor ángulo de desfasaje entre las corrientes de de los arrollamientos de trabajo y arranque. El circuito de arranque es desconectado cuando el motor se halla entre el 75 a80 % de la velocidad síncrona. Para velocidades mayores entre 80 a 90 % de la velocidad síncrona , la curva de torque con los arrrollamientos combinados cruza la curva del torque del bobinado de trabajo, de manera que, para velocidades encima de éste punto el motor desarrolla menor torque para cualquier deslizamiento con el circuito de arranque. Debido al cruzamiento de las curvas no ocurren siempre en el mismo punto, por lo que el disyuntor centrífugo no abre siempre exactamente a la misma velocidad . En la práctica resulta muy comun que la apertura suceda en el medio un poco antes del cruzamiento de las curvas. Con su elevado torque de arranque entre 200 a 350 % del torque nominal, este motor puede ser utilizado en una variedad de aplicaciones y es fabricado en potencias que varía de 1/4 a 15 CV. 11
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BOBINADO DE ARRANQUE
L1
BOBINADO DE TRABAJO
ROTOR JAULA DE ARDILLA
CAPACITOR DE ARRANQUE
L2 LLAVE CENTRIFUGA 12
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CARACTERISTICAS DE TORQUE VS VELOVIDAD DE UN MOTOR MONOFASICO CON CAPACITOR DE ARRANQUE
300
250
A N I M O200 N E U Q R O T L 150 E D % ( E U 100 Q R O T
50
0 0
10
20
30
40
50
60
70
VELOCIDAD ( % DE LA VELOCIDAD SINCRONA )
80
90
100
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MOTOR CON CAPACITOR PERMANENTE
En este tipo de motor el bobinado de arranque y el capacitor se hallan permanentemente energizados. El efecto de éste capacitor es de crear las condiciones de flujo muy semejantes a los estudiados en los motores polifásicos, aumentando con esto el torque máximo, el rensdimiento y el factor de potencia. Así mismo se reduce sensiblemente el ruido. Constructivamente son mejores pues no utilizan contactos en sus partes móbiles. Poseen un torque de arranque bajo ( 50 a 100 % T nominal ) limitando su aplicación a cargas pesadas. Son fabricados normalmente para potencias de 1/50 a 1.5 CV.
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BOBINADO DE ARRANQUE
L1
BOBINADO DE TRABAJO
ROTOR JAULA DE ARDILLA
CAPACITOR PERMANENTE
L2
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CARCATERISTICAS DE TORQUE VS VELOCIDAD DE UN MONOFASICO
CON CAPACITOR
MOTOR
PERMANENTE
250
200
A N I M O N E U 150 Q R O T L E D %100 ( E U Q R O T 50
0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
VELOCIDAD ( % DE LA VELOCIDAD SINCRONA )
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MOTOR CON DOS CAPACITORE : DE ARRANQUE Y PERMANENTE Es un motor que utiliza: - Un capacitor permanente y - Un capacitor de arranque Con la reunión de éstas características se obtiene un motor de excelentes características de torque, eficiencia y factor de potencia. Se construyen motores superiores a 1CV. El costo de fabricación es elevado y solo se justifica para potencias mayores de 3 CV.
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BOBINADO DE ARRANQUE
L1
BOBINADO DE TRABAJO
ROTOR JAULA DE ARDILLA
CAPACITOR PERMANENTE
CAPACITOR DE ARRANQUE LLAVE CENTRIFUGA
L2
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CARACTERISTICAS DE TORQUE VS VELOCIDAD DE UN MOTOR MONOFASICO CON DOS CAPACITORES: ARRANQUE Y PERMANENTE
400
350
A 300 N I M O N E 250 U Q R O T L 200 E D % ( 150 E U Q R O T 100
50
0 0
10
20
30
VELOCIDAD
40
50
60
70
( % DE LA VELOCIDAD SINCRONA )
80
90
100
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EFICIENCIA EN MOTORES ASINCRONOS MONOFASICOS
100
95
90 MOTOR CON DOS CAPACITORES 85
80 % ( A I C 75 N E I C I F E 70
MOTOR CONVENCIONAL
65
60
55
50 0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
5.5
POTENCIA UTIL ( HP )
6
6.5
7
7.5
8
8.5
9
9.5
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FACTOR DE POTENCIA EN MOTORES ASINCRONOS MONOFASICOS
1
0.95 MOTOR CON DOS CAPACITORES 0.9
0.85
I C N E 0.8 T O P E 0.75 D R O T C 0.7 A F
MOTOR CONVENCIONAL
0.65
0.6
0.55
0.5 0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
5.5
6
POTENCIA UTIL ( HP )
6.5
7
7.5
8
8.5
9
9.5
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CORRIENTE EN MOTORES ASINCRONOS TRIFASICOS
60
50
MOTOR CONVENCIONAL
S 40 O I R E P M A ( 30 E T N E I R R O C 20
MOTOR CON DOS CAPACITORES
10
0 0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
5.5
POTENCIA UTIL ( HP )
6
6.5
7
7.5
8
8.5
9
9.5
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MOTOR DE POLOS SOMBREADOS
Se destaca entre los motores monofásicos por la simplicidad en el arranque, bajo costo y muy buena confiabilidad. Se subdividen en tres tipos: de polos salientes , tipo esqueleto y de arrollamientos distribuidos. El mas conocido es el de polos salientes, observese que una parte de cada polo (en general 25 a 30 % del mismo) es abrazada por una espira de cobre en corto circuito. La corriente inducida en esta espira con el flujo que la atravieza sobre un retrazo con relación al flujo de la parte no abrazada de la misma. El resultado de éste efecto es semejante al campo giratorio que se mueve en dirección de la parte no abrazada hacia la parte abrazada del polo, produciendo el torque que hará que el motor arranque hasta su velocidad nominal. El sentido de rotación depende del lado en que se sitúa la parte abrazada del polo. Consecuentemente este tipo de motor tiene un único sentido de rotación. Tambien presentan un bajo torque(15 a 50 % de la nominal), bajo rendimiento y bajo factor de potencia, motivo por el cual se fabrican hasta 0.25 CV. 34
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CARACTERISTICAS DE TORQUE
VS
VELOCIDAD DE UN
MOTOR MONOFASICO DE POLOS SOMBREADOS 140
120
A N I 100 M O N E U Q R 80 O T L E D 60 % ( E U Q R 40 O T
20
0 0
10
20
30
40
50
60
70
VELOCIDAD ( % DE LA VELOCIDAD SINCRONA )
80
90
100
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SISTEMAS DE ACCIONAMIENTO EN MOTORES ASINCRONOS MONOFASICOS
CIRCUITO DE FUERZA
CIRCUITO DE CONTROL R S T
T R
95 96
L.T.
97 98 T.E.
CISTERNA
OFF C.
R.T.
C ON
A1 C A2
M 1φ
ON
OFF (R.T.)
T S
ESQUEMA DE MOTORES MONOFASICOS UTILIZADOS COMO ELECTROBOMBAS DE AGUA CON CISTERNA Y TANQUE ELEVADO
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DIAGRAMA DE BLOQUES EN LA INSTALACION DE ELECTROBOMBAS MONOFASICAS INSTALACION COMPLETAMENTE AUTOMATIZADA
TABERIAS DE IMPULSION TANQUE ELEVADO TABERIAS DE SUPCION TABLERO ELECTRICO
ELECTROBOMBA
CISTERNA
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CIRCUITO EQUIVALENTE DEL MOTOR MONOFASICO
- J XC
RC
R1P
a² R1A
JX1P
Ja² X1P
R2’ / 2S JXM / 2
EBP
JX2’/2
Ja² XM / 2
EBA
a² R2’1 / S Ja² X2’ / S
V RM
a² R2’1 / 2 ( 2-S)
R2’ / 2 ( 2 - S ) JXM / 2
Ja² XM / 2
EBPR JX2’ / 2
EBAF
Ja² X2’ / 2
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Continuacion DONDE V = Tensión nominal en voltios. R1P = Resistencia del bobinado principal. X1P = Reactancia del bobinado principal. RM = Resistencia de pérdidas en el núcleo. XM = Reactancia de magnetización. R2’ = Reistencia del rototr referida al estator. X2’ = Reactancia del rotor referida al estator. Rc = Resistencia de pérdidas del condensador. Xc = Reactancia del condensador. R1A = Resistencia del bobinado auxiliarl. X1A = Reactancia de dispersión del bobinado auxiliar. a = Relación de vueltas del bobinado auxiliar respecto al principal. EBP = Tensión inducida en el bobinado principal. EBPR = Tensión inducida debido al bobinado auxiliar. EBA = Tensión inducida en el bobinado auxiliar. EBAF = Tensión inducida debido al bobinado principal.
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ANALISIS DE LAS PRUEBAS 1.- ENSAYOS DE VACIO ( S Iφ
Iφ
0 )
R1P + ( R2’ / 4K2 )
Iφ
IM
V RM
XM ( 2K2 ² - 1 ) J --------------------2K2
V
K2 = 1 + X2’ / XM
Considerando Iφ = Iφ’
Rφ = R1P + R2’ / 4K2
Xφ
Xφ = XM ( 2K2² - 1 ) / 2K2 Zφ = Vφ / Iφ
Rφ
JXφ
= XM ( 2K2 ² - 1 ) / 2K2
XM = 2K2 Xφ / ( 2K² - 1 ) Calculando XM obtenemos :
Rφ = Wφ / Iφ ² Xφ = { Zφ ² - Rφ ² } ½
XM = [ 4 Uo FD / Kc FS g ] { Tce / p } ² 42
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Continuacion DONDE Uo F D Tce P Kc g’ FS g
= Permeabilidad del vacio. = Frecuencia de la red. = Diámetro del estator. = Total de conductores efectivos. = Número de polos. = Factor de entrehierro. g ’ = Kc . g = Entrehierro corregido. Kc = Kc1 . Kc2 = Factor de saturación. = Entrehierro.
Pero RM =
V φ / Wfe.
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ANALISIS DE LAS PRUEBAS 2.- ENSAYOS DE CORTO CIRCUITO ( S = 1 ) Icc R1P
JX1P
R2’ / K2²
Vcc X2’ / K2
Zcc =
Vcc / Icc
Asuiendo
Rcc =
Wcc / Icc ²
Xcc =
Xcc = { Zcc ² - Rcc ² } ½ Rcc =
R1P + [ R2’ / K2 ]
Xcc
X1 + X2’ / K2
=
X1 = X2
X1 + x2’ = 2 X1 X1 = Xcc / 2
R2’ = ( Rcc - R1P ) / K2²
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ANALISIS DE LAS PRUEBAS 3.- OPERACION NORMAL
R1P
J X1P R2’ / 2s JXM / 2 J X2’ / 2
V
RM R2’ / 2 ( 2 - s ) JXM / 2
J X2’ / 2
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