Introducción.

Al igual que los motores de inducción trifásicos son predominantes en cargas que requieren potencias medias y elevadas (entornos industriales), los motores monofásicos de corriente alterna se pueden considerar como los motores universales para cargas de baja potencia y entornos domésticos.

Esta universalidad se debe fundamentalmente a dos motivos; el primero es que los motores monofásicos más utilizados —los de inducción— comparten con los motores trifásicos homónimos su sencillez constructiva, robustez y fiabilidad. El segundo es la ubicuidad de la redes eléctricas monofásicas.

En el presente tema se tratará, fundamentalmente, la constitución, el funcionamiento y las característicasde los motores monofásicos de inducción. Aunque los motores conmutados siguen estando presentes en en pequeños electrodomésticos, su uso es cada vez más marginal, por lo que no merece la pena su estudio sistemático.

Motores de inducción.

Construcción y tipología.

Como todas las máquinas eléctricas rotativas, los motores de inducción están constituidos por una parte fija; el estator, y una móvil; el rotor.

El estator, a parte proporcionar la estructura soporte del motor, alberga los devanados inductores. Está fabricado a partir de chapas de acero aleadas con silicio, apiladas y aisladas entre sí para minimizar la aparición de corrientes parásitas.

El rotor,construido de la misma forma que el estator (chapas de acero laminadas y aisladas), alberga los conductores del inducido. Estos conductores suelen ser de cobre o aluminio —en forma de pletinas, bobinas conformadas o inyectados en la estructura rotórica– unidos en ambos lados por sendos anillos que las cortocircuitan. Esta estructura forma una especie de jaula que abraza al rotor, por lo que se les suele denominar motores de jaula de ardilla.

Funcionamiento y características.

Principio de funcionamiento.

El principio de funcionamiento es similar al de los motores trifásicos de inducción; la creación de un campo giratorio en el estator, la inducción por este campo de corrientes inducidas en el rotor y la interacción entre campo e intensidad rotórica, que proporciona el par de giro al motor.

En principio, en un motor monofásico alimentado en alterna no se crearía un campo magnético giratorio y, efectivamente, estos motores permanecen en reposo cuando son conectados. Sin embargo, si se les imprime un giro en cualquier sentido, el motor acelerará y permanecerá girando siempre en ese sentido. Es evidente que, de alguna forma, se ha establecido un campo giratorio.

Hay dos explicaciones a la creación de los campos giratorios de los motores monofásicos:

Campos giratorios opuestos: Ferraris demostró que un campo que varía senoidalmente en el tiempo se puede descomponer en dos campos senoidales iguales, que giran en sentidos opuestos, y cuyos valores máximos sean la mitad del valor del campo inicial.

Según esta explicación, el rotor reacciona ante ambos campos giratorios, creando dos pares opuestos de igual magnitud que resultan en un par neto nulo. En estas circunstancias el motor no girará en ningún sentido.

Si de alguna forma se hace girar al rotor en una dirección, el par que corresponde a esa dirección se sobrepondrá al contrario, acelerando el motor hasta casi la velocidad del campo que produce dicho par (sincronismo).

En todo momento actúan ambos pares, pero el par antagonista (opuesto al giro) será muy bajo respecto al par motor. Esto se debe a que la frecuencia de las corrientes inducidas son altas (el doble de las del campo), siendo también muy alta la reactancia rotórica y el desfase entre campo e intensidad.

Campos cruzados: Según esta interpretación del fenómeno, una vez que se imprime un giro al motor, el campo giratorio se crea por la la suma del campo que crea la reacción del inducido con el campo inductor.

Así, con el motor en reposo el único campo existente será el campo pulsante creado por el estator. Cuando se imprime un movimiento al rotor, se creará un nuevo campo desfasado aproximadamente 90° espaciales y 90° temporales con el campo estatórico —debido a la reactancia rotórica—. La suma de estos dos campos creará el campo giratorio.

Arranque.

Los motores monofásicos de inducción no pueden arrancar por si solos, por lo que se necesitan usar medios auxiliares que proporcionen el par de arranque necesario.

Los medios auxiliares más utilizados son:

• Fase partida: Consiste en disponer, entre los polos principales, unos polos auxiliares con mayor resistencia y menor reactancia que los primeros. De esta forma, las intensidades de los dos devanados estarán desfasadas entre sí, produciendo una especie de campo giratorio que permite que arranque el motor. Cuando este coge velocidad, se desconecta el devanado auxiliar —usando un interruptor centrífugo, por ejemplo—.
• Motores con condensador: En estos motores se usa un condensador para dividir la fase. Con este método se pueden conseguir desfases de casi 90°, con lo que el motor es prácticamente bifásico. El par de arranque de estos motores es más elevado que el de los de fase partida, además, el condensador puede permanecer conectado permanentemente sin afectar de forma apreciable al factor de potencia.
• Polo blindado o espira de sombra: En cada polo se coloca una espira de baja resistencia en cortocircuito. Estas espiras producen un flujo desfasado en el tiempo que proporciona el par de arranque por interacción con los conductores del rotor. Los pares de arranque así producidos son muy bajos, por lo que solo se usa este método en motores de muy baja potencia.

Funcionamiento en vacío.

Cuando el motor funciona en vacío, el par resistente será únicamente el correspondiente a las pérdidas mecánicas del rotor cuando gira. En este estado el deslizamiento es muy bajo, así como la reactancia del inducido y el desfase entre f.e.m. e intensidad, que será prácticamente la intensidad de magnetización.

Funcionamiento en carga.

Según aumenta la carga del motor se producen los siguientes efectos:

1. Aumenta el par resistente.
2. Disminuye la velocidad del rotor, por lo que aumenta el deslizamiento.
3. Al aumentar el deslizamiento aumentan la magnitud de las f.e.m. y de las intensidades rotóricas.
4. Al aumentar las intensidades rotóricas el par motor aumenta.

Este proceso continuará hasta que el par motor iguale al par resistente.

Motores conmutados.

Se denominan motores conmutados a aquellos motores en los que la corriente rotória se suministra externamente a través de un conmutador de delgas y escobillas.

Constructivamente, estos motores son muy similares a los motores de corriente continua, por lo que se suelen diseñar para que puedan ser utilizados por ambos tipos de corrientes. Son los denominados motores universales.

Constitución y tipología.

Desde el punto de vista constructivo, los motores monofásicos conmutados son muy similares a los motores de continua, siendo su constitución básica:

• Estator, da soporte a la máquina y a los polos encargados de generar el campo magnético inductor.
• Rotor, fabricado con chapas metálicas aisladas y ranuradas. Sirve de soporte a las bobinas del devanado rotórico.
• Colector, instalado sobre el eje rotórico y formado por una corona de delgas de cobre conectadas a las bobinas del inducido y aisladas entre sí. Hace las veces de interfase, junto a las escobillas, entre el rotor y la red eléctrica exterior. Es el encargado de conmutar la corriente en los devanados rotóricos.

Dada las particularidades de la corriente alterna, hay algunas diferencias constructivas con los motores de corriente continua:

• La estructura del inductor se fabrica mediante el apilamiento de chapas aisladas para evitar la aparición de corrientes parásitas por el efecto de la corriente alterna.
• Se reducen el número de espiras de los polos inductores para disminuir todo lo posible la reactancia.
• La reducción del número de espiras obliga a reducir la reluctancia para se logre un flujo adecuado. Para ello se reduce al mínimo el entrehierro, aumentando la permeabilidad y permitiendo trabajar con flujos reducidos.
• Los flujos reducidos implican que, para lograr un par equivalente al de un motor de continua de igual potencia, el número de espiras del inducido deben aumentarse (el par es proporcional al número de espiras y al flujo que estas cortan).
• Al tener un inducido más grande, la reacción del inducido es elevada, por lo que es necesario el uso de devanados compensadores en los polos estatóricos.
• Se aumenta el número de polos para que, en el inducido, la f.e.m. inducida por espira no sea muy elevada y facilite la conmutación. A su vez, se aumenta el número de delgas y el tamaño del colector.

En cuanto a las tipologías, los motores monofásicos de conmutación solo usan la configuración serie. Es decir, el devanado inductor y el inducido se conectan en serie. Esto es debido a que la conexión paralelo producirían un desfase cercano a los 90° entre el flujo inductor y la corriente inducida, por lo que el par resultante sería tan bajo que impediría su aplicación práctica. Un tipo de particular de motores de conmutación serie son los motores de repulsión, en los que las escobillas se cortocircuitan y se giran con relación al eje de campo.

Funcionamiento y características.

Como en todos los motores eléctricos, el funcionamiento se basa en la interacción entre la intensidad de corriente y los campos magnéticos.

En el caso de los motores conmutados, la corriente del inducido se genera externamente, mediante la tensión de alimentación. Esta corriente interactua con el campo inductor para crear el par mecánico correspondiente, que será proporcional al flujo y a la intensidad.

Los motores conmutados tienen mayores pares de arranque y velocidades que los motores de inducción, por lo que pueden desarrollar más potencia que estos últimos. El inconveniente es que el uso de colectores y escobillas hace que sean menos fiables y necesiten un mayo mantenimiento.

Relaciones eléctricas y mecánicas.

Independientemente del tipo de alimentación, en todos los motores se cumplen una serie de relaciones fundamentales que determinan sus características eléctricas y mecánicas. Estas son, fundamentalmente, las referidas a la interacción entre las intensidades y los campos magnéticos, y su relación con el par motor de las máquinas.

En el presente apartado se cogen las expresiones más relevantes tanto para los motores de inducción, como para los conmutados.

Motores de inducción.

Velocidad de sincronismo.

Deslizamiento.

Para que un motor de inducción funcione es necesario la creación de intensidades inducidas en el rotor. Esto es posible solo cuando el rotor gira a una velocidad inferior a la de rotación del campo (exsite un movimiento relativo).

A la diferencia entre la velocidad del campo y la del rotors se le denomina deslizamiento:

\(s=\dfrac{n-n_2}{n}\)

Tensiones inducidas.

La tensión inducida en un devanado es proporcional a la velocidad angular —velocidad con la que el devanado corta a las líneas de flujo— y al flujo que lo atraviesa. Es decir:

\(e(t)_{ind}=\phi_{max}\omega sen(\omega t)\)

En general, la tensión inducida de cualquier máquina depende de:

• Las características constructivas de la máquina; número de espiras, número de ramas en paralelo, etc.
• La velocidad angular (velocidad de rotación).
• El flujo magnético.